基于嵌入式的智能化網(wǎng)絡(luò)化自動儀表

韓冬　張宏建　浙江大學控制科學與工程學系自動化儀表研究所


　　摘　要：從高級嵌入式系統(tǒng)在儀器儀表中的應(yīng)用角度，介紹了軟硬件協(xié)同設(shè)計的設(shè)計思想，以及各種嵌入式處理器；討論了嵌入式Internet接入技術(shù)、實時操作系統(tǒng)對于自動化儀表發(fā)展的影響；指出基于嵌入式的智能化網(wǎng)絡(luò)化儀表是自動化儀表的發(fā)展趨勢。并且介紹了設(shè)計開發(fā)的一種基于嵌入式PC104的智能化網(wǎng)絡(luò)化儀表。


　　關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；軟硬件協(xié)同設(shè)計；嵌入式Internet接入；實時操作系統(tǒng)



0　嵌入式系統(tǒng)和自動化儀表　　


　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。目前基于嵌入式的系統(tǒng)大致可分為3類：


　�、倩�于單片機的MCU系統(tǒng)。一般是8位或16位的處理器，集成度較高，控制功能比較豐富。但是存儲器容量比較小，系統(tǒng)資源有限，功能不夠強大。


　　②以PC104為代表的工業(yè)化的單板機。在保留其強大功能的同時，實現(xiàn)了小型化、模塊化、低功耗、較高的可靠性。但是硬件的剪裁只能從板卡級進行一些選擇，靈活性不夠。


　�、垡�32位嵌入式處理器為核心（MPU或DSP），按照應(yīng)用的要求對硬件實現(xiàn)完全剪裁，有嵌入式操作系統(tǒng)支持的強大軟件平臺，具有最低冗余度和最大專用性的高級專用計算機系統(tǒng)。


　　針對特定的自動化儀表的要求，合理剪裁軟硬件，實現(xiàn)高集成度、低冗余、小型化，使得自動化儀表不僅具有傳感測量、補償計算、顯示的功能，還具有更加強大的信息處理、比較推理、故障自診斷自測試、自學習自適應(yīng)等智能化功能。應(yīng)用嵌入式的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，還能使儀表完成遠程維護、遠程控制、故障預報、信息發(fā)布與共享等以前無法實現(xiàn)的功能。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，為儀器儀表行業(yè)的發(fā)展帶來了廣闊的前景。



1　自動化儀表設(shè)計的新模式———軟硬件協(xié)同設(shè)計　　


　　傳統(tǒng)的儀器儀表設(shè)計順序是先進行系統(tǒng)的硬件設(shè)計，后進行軟件設(shè)計，再進行系統(tǒng)的集成測試。這時，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)硬件的錯誤或者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺陷，要修正相當困難�？赡軐е孪到y(tǒng)的重新設(shè)計，這不僅延長了開發(fā)周期，增加了開發(fā)成本，而且難以滿足快速變化的市場要求。


　　在嵌入式系統(tǒng)的研究開發(fā)中，人們認識到軟件與硬件的開發(fā)不應(yīng)是獨立的、分離的，而應(yīng)是協(xié)同的、一致的。即在軟件與硬件實現(xiàn)之前，對軟硬析所實現(xiàn)的功能進行劃分，產(chǎn)生一個最佳的分解方案，同時在硬件開發(fā)之前，應(yīng)對包含軟件、硬件的嵌入式系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能進行驗證，以確保系統(tǒng)的實現(xiàn)與最初的功能規(guī)格說明相一致［1］。


　　這就是一種新的設(shè)計模式———軟硬件協(xié)同設(shè)計。該思想對于自動化儀表的設(shè)計是很有借鑒意義的。軟硬件協(xié)同設(shè)計可分為4個階段：系統(tǒng)功能描述和劃分階段、軟硬件設(shè)計階段、協(xié)同模擬階段、軟硬件綜合階段［2、3］。如圖1所示。


　




　�、傧到y(tǒng)功能描述和劃分：在設(shè)計的初期就對系統(tǒng)的功能和性能進行驗證，采用和實現(xiàn)無關(guān)的語言描述系統(tǒng)的功能，可以采用VHDL作為算法級的描述語言，也可以通過對C語言進行必要的修改與擴充作為行為級的描述語言，以便對系統(tǒng)功能進行模擬驗證。


　�、谲浻布�功能分解：在系統(tǒng)功能描述的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計目標和約束條件進一步對系統(tǒng)進行分解，劃分軟硬件部分，使系統(tǒng)設(shè)計能夠并行進行，且系統(tǒng)方案接近最優(yōu)。


　�、巯到y(tǒng)協(xié)同模擬：軟硬件設(shè)計完畢，通過通信和同步機制對整個系統(tǒng)綜合模擬驗證，及時發(fā)現(xiàn)并修正系統(tǒng)設(shè)計偏差。


　�、苘浻布�綜合：模擬通過后進行軟硬件綜合，最后完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。硬件構(gòu)件的綜合可由硬件高層綜合、邏輯綜合、版圖綜合等幾個不同階段構(gòu)成。軟件構(gòu)件的綜合包括軟件高級綜合、編譯、匯編等幾個階段。


　　采用這種新的設(shè)計思想，不僅能夠降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，而且避免了重復設(shè)計，提高了設(shè)計的合理性和成功率。



2　新型自動化儀表的核心———高性能嵌入式處理器　　


　　目前的自動化儀表大多采用8位或者16位的微控制器（單片機），雖然在一定程度上做到了智能化，但是隨著需要實現(xiàn)的功能越來越多，越來越復雜，已經(jīng)有些力不從心。同時，微電子技術(shù)、芯片技術(shù)、集成電路工藝的飛速發(fā)展，使得高性能的嵌入式處理器的價格、體積、功耗都不斷降低，新型儀器中 使用高性能的嵌入式處理器已成為可能［4］。


　　嵌入式微處理器目前主要有Intel、AMD及其他X86兼容廠商生產(chǎn)的X86嵌入式CPU，Motorola的68000、IBM和Motorola的Power PC，日立公司的SH，SGI公司的MIPS，以及在嵌入式的RISC處理器市場占絕對優(yōu)勢的ARM系列等［5］。


　　嵌入式DSP處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計，適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較快。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面具有突出的優(yōu)勢，比較有代表性的產(chǎn)品是TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。


　　為了滿足各種不同應(yīng)用的需求，CPU生產(chǎn)商還提供了專用的集成化處理器。以32位處理器為內(nèi)核，處理器中還集成了許多外圍的功能。如Motoro－la68360是一個32位內(nèi)核（CPU32＋）的集成通信用CPU，它最大特點是集成了一個通信系統(tǒng)，內(nèi)含4路同步協(xié)議的協(xié)議通道，可以支持HDLC、T1／E1、ISDN等通信協(xié)議。ARM系列的微處理器種類更多，有專用于網(wǎng)絡(luò)的、通信的、集成DSP協(xié)處理器的，還有支持Java的等等。


　　用戶可以根據(jù)自動化儀表的具體應(yīng)用要求，以及功耗、體積、性能、價格等綜合因素，選擇合適的嵌入式微處理器。并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)更加高級的算法，提供更加強大的功能。



3　嵌入式Internet技術(shù)使自動化儀表實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化


　　實現(xiàn)自動化儀表與Internet連接的想法其實很早以前就有了，主要的困難在于，Internet上的各種通信協(xié)議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，而儀器儀表大多使用的是8位和16位MCU，支持TCP／IP等Internet協(xié)議將占用大量系統(tǒng)的資源，或根本不可能［6］。除了采用高性能的32位處理器及相應(yīng)硬件平臺之外，對于現(xiàn)存的8位和16位儀器儀表，嵌入式也提供了網(wǎng)絡(luò)化的解決方案［7］。其中比較有代表性的技術(shù)是嵌入式微型互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)EMIT（Embedded Micro Internet Technology），如圖2所示。

　




　　　EMIT采用桌面計算機或高性能的嵌入式處理器作為網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)主要放在該網(wǎng)關(guān)上。網(wǎng)關(guān)通過RS－232、RS－485、CAN、紅外、射頻等輕量級總線與多個嵌入式設(shè)備聯(lián)系起來，每個嵌入式設(shè)備將自身的工作參數(shù)反饋到網(wǎng)關(guān)中；同時網(wǎng)關(guān)可以發(fā)送命令，修改設(shè)備中的變量，或進行某種控制。這樣僅通過增加一個網(wǎng)關(guān)，就解決了嵌入式設(shè)備上Inter－net的問題；網(wǎng)關(guān)可以同時管理多個嵌入式設(shè)備，從而提高嵌入式網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)化、智能化、瀏覽信息資源的歸一化，并具有迄今為止其他解決方案無可比擬的性能價格比優(yōu)勢。


　　通過嵌入式Internet接入技術(shù)，新型的儀器儀表與計算機一樣，成為網(wǎng)絡(luò)中的獨立節(jié)點，實現(xiàn)基于Internet的遠程數(shù)據(jù)采集、遠程控制、自動報警、上傳／下載數(shù)據(jù)文件等功能；用戶通過瀏覽器或符合規(guī)范的應(yīng)用程序也可實時瀏覽到所需的信息。


　　總之，自動化儀表的網(wǎng)絡(luò)化釋放了系統(tǒng)的潛力，改變了測量技術(shù)的以往面貌，打破在同一地點進行采集、分析和顯示的傳統(tǒng)模式；依靠Internet和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已能夠和將能夠有效地控制遠程儀器設(shè)備，在任何地方進行采集、分析和顯示。

4　嵌入式實時操作系統(tǒng)RTOS使自動化儀表產(chǎn)生質(zhì)的飛躍

　　


　　自動化儀表不一定需要實時操作系統(tǒng)，而且在以往的儀器儀表中由于處理器功能、存儲器容量等限制，實時操作系統(tǒng)也難以實現(xiàn)應(yīng)用。隨著儀器儀表硬件功能的增強，成本的降低，功能要求的增加和復雜化，需要實時操作系統(tǒng)對多個任務(wù)進行合理協(xié)調(diào)調(diào)度，管理系統(tǒng)資源的要求越來越迫切。同時，各種嵌入式實時操作系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，對硬件配置要求不再苛刻，實時性不斷增強，效率不斷提高，有些還提供了對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，使得在自動化儀表中使用實時操作系統(tǒng)成為可能。


　　使用RTOS的優(yōu)點有以下幾方面，首先RTOS支持多任務(wù)，應(yīng)用程序被分解成多個任務(wù)，程序開發(fā)變得更加容易、便于維護、易讀易懂、提高了開發(fā)效率、縮短了開發(fā)周期。再者，計算機對關(guān)鍵事件的處理在延遲時間上有保證，即系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性、可靠性會得到提高。


　　目前，國外開發(fā)商提供的嵌入式操作系統(tǒng)為數(shù)眾多，主要有Vxworks、pSOS、QNX、PSOSystem、NucleusPLUS、WinCE等；國內(nèi)主要有Hopen、桑夏2000、DeltaOS等。此外還有相當多的基于Linux的嵌入式 操作系統(tǒng)。用戶可以根據(jù)應(yīng)用的需要，從任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、內(nèi)存開銷、任務(wù)切換時間、最大中斷禁止時間等幾個方面來衡量和選擇適當?shù)膶崟r操作系統(tǒng)。


　　在功能強大的嵌入式處理器及其硬件平臺的支持下，憑借實時操作系統(tǒng)的高效調(diào)度和管理，在基于嵌入式的新型自動化儀表中，軟件具有了突出的地位。軟件不再附屬于硬件，僅僅完成測量、計算、顯示等功能，而成為處理能力很強的智能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)人工智能的方法和技術(shù)，使自動化儀表能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的信號處理算法，進行頻譜分析，并以分析、比較和推理的結(jié)果輸出相應(yīng)的控制信息，能夠自診斷自測試，經(jīng)內(nèi)部協(xié)調(diào)和重組自動修復，適應(yīng)外界的變化自補償自適應(yīng)，通過自校準（校準零點、增益等）來保證自身的準確度。不僅如此，還能通過自學習處理更多更復雜的測控程序。軟件成為儀器智能化程度高低的決定性因素。以軟件為核心的虛擬儀器，也成為自動化儀表發(fā)展的一個重要方向。

5　基于PC104的智能化網(wǎng)絡(luò)化儀表

　　


　　采用軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想，筆者設(shè)計開發(fā)了基于嵌入式PC104的智能化、網(wǎng)絡(luò)化儀表用于多相流檢測，如圖3所示。該系統(tǒng)采用研華PCM3350嵌入式低功耗PC104CPU模塊和PCM3718高性能數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)了小體積、低功耗、高集成度和高可靠性。使用WinCE嵌入式操作系統(tǒng)，其高度的模塊化、增強的實時性能、友好的視窗界面、豐富的通訊方式給系統(tǒng)提供了強大的功能支持和靈活的選擇。儀表具有實時數(shù)據(jù)采集、分析計算、動態(tài)曲線顯示、故障自診斷、通過以太網(wǎng)接入遠程傳輸?shù)裙δ埽�是一種新型的智能化網(wǎng)絡(luò)化儀表。



　　


　
6　結(jié)束語

　　


　　嵌入式系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已經(jīng)成為熱點，對于自動化儀表的發(fā)展而言，采用新的設(shè)計模式，選擇高性能的嵌入式微處理器，在實時操作系統(tǒng)的強大支持下，設(shè)計和開發(fā)高級智能化網(wǎng)絡(luò)化的新型儀器儀表，必將成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。




參考文獻




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摘自　工業(yè)儀表與自動化裝置