基于嵌入式的智能化网络化自动仪表

2019-11-03 18:02:23

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供稿：网友

韩冬　张宏建　浙江大学控制科学与工程学系自动化仪表研究所

　　摘　要：从高级嵌入式系统在仪器仪表中的应用角度，介绍了软硬件协同设计的设计思想，以及各种嵌入式处理器；讨论了嵌入式Internet接入技术、实时操作系统对于自动化仪表发展的影响；指出基于嵌入式的智能化网络化仪表是自动化仪表的发展趋势。并且介绍了设计开发的一种基于嵌入式PC104的智能化网络化仪表。

　　关键词：嵌入式系统；软硬件协同设计；嵌入式Internet接入；实时操作系统

0　嵌入式系统和自动化仪表　　

　　嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。目前基于嵌入式的系统大致可分为3类：

　　①基于单片机的MCU系统。一般是8位或16位的处理器，集成度较高，控制功能比较丰富。但是存储器容量比较小，系统资源有限，功能不够强大。

　　②以PC104为代表的工业化的单板机。在保留其强大功能的同时，实现了小型化、模块化、低功耗、较高的可靠性。但是硬件的剪裁只能从板卡级进行一些选择，灵活性不够。

　　③以32位嵌入式处理器为核心（MPU或DSP），按照应用的要求对硬件实现完全剪裁，有嵌入式操作系统支持的强大软件平台，具有最低冗余度和最大专用性的高级专用计算机系统。

　　针对特定的自动化仪表的要求，合理剪裁软硬件，实现高集成度、低冗余、小型化，使得自动化仪表不仅具有传感测量、补偿计算、显示的功能，还具有更加强大的信息处理、比较推理、故障自诊断自测试、自学习自适应等智能化功能。应用嵌入式的网络接入技术，还能使仪表完成远程维护、远程控制、故障预报、信息发布与共享等以前无法实现的功能。嵌入式系统的应用，为仪器仪表行业的发展带来了广阔的前景。

1　自动化仪表设计的新模式———软硬件协同设计　　

　　传统的仪器仪表设计顺序是先进行系统的硬件设计，后进行软件设计，再进行系统的集成测试。这时，如果发现系统硬件的错误或者系统结构的缺陷，要修正相当困难。可能导致系统的重新设计，这不仅延长了开发周期，增加了开发成本，而且难以满足快速变化的市场要求。

　　在嵌入式系统的研究开发中，人们认识到软件与硬件的开发不应是独立的、分离的，而应是协同的、一致的。即在软件与硬件实现之前，对软硬析所实现的功能进行划分，产生一个最佳的分解方案，同时在硬件开发之前，应对包含软件、硬件的嵌入式系统所实现的功能进行验证，以确保系统的实现与最初的功能规格说明相一致［1］。

　　这就是一种新的设计模式———软硬件协同设计。该思想对于自动化仪表的设计是很有借鉴意义的。软硬件协同设计可分为4个阶段：系统功能描述和划分阶段、软硬件设计阶段、协同模拟阶段、软硬件综合阶段［2、3］。如图1所示。

　

　　①系统功能描述和划分：在设计的初期就对系统的功能和性能进行验证，采用和实现无关的语言描述系统的功能，可以采用VHDL作为算法级的描述语言，也可以通过对C语言进行必要的修改与扩充作为行为级的描述语言，以便对系统功能进行模拟验证。

　　②软硬件功能分解：在系统功能描述的基础上，根据设计目标和约束条件进一步对系统进行分解，划分软硬件部分，使系统设计能够并行进行，且系统方案接近最优。

　　③系统协同模拟：软硬件设计完毕，通过通信和同步机制对整个系统综合模拟验证，及时发现并修正系统设计偏差。

　　④软硬件综合：模拟通过后进行软硬件综合，最后完成整个系统的设计。硬件构件的综合可由硬件高层综合、逻辑综合、版图综合等几个不同阶段构成。软件构件的综合包括软件高级综合、编译、汇编等几个阶段。

　　采用这种新的设计思想，不仅能够降低设计成本，缩短设计周期，而且避免了重复设计，提高了设计的合理性和成功率。

2　新型自动化仪表的核心———高性能嵌入式处理器　　

　　目前的自动化仪表大多采用8位或者16位的微控制器（单片机），虽然在一定程度上做到了智能化，但是随着需要实现的功能越来越多，越来越复杂，已经有些力不从心。同时，微电子技术、芯片技术、集成电路工艺的飞速发展，使得高性能的嵌入式处理器的价格、体积、功耗都不断降低，新型仪器中使用高性能的嵌入式处理器已成为可能［4］。

　　嵌入式微处理器目前主要有Intel、AMD及其他X86兼容厂商生产的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处理器市场占绝对优势的ARM系列等［5］。

　　嵌入式DSP处理器系统结构和指令进行了特殊设计，适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较快。在数字滤波、FFT、谱分析等方面具有突出的优势，比较有代表性的产品是TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。

　　为了满足各种不同应用的需求，CPU生产商还提供了专用的集成化处理器。以32位处理器为内核，处理器中还集成了许多外围的功能。如Motoro－la68360是一个32位内核（CPU32＋）的集成通信用CPU，它最大特点是集成了一个通信系统，内含4路同步协议的协议通道，可以支持HDLC、T1／E1、ISDN等通信协议。ARM系列的微处理器种类更多，有专用于网络的、通信的、集成DSP协处理器的，还有支持java的等等。

　　用户可以根据自动化仪表的具体应用要求，以及功耗、体积、性能、价格等综合因素，选择合适的嵌入式微处理器。并在此基础上实现更加高级的算法，提供更加强大的功能。

3　嵌入式Internet技术使自动化仪表实现网络化

　　实现自动化仪表与Internet连接的想法其实很早以前就有了，主要的困难在于，Internet上的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，而仪器仪表大多使用的是8位和16位MCU，支持TCP／IP等Internet协议将占用大量系统的资源，或根本不可能［6］。除了采用高性能的32位处理器及相应硬件平台之外，对于现存的8位和16位仪器仪表，嵌入式也提供了网络化的解决方案［7］。其中比较有代表性的技术是嵌入式微型互联网技术EMIT（Embedded Micro Internet Technology），如图2所示。

　

　　　EMIT采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，网络协议的实现主要放在该网关上。网关通过RS－232、RS－485、CAN、红外、射频等轻量级总线与多个嵌入式设备联系起来，每个嵌入式设备将自身的工作参数反馈到网关中；同时网关可以发送命令，修改设备中的变量，或进行某种控制。这样仅通过增加一个网关，就解决了嵌入式设备上Inter－net的问题；网关可以同时管理多个嵌入式设备，从而提高嵌入式网络的结构化、智能化、浏览信息资源的归一化，并具有迄今为止其他解决方案无可比拟的性能价格比优势。

　　通过嵌入式Internet接入技术，新型的仪器仪表与计算机一样，成为网络中的独立节点，实现基于Internet的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传／下载数据文件等功能；用户通过浏览器或符合规范的应用程序也可实时浏览到所需的信息。

　　总之，自动化仪表的网络化释放了系统的潜力，改变了测量技术的以往面貌，打破在同一地点进行采集、分析和显示的传统模式；依靠Internet和网络技术，已能够和将能够有效地控制远程仪器设备，在任何地方进行采集、分析和显示。4　嵌入式实时操作系统RTOS使自动化仪表产生质的飞跃

　　

　　自动化仪表不一定需要实时操作系统，而且在以往的仪器仪表中由于处理器功能、存储器容量等限制，实时操作系统也难以实现应用。随着仪器仪表硬件功能的增强，成本的降低，功能要求的增加和复杂化，需要实时操作系统对多个任务进行合理协调调度，管理系统资源的要求越来越迫切。同时，各种嵌入式实时操作系统不断出现，对硬件配置要求不再苛刻，实时性不断增强，效率不断提高，有些还提供了对网络协议的支持，使得在自动化仪表中使用实时操作系统成为可能。

　　使用RTOS的优点有以下几方面，首先RTOS支持多任务，应用程序被分解成多个任务，程序开发变得更加容易、便于维护、易读易懂、提高了开发效率、缩短了开发周期。再者，计算机对关键事件的处理在延迟时间上有保证，即系统的实时性、稳定性、可靠性会得到提高。

　　目前，国外开发商提供的嵌入式操作系统为数众多，主要有Vxworks、pSOS、QNX、PSOSystem、NucleusPLUS、WinCE等；国内主要有Hopen、桑夏2000、DeltaOS等。此外还有相当多的基于linux的嵌入式操作系统。用户可以根据应用的需要，从任务调度、内存管理、内存开销、任务切换时间、最大中断禁止时间等几个方面来衡量和选择适当的实时操作系统。

　　在功能强大的嵌入式处理器及其硬件平台的支持下，凭借实时操作系统的高效调度和管理，在基于嵌入式的新型自动化仪表中，软件具有了突出的地位。软件不再附属于硬件，仅仅完成测量、计算、显示等功能，而成为处理能力很强的智能模块，能够实现人工智能的方法和技术，使自动化仪表能够实现复杂的信号处理算法，进行频谱分析，并以分析、比较和推理的结果输出相应的控制信息，能够自诊断自测试，经内部协调和重组自动修复，适应外界的变化自补偿自适应，通过自校准（校准零点、增益等）来保证自身的准确度。不仅如此，还能通过自学习处理更多更复杂的测控程序。软件成为仪器智能化程度高低的决定性因素。以软件为核心的虚拟仪器，也成为自动化仪表发展的一个重要方向。5　基于PC104的智能化网络化仪表

　　

　　采用软硬件协同设计的思想，笔者设计开发了基于嵌入式PC104的智能化、网络化仪表用于多相流检测，如图3所示。该系统采用研华PCM3350嵌入式低功耗PC104CPU模块和PCM3718高性能数据采集模块，实现了小体积、低功耗、高集成度和高可靠性。使用WinCE嵌入式操作系统，其高度的模块化、增强的实时性能、友好的视窗界面、丰富的通讯方式给系统提供了强大的功能支持和灵活的选择。仪表具有实时数据采集、分析计算、动态曲线显示、故障自诊断、通过以太网接入远程传输等功能，是一种新型的智能化网络化仪表。

　　

　6　结束语

　　

　　嵌入式系统在各个领域的研究和应用已经成为热点，对于自动化仪表的发展而言，采用新的设计模式，选择高性能的嵌入式微处理器，在实时操作系统的强大支持下，设计和开发高级智能化网络化的新型仪器仪表，必将成为行业发展的趋势。

参考文献

［1］郭晓东，刘积仁．嵌入式系统的协同设计［J］．计算机科学，1999，26（9）．

［2］王世好，严迎建，吴清平．嵌入式系统软硬件协同设计环境构造与实现方法［J］．计算机工程与应用，2002，（12）．

［3］Wolf W H．Hardware－Software Co－Design of Embedded Sys－tems［J］．PRoc．ofIEEE．1994，82（7）：967－989．

［4］Jean J．Labrosse．袁勤勇，黄绍金，唐青，等译．嵌入式系统构件［M］．北京：机械工业出版社，2002．2．

［5］马忠梅，马广云，徐英慧，等．ARM嵌入式处理器结构与应用基础［M］．北京航空航天大学出版社，2002．1．

［6］Burton HLee．Embedded InternetSystems：Poised for Take　off［J］．Internet Computing，1998，2（3）：612－625．

［7］刘立芳，齐小刚．远程设备实时监控管理系统的设计与实现［J］．计算机工程，2000，26（4）：91－92．

摘自　工业仪表与自动化装置

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