關于新型自動化儀表幾點研究

摘要：自動化儀表的設計，隨著網(wǎng)絡化和數(shù)字化的發(fā)展，呈現(xiàn)集成化、小型化的特點。本文介紹了各種嵌入式處理器的特點，結合嵌入式系統(tǒng)，對于軟硬件協(xié)同設計，討論了網(wǎng)絡接入和實時操作處理，不僅可以完成傳感測量、補償計算和現(xiàn)實功能，還可以進行信息處理和自適應學習等智能功能，指出了嵌入式的網(wǎng)絡智能化儀表是自動化儀表的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 自動化儀表 智能化 網(wǎng)絡化

近年來，微電子技術、計算機與通信技術飛速發(fā)展，自動化儀表也跨入新技術領域中，通信和網(wǎng)絡技術、智能化技術和新型元器件應用對于自動化儀器影響很大，應用嵌入式的網(wǎng)絡接入技術，不僅能完成遠程控制和維護、對于預報故障和信息發(fā)布與共享等功能都可能實現(xiàn)。使得自動化儀表不僅具有傳感測量、補償計算、顯示等功能，還具有更加強大的信息處理、比較推理、故障自診斷自測試、自學習自適應等智能化功能。嵌入式系統(tǒng)的應用，為儀器儀表行業(yè)的發(fā)展帶來了發(fā)展前景。

一、自動化儀表設計的新模式———軟硬件協(xié)同設計

傳統(tǒng)的儀器儀表設計程序是，首先對于系統(tǒng)的硬件設計，然后進行設計系統(tǒng)軟件，再進行調試和測試。如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)結構有錯誤或者硬件錯誤，才要修改會顯得復雜而難以進行，一般需要重新進行設計，這樣會對開發(fā)的進程有影響，使得開發(fā)周期變長，成本增加。

軟硬件協(xié)同設計即CoDesign，這是一種新的設計模式。在嵌入式系統(tǒng)的研究中，軟件和硬件的開發(fā)是相輔相成的，對于軟硬件進行功能劃分，即先對系統(tǒng)功能進行描述，劃分功能；在設計階段，先對包括軟硬件的嵌入式系統(tǒng)進行功能實現(xiàn)的一個驗證，以確定功能和要求相符合，需要協(xié)同模擬和測試；最后才是軟硬件的綜合。

這種思想很快速適應市場的需求，功能劃分明確使得開發(fā)周期短，而且對于自動化儀表的設計有推動作用。對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，分成系統(tǒng)功能劃分。軟硬件設計、協(xié)同模擬和綜合四個階段：

1.系統(tǒng)功能描述和劃分：首先對系統(tǒng)的功能采用與編程語言無關的語言描述，比如采用初級語言進行，也可用算法級的描述語言來編寫，以便對系統(tǒng)功能有效的模擬。

2.軟硬件功能分解：對系統(tǒng)進行軟硬件的劃分，對于限制條件和設計方向要有一定的考慮，對系統(tǒng)進一步劃分，使得方案完善和合理。

3.系統(tǒng)協(xié)同模擬：軟件設計及綜合及硬件設計及綜合，通過同步機制和通信，對整個系統(tǒng)進行協(xié)同模擬，綜合實現(xiàn)，并且能及時改正系統(tǒng)設計的問題。

4．軟硬件綜合：協(xié)同模擬后，對軟硬件綜合集成，完成整個系統(tǒng)的設計。其中軟件構件包括綜合、編譯和匯編等階段；硬件構件包括硬件綜合、邏輯綜合和半途綜合等不同階段。軟硬件協(xié)同設計方法采用并行設計和寫作設計的思想，提高了設計效率，縮短了設計周期。

嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計在系統(tǒng)層的步驟為：需求分析和定義產(chǎn)品，提取要求；概念層設計為系統(tǒng)模型的構造；體系結構層設計，是軟硬件協(xié)同的綜合過程；詳細層設計師包括軟硬件及界面的設計；系統(tǒng)設計評價。

二、新型自動化儀表的核心———高性能嵌入式處理器

單片機等微型控制器是目前大多數(shù)自動化儀表中所采用的，隨著其智能化程度增高，實現(xiàn)功能越來越復雜，對于嵌入式處理的要求更高，不僅要求體積和能耗降低，同時隨著芯片和集成電路的發(fā)展，使得高性能處理器的價格也降低，所以新型儀器中可以使用高性能的嵌入式處理器。

對于自動化儀表的設計，考慮數(shù)字濾波、譜分析和FFT，所以用編譯效率高，執(zhí)行速度快的指令比較適合，比如，摩托羅拉的DSP560000系列和TI的TMS320系列，嵌入式ＤＳＰ處理器系統(tǒng)結構和指令，軟件算法DSP具有執(zhí)行速度快的特點。

通過專業(yè)化的集成處理器可以實現(xiàn)很多外圍功能，比如摩托羅拉的32位內核運算集成一個通信系統(tǒng)，包括支持不同通信協(xié)議的同步協(xié)議通道。ARM微型處理器種類很多，包括集成DSP協(xié)同處理器的，專用于通信的，支持Java功能的和專用于網(wǎng)絡的等等，滿足了各種不同的應用需要，用戶可以根據(jù)需求，選擇適合的嵌入微處理器，通過設計實現(xiàn)更多功能和算法。

嵌入式Internet技術使自動化儀表實現(xiàn)網(wǎng)絡化

實現(xiàn)自動化儀表的網(wǎng)絡化包括在網(wǎng)絡上通信協(xié)議運算，需要計算機的運算速度較高，而大多數(shù)網(wǎng)絡協(xié)議是TCP/IP，使用8位和16位的MCU，占用大量的系統(tǒng)資源，這使得自動化儀表與網(wǎng)絡連接有一定的困難。所以需要采用更高性能的處理器以及更高性能的硬件平臺，對現(xiàn)有儀器儀表進行網(wǎng)絡化的解決方案。比如嵌入式微型互聯(lián)網(wǎng)技術EMIT，即Embedded Micro Internet Technology，它是采用MCU系統(tǒng)通過emMicro emNet協(xié)議接入輕型網(wǎng)絡，網(wǎng)絡協(xié)議emGateWay、emNet協(xié)議主要是在采用PC或者嵌入式處理器作為網(wǎng)關，網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)是主要放在該網(wǎng)關上的。

這樣增加了一個網(wǎng)關就可以解決嵌入式儀器上網(wǎng)的問題，網(wǎng)關可以作為提高嵌入式網(wǎng)絡結構化的管理工具，管理多個嵌入式設備。通過嵌入式網(wǎng)絡接入，使得新型儀器可以獨立實現(xiàn)網(wǎng)絡遠程控制、數(shù)據(jù)采集、上傳下載等功能。這樣就釋放了系統(tǒng)的潛力，不局限于同一地點的采集、分析和顯示的固有模式，依靠分散的網(wǎng)絡和網(wǎng)絡技術，可以進行遠程控制儀器，并且用戶可以通過瀏覽器看到所需的信息。

嵌入式實時操作系統(tǒng)ＲＴＯＳ使自動化儀表產(chǎn)生質的飛躍

實時操作系統(tǒng)在自動化儀表中，往往由于處理器功能和存儲等限制，很難實現(xiàn)。隨著各種嵌入式實時操作系統(tǒng)不斷出現(xiàn)，對于硬件的配置要求，不是像之前功能多、成本低、比較復雜，要求實時操作系統(tǒng)對任務合理調度，實時性增強，效率提高，管理系統(tǒng)資源合理，使得自動化儀表可以支持網(wǎng)絡協(xié)議，使得實時操作可行性增加。

根據(jù)任務需要，從調度和內存的管理、任務切換和中斷時間來衡量實時操作系統(tǒng)。對于硬件平臺，需要嵌入式處理器的調度管理高效，對于軟件部分，不依賴硬件，可以完成新的處理計算和顯示等功能，實現(xiàn)人工智能處理的模塊化，對于相應的輸入和輸出結果進行診斷分析，比較推理判斷測試，通過自適應補償來校準儀器的準確性，以來保證自身的準確度。

新型自動化儀表的嵌入智能化系統(tǒng)，可以通過自學習去處理更復雜的測試控制程序，作為以軟件為核心的智能虛擬機器，處理更多更復雜的程序。

綜上，嵌入式系統(tǒng)是今后各個領域發(fā)展的新的方向，對于新型自動化儀表來說，采用新的協(xié)同設計模式，選用嵌入式微處理器。可以開發(fā)和設計高級智能化網(wǎng)絡化的儀器儀表，在實時操作系統(tǒng)的強大支持下，技術將越來越成熟。