以嵌入式控制器為基礎的自動控制系統的設計與實現

摘 要：隨著嵌入式系統的不斷發展，其在工業測控、智能化設備及其家具等各種領域均得到了廣泛的應用，特別是在自動化控制領域，嵌入式系統的應用更加普遍。因此，本文就嵌入式控制器及嵌入式系統進行了分析，并重點就其在自動化控制系統中的設計與實現進行了研究，以期進一步提高自動化控制系統的功能，推動其朝著更加開放化的方向發展。

關鍵詞：嵌入式控制器；嵌入式系統；自動控制系統

作為嵌入式系統中十分典型的一種，嵌入式控制器自誕生之日即受到了各領域的普遍關注。對于基于嵌入式控制器的系統而言，其設計過程同傳統設計過程存在著一定差異，因此，以嵌入式控制器為基礎，進行自動化控制系統的設計時，必須以嵌入式控制器及嵌入式系統的相關設計理論為依據了進行。進行基于嵌入式控制器的自動化控制系統的設計過程中，應當對軟件響應速度、電源的消耗以及內存空間的占用情況等進行考慮，且還需將軟、硬件的結構進行統一的協調，最終構成一個整體。

1 嵌入式控制器與嵌入式系統

作為嵌入式計算機其中的一種類型，嵌入式控制器（MCU）通常是將某種處理器的內核作為核心，并在芯片的內部進行了RAM、總線邏輯、ROM/EPROM、總線、定時/計數器、I/O、看門狗、串行端口、D/A、脈寬調制輸出、A/D、E2PROM、Flash RAM等等多種必須功能及外設的集成，此外，還需要一具體需求為依據進行必要數字量及模擬量的I/O模塊、通信模塊、運動控制模塊等的添加和設置。嵌入式控制器將計算機作為功能強大的軟件系統，有效實現了信號及數據分析、運算以及處理，并借助于I/O接口實現了信號的采集、調理及其測量，并完成了多種測試功能，在諸如自動化控制等領域中均得到了廣泛的應用。

作為虛擬儀器中的一種，嵌入式控制器是傳統儀器同計算機技術結合之下的產物之一，其通常包括如下兩個部分，即硬件與軟件，通常而言，而嵌入式控制器的硬件主要是通過數據采集卡（DAQ）與PC共同構成的測試系統，其主要借助于GPIB、VXI、PXI、Serial以及Field-bus等標準總線分別構成了GPIB、VXI、串口及現場總線等系統。嵌入式控制器硬件中的D/A、A/D、通信模塊、存儲器同計算機相結合，同時，以串口通信標準為基礎，構成了一個虛擬儀器系統，其作為板級嵌入式計算機之一，主要具有如下幾個方面的特點：1）體積較小，因此，能夠滿足工業自動化控制領域對于空間布局方面的日益嚴苛的要求；2）可靠性較強，嵌入式控制器能夠適應一般性以及較為苛刻的環境條件，且具有極強的抗干擾能力；3）速度極高，嵌入式控制器可以快速完成數據的傳輸及其計算，因而具有較好的實時性；4）智能化水平較高，且使用過程較為方便，具有強大的功能。因此，嵌入式控制器在電子、通訊、國防、航天、汽車、工業控制、儀表儀器、自動化辦公等領域均得到了十分廣泛的應用。

下文以嵌入式控制器為基礎進行了自動控制系統的設計，利于嵌入式控制器所具有的這些特點解決了各類系統試驗綜合后難以實現復雜性邏輯以及可靠程度較低等一系列問題，并實現了自動控制系統實時性的大幅度提高。

2 以嵌入式控制器為基礎的自動化控制系統的設計與實現

本文所設計的基于嵌入式控制器的自動化控制系統總體設計結構圖見圖1所示：

2.1 硬件的設計

本文所及設計系統中，核心處理器為以ARM7TDMI-S內核為基礎的LPC2210微控制器。此芯片不僅功能極為強大，且功耗相當低，具有多個32位的定時器，具有8路10位的ADC、外部中斷管腳多達九個，且具有PWM輸出，因而特別適合在工業自動化控制、醫療管理系統、訪問自動控制以及POS系統中進行應用。系統為了進行總線的配置，借助于LPC2210微控制器所提供的76個GPIO，因內部進行了較寬范圍串行通信接口的設置，因而使得LPC2210微控制器能夠適應協議轉換器、嵌入式軟件調制解調器、通信網關及其它多種類型的應用。此外，以自動化控制系統中數據存儲、處理及控制等的需求，進行系統的設計時，還在芯片所自帶16K SRAM以及128K FLASH的基礎上進行了8M PSRAM以及16M FLASH的擴展。基于嵌入式控制器的自動控制系統硬件結構圖見圖2所示：

2.2 軟件的設計

同Windows環境中進行應用程序的開發不同，嵌入式控制器進行自動控制系統的開發過程中存在著宿主機與目標機兩種不同的角色。其中，前者主要負責進行編譯、定址以及鏈接等過程的執行；而目標機則主要負責進行嵌入式軟件相關硬件平臺的運行。因此，基于嵌入式控制器的自動控制系統的開發就是以此種交叉開發環境為基礎進行的。

此外，進行軟件設計過程中還應考慮到操作系統這一環節，如何選擇一個合適有效的操作系統也相當重要，本文所設計系統中的操作系統選擇的是嵌入式Linux操作系統。進行操作系統的選定之后，即可對指定硬件平臺中的多種工具進行使用了，例如編譯器、定位器以及鏈接器等等。此外，調試也是嵌入式自動控制系統開發過程中十分重要的環節之一，其主要包括了調試的方法及其方案。其中，調試方法主要包括了ITAG及在線仿真器、指令集模擬器以及駐留監控軟件等等。而調試的方案主要包括了快速原型仿真方案以及實時在線調試方案等等。

3 結束語

綜上所述，采用嵌入式控制器及其相關操作系統，例如LINUX等，不僅大幅度提高了自動控制系統的可靠性及處理運算能力，還實現了成本的大幅降低，因而可以進一步進行系統設計的優化，方便用戶的使用過程，可以完全對傳統工控機以及PLC技術進行替代，并解決了工控機以及Windows操作系統穩定性不足等一系列問題，能夠滿足工業生產過程中對于連續性、穩定性以及可靠性等方面的需求。此外，為了便于企業局域網的構建，還可以借助于LPC2210微控制器內部設置的通訊模塊，不僅可以實現企業生產過程的網絡化管理，還可以推動企業逐步朝著現代化及信息化管理方面發展。

參考文獻

[1]王學龍.嵌入式Linux系統設計與應用[M].北京：清華大學出版社， 2001.

[2]李善平等.Linux與嵌入式系統[M].北京：清華大學出版社，2003.