嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

紀(jì)磊

【摘要】國內(nèi)高端的嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)中有類似PC104系統(tǒng)，但是很長一段時(shí)間，該系統(tǒng)都是國外進(jìn)口的，核心技術(shù)難以掌握，所以實(shí)現(xiàn)核心元器件的自主研制對提高工控系統(tǒng)產(chǎn)品意義重大。本文就此展開對于嵌入式工控機(jī)的系統(tǒng)分析，并且提出了初步的設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】嵌入式；工控機(jī)；系統(tǒng)；分析；設(shè)計(jì)

到目前為止，嵌入式傳統(tǒng)軟件甚至還不能完成代碼復(fù)用，更談不上跨嵌入式操作系統(tǒng)或跨硬件操作平臺(tái)，更甚至把嵌入式軟件的模式抽象成語言的形式。所以對于嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)來說，嵌入式系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)是其中最為重要的環(huán)節(jié)，本文就針對此來展開分析。

一、嵌入式工控機(jī)定義及特點(diǎn)

1、定義

嵌入式工控機(jī)，更時(shí)髦的叫法是盒式電腦或無風(fēng)扇工控機(jī)，英文全稱Embedded Industrial Computer。嵌入式工控機(jī)通俗的說就是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)緊湊的計(jì)算機(jī)。

工控機(jī)經(jīng)常會(huì)在環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，對數(shù)據(jù)的安全性要求也更高，所以工控機(jī)通常會(huì)進(jìn)行加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等特殊設(shè)計(jì)。

2、技術(shù)特點(diǎn)

工控機(jī)對于擴(kuò)展性的要求也非常高，接口的設(shè)計(jì)需要滿足特定的外部設(shè)備，因此大多數(shù)情況下工控機(jī)需要單獨(dú)定制才能滿足需求。

（1）采用符合“EIA”標(biāo)準(zhǔn)的全金屬工業(yè)機(jī)箱，增強(qiáng)了抗電磁干擾能力。

（2）機(jī)箱內(nèi)無風(fēng)扇，靠機(jī)殼散熱。

（3）配有高度可靠的工業(yè)電源，并有過壓、過流保護(hù)。

（4）電源及鍵盤均帶有電子鎖開關(guān)，可防止非法開、關(guān)和非法鍵盤輸入。

（5）具有自診斷功能。

（6）設(shè)有“看門狗“定時(shí)器，在因故障死機(jī)時(shí)，無需人的干預(yù)而自動(dòng)復(fù)位。

（7）便于多任務(wù)的調(diào)度和運(yùn)行。

二、嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)簡介

嵌入式系統(tǒng)是一種將計(jì)算機(jī)技術(shù)作為基礎(chǔ)，將應(yīng)用作為中心目的，軟硬件皆可裁剪來適應(yīng)特定應(yīng)用的，對成本、體積、可靠性、功耗、功能都有相對嚴(yán)格要求的專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用形式，亦被稱為埋藏式計(jì)算機(jī)。而嵌入式軟件，即是嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的用來完成具體的功能的軟件。嵌入式系統(tǒng)對其的要求是，要代碼精簡且效率高，要對異步并發(fā)的事件有很高的處理能力，要能夠?qū)崟r(shí)處理事件并要有足夠快的響應(yīng)速度。

下圖為嵌入式系統(tǒng)的簡要發(fā)展歷程：

嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)主要包括了文檔和程序，可分成應(yīng)用軟件、支撐軟件、系統(tǒng)軟件等。我們普遍上將嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的所有軟件都叫做嵌入式軟件。應(yīng)用軟件：指基于特定的用途而開發(fā)的用于響應(yīng)類嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用程序的整體集合。支撐軟件：包括調(diào)軟件、用戶使用界面的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議、開發(fā)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫等。系統(tǒng)軟件：Windows CE、Hopen 中嵌入式的 Linux、pSOS、Vxworks等。嵌入式軟件由于其所需的運(yùn)行環(huán)境有極強(qiáng)的特殊性，因而開發(fā)應(yīng)用相對困難，要從其開發(fā)環(huán)境、功能要求、體系結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面來研究。

二、嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與管理模塊主要負(fù)責(zé)對計(jì)算機(jī)串口通信的指定款口號、串口的通信參數(shù)以及串口數(shù)據(jù)的具體獲取方式等各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后接受從下位單片機(jī)之中發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，通過簡單的格式處理之后，將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫之中，并且利用Micros oft SQLSERVER2000 的數(shù)據(jù)庫管理功能，對信息進(jìn)行基本的管理操作。

可視化顯示模塊主要負(fù)責(zé)將上述采集的具體數(shù)據(jù)以及經(jīng)過處理、分析之后的數(shù)據(jù)結(jié)果通過二維圖形的方式進(jìn)行顯示，該圖形需要能夠滿足打印、存儲(chǔ)以及局部放大等功能，并且鼠標(biāo)在改圖形的曲線上移動(dòng)的同時(shí)，能夠同步顯示不同位置的數(shù)據(jù)信息。

數(shù)據(jù)比較模塊主要負(fù)責(zé)對不同數(shù)據(jù)的比較，這種比較主要包括將采樣數(shù)據(jù)與基本模型數(shù)據(jù)比較以及將采樣數(shù)據(jù)與采樣數(shù)據(jù)之間進(jìn)行比較。前者能夠發(fā)現(xiàn)本次與上次檢測的數(shù)據(jù)差異，而后者則能夠?qū)ν粶y試者的不同成績或者不同測試者的成績進(jìn)行比較。比較的結(jié)果可以通過圖形化的方式直觀的顯示出來，從而便于發(fā)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間的差異。

數(shù)據(jù)計(jì)算與分析模塊主要負(fù)責(zé)對采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的數(shù)據(jù)處理和分析，按照預(yù)定的分析方案，通過計(jì)算和比較，從而對結(jié)果做出判斷。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊主要負(fù)責(zé)對基本的采集數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)，這一維護(hù)包括了對采集數(shù)據(jù)的基本信息的添加、修改、編輯以及刪除等，除此之外，還包括了對模型數(shù)據(jù)庫的維護(hù)工作，并且為了便于開展對數(shù)據(jù)庫的維護(hù)工作，還要建立起一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使得對相類似的數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)更為便利。

數(shù)據(jù)輸出模塊主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)分析圖形的輸出以及數(shù)據(jù)的輸出，在圖形輸出以及數(shù)據(jù)輸出方面，具體的輸出方式可以是存儲(chǔ)導(dǎo)出，也可以是打印輸出，或者是將其導(dǎo)出為Acce s s 圖形或位圖數(shù)據(jù)庫輸出。

下位單片機(jī)在根據(jù)預(yù)定的設(shè)置接收到了相關(guān)的測試數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其外部存儲(chǔ)器之中，然后下位單片機(jī)向上位計(jì)算機(jī)發(fā)送握手請求，若握手成功則發(fā)送數(shù)據(jù)，反之則重復(fù)發(fā)送請求，超過三次不成功，則系統(tǒng)提示錯(cuò)誤并且退出。

在上位機(jī)和下位機(jī)之間完成握手之后，上位計(jì)算機(jī)對其串口進(jìn)行初始化炒作，將相關(guān)的參數(shù)配置好，并且做好接受數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，隨后計(jì)算機(jī)向單片機(jī)發(fā)送信號，單片機(jī)經(jīng)由串口向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。上位計(jì)算機(jī)則按照與下位單片機(jī)之間的協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，查看其是否完整，如果不完整，則需要重新發(fā)送。如果結(jié)束后的數(shù)據(jù)經(jīng)檢查完整，則對其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換并且存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫之中。

在完成接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)之后，上位計(jì)算機(jī)開始對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，包括了基本的數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)對比分析、數(shù)據(jù)的分析結(jié)果的可視化顯示、相關(guān)參數(shù)的計(jì)算以及處理結(jié)果的輸出等。

三、總結(jié)

上個(gè)世紀(jì)80 年代移開，中國市場開始廣泛的使用工控機(jī)，而且在通信、導(dǎo)航、控制等領(lǐng)域越來越廣泛的使用，令工控機(jī)的發(fā)展和研究都達(dá)到了一個(gè)特定的高度。國內(nèi)高端的嵌入式工控機(jī)系統(tǒng)中有類似PC104 系統(tǒng)，但是很長一段時(shí)間，該系統(tǒng)都是國外進(jìn)口的，核心技術(shù)難以掌握，所以實(shí)現(xiàn)核心元器件的自主研制對提高工控系統(tǒng)產(chǎn)品意義重大。

（作者單位合肥陸通智能科技有限公司）