基于智能化嵌入技術的自動化儀表開發

張仲義， 聶德品， 汪明珠

(1.皖西學院 實驗實訓教學管理部， 安徽 六安 237012； 2．上海華龍試驗機廠， 上海 201100)

0 引 言

儀器儀表在多個領域的工業生產中都發揮著非常重要的作用，自動化與智能化儀表不僅能夠提供實時數據，同時還可以實現數據的實時傳輸以及加工處理，因此一直以來都是儀器儀表開發的重點[1]。嵌入式技術在儀表開發中的應用對于儀表智能化程度的提升具有非常重要的意義，基于此種情況，文中對此進行了必要的研究與分析。

1 嵌入式技術與自動化儀表

在自動化儀表開發中,嵌入式技術本質是嵌入式系統，即建立在計算機技術的基礎上，能夠實現對系統軟件與硬件有效剪裁的計算機系統，這種計算機系統對應用在可用性、成本與體積方面都具有較為明顯的優勢，現階段較為常用的嵌入式系統主要有以下三種：

1)MCU系統。MCU系統是建立在單片機基礎上實現的計算機系統，該系統具有較高的集成度，同時在控制功能方面也具有較強大的優勢，但是從總體上來說，MCU系統在存儲功能方面所存在的問題已經逐漸無法滿足自動化儀表開發的需求[2]。

2)工業化單機板系統。工業化單機板系統不僅具有強大的功能，同時也具備較高的可靠性，但是在進行硬件剪裁時只能從板卡入手，在靈活性方面存在著較大的缺陷。

3)高級專用計算機系統。高級專用計算機系統是以32位嵌入式處理器為核心，同時按照相關要求實現全面剪裁，同時還配備了功能較為強大的軟件平臺[3]。

自動化儀表開發首先需要滿足儀表開發的具體需求，對系統軟硬件進行必要的剪裁，在實現高精度與集成系統的基礎上進一步提升軟件系統的信息處理能力，使得儀表不僅能實現指標數據顯示與檢測，同時還能進行比較推理、故障自動診斷等功能。嵌入式技術在自動化儀表開發中的應用不僅使儀表能夠具備遠程控制、遠程維護等功能，甚至還能實現信息共享以及遠程交互，可以促進儀表產業的進一步發展。

2 智能化嵌入式技術關鍵技術

2.1 軟硬件協同設計

在傳統的儀表開發中,首先需要進行系統的硬件設計，在完成硬件設計之后再進行系統的集成測試，并進行系統軟件設計。如果在進行軟件設計時才發現系統的硬件設計存在缺陷，則需要花費大量的精力對其進行修正，同時也很有可能導致整個項目的設計必須要全部重新來過，這不僅造成了儀表開發周期的延遲，同時還會進一步導致開發成本的增加[4]。

但是在嵌入式技術中，軟件與硬件的開發并不是完全獨立與分離的，軟件與硬件設計必須要實現協同設計，即在設計之前需要對軟件與硬件所需要實現的功能進行全面劃分，從而得出一個最佳方案，同時在進行硬件開發之前還需要對嵌入式系統所實現的功能進行研究與分析，從而確保系統功能與最初的硬件功能是一致的。

自動化儀表軟硬件協同設計可以被分為四個不同的階段，具體如圖1所示。

圖1 嵌入式系統軟硬件協同設計示意圖

1)系統功能描述與劃分階段：該階段為設計初期階段，主要目的在于功能描述與驗證，一般情況下,可以采用VHDL語言為表述語言，同時也可以選擇C語言作為描述與擴充語言。

2)軟硬件功能分解階段：即在系統功能描述的基礎上對設計目標與約束條件進行劃分，從而確保系統設計能夠有效完成，并對整體系統方案進行優化處理。

3)系統協同設計模擬：完成軟硬件設計之后，對系統通信與同步機制進行驗證，及時解決系統中所存在的問題。

4)軟硬件綜合集成：完成模擬之后對軟件系統與硬件系統進行綜合設計[5]。

軟硬件協同設計不僅能有效縮短設計周期，同時還能進一步降低設計成本，對于設計合理性與成功率提升都具有非常重要的意義。

2.2 嵌入式處理器

目前階段大部分儀器儀表中所采用的處理器都是單片機，只能實現簡單工況下的智能化，隨著工業生產復雜性的提升，自動化儀表所需要實現的功能也逐步增多，這就必然導致單片機已經無力進一步提升自動化儀表的智能性。近幾年,隨著集成電路與電子技術的進一步發展，體積更小、功能更加強大的嵌入式處理器已經投入實際應用當中，因此，在儀表中使用嵌入式處理器已經成為可能。現階段以英特爾與AMD公司所生產的X86處理器、日立公司所生產的SH以及IBM公司所生產的Power PC等嵌入式處理器性能相對較高，同時價格也相對較為合理，在智能化儀表設計中具有較為廣泛的應用[6]。嵌入式處理器需要對系統結構以及指令進行特殊設計，并采用DSP算法，因此，嵌入式處理器在數字濾波以及譜分析方面具有較為強大的優勢。

2.3 嵌入式互聯網

將自動化儀表接入到互聯網中的想法一直以來都是存在的，但是網絡協議對于存儲與運算速度都具有較高的要求，如果在單片機中加載TCP/IP協議則需要占用大量的存儲與計算資源，這勢必會影響儀表的使用。嵌入式處理器的發展則有效解決了這一問題，目前階段嵌入式互聯網在自動化儀表中也已經實現，現階段較為常用的嵌入式互聯網技術為EMIT技術，EMIT技術在自動化儀表中的應用如圖2所示。

圖2 EMIT嵌入式互聯網

EMIT技術的核心在于采用嵌入式處理器為網關，網關通過RS-232、RS-485、CAN、紅外、射頻等輕量級總線與多個嵌入式設備聯系起來,每個嵌入式設備將自身的工作參數反饋到網關中[7]。

3 基于嵌入式技術的自動化儀表系統開發

為了驗證文中所闡述的設計策略，還開發了一款基于嵌入式技術的自動化儀表系統，該系統是基于PC104所開發的，同時也采用了軟硬件協同開發的設計流程。

該系統的主要技術參數如下：

處理器：系統所采用的處理器為研華PCM350處理器，該處理器主要分為兩個不同的模塊，即PCM3718數據采集模塊以及PC104CPU模塊，該處理器在體積與能耗方面具有較為強大的優勢，同時也相對較為穩定，能夠滿足智能化儀表開發的需求[8-9]。

嵌入式系統：該系統中采用WinCE系統，該系統具有高精度模塊，同時在實時性方面具有較為強大的優勢，操作窗口友好，同時還內置了多種通訊系統，允許工作人員根據自己的需求進行選擇，其架構如圖3所示。

圖3 基于PC104的嵌入式儀表系統架構

在該系統中,TFTLCD等相關處理單元的軟件均是通過BorlandC++3.1進行開發的，軟件運行過程中所有的數據均存儲在CPU中，同時也允許系統對脈沖收集器所收集到的信號進行加工與處理，從而提升系統的整體智能化程度。其次，在變送器中還設置了脈沖周期自動計算以及結果推送功能，通過這種方式系統內置的專家系統也能進一步實現對信號的自動診斷，并通過嵌入式互聯網連接到外接專家庫中對相關信息進行診斷與分析，從而進一步提升系統整體的智能化水平。

4 結 語

隨著微電子、信息技術、軟件技術的快速發展，自動化儀表設計也取得了顯著性突破，智能化嵌入技術在自動化儀表開發中的應用已經成為儀表產業的重要趨勢，通過嵌入式技術的應用以及對設計流程的改進不僅能提升儀表的智能性，同時還能提升儀表的基本性能。在不久的將來，基于智能化嵌入式技術在自動化儀表開發中的應用也必然會得到進一步的拓展。

參考文獻：

[1] 吳志群,王舒卉,丁鼎,等.嵌入式系統與現代計量測試[J].儀器儀表標準化與計量,2017(5):34-36.

[2] 徐海剛,李朋偉.μCOS-Ⅱ在船舶儀表系統設計中的應用[J].艦船科學技術,2017,39(10):122-124.

[3] 陳榮保,肖本賢,平兆武,等.自動化儀表及裝置的網絡通信嵌入式技術研究[J].儀表技術,2017(5):8-11，46.

[4] 佚名.2017全國嵌入式儀表及系統技術會議:嵌入式智能系統與測控網絡安全專家論壇征文通知[J].儀表技術,2017(4):48.

[5] 陳榮保,肖本賢,平兆武,等.自動化儀表及裝置的智能化嵌入式技術研究[J].儀表技術,2016(10):10-12,15.

[6] 阮文惠,薛亞娣.高級嵌入式計算機系統在自動化儀器儀表中的應用[J].自動化與儀器儀表,2015(10):56-57.

[7] 佚名.2015全國嵌入式儀表及系統技術會議:嵌入式智能系統與公共服務信息化專家論壇征文通知[J].儀表技術,2015(7):54.

[8] 陳文建,駱旭陽,孫向東.嵌入式系統智能儀表開發平臺的研究及其在流量儀表設計中的應用[J].儀表技術,2007(12):38-40.

[9] 李麗娜,邵敏權,馬慶峰.淺談嵌入式系統的現狀及發展[J].長春工業大學學報：自然科學版,2004，25(2):74-75.