高級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在自動(dòng)化儀器儀表中的應(yīng)用

田炎鑫

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

0 引言

在我國現(xiàn)階段工業(yè)儀器儀表發(fā)展過程中，嵌入式系統(tǒng)的合理應(yīng)用具有極其重要的價(jià)值，能夠使測(cè)量工作具有更高的精確性，還可以確保實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，使其更高程度滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需求，具有極其廣闊的前景。

1 嵌入式系統(tǒng)

在具體應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)過程中，計(jì)算機(jī)是其不可或缺的重要依托。通常情況下，對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，嵌入式系統(tǒng)具有較為普遍的應(yīng)用，對(duì)于計(jì)算機(jī)的成本和功能提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。通常情況下，在開展具體工作時(shí)，嵌入式系統(tǒng)可以基于具體需求，合理裁剪軟硬件。嵌入式系統(tǒng)具有相對(duì)較小的體積和能耗，集成度相對(duì)較高。我國現(xiàn)階段嵌入式系統(tǒng)正在逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化和精簡(jiǎn)化，得到了較為普遍的應(yīng)用。具體包括3 種類型。

（1）以單片機(jī)為基礎(chǔ)形成的MCU 系統(tǒng)，通常選擇使用16位或8 位處理器。該系統(tǒng)具有較高的集成度，以及相對(duì)較強(qiáng)的控制功能，但是容量較小，存儲(chǔ)空間具有較高的局限性。

（2）工業(yè)化單板機(jī)，該系統(tǒng)功能強(qiáng)大、安全可靠、能耗低、體積小，靈活性相對(duì)不足，只能裁剪板卡級(jí)硬件[1]。

（3）DSP 系統(tǒng)或MPU 系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常選擇32 位處理器，可以基于具體要求和相關(guān)規(guī)定裁剪硬件。其他因素不會(huì)對(duì)其造成限制，該系統(tǒng)的軟件平臺(tái)相對(duì)較大，具有極強(qiáng)的專用性。

2 嵌入式系統(tǒng)要求

2.1 應(yīng)用要求

在自動(dòng)化儀表中，具體應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)時(shí)，相關(guān)人員必須對(duì)其應(yīng)用要求加強(qiáng)重視。首先，確保能夠同時(shí)支持多項(xiàng)任務(wù)操作系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)和高精度時(shí)鐘。同時(shí)，還需要保障其實(shí)時(shí)應(yīng)用程序和內(nèi)部操作系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間實(shí)現(xiàn)最短。其次，要確保其保護(hù)功能和存儲(chǔ)區(qū)管理的科學(xué)性。在此過程中，必須確保嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核軟件在一定程度內(nèi)實(shí)現(xiàn)模塊化，為有效避免非法訪問軟件進(jìn)程，保護(hù)功能和存儲(chǔ)區(qū)管理是系統(tǒng)應(yīng)用過程中的關(guān)鍵內(nèi)容。與此同時(shí)，還需要確保其架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)有效擴(kuò)展，使其工業(yè)應(yīng)用需求得到更高程度的滿足。最后需要有效降低系統(tǒng)功耗，確保儀表工作持續(xù)性更高。

2.2 接口要求

在工業(yè)工程建設(shè)過程中，對(duì)自動(dòng)化儀表輸出信號(hào)和采集數(shù)據(jù)的功能具有較高要求，相關(guān)人員必須對(duì)其外部交互加強(qiáng)重視。在開展具體工作過程中，對(duì)系統(tǒng)接口要求相對(duì)較高，具體組成如圖1 所示。

首先需要在處理器內(nèi)部進(jìn)行D/A、A/D 模塊的合理設(shè)置，確保能夠更快進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)行操作，可以實(shí)現(xiàn)精確實(shí)時(shí)中斷和多級(jí)外部中斷。還需要確保能夠連接網(wǎng)絡(luò)芯片，同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)。最后需要保障接口資源豐富，支持usb、uart 等數(shù)據(jù)通信接口，與此同時(shí)，通過利用SPI 總線，還可以使其部分功能器件和處理器相連?？傊?，在我國現(xiàn)階段儀器儀表領(lǐng)域發(fā)展過程中，Arm 系列處理器具有極為廣泛的應(yīng)用。

3 自動(dòng)化儀器儀表中高級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用策略

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

首先，需要嚴(yán)格遵循以下要求。第一，確保具有良好的實(shí)時(shí)性，部分特殊客戶在獲得結(jié)果時(shí)，接收時(shí)間會(huì)出現(xiàn)一定程度延遲。相關(guān)單位在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，需要高度重視該因素。第二，確保具有較高的可靠性。如果嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會(huì)使整體系統(tǒng)癱瘓，造成巨大損失，為此，必須嚴(yán)格控制系統(tǒng)的可靠性。第三，確保具有較高的集成性，通常情況下，在具體應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)時(shí)，如果系統(tǒng)集成度相對(duì)較高，都可以大大減少其占地面積，提升開發(fā)效果。第四，有效降低功能損耗，通常情況下，對(duì)于部分便攜式和移動(dòng)式設(shè)備，具體工作時(shí)需要安裝電池，因此，設(shè)計(jì)人員需要科學(xué)控制其功率損耗。第五，有效提升環(huán)境適應(yīng)力。在具體應(yīng)用儀器儀表時(shí)，環(huán)境會(huì)對(duì)其造成很大程度的影響，尤其對(duì)于電、熱、光等因素?zé)o能為力。為此，為有效避免這種情況，設(shè)計(jì)人員需要有效落實(shí)抗干擾措施。

圖1 接口組成

其次，在具體進(jìn)行開發(fā)過程中，需要深入分析目標(biāo)產(chǎn)品功能。通常情況下嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的主要目的在于收集和控制相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)還需要明確是否需要設(shè)置顯示界面，如果需要，應(yīng)該選擇文本方式還是圖形方式。在此過程中，還需要進(jìn)一步分析，是否要和其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)，如果需要，要進(jìn)一步分析應(yīng)用協(xié)議和交換方式。

最后，要進(jìn)一步明確儀器儀表的主要性能指標(biāo)。在開展具體工作時(shí)，相關(guān)人員通過深入分析具體目標(biāo)，基于不同功能科學(xué)選擇操作手段。與此同時(shí)，基于功能需求，選擇軟件設(shè)備和相關(guān)硬件，除此之外，在具體開發(fā)嵌入式系統(tǒng)軟件時(shí)，相關(guān)工作具體包括4 個(gè)層面：①開發(fā)能夠直接控制硬件設(shè)備的軟件；②開發(fā)不需要用戶圖形界面的程序；③基于圖形界面，開發(fā)通用應(yīng)用軟件；④基于基礎(chǔ)應(yīng)用軟件，開發(fā)高層軟件。

3.2 系統(tǒng)控制目標(biāo)

在現(xiàn)代工業(yè)建設(shè)過程中，智能化技術(shù)應(yīng)用具體是在工業(yè)設(shè)備中有效應(yīng)用云數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)語言。在我國現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)不斷發(fā)展過程中，生產(chǎn)智能化是其相關(guān)工作開展的終極目標(biāo)，能夠有效降低人力成本投入，有效解決勞動(dòng)力不足現(xiàn)象。在我國現(xiàn)代智能技術(shù)高速發(fā)展過程中，集成電路、微電子技術(shù)、感應(yīng)技術(shù)和紅外線技術(shù)的發(fā)展，為現(xiàn)代智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了良好條件[2]。具體應(yīng)用智能化儀器儀表過程中，為了使其不同應(yīng)用需求得到更高程度滿足，CPU 生產(chǎn)商為其提供了集成化處理器，其內(nèi)核為32 位處理器，在處理器內(nèi)還實(shí)現(xiàn)了許多外圍功能的有效集成。例如，Motorola 68360 作為一個(gè)集成通信用CPU，具有32位內(nèi)核，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了通信系統(tǒng)的集成，同時(shí)還有4 路同步協(xié)議，為ISDN、TI/EI 和HDLC 等通信協(xié)議提供必要支持。

3.3 系統(tǒng)具體應(yīng)用

在應(yīng)用自動(dòng)化儀器儀表過程中，如果其核心為高性能嵌入式處理器，則嵌入式系統(tǒng)能夠使儀器儀表具有更高性能。在我國現(xiàn)階段自動(dòng)化儀器儀表具體應(yīng)用過程中，依舊是以微控制器為主，雖然已經(jīng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了智能化，但是依舊無法滿足現(xiàn)代越來越復(fù)雜的功能要求。同時(shí)，我國現(xiàn)階段集成電路工藝，芯片技術(shù)和微電子技術(shù)都在不斷發(fā)展，可以在很大程度上降低嵌入式處理器的功耗、價(jià)格和體積，可以將其用于新型儀器儀表。在此過程中，廠商可以基于用戶不同需求提供專用集成化處理器，能夠確保更高程度的滿足不同用戶具體需求。在應(yīng)用自動(dòng)化儀器儀表時(shí)，不需要設(shè)置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，尤其是當(dāng)對(duì)其儀表處理器功能和存儲(chǔ)器容量具有較高要求時(shí)，無法應(yīng)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。與此同時(shí)，有效增強(qiáng)硬件功能，能夠使其成本投入大大降低。我國現(xiàn)階段具體應(yīng)用儀器儀表過程中，對(duì)其功能提出了更為復(fù)雜的要求，科學(xué)應(yīng)用實(shí)時(shí)操控系統(tǒng)，合理協(xié)調(diào)與科學(xué)調(diào)度多個(gè)任務(wù)，具有極其重要的價(jià)值，而管理系統(tǒng)資源的要求也相對(duì)較高，通過科學(xué)應(yīng)用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能夠有效推進(jìn)自動(dòng)化儀器儀表的發(fā)展，使其整體質(zhì)量實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

4 結(jié)束語

在我國現(xiàn)代自動(dòng)化儀器儀表發(fā)展過程中，高級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得到了一定程度的普及應(yīng)用。在此過程中，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用和接口提出了較高要求，相關(guān)人員必須對(duì)其加強(qiáng)重視，科學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案，明確系統(tǒng)控制目標(biāo)，確保更為高效地使用相關(guān)系統(tǒng)，推進(jìn)我國現(xiàn)代儀器儀表的進(jìn)一步發(fā)展，使其更高程度滿足現(xiàn)代工業(yè)建設(shè)對(duì)儀器儀表應(yīng)用提出的最新要求。