工業(yè)控制中嵌入式控制系統(tǒng)的應用研究

陳星光

（湖南交通工程學校 湖南省衡陽市 421000）

嵌入式系統(tǒng)是一種將計算機、通信和控制技術相結合的微處理器系統(tǒng)，在工業(yè)控制中的應用十分廣泛。嵌入式系統(tǒng)的核心是微處理器，在工業(yè)控制中，需要對工業(yè)現(xiàn)場進行實時監(jiān)控和信息采集，嵌入式控制系統(tǒng)可以對這一過程進行實時的監(jiān)控。本文對嵌入式控制系統(tǒng)在工業(yè)中的應用進行了研究，介紹了嵌入式控制系統(tǒng)的結構組成及特點，重點分析了在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控和信息采集中嵌入式控制系統(tǒng)應用的特點。

1 嵌入式系統(tǒng)分析

嵌入式系統(tǒng)[1]（如圖1）是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗限制的專用計算機系統(tǒng)。它是以應用為中心的計算機系統(tǒng)，而不是以硬件為中心的計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)具有實時性、可裁剪性等特點。在工業(yè)控制中，嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、人機接口、通信接口及外圍設備組成。嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，主要功能是完成數(shù)據(jù)處理和邏輯運算，并根據(jù)控制任務的要求進行I/O 口的操作和顯示。嵌入式微處理器是指帶有中斷處理程序及存儲器訪問程序的微控制器。在工業(yè)控制中，需要對生產(chǎn)現(xiàn)場進行實時監(jiān)控和信息采集，需要實現(xiàn)現(xiàn)場實時監(jiān)控的功能。而在工業(yè)控制中，現(xiàn)場往往存在大量的干擾因素，這些干擾因素會使工業(yè)現(xiàn)場不能正常工作。因此需要對工業(yè)現(xiàn)場進行信息采集和處理，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應措施。

圖1：嵌入式系統(tǒng)示意

嵌入式微處理器可以根據(jù)應用的需求在 CPU 內(nèi)部進行編程來實現(xiàn)所需的功能。在工業(yè)控制中，對不同的控制任務要求采用不同類型的微處理器。對于數(shù)據(jù)采集和信息處理任務來說，采用 ARM 芯片可以滿足要求；而對于實時控制任務來說，則采用實時內(nèi)核處理器比較合適；對于一般應用系統(tǒng)來說，則選用嵌入式 Linux 系統(tǒng)比較合適。隨著嵌入式系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展，目前市場上出現(xiàn)了多種嵌入式系統(tǒng)平臺可供選擇，如 ARM+Linux、 ARM+PICl8C32、 ARM+ PowerPC、 ARM+X86等[2]。

2 嵌入式系統(tǒng)結構組成及特點

嵌入式系統(tǒng)是一個以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，具有專用硬件電路和軟件，主要應用于設備、裝置、儀器等智能電子設備中的微處理器系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、存儲器、輸入輸出設備、實時操作系統(tǒng)（RTOS）和應用軟件構成[3]。嵌入式系統(tǒng)有許多不同的分類方法，但它們都是基于以下標準：

（1）操作系統(tǒng)：是指為了完成特定的功能而采用的一組軟件和硬件的集合。它必須能充分發(fā)揮硬件資源，為用戶提供友好的人機界面和操作方式。其設計原則是盡量簡化，在性能上要有足夠的穩(wěn)定性，以減少開發(fā)工作量。由于嵌入式系統(tǒng)的功能相對復雜，設計周期較長，因此操作系統(tǒng)應能滿足實時性和可靠性的要求。

（2）實時操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種系統(tǒng)軟件。它可以根據(jù)任務性質(zhì)、大小、功能等要求選擇合適的調(diào)度算法，以適應實時要求較高的應用場合。由于嵌入式系統(tǒng)中任務對實時性要求不高，所以設計時采用了優(yōu)先級調(diào)度策略，即將任務按照優(yōu)先級高低分為不同優(yōu)先級，每個優(yōu)先級都有相應的調(diào)度算法。

（3）應用軟件：是指應用于嵌入式系統(tǒng)中為用戶提供軟件服務的軟件，主要包括人機界面、人機接口、通訊設備（如電話、短信）以及其他輔助應用軟件等。這些應用軟件應能方便地被用戶所使用，以便為用戶提供更加直觀、快捷和方便的操作方式，具體如圖2所示。

圖2：嵌入式系統(tǒng)結構組成圖

3 嵌入式控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中的重要性

在工業(yè)控制中，嵌入式系統(tǒng)有著廣泛的應用。隨著科學技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應用主要有以下幾個方面：

（1）提高了工業(yè)控制的精度和效率。嵌入式控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中具有廣泛應用，它能夠?qū)崟r地采集被控設備的信息，然后將這些信息通過各種通信方式發(fā)送到相關設備上，使其能夠及時調(diào)整自身工作狀態(tài)。另外，嵌入式系統(tǒng)還能夠?qū)Σ杉降男畔⑦M行分析、判斷，從而保證了工業(yè)控制的準確性和效率。

（2）增強了工業(yè)現(xiàn)場的安全性和可靠性。工業(yè)控制中需要實時對被控設備進行監(jiān)控，這些設備一般都安裝在高溫、高壓、強磁等危險環(huán)境下。因此，嵌入式系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性和安全性。在工業(yè)現(xiàn)場中，需要對工業(yè)設備進行不間斷監(jiān)控，當監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常情況時，可以立即發(fā)出警報通知相關人員進行處理。同時，當設備出現(xiàn)故障時，可以通過嵌入式系統(tǒng)自動發(fā)出報警信號提醒工作人員進行故障排查和維修。

（3）由于嵌入式系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性和安全性，因此其可以將不同類型的設備連接在一起來實現(xiàn)功能擴展，從而使工業(yè)控制設備變得更加靈活、方便。例如在實際操作中需要對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行存儲或者需要對數(shù)據(jù)進行計算時，就可以通過嵌入式系統(tǒng)將不同類型的數(shù)據(jù)整合在一起來實現(xiàn)功能擴展。

4 工業(yè)控制中嵌入式控制系統(tǒng)的具體應用

4.1 處理器選型

在進行處理器選型時，首先應該考慮的就是處理器的運算速度。由于嵌入式控制系統(tǒng)的應用環(huán)境比較惡劣，因此對處理器運算速度的要求也會相應提高，為了更好的滿足實際需求，應該選擇主頻較高的處理器。而對于一些小規(guī)模的應用場合，可以選擇主頻較低的處理器。其次，對于一些通用型處理器來說，其最大的特點就是運算速度比較快，但是這類處理器所具有的局限性也比較大。在實際應用過程中，雖然這類處理器可以滿足相關應用要求，但是其功能并不能完全滿足實際需求。因此在進行選型時，應該根據(jù)具體應用情況選擇適合自己需求的處理器。最后，應該注意在選擇處理器時要根據(jù)實際需要來進行選擇，比如可以采用32 位或者更高性能的處理器。如果采用8 位或者16 位處理器的話，雖然能夠滿足應用需求，但是會導致成本上升，因此應該選擇價格較低的處理器。

4.2 電源電路設計

在嵌入式控制系統(tǒng)中，電源電路是其重要組成部分，其主要作用是為系統(tǒng)提供必要的電源。嵌入式系統(tǒng)的電源電路設計包括：輸入部分、輸出部分以及反饋電路三個方面，其中輸入部分是指電源變壓器和整流濾波電路，輸出部分則是指穩(wěn)壓電路和穩(wěn)壓控制電路。輸入部分和輸出部分構成了一個完整的電源系統(tǒng)，反饋電路則是提供給嵌入式系統(tǒng)的參考電壓。

在嵌入式系統(tǒng)的實際應用過程中，一般情況下采用市電作為供電來源，而為了保證嵌入式系統(tǒng)能夠正常工作，在設計過程中一般采用5V 電源供電。當嵌入式控制系統(tǒng)工作時，其工作電壓一般為5V、3.3V 等[4]。因此為了能夠使嵌入式控制系統(tǒng)能夠正常運行，必須要對電源進行有效控制。為了能夠?qū)η度胧娇刂葡到y(tǒng)的電源進行有效控制，通常情況下采用開關型穩(wěn)壓電路將其輸出電壓進行調(diào)節(jié)，具體如圖3。

圖3：嵌入式控制系統(tǒng)電源電路設計圖

4.3 嵌入式軟件開發(fā)

嵌入式軟件的開發(fā)是對嵌入式控制系統(tǒng)進行維護和管理的主要工作，所以在實際開發(fā)過程中要認真研究嵌入式軟件的特點，充分發(fā)揮出它的優(yōu)勢。首先，要對嵌入式系統(tǒng)的運行環(huán)境進行分析，保證嵌入式系統(tǒng)能夠順利運行。其次，要對嵌入式軟件進行調(diào)試和測試，使其能夠在實際應用過程中正常工作。

（1）操作系統(tǒng)的選擇。不同的操作系統(tǒng)對嵌入式控制系統(tǒng)的性能影響也會有所差異。在實際選擇嵌入式操作系統(tǒng)時要綜合考慮各種因素，保證操作系統(tǒng)能夠滿足應用需求。

（2）軟件開發(fā)環(huán)境的建立。在實際應用過程中，建立一個穩(wěn)定、高效、可靠的軟件開發(fā)環(huán)境非常重要。

4.4 嵌入式系統(tǒng)硬件設計

在工業(yè)控制領域中，嵌入式系統(tǒng)的應用具有非常重要的意義，它可以大大提高工業(yè)控制系統(tǒng)的運行效率，提高工業(yè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實際應用過程中，嵌入式系統(tǒng)硬件設計主要是通過以下幾個方面實現(xiàn)的：

（1）將整個系統(tǒng)進行模塊化設計，保證整個系統(tǒng)具備一定的靈活性。在實際應用過程中，由于不同類型的控制對象，對嵌入式控制系統(tǒng)硬件設計的要求是不一樣的。因此，在進行硬件設計時要充分考慮到這種需求。

（2）通過模塊化設計方法完成嵌入式控制系統(tǒng)硬件設計。模塊化設計方法是一種比較常見的嵌入式設計方法，它可以在短時間內(nèi)完成系統(tǒng)硬件的整體設計，降低了開發(fā)難度。

（3）在進行嵌入式控制系統(tǒng)硬件設計時，要充分考慮到各個模塊之間的關聯(lián)性，通過這種方式可以將整個控制系統(tǒng)進行簡化處理。同時這種方式還可以有效提高系統(tǒng)運行效率。

4.5 嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡連接

在工業(yè)控制中，嵌入式控制系統(tǒng)能夠與外部網(wǎng)絡進行連接，但是當前的嵌入式控制系統(tǒng)主要使用的是TCP/IP 協(xié)議，而 TCP/IP 協(xié)議在工業(yè)控制中不能充分發(fā)揮出其作用，因此要想提高嵌入式控制系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應用水平，就要對 TCP/IP 協(xié)議進行改進。當前嵌入式控制系統(tǒng)主要是采用了以太網(wǎng)，這主要是由于以太網(wǎng)能夠更好的滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的需求。以太網(wǎng)能夠?qū)⒐I(yè)控制系統(tǒng)中的信息進行傳輸，同時在工業(yè)控制中也能有效的降低成本。但是在實際應用過程中，以太網(wǎng)仍然存在一定問題，如網(wǎng)絡時延大、網(wǎng)絡丟包等問題。因此要想有效解決這些問題，就需要對嵌入式控制系統(tǒng)進行改進，采用 TCP/IP 協(xié)議[5]。

4.6 系統(tǒng)時鐘電路，復位電路的設計

在嵌入式系統(tǒng)的設計過程中，時鐘電路具有非常重要的作用，它能夠確保系統(tǒng)運行過程中的穩(wěn)定性，而且還能夠保證系統(tǒng)具有很高的工作效率。嵌入式系統(tǒng)的時鐘電路設計通常包括以下幾個方面：首先，對系統(tǒng)時鐘電路進行優(yōu)化設計，使其能夠在短時間內(nèi)完成高精度的計時功能；其次，對時鐘電路進行復位設計，使其在系統(tǒng)運行過程中能夠快速地恢復到正常狀態(tài)；最后，在嵌入式系統(tǒng)的設計過程中，通常采用定時中斷機制來控制嵌入式系統(tǒng)的運行。這種方法不僅能夠保證嵌入式控制系統(tǒng)在實際運行過程中具有很高的工作效率，而且還能夠使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。因此，定時中斷機制在嵌入式控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。

4.7 人機交互模塊設計

在嵌入式控制系統(tǒng)中，人機交互模塊是非常重要的組成部分，其主要是為了實現(xiàn)對人機界面的控制和管理。在工業(yè)控制領域中，嵌入式系統(tǒng)通常會通過觸摸屏來實現(xiàn)人機交互功能，以便于實現(xiàn)對設備的管理和控制。在設計人機交互模塊時，需要將其分為兩個部分，即觸摸屏和液晶顯示屏。觸摸屏具有良好的顯示功能，其主要功能是完成設備信息的采集和顯示功能。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般會采用三線制供電方式。在使用過程中，如果采用三線制供電方式，系統(tǒng)就無法完成對觸摸屏的供電。液晶顯示屏具有很高的分辨率，因此在使用過程中能夠?qū)崿F(xiàn)對各種數(shù)據(jù)的顯示。為了保證顯示屏具有良好的性能，一般會選擇專用芯片作為系統(tǒng)人機交互模塊的核心部件。在設計人機交互模塊時，需要根據(jù)實際情況選擇合適的硬件資源。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對設備狀態(tài)、溫度、電流等數(shù)據(jù)的采集和顯示功能，一般會選擇MSP430 系列單片機作為核心部件。

5 結語

隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)控制中對嵌入式系統(tǒng)的需求越來越大，嵌入式系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、功能強大等優(yōu)點，在工業(yè)控制中的應用越來越廣泛，已經(jīng)成為當前工業(yè)控制中不可缺少的部分。近年來，隨著網(wǎng)絡技術、計算機技術和通信技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應用逐漸深入到各個領域，許多應用都離不開嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)不僅可以控制現(xiàn)場設備，還可以實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的遠程監(jiān)控。隨著通信網(wǎng)絡技術和計算機網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應用將會越來越廣泛，人們對嵌入式系統(tǒng)的性能、功能等方面要求也會越來越高。相信在不久的將來，嵌入式系統(tǒng)將會成為工業(yè)控制中必不可少的一部分。