[摘要]：从嵌入式系统在仪器仪表中应用的角度出发,介绍了软硬件协同设计的设计思想和各种嵌入式处理器,讨论了嵌入式Internet接入技术和实时操作系统对自动化仪表发展的影响,指出基于嵌入式的智能化、网络化仪表是自动化仪表的发展趋势。文末给出了一个基于PC104的仪表系统架构。

[关键词]：嵌入式系统　自动化仪表　智能化　网络化

1　嵌入式系统和自动化仪表

嵌入式系统和自动化仪表嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件、硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。目前基于嵌入式的系统大致可分为3类:

①基于单片机的ＭＣＵ系统。一般是8位或16位的处理器,集成度较高,控制功能比较丰富。但是,存储器容量比较小,系统资源有限,功能不够强大;

②以ＰＣ104为代表的工业化的单板机。在保留其强大功能的同时,实现了小型化、模块化、低功耗、较高的可靠性。但是,硬件的剪裁只能从板卡级进行一些选择,灵活性不够;

③以32位嵌入式处理器为核心(ＭＰＵ或ＤＳＰ),按照应用的要求对硬件实现xx剪裁,有嵌入式操作系统支持的强大软件平台,具有{zd1}冗余度和{zd0}专用性的高级专用计算机系统。

针对特定的自动化仪表的要求,合理剪裁软硬件,实现高集成度、低冗余、小型化,使得自动化仪表不仅具有传感测量、补偿计算、显示的功能,还具有更加强大的信息处理、比较推理、故障自诊断自测试、自学习自适应等智能化功能。应用嵌入式的网络接入技术,还能使仪表完成远程维护、远程控制、故障预报、信息发布与共享等以前无法实现的功能。嵌入式系统的应用,为仪器仪表行业的发展带来了广阔的前景。

2　自动化仪表设计的新模式———软硬件协同设计

传统的仪器仪表设计中,先进行系统的硬件设计,再进行软件阶段的设计,后进行系统的集成测试。这时,如果发现系统硬件的错误或者系统结构的缺陷,要修正相当困难,可能导致系统的重新设计,这不仅延长了开发周期,增加了开发的成本,而且难以满足快速变化的市场需求。

在嵌入式系统的研究开发中,人们认识到软件与硬件的开发不应是独立的、分离的,而应是协同的、一致的。即在软件和硬件实现之前,对软硬件所实现的功能进行划分,以便产生一个{zj0}的分解方案,同时在硬件开发之前,应对包含软件、硬件的嵌入式系统所实现的功能进行验证,以确保系统的实现与最初的功能规格说明相一致[1]。

这就是一种新的设计模式—软硬件协同设计(ＣｏＤｅｓｉｇｎ)。这种思想对于自动化仪表的设计是很有借鉴意义的。软硬件协同设计可分为四个阶段:系统功能描述和划分阶段,软硬件设计阶段,协同模拟阶段,软硬件综合阶段。

①系统功能描述和划分:在设计的初期就对系统的功能和性能进行验证,采用和实现无关的语言描述系统的功能,可以采用ＶＨＤＬ作为算法级的描述语言,也可以通过对Ｃ语言进行必要的修改与扩充作为行为级的描述语言,以便对系统功能进行模拟验证。

②软硬件功能分解:在系统功能描述的基础上,根据设计目标和约束条件进一步对系统进行分解,划分软硬件部分,使系统设计能够并行进行,使系统方案接近{zy}。

③系统协同模拟:软硬件设计完毕,通过通信和同步机制对整个系统综合模拟验证,及时发现并修正系统设计偏差。

④软硬件综合:模拟通过后进行软硬件综合,{zh1}完成整个系统的设计。硬件构件的综合可由硬件高层综合、逻辑综合、版图综合等几个不同阶段构成。软件构件的综合包括软件高级综合、编译、汇编等几个阶段。采用这种新的设计思想,不仅能够降低设计成本,缩短设计周期,而且避免了重复设计,提高了设计的合理性和成功率。

3　新型自动化仪表的核心———高性能嵌入式处理器　　

目前的自动化仪表大多采用8位或者16位的微控制器(单片机),虽然在一定程度上做到了智能化,但是随着需要实现的功能越来越多,越来越复杂,已经有些力不从心。同时,微电子技术、芯片技术、集成电路工艺的飞速发展,使得高性能的嵌入式处理器的价格、体积、功耗都不断降低,新型仪器中使用高性能的嵌入处理器已成为可能[4]。

嵌入式微处理器目前主要有Ｉｎｔｅｌ、ＡＭＤ及其他Ｘ86兼容厂商生产的Ｘ86嵌入式ＣＰＵ,Ｍｏｔｏｒｏｌａ的68000、ＩＢＭ和Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＰｏｗｅｒＰＣ,日立公司的ＳＨ,ＳＧＩ公司的ＭＩＰＳ,以及在嵌入式ＲＩＳＣ处理器市场占{jd1}优势的ＡＲＭ系列等[5]。

嵌入式ＤＳＰ处理器系统结构和指令进行了特殊设计,适合于执行ＤＳＰ算法,编译效率较高,指令执行速度也较快。在数字滤波、ＦＦＴ、谱分析等方面具有突出的优势,比较有代表性的产品是ＴＩ的ＴＭＳ320系列和Ｍｏｔｏｒｏｌａ的ＤＳＰ56000系列。为了满足各种不同应用的需求,ＣＰＵ生产商还提供了专用的集成化处理器。

以32位处理器为内核,处理器中还集成了许多外围的功能。如Ｍｏｔｏｒｏｌａ68360是一个32位内核(ＣＰＵ32+)的集成通信用ＣＰＵ,它{zd0}的特点是集成了一个通信系统,内含4路同步协议的协议通道,可以支持ＨＤＬＣ、Ｔ1/Ｅ1、ＩＳＤＮ等通信协议。ＡＲＭ系列的微处理器种类更多,有专用于网络的,专用于通信的,集成ＤＳＰ协处理器的,还有支持Ｊａｖａ的等等。用户可以根据自动化仪表的具体应用要求,以及功耗、体积、性能、价格等综合因素,选择合适的嵌入式微处理器。并在此基础上实现更加高级的算法,提供更加强大的功能。

4　嵌入式Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术使自动化仪表实现网络化　　

实现自动化仪表与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ联接的想法其实很早以前就有了,主要的困难在于,Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高,而仪器仪表大多使用的是8位和16位ＭＣＵ,支持ＴＣＰ/ＩＰ等Ｉｎｔｅｒｎｅｔ协议将占用大量系统资源,或根本不可能[6]。除了采用高性能的32位处理器及相应硬件平台之外,对于现存的8位和16位仪器仪表,嵌入式也提供了网络化的解决方案[7]。其中比较有代表性的技术是嵌入式微型互联网技术ＥＭＩＴ(ｅｍｂｅｄｄｅｄｍｉｃｒｏｉｎ ｔｅｒｎｅｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)。

通过ＥＭＩＴ技术接入ＩｎｔｅｒｎｅｔＥＭＩＴ采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关,网络协议的实现主要放在该网关上。网关通过ＲＳ-232、ＲＳ-485、ＣＡＮ、红外、射频等轻量级总线与多个嵌入式设备联系起来,每个嵌入式设备将自身的工作参数反馈到网关中;同时网关可以发送命令,修改设备中的变量,或进行某种控制。这样仅通过增加一个网关,就解决了嵌入式设备上Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的问题;网关可以同时管理多个嵌入式设备,从而提高嵌入式网络的结构化、智能化、浏览信息资源的归一化,并具有迄今为止其它解决方案无可比拟的性能价格

通过嵌入式Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入技术,新型的仪器仪表与计算机一样,成为网络中的独立节点,实现基于Ｉｎｔｅｒ ｎｅｔ的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传/下载数据文件等功能;用户通过浏览器或符合规范的应用程序也可实时浏览到所需的信息。

总之,自动化仪表的网络化释放了系统的潜力,改变了测量技术的以往面貌,打破在同一地点进行采集、分析和显示的传统模式;依靠Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和网络技术,人们已能够和将能够有效地控制远程仪器设备,在任何地方进行采集、任何地方进行分析、任何地方进行显示。

5　嵌入式实时操作系统ＲＴＯＳ使自动化仪表产生质的飞跃　　

自动化仪表不一定需要实时操作系统,而且在以往的仪器仪表中由于处理器功能、存储器容量等限制,实时操作系统也难以实现应用。随着仪器仪表硬件功能的增强,成本的降低,功能要求的增加和复杂化,需要实时操作系统对多个任务进行合理协调调度,管理系统资源的要求越来越迫切。

同时,各种嵌入式实时操作系统不断出现,对硬件配置要求的不再苛刻,实时性不断增强,效率不断提高,有些还提供了对网络协议的支持,使得在自动化仪表中使用实时操作系统成为可能。使用ＲＴＯＳ的优点归纳起来主要有以下几方面:首先ＲＴＯＳ支持多任务,应用程序被分解成多个任务,程序开发变得更加容易,便于维护,易读易懂,提高了开发效率,缩短了开发周期;再者,计算机对关键事件的处理在延迟时间上有保证,即系统的实时性可以保证好于某一确定的值;还有系统的稳定性、可靠性会得到提高。例如可以增加一些用于监控各任务运行状态的任务来提高系统的可靠性[8]。目前,国外开发商提供的嵌入式操作系统为数众多,主要有Ｖｘｗｏｒｋｓ、ｐＳＯＳ、ＱＮＸ、ＰＳＯＳｙｓｔｅｍ、ＮｕｃｌｅｕｓＰＬＵＳ、ＷｉｎＣＥ等;国内主要有Ｈｏｐｅｎ、桑夏2000、ＤｅｌｔａＯＳ等。此外,还有相当多的基于Ｌｉｎｕｘ的嵌入式操作系统。

用户可以根据应用的需要,从任务调度、内存管理、内存开销、任务切换时间、{zd0}中断禁止时间等几个方面来衡量和选择适当的实时操作系统。在功能强大的嵌入式处理器及其硬件平台的支持下,凭借实时操作系统的高效调度和管理,在基于嵌入式的新型自动化仪表中,软件具有了突出的地位。软件不再附属于硬件,仅仅完成测量、计算、显示等功能,而成为处理能力很强的智能模块,能够实现人工智能的方法和技术,使自动化仪表能够实现复杂的信号处理算法,进行频谱分析,并以分析、比较和推理的结果输出相应的控制信息,能够自诊断自测试,经内部协调和重组自动修复,适应外界的变化自补偿自适应,通过自校准(校准零点、增益等)来保证自身的准确度。

不仅如此,还能通过自学习学会处理更多更复杂的测控程序。软件成为仪器智能化程度高低的决定性因素。以软件为核心的虚拟仪器,也成为自动化仪表发展的一个重要方向。

6　结束语

嵌入式系统在各个领域的研究和应用已经成为热点,对于自动化仪表的发展而言,采用新的设计模式,选择高性能的嵌入式微处理器,在实时操作系统的强大支持下,设计和开发高级智能化网络化的新型仪器仪表,必将成为行业发展的趋势。

参考文献

1　郭晓东,刘积仁.嵌入式系统的协同设计.计算机科学,2001,26(9)

2　王世好,严迎建,吴清平.嵌入式系统软硬件协同设计环境构造

3基于嵌入式的智能化与网络化的自动化仪表　韩　冬,等与实现方法.计算机工程与应用,2002(12)3