新型自动化仪表中嵌入式的智能化与网络化技术的应用

摘要:21世纪已经到来,人们将进入以知识经济为特征的信息时代。微电子技术、计算机技术、通信网络技术和自动化技术将继续高速发展,作为工业自动化技术工具的自动化仪表与装置也将跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。传感技术、计算机技术与通信技术一起构成现代信息的三大基础。为此,本文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。

关键词:嵌入式系统 自动化仪表 智能化 网络化

0 引言

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。

1 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,以便产生一个最佳的分解方案,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。

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,使系统方案接近最优。

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,最后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。

2 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。

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,它最大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。

3 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。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。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。

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。

4 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。

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、最大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。

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。

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