解析嵌入式計(jì)算機(jī)連鎖控制系統(tǒng)

摘 要：信號設(shè)備必須安全性和可靠性非常高，嵌入式計(jì)算機(jī)連鎖控制系統(tǒng)能夠滿足信號設(shè)備的要求。本文主要分為三個(gè)部分，第一部分，簡單介紹了嵌入式系統(tǒng)的功能、組成和特性；第二部分，詳細(xì)分析了控制器的軟件體系，具體包括Petri網(wǎng)原理，連鎖軟件建模，仿真測試連鎖模型；研究了控器的安全性和可靠性，研究表明，該控制器達(dá)到了信號設(shè)備安全性、可靠性的相關(guān)要求。第三部分，概述嵌入式計(jì)算機(jī)連鎖控制系統(tǒng)的作用和影響。

關(guān)鍵詞：嵌入式；計(jì)算機(jī)；信號；連鎖控制

中圖分類號：TP368.1

嵌入式信號連鎖是一種新型的連鎖控制技術(shù)，目前基本替代了之前的繼電器信號系統(tǒng)。目前的計(jì)算機(jī)連鎖系統(tǒng)的狀況為：如果把連鎖運(yùn)算程序與別的系統(tǒng)同時(shí)安裝計(jì)算機(jī)當(dāng)中，那么將連鎖運(yùn)算程序一定是在下位機(jī)的位置?，F(xiàn)行的計(jì)算機(jī)連鎖系統(tǒng)的問題是成本較高、可靠性和安全性不高、連鎖運(yùn)算機(jī)構(gòu)負(fù)擔(dān)過重。為了能夠讓計(jì)算機(jī)的連鎖系統(tǒng)功能和連鎖運(yùn)算功能同步實(shí)施，下文將嵌入式的技術(shù)手段，根據(jù)專業(yè)性的理論對目標(biāo)功能進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)。

1 嵌入式系統(tǒng)

1.1 關(guān)于嵌入式系統(tǒng)功能和組成

嵌入式系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)對其它設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等。計(jì)算機(jī)技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對功能、可靠性、成本、體積、功耗等等幾個(gè)方面的參數(shù)需要特別精確。嵌入式系統(tǒng)在通常情況下是由四個(gè)部分構(gòu)成的，第一部分是嵌入式微CPU，第二部分是相關(guān)的外圍硬件設(shè)備，第三部分是嵌入式操作系統(tǒng)，第四部分是客戶端，也就是用戶的應(yīng)用程序，在這四個(gè)部分中嵌入式微CPU是嵌入式系統(tǒng)的中心部分。嵌入式系統(tǒng)的硬件主要包括微處理器、存儲(chǔ)器、相關(guān)的外設(shè)器件、輸出端口和輸入端口以及圖形控制器；嵌入式系統(tǒng)的軟件是由操作系統(tǒng)軟件與應(yīng)用程序編程兩個(gè)部分組成。其中應(yīng)用程序的主要使命是對系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制；而操作系統(tǒng)的使命則是對應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用進(jìn)行監(jiān)視和控制。

1.2 關(guān)于嵌入式的主要特性

具有很強(qiáng)的支持能力，能實(shí)時(shí)支持多項(xiàng)任務(wù)；能極限縮短內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核心的執(zhí)行時(shí)間；能有效保護(hù)存儲(chǔ)區(qū)；能避免軟件模塊間的錯(cuò)誤；能擴(kuò)展處理器結(jié)構(gòu)，極速開展需要的高性能嵌入式微處理器；能使嵌入式微處理器功耗降到最低。

2 嵌入式的總體設(shè)計(jì)方案

2.1 關(guān)于硬件體系

這里以鐵路信號設(shè)備為例，對于道岔總數(shù)為25組及其以下的車站，用四個(gè)連鎖控制器，構(gòu)成計(jì)算機(jī)連鎖系統(tǒng)連鎖運(yùn)送機(jī)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，采用局域網(wǎng)LAN，來完成系統(tǒng)中監(jiān)控機(jī)、維修機(jī)和連鎖機(jī)之間的通信；連鎖控制機(jī)構(gòu)采用雙機(jī)熱備的結(jié)構(gòu)形式；監(jiān)控機(jī)采用熱備方對于道岔數(shù)大于25組的車站，采用增加連鎖控制機(jī)構(gòu)數(shù)和監(jiān)控軟件功能。

2.2 關(guān)于軟件體系

2.2.1 關(guān)于軟件層次結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)分為操作系統(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層、中間層和應(yīng)用層四個(gè)層次。其中關(guān)于中間層主要工作是進(jìn)行系統(tǒng)的初始化工作和驅(qū)動(dòng)有關(guān)的硬件設(shè)備，大體上的工作順序是從下至上，先從硬件著手，再向軟件方向進(jìn)軍。詳細(xì)的工作順序如下所述，第一步是片級的初始化，然后是板級的初始化，最后是系統(tǒng)級初始化，經(jīng)歷三個(gè)步驟之后完成了所有的初始化工作。關(guān)于操作系統(tǒng)層的執(zhí)行工作是進(jìn)行與操作系統(tǒng)移植工作相關(guān)的內(nèi)容，以及其系統(tǒng)內(nèi)核中的嵌入工作。在系統(tǒng)中其擴(kuò)展層的執(zhí)行工作主要是給當(dāng)前應(yīng)用的操作系統(tǒng)增添一些本來沒有的相關(guān)功能。在系統(tǒng)中關(guān)于應(yīng)用層的執(zhí)行工作主要是順利執(zhí)行系統(tǒng)功能以達(dá)到相關(guān)的控制器的指標(biāo)。

2.2.2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有以下特征：可裁剪，可移植；內(nèi)核小，效率高，實(shí)時(shí)性好，上下文切換速度快；開放源代碼，支持所以處理器芯片；內(nèi)存要求低；基于優(yōu)先級的多任務(wù)搶占式調(diào)度策略。如此高效運(yùn)行的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（OS），可以讓連鎖控制器工作的環(huán)境有所拓展而去執(zhí)行更多的任務(wù)。

2.2.3 關(guān)于連鎖軟件模型化

在嵌入式雙冗余連鎖系統(tǒng)中應(yīng)用到軟件有上位機(jī)software和連鎖機(jī)software以及維修機(jī)software等。在以上的幾款軟件當(dāng)中，連鎖機(jī)software的功能是進(jìn)行連鎖控制活動(dòng)，它就是系統(tǒng)中軟件中的中心部分，所以要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究。

Petri網(wǎng)是形式化方法之一，對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模非常適用，能精確系統(tǒng)定義，分析系統(tǒng)的重要特性。連鎖軟件中的邏輯運(yùn)算特別復(fù)雜，主要任務(wù)是對連鎖邏輯進(jìn)行建模，運(yùn)用Petfi網(wǎng)能保證連鎖邏輯定義精確。

連鎖程序，主要是判定上位機(jī)發(fā)送過來的操作命令，根據(jù)現(xiàn)場信號設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，處理合法命令，判定并處理站場中各個(gè)信號設(shè)備是否有故障?！懊钐幚怼边^程通過對上位機(jī)傳送過來的操作命令進(jìn)行合法性判定并調(diào)用相應(yīng)的操作函數(shù)進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)。

“進(jìn)路處理”的處理對象是進(jìn)路命令及其程密切相關(guān)的命令。對系統(tǒng)中多條進(jìn)路過程按并行方式來處理。

2.2.4 任務(wù)劃分

應(yīng)用軟件的功能是通訊和連鎖，驅(qū)動(dòng)程序的功能是完成設(shè)備初始化操作，操作系統(tǒng)的功能是完成任務(wù)的調(diào)度和管理。

應(yīng)用軟件部分依據(jù)任務(wù)和作用劃分，為與通訊任務(wù)、現(xiàn)場設(shè)備驅(qū)動(dòng)任務(wù)、連鎖任務(wù)、進(jìn)路任務(wù)、電源監(jiān)測監(jiān)控任務(wù)、DoubleRAM任務(wù)、Watchdog任務(wù)和存儲(chǔ)器管理任務(wù)。

其中連鎖任務(wù)完成連鎖運(yùn)算，按照連鎖運(yùn)算規(guī)則，對相關(guān)模塊采用集中調(diào)度方式完成連鎖運(yùn)算。相關(guān)模塊有接收操作命令輸入模塊、現(xiàn)場狀態(tài)輸入模塊、操作命令執(zhí)行模塊、進(jìn)路處理模塊、控制命令輸出模塊和表示輸出模塊。

2.2.5 測試和仿真

測試時(shí)，用強(qiáng)制變量法和觀察法對低層模塊進(jìn)行調(diào)試；用上位機(jī)和連鎖機(jī)相結(jié)合的方法，對上層、中間層模塊進(jìn)行調(diào)試。

2.2.6 系統(tǒng)可靠性和安全性的設(shè)計(jì)

在相關(guān)的控制器中，關(guān)于結(jié)構(gòu)多數(shù)會(huì)應(yīng)用比較型的冗余結(jié)構(gòu)，假如這二個(gè)處理器的處理結(jié)果有差異，計(jì)算機(jī)能夠在顯示結(jié)果的同時(shí)如果計(jì)算機(jī)檢測到導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)差錯(cuò)的失效單元，就會(huì)進(jìn)行相關(guān)的切換動(dòng)作；如果檢測不到相關(guān)的失效單元，計(jì)算機(jī)的相關(guān)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)輸出關(guān)閉提示信息。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通常情況下只有四個(gè)狀態(tài)：第一種狀態(tài)是二個(gè)單元都處于正常狀態(tài)，第二種狀態(tài)是系統(tǒng)處于降級工作的狀態(tài)，第三種狀態(tài)是系統(tǒng)出現(xiàn)故障的狀態(tài)，最后一種是系統(tǒng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)之中。利用馬爾可夫模型進(jìn)行分析可得出一下結(jié)論：在嵌入式雙冗余系統(tǒng)中，它的運(yùn)行準(zhǔn)確度比較高，通常情況下可以達(dá)到99.99%，系統(tǒng)中大約每隔4.17×106才會(huì)出現(xiàn)一次運(yùn)行事故；這種系統(tǒng)的安全度非常高，可以達(dá)到99.9973%，系統(tǒng)大約每隔1.111×1011才會(huì)出現(xiàn)一次危險(xiǎn)事故；這兩項(xiàng)的相關(guān)參數(shù)都符合計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的相關(guān)的可靠性和安全性的技術(shù)要求。

3 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)連鎖控制技術(shù)在各行行業(yè)應(yīng)用廣泛，我國各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對計(jì)算機(jī)連鎖控制技術(shù)的安全性及控制水平也必須提高以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。信息技術(shù)的革新使得嵌入式計(jì)算機(jī)連鎖在各個(gè)方面廣泛應(yīng)用，硬件和軟件配置，滿足相關(guān)行業(yè)的需要。減少了勞動(dòng)工作人員的工作強(qiáng)度，提高了產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)的安全性，保證了設(shè)施和人員安全，保障了經(jīng)濟(jì)效益。近幾年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢非常好，“既要迎進(jìn)來，又要走出去”的思想方針也需要我們的控制系統(tǒng)與國際接軌。嵌入式計(jì)算機(jī)連鎖控制在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有重要作用，所以，我們必須與時(shí)俱進(jìn)，加大研究力度，研究出符合國民生產(chǎn)需要的嵌入式計(jì)算機(jī)連鎖控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]曠文珍.鐵路車站分布式計(jì)算機(jī)連鎖系統(tǒng)[J].中國鐵道科學(xué)，2012（05）.

作者單位：吉林建筑大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130033