車(chē)載智能設(shè)備處理器的比較與選型

申宇燕，關(guān)曉曄，周忠良

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京，100081）

車(chē)載智能設(shè)備處理器的比較與選型

申宇燕，關(guān)曉曄，周忠良

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京，100081）

介紹車(chē)載智能設(shè)備的工作環(huán)境的特殊性，根據(jù)車(chē)載設(shè)備的特殊要求，列出適用于車(chē)載設(shè)備的多種處理器平臺(tái)；對(duì)各種處理器的性能特點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行綜合比較和分析，并對(duì)選型依據(jù)的因素和方法提出建議。

車(chē)載；處理器；比較；選型

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展，車(chē)載智能化設(shè)備增多，功能越來(lái)越強(qiáng)大。在車(chē)載電子設(shè)備的研制中，如何選擇合適的智能設(shè)備處理器類(lèi)型非常重要。在選擇處理器時(shí)，需要綜合考慮應(yīng)用的各種需求，首先必須考慮到車(chē)載智能設(shè)備的特殊工作環(huán)境；其次，處理器的運(yùn)算能力、系統(tǒng)的啟動(dòng)速度、具備的接口、可擴(kuò)展性等是最終設(shè)備的選型的重要考慮因素；合理的選擇還包括價(jià)格和性能的平衡。

1 車(chē)載設(shè)備工作環(huán)境的特殊性

車(chē)載智能設(shè)備安裝在移動(dòng)的列車(chē)上，其工作環(huán)境有別于普通環(huán)境，具有其特殊性，這些特點(diǎn)必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中引起足夠的重視：

（1）由于列車(chē)是運(yùn)動(dòng)的，將承受持續(xù)的震動(dòng)和沖擊；車(chē)內(nèi)粉塵較大；

（2）由于我國(guó)南北和東西方向地理跨度都很大，造成溫濕度有較大，而且地理環(huán)境（山區(qū)、隧道等）變化也很廣；

（3）車(chē)載電子設(shè)備多、類(lèi)型廣，導(dǎo)致車(chē)載設(shè)備電磁環(huán)境惡劣；

（4）長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，無(wú)人值守；

（5）無(wú)專(zhuān)人進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉，所以電源供電和斷電是突發(fā)式的，而且供電電源干擾大，電壓變化范圍大；

（6）由于車(chē)載設(shè)備維修空間和時(shí)間均有限制，必須易于維修更換；

（7）投資有限、成本控制嚴(yán)格。

2 車(chē)載設(shè)備的可選擇平臺(tái)

由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，同一應(yīng)用需求，有很多處理器可供選擇，都可以滿(mǎn)足要求。但是在開(kāi)始一個(gè)新的設(shè)計(jì)時(shí)，準(zhǔn)確的處理器選擇必須引起足夠的重視，因?yàn)橐坏┻x定某種處理器，后續(xù)的開(kāi)發(fā)工作的技術(shù)思路和可以達(dá)到的功能范圍就基本確定了。

基于上述車(chē)載智能設(shè)備工作環(huán)境的特殊性，車(chē)載智能設(shè)備的處理器必須具備工作可靠耐用、啟動(dòng)速度塊、成本低等特點(diǎn)，具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)該考慮的因素包括：（1）運(yùn)算和處理能力：必須能夠跟上數(shù)據(jù)處理的速度需求；（2）系統(tǒng)的啟動(dòng)快慢：?jiǎn)?dòng)時(shí)間長(zhǎng)，將導(dǎo)致丟失較長(zhǎng)時(shí)間段的數(shù)據(jù)；（3）具有的接口種類(lèi)：滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中需要的各種數(shù)據(jù)接口需求；（4）存儲(chǔ)器空間：空間的大小影響能運(yùn)行的軟件程序的大??；（5）磁盤(pán)存儲(chǔ)空間：滿(mǎn)足存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的需求；（6）操作系統(tǒng)：是否采用操作系統(tǒng)是一個(gè)需要仔細(xì)權(quán)衡的方面，操作系統(tǒng)可以降低開(kāi)發(fā)工作量，但也有啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、占用存儲(chǔ)器空間大、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)；軟件安裝、發(fā)布和升級(jí)；（7）用戶(hù)交互界面：對(duì)顯示屏、鍵盤(pán)的支持；（8）可擴(kuò)展性、開(kāi)發(fā)難度等因素。

下面分別介紹適合上述條件的各種智能設(shè)備處理器。

2.1 單片微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）[1]

單片機(jī)是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU），和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。

圖1為一種以單片機(jī)為核心構(gòu)成的車(chē)載制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)板卡。

單片機(jī)體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。在很多方面單片機(jī)比專(zhuān)用處理器更適合，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的處理器，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上可能有數(shù)百片單片機(jī)在同時(shí)工作，單片機(jī)的數(shù)量遠(yuǎn)超過(guò)PC機(jī)和其他計(jì)算機(jī)的總和。

2.2 PLC（可編程邏輯控制器）

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）可編程控制器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合而開(kāi)發(fā)的一種適用工業(yè) 環(huán)境的新型通用自動(dòng)控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器更多地具有了計(jì)算機(jī)的功能，不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，還具有了數(shù)據(jù)處理、通信、網(wǎng)絡(luò)等功能。由于它可通過(guò)軟件來(lái)改變控制過(guò)程，而且具有體積小、組裝維護(hù)方便、編程簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，大大推進(jìn)了機(jī)電一體化的進(jìn)程。

圖2所示為一種PLC實(shí)物圖。

圖2 PLC實(shí)物照片

2.3 ARM

ARM（Advanced RISC Machines）處理器是32 bit精簡(jiǎn)指令集(RISC)處理器架構(gòu),廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。ARM處理器的特點(diǎn)是體積小、低功耗、低成本、高性能。ARM處理器的數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)（與單片機(jī)和PLC相比），用戶(hù)定制和可開(kāi)發(fā)性強(qiáng)，成本低。

圖3所示是以ARM芯片為核心的功能板。

圖3 ARM核功能板

2.4 PC104

PC104是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，是一種專(zhuān)門(mén)為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線(xiàn)。PC104的特點(diǎn)：（1）小尺寸結(jié)構(gòu)；（2）堆棧式連接：去掉總線(xiàn)背板和插板滑道，總線(xiàn)以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC104總線(xiàn)模塊之間總線(xiàn)的連接是通過(guò)上層的針和下層的孔相互相連，這種層疊封裝有極好的抗震性。（3）輕松總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)：減少元件數(shù)量和電源消耗，4 mA總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)即可使模塊正常工作，每個(gè)模塊1 W～2 W瓦能耗。

圖4所示為PC104應(yīng)用實(shí)例。

圖4 PC104應(yīng)用功能板

有2種方法使用 PC104模塊：（1）獨(dú)立的模塊堆棧；（2）作為元件應(yīng)用：在這方式下，模塊作為用一個(gè)高度集成元件，插入一個(gè)定制的母板上，母板上包含有應(yīng)用接口和總線(xiàn)邏輯，它的自我堆棧方式，可在一個(gè)位置上安裝幾個(gè)模塊。這種方式允許在系統(tǒng)調(diào)試或者測(cè)試時(shí)，臨時(shí)更換模塊，同時(shí)有利于將來(lái)的產(chǎn)品升級(jí)或者更換選件。

由于PC104的管腳定義與ISA、PCI的規(guī)范完全兼容，所以在產(chǎn)品內(nèi)部用 PC104模塊時(shí)，也可以應(yīng)自己的需要設(shè)計(jì)生產(chǎn)更多的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用PC104模塊種類(lèi)。X86體系的PC104軟件與PC機(jī)兼容，便于軟件調(diào)試和開(kāi)發(fā)。

2.5 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（工控機(jī)），即基于PC總線(xiàn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，因其質(zhì)量高、產(chǎn)量大、軟/硬件資源豐富，已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。其主要的組成部分為工業(yè)機(jī)箱、無(wú)源底板及可插入其上的各種板卡組成，如CPU卡、I/O卡等。一般采取全鋼機(jī)殼、機(jī)卡壓條、過(guò)濾網(wǎng)、雙正壓風(fēng)扇等設(shè)計(jì)及EMC技術(shù)以解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾、震動(dòng)、灰塵、高/低溫等問(wèn)題。

圖5所示為實(shí)際的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）照片。

圖5 工控機(jī)實(shí)物照片

工控機(jī)有以下特點(diǎn)：可靠性強(qiáng)；可擴(kuò)充性好；由于采用底板加擴(kuò)展卡（包括CPU卡）結(jié)構(gòu)，因而具有很強(qiáng)的輸入輸出功能，最多可擴(kuò)充20個(gè)左右的板卡；兼容性好，與PC機(jī)完全兼容，并支持各種操作系統(tǒng)。

3 各種平臺(tái)的選型和綜合比較表

3.1 單片機(jī)和PLC的選擇

（1）對(duì)單項(xiàng)工程或產(chǎn)品運(yùn)用少的項(xiàng)目，采用PLC方案成功率高、可靠性好，但成本較高。對(duì)于大量運(yùn)用的產(chǎn)品，采用單片機(jī)系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點(diǎn)。

（2）PLC具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、擴(kuò)展容易、編寫(xiě)程序簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大型設(shè)備來(lái)說(shuō)，非常易于維護(hù)，結(jié)構(gòu)的模塊化使其擴(kuò)展和更換都非常容易。

（3）PLC與單片機(jī)相比價(jià)格昂貴，而且它的執(zhí)行速度相對(duì)低一些。

3.2 單片機(jī)與ARM選擇[2～3]

一般單片機(jī)使用片上Flash內(nèi)存存儲(chǔ)程序，這樣代碼啟動(dòng)和執(zhí)行很快速， 缺點(diǎn)是可用的程序存儲(chǔ)空間有限。ARM沒(méi)有這方面的限制。ARM程序一般存在非易失性存儲(chǔ)中，如NAND或者串行Flash，所以只能在啟動(dòng)時(shí)讀入外部DRAM并提交執(zhí)行，執(zhí)行慢一些，但NAND空間可達(dá)幾百兆甚至吉（G）級(jí)。

關(guān)于支持的外設(shè)和接口，ARM能支持更多的外設(shè)種類(lèi)，即便是同一類(lèi)外設(shè)，ARM具備更多的路數(shù)，例如：串口，一般單片機(jī)只有2～4路，而ARM可能能提供8路以上，這樣就為將來(lái)的擴(kuò)展留下了充分的余量。

處理器性能決定了運(yùn)行速度、處理能力，如果要運(yùn)行操作系統(tǒng)，如Linux, Android 或者Windows CE, 單片機(jī)就顯得力不從心?？紤]到將來(lái)的發(fā)展，ARM余地更大一些。

針對(duì)用戶(hù)界面，簡(jiǎn)單的按鍵和液晶顯示，單片機(jī)足夠；但如果交互很復(fù)雜，可能需要使用操作系統(tǒng)，適合使用ARM，而且ARM一般都自帶對(duì)液晶的驅(qū)動(dòng)，可以直接連接液晶顯示器。

對(duì)于有高速數(shù)據(jù)傳輸需求的，如HS USB 2.0, Gigabit Ethernet以太網(wǎng)通信，最好選擇ARM，因?yàn)橥ㄐ艆f(xié)議等將占用很多程序空間，而且還有運(yùn)行速度的問(wèn)題。

3.3 ARM與PC104

選擇ARM和PC104沒(méi)有明顯的優(yōu)劣，它們的性能、運(yùn)行速度、可擴(kuò)展性、可用的操作系統(tǒng)，都差不多。但ARM的定制性強(qiáng)一些，可以從ARM芯片級(jí)設(shè)計(jì)，定制各種外圍設(shè)備，成本低，可控性強(qiáng)；而PC104是成熟模塊，如果選用X86體系，在軟件上，與PC機(jī)軟件兼容，可以利用大量的PC機(jī)上的軟件，開(kāi)發(fā)、調(diào)試都容易，掌握的人也多，熟悉的人也多，維護(hù)維修容易。

操作系統(tǒng)上，ARM只能運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)；PC104既可以采用嵌入式操作系統(tǒng)，也可以采用桌面Windows系統(tǒng)。

由于ARM的啟動(dòng)系統(tǒng)是非易失性的，操作系統(tǒng)不易損壞； PC104，一般是磁盤(pán)啟動(dòng)，屬于磁盤(pán)操作系統(tǒng)，容易損壞和崩潰，近年來(lái)有采用FLASH存儲(chǔ)操作系統(tǒng)的PC104產(chǎn)品，可靠性有所提高。

3.4 綜合選擇總結(jié)

各種平臺(tái)的比較如表1所示。

（1）性能足夠時(shí)，優(yōu)先選擇單片機(jī)；單片機(jī)性能不滿(mǎn)足時(shí)，選擇ARM；

（2）快速開(kāi)發(fā)、應(yīng)用數(shù)量有限、技術(shù)人員開(kāi)發(fā)水平有限時(shí)，選擇PLC；

（3）需要具備操作系統(tǒng)（如需要使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）時(shí)，選擇ARM或PC104；

（4）綜合型大系統(tǒng)、性能要求高、應(yīng)用需求經(jīng)常變化時(shí)，選擇工控機(jī)，如鐵路領(lǐng)域的各種綜合試驗(yàn)車(chē)、列車(chē)娛樂(lè)播放系統(tǒng)主機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于車(chē)載設(shè)備工作環(huán)境的特殊性，選擇適合于車(chē)載環(huán)境的智能設(shè)備處理器非常重要。根據(jù)車(chē)載設(shè)備的特殊要求，可以使用單片機(jī)、PLC、ARM、PC104、工控機(jī)等多種處理器平臺(tái)。各種處理器都有其特點(diǎn)，結(jié)合各種處理器的性能特點(diǎn)進(jìn)行綜合比較和分析，選擇合適的處理器，對(duì)于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)調(diào)試、日后的生產(chǎn)維護(hù)和擴(kuò)展有重要意義。

表1 各種平臺(tái)的比較表

[1]黃亮亮，朱欣華. 基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μCOS-II的C8051F系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J]. 測(cè)控技術(shù), 2005（9）：19-21.

[2] Frederic Gaillard. Microprocessor (MPU) or Microcontroller (MCU)? What factors should you consider when selecting the right processing device for your next design[R]. Atmel-Cor poration, 2013, 3.

[3]羅 佳，孫運(yùn)強(qiáng). 51 系列單片機(jī)與ARM處理器的比較[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007，20 （5）： 64-66.

責(zé)任編輯 徐侃春

Comparison and lectotype of processor for on-board intelligent device

SHEN Yuyan, GUAN Xiaoye, ZHOU Zhongliang
( Locomotive & Cars Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

The Characteristic of working conditions for on-board intelligent devices was introduced at fi rst, then based on it, several practicable platforms were listed here. The performance, characteristics and their application scopes were compared and analyzed synthetically. The factors and methods about how to select a suitable processor was suggested.

on-board; processor; comparison; lectotype

U260∶TP39

A

1005-8451（2014）02-0054-04

2013-12-06

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃（2012J006-A)。

申宇燕，助理研究員；關(guān)曉曄，助理研究員。