嵌入式技術(shù)與工程裝備智能信息化研究

方虎生　張志超　沙衛(wèi)平　廖明　周春華

摘要：嵌入式技術(shù)的發(fā)展及其在工程裝備領(lǐng)域的深度應(yīng)用，加速推進(jìn)了工程裝備向智能化信息化發(fā)展。文章介紹了智能信息化的工程裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及嵌入式軟硬件技術(shù)，同時介紹了嵌入式技術(shù)在智能信息化工程裝備的應(yīng)用與具體的軟硬件實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：智能化；信息化；工程裝備；嵌入式技術(shù)

1引言

智能信息化引領(lǐng)著工程裝備的發(fā)展方向，工程裝備智能化是指：裝備系統(tǒng)可以自動的完成對自身狀態(tài)的調(diào)節(jié)、控制、監(jiān)控與診斷，系統(tǒng)還可以及時地對外部指令作出響應(yīng)，并完成一系列的指令動作。工程裝備信息化是指：通過特定的方式將裝備系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)、動態(tài)參數(shù)變成數(shù)字信號傳遞出去，使得其他的系統(tǒng)可以共享該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以完成對裝備系統(tǒng)的檢測與控制。利用筆記本電腦和手持電腦可以在裝備現(xiàn)場完成對裝備系統(tǒng)的控制、監(jiān)視、性能測試與故障診斷。使用有線、3G、WIFI網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)裝備系統(tǒng)與遠(yuǎn)程計算機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，達(dá)到信息共享和遠(yuǎn)程支持。智能信息化的工程裝備本身具有很高的“智能”，能夠保證裝備系統(tǒng)在絕大部分時間里保持良好的狀態(tài)以高質(zhì)量地完成工程作業(yè)任務(wù)。同時智能信息化的工程裝備系統(tǒng)利用其通信接口實現(xiàn)了裝備系統(tǒng)高度的信息化，使得系統(tǒng)可以很方便地利用遠(yuǎn)程的計算機(jī)系統(tǒng)、專家系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)與控制，極大地擴(kuò)充了裝備系統(tǒng)的資源。事實上由于工程裝備的信息化，使得更多的其他裝備直接或間接地參予了工程裝備系統(tǒng)的工作，因此擴(kuò)大了傳統(tǒng)“工程裝備”名詞所指代的范圍。

2智能信息化的工程裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能信息化的工程裝備結(jié)構(gòu)圖如圖l所示。

系統(tǒng)由三個層次構(gòu)成：嵌入式智能傳感器層、嵌入式控制器層和嵌入式計算機(jī)層。嵌入式智能傳感器層負(fù)責(zé)將工程裝備機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的位置、速度、加速度、力矩、溫度、壓力、含氧量、氣流量等物理量參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電信號，通過傳感器層現(xiàn)場總線傳遞給一個或多個嵌入式控制器使用。利用嵌入式控制器和計算機(jī)層現(xiàn)場總線，嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)可以間接獲取各種傳感器的輸入信號。嵌入式控制器層可以實現(xiàn)對裝備系統(tǒng)單一功能的機(jī)械、液壓機(jī)構(gòu)提供精確的控制，同時可以給嵌入式計算機(jī)層提供控制參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)。工程裝備系統(tǒng)的嵌入式控制器種類繁多如：嵌入式點火控制器、嵌入式電子燃油噴射控制器、嵌入式防抱死控制器、嵌入式功率優(yōu)化控制器等等，實現(xiàn)了對工程裝備的精確控制，顯著提高了裝備系統(tǒng)的整體性能，大大降低了駕駛員的操作強度。計算機(jī)層借助現(xiàn)場總線技術(shù)利用控制器層提供的控制參數(shù)以及傳感器數(shù)據(jù)完成工程裝備系統(tǒng)的復(fù)雜控制、協(xié)調(diào)控制、過程監(jiān)控、故障診斷、不同計算機(jī)系統(tǒng)間的通信以及外部通信。

智能信息化的工程裝備系統(tǒng)使用的主體技術(shù)有兩個：嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)。嵌入式技術(shù)使得裝備系統(tǒng)具有分布式計算機(jī)資源，而現(xiàn)場總線技術(shù)則將嵌入式計算機(jī)資源連接起來，構(gòu)成一個標(biāo)準(zhǔn)的高效率的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，以使完成對整個裝備系統(tǒng)的控制、監(jiān)視、診斷與通信。因此，嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)是實現(xiàn)智能信息化的工程裝備的主體和核心技術(shù)，它們在裝備系統(tǒng)的應(yīng)用狀況直接決定了工程裝備系統(tǒng)智能化、信息化的水平與層次。

3嵌入式技術(shù)與工程裝備的智能信息化

3.1嵌入式技術(shù)簡介

嵌入式技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。嵌入式技術(shù)的本質(zhì)是用微處理器或微控制器配合其它的硬件設(shè)備組成嵌入式硬件，在特定的硬件上運行相應(yīng)的嵌入式應(yīng)用軟件，使得嵌入式系統(tǒng)具有了計算機(jī)的一部分功能諸如外部事件的響應(yīng)和數(shù)據(jù)的處理等能力。嵌入式系統(tǒng)最終當(dāng)作整個工程或設(shè)備的一部分而嵌入到實際的應(yīng)用系統(tǒng)中去。嵌入式技術(shù)應(yīng)用的最大特點是具有目的性或針對性，即每一套嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計都有其特殊的應(yīng)用場合與特定功能，這也是嵌入式技術(shù)與通用計算機(jī)技術(shù)最主要的區(qū)別。另外，嵌入式技術(shù)的應(yīng)用還與實時性聯(lián)系在一起：由于嵌入式技術(shù)的應(yīng)用是為特定的目的而設(shè)計的，系統(tǒng)常常受到空間、成本、存儲、帶寬等條件的限制，因此，它必須最大限度地在硬件上和軟件上“量身定做”，以提高效率，這樣的結(jié)果最終導(dǎo)致了實時性的增強。

嵌入式技術(shù)的出現(xiàn)使得計算機(jī)的分類從以前的巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)之分變?yōu)橥ㄓ糜嬎銠C(jī)和嵌入式系統(tǒng)之分。嵌入式技術(shù)應(yīng)用范圍非常廣泛，現(xiàn)在嵌入式應(yīng)用遍及了金融、航天、電信、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制各領(lǐng)域。

3.2嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般分成兩個部分嵌入硬件和嵌入式軟件。

（1）嵌入式硬件技術(shù)

嵌入式硬件包括：嵌入式處理器、存儲器和I/O單元等幾個部分。嵌入式處理器分為微處理器、微控制器、DSP處理器等幾大類，應(yīng)用最為廣泛的還是各種檔次的8/16位微控制器。但I(xiàn)ntel x86、ARM、DSP芯片等高性能微處理器的應(yīng)用也在迅速擴(kuò)大。硬件系統(tǒng)使用的存儲器，傳統(tǒng)的RAM有SRAM、DRAM，而ROM有掩膜ROM、PROM、EPROM，混合型存儲器如EEPROM、FLASH、NVRAM以及“電子盤”“固態(tài)盤”等，更符合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

（2）嵌入式軟件技術(shù)

嵌入式技術(shù)包含嵌入式軟件技術(shù)，主要指嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)一般具有可裁剪的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、高效的多任務(wù)優(yōu)先級、微秒級的中斷處理、支持多任務(wù)間的通信、共享內(nèi)存以及支持多種信號量等等特點。過去，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中，軟件的開發(fā)只作為一個次要的角色出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)工作只占全部工作的5%-10%，在近年來，隨著硬件復(fù)雜性的增加，嵌入式系統(tǒng)中軟件開發(fā)工作急劇增長，經(jīng)常達(dá)到全部工作的70%-80%。從八十年代起，國際上就有一些IT組織、公司，開始進(jìn)行商用嵌入式系統(tǒng)和專用操作系統(tǒng)的研發(fā)。這其中涌現(xiàn)了一些著名的嵌入式系統(tǒng)：WindowsCE、VxWorks、UC/OS等。作為免費的、原代碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)Linux，正吸引了越來越多的技術(shù)人員和開發(fā)商的目光，Linux將逐漸成為系統(tǒng)開發(fā)者使用最廣泛的產(chǎn)品。

4嵌入式技術(shù)在智能信息化工程裝備中的應(yīng)用

4.1嵌入式智能傳感器

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)將多個傳感器輸出的模擬信號引線直接接入到微控制器處，這樣傳感器與控制器的距離不能太遠(yuǎn)，否則較長的傳感器輸出引線中傳輸?shù)哪M信號易受干擾嚴(yán)重影響測量精度，不方便與現(xiàn)場總線系統(tǒng)的集成；同時使用這種傳感器的系統(tǒng)中，存在大量的引線，這在空間緊湊、有大量機(jī)械運動的場合給布線帶來極大的不便。工程裝備系統(tǒng)中：一方面系統(tǒng)的控制復(fù)雜，對某一機(jī)構(gòu)的控制往往需要讀取十幾個測量位置高度分散的傳感器輸出參數(shù)，需要較多的長距離傳感器引線；另一方面裝備系統(tǒng)中、空間狹小、機(jī)械部件運動頻繁、布線困難，環(huán)境惡劣、電子設(shè)備常受到來自點火系統(tǒng)釋放的高頻電磁干擾且長時間處于具有大量的水、油煙、振動、急劇的溫度變化等復(fù)雜的物理環(huán)境中，較多較長的金屬引線極大地降低了系統(tǒng)的可靠性。

嵌入式智能傳感器在其電路主板上集成了傳感器、傳感器處理電路、總線接口、微控制芯片等電路和器件，模塊通過信號濾波、信號放大、A/D轉(zhuǎn)化、光電隔離等處理將傳感器傳來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，使用帶有光電隔離的總線接口將參數(shù)傳遞到總線中去供一個或多個控制器使用。微控制芯片還可以通過總線與上位機(jī)通信實現(xiàn)采集模式的改變、電路參數(shù)調(diào)整、數(shù)據(jù)存儲等高級功能。顯而易見，嵌入式智能傳感器具備了很多傳統(tǒng)傳感器不可比擬的優(yōu)勢：1.可以當(dāng)作I/O設(shè)備直接接到現(xiàn)場總線中去；2.不易受干擾，精度高；3.傳感器布置靈活易與裝備系統(tǒng)的集成。

4.2工程裝備嵌入式控制器

智能信息化的工程裝備系統(tǒng)中，嵌入式控制器從實現(xiàn)的功能層次上劃分，可分為兩種：一種是獨立控制器，一種是聯(lián)合控制器。獨立控制器能夠不依賴于上層控制計算機(jī)，使用智能傳感器層數(shù)據(jù)利用自身的微控制器，直接控制液壓和機(jī)械系統(tǒng)。聯(lián)合控制器將接收到的相關(guān)智能傳感器數(shù)據(jù)處理后，發(fā)送到上層控制計算機(jī)，由上層控制計算機(jī)完成控制算法并將相應(yīng)的控制參數(shù)傳回到聯(lián)合控制器，再由聯(lián)合控制器處理送至I/O單元控制液壓和機(jī)械設(shè)備。嵌入式控制器與智能傳感器間、嵌入式控制器與上層計算機(jī)間使用現(xiàn)場總線接口實現(xiàn)連接，安裝和布置都非常靈活與方便。同時嵌入式控制器具有對本級被控對象故障的自診斷能力，并能將診斷結(jié)果以故障編碼的形式傳送到現(xiàn)場總線中去，以供總線上其他設(shè)備使用。類似地，嵌入式控制器可以將采集到的智能傳感器數(shù)據(jù)直接傳送到計算機(jī)層現(xiàn)場總線，以滿足嵌入式計算機(jī)層不同應(yīng)用層次的需求。智能信息化的工程裝備系統(tǒng)中嵌入式控制器的硬件框圖如2所示。

4.3工程裝備嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)

由于裝備系統(tǒng)使用的嵌入式控制器硬件性能的限制以及在系統(tǒng)中的地位，使得在需要對裝備級的綜合協(xié)調(diào)控制、裝備級的過程監(jiān)控、裝備級的故障診斷以及實現(xiàn)高級通信功能等場合很難用嵌入式控制器實現(xiàn)。智能信息化的工程裝備使用的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)大致可分為三種：控制類計算機(jī)、監(jiān)控和診斷類計算機(jī)、通信類計算機(jī)?？刂朴嬎銠C(jī)又分為傳動控制計算機(jī)（TCM）、動力控制計算機(jī)（PCM）和車身控制計算機(jī)（BCM）。嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)使用了工業(yè)級的控制主板，運行諸如VxWorks、嵌入式Windows等高穩(wěn)定性成熟的操作系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)對外部計算機(jī)系統(tǒng)的良好的兼容性和高級編程開發(fā)軟件的支持。

5結(jié)語

嵌入式技術(shù)的發(fā)展及其在工程裝備領(lǐng)域的深度應(yīng)用，使得工程裝備的智能化控制性能和信息化程度將得到極大提升，國家“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展戰(zhàn)略顯著推動了無線網(wǎng)絡(luò)的提速與廣域覆蓋，可以預(yù)見工程裝備在自主駕駛、自主作業(yè)、自主診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)、全程監(jiān)控方向會快速發(fā)展。