工業(yè)控制與嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用研究論述

汪 科

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院牽引與動(dòng)力學(xué)院，湖南 株洲 412001

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工業(yè)控制與嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用研究論述

汪 科*

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院牽引與動(dòng)力學(xué)院，湖南 株洲 412001

嵌入式控制系統(tǒng)是一種面向具體應(yīng)用的將底層設(shè)備、系統(tǒng)和應(yīng)用軟件結(jié)合起來(lái)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其當(dāng)前已經(jīng)應(yīng)用于各種工業(yè)控制之中。然而，在工業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，其或多或少受到了傳統(tǒng)工業(yè)運(yùn)行模式的限制，這就使得當(dāng)前的嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用，還存在一定的瑕疵，面對(duì)該種狀況，必須要針對(duì)嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用范圍以及其應(yīng)用模式加以分析，并且，就當(dāng)前的應(yīng)用不足，提出對(duì)應(yīng)的建議，為嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用提供一定的幫助。

嵌入式控制系統(tǒng)；工程機(jī)械；控制

一、嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)涵

(一)定義

嵌入式系統(tǒng)(Embedded system)，其是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，其為特定應(yīng)用所設(shè)計(jì)的特殊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。通俗而言，就是傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)都是輔助性系統(tǒng)，其獨(dú)立于設(shè)備外部，在整個(gè)控制中，需要一定的人工操作。而嵌入式系統(tǒng)，其進(jìn)入工業(yè)控制系統(tǒng)內(nèi)部，成為設(shè)備的組成部分。在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中，嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件均進(jìn)行調(diào)整，適用于對(duì)工業(yè)生產(chǎn)功能、可靠性、成本等多個(gè)方面進(jìn)行控制的一個(gè)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

(二)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子消費(fèi)、通信系統(tǒng)、國(guó)防等領(lǐng)域。在個(gè)人領(lǐng)域中，嵌入式產(chǎn)品主要是用于數(shù)據(jù)處理和通信軟件。而對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，其適用于企業(yè)整個(gè)運(yùn)行之中。相對(duì)普遍的嵌入式系統(tǒng)，例如ATM機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)等，還有一些便攜式的通訊設(shè)備，其均為嵌入式控制系統(tǒng)。其特點(diǎn)為：系統(tǒng)內(nèi)核小、專(zhuān)用性強(qiáng)、系統(tǒng)精簡(jiǎn)、多任務(wù)高實(shí)時(shí)性、專(zhuān)用性。

就目前來(lái)說(shuō)，其主要由嵌入式處理器、外國(guó)硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶(hù)應(yīng)用程序四個(gè)部分組成。如圖1。

二、工業(yè)控制解析

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是由傳感器、執(zhí)行器、顯示和數(shù)據(jù)記錄等多個(gè)設(shè)備組成，其主要用于監(jiān)視和控制電氣設(shè)備的系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，在生產(chǎn)中，工業(yè)控制系統(tǒng)其能夠解決一些基礎(chǔ)性的問(wèn)題。除非遇到系統(tǒng)難以解決無(wú)法自愈的故障，方可需要人工干預(yù)排除。在控制網(wǎng)絡(luò)中，其采集了基本的生產(chǎn)信息，并且，輸入了模擬量。在整個(gè)運(yùn)用中，其能夠根據(jù)參數(shù)的大小與具體狀態(tài)進(jìn)行生產(chǎn)。同時(shí)，工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性均相對(duì)較好。在控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信時(shí)，其以引發(fā)物質(zhì)或者能量作為最終目標(biāo)。在整個(gè)運(yùn)用過(guò)程中，其能夠?qū)ιa(chǎn)中發(fā)生的事件，進(jìn)行實(shí)時(shí)收集與處理，從這點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，其數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性，能夠得到保障。工業(yè)控制系統(tǒng)其本身是在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的背景下，逐漸產(chǎn)生。目前，其已經(jīng)從最初的CCS到DCS，發(fā)展到如今的FCS。由此可以看出，當(dāng)前工業(yè)控制更加關(guān)注生產(chǎn)中產(chǎn)生的問(wèn)題，其側(cè)重于實(shí)踐。這與傳統(tǒng)的統(tǒng)一控制，存在嚴(yán)重的差異。因此，在引入嵌入式系統(tǒng)時(shí)，其必須要保證整個(gè)控制系統(tǒng)的應(yīng)對(duì)能力，以達(dá)到控制與現(xiàn)場(chǎng)的一致性。

三、嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中應(yīng)用的具體設(shè)計(jì)

(一)處理器選擇

處理器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，不同的處理器，將會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，必須要保證控制系統(tǒng)與其生產(chǎn)目標(biāo)一致。目前，嵌入式處理器主要分為：嵌入式微控制器、嵌入式DSP、嵌入式上系統(tǒng)SOC。尤其是隨著工業(yè)控制對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)要求的不斷提高。傳統(tǒng)的控制算法實(shí)用性欠缺，當(dāng)前控制算法的復(fù)雜度提高。其中，以ARM微處理器應(yīng)用最為廣泛。該處理器充分的進(jìn)入了工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，在工業(yè)控制使用嵌入式系統(tǒng)時(shí)，也需要以該種處理器作為主要環(huán)節(jié)。但是，在某些狀況下，也需要根據(jù)生產(chǎn)狀況進(jìn)行挑選。例如，Philips公司的LPC2880芯片，其就是屬于該類(lèi)型的處理器。

(二)電源電路設(shè)計(jì)

在電源電路設(shè)計(jì)上，必須要達(dá)到兩個(gè)基本要求，第一，電流限制；第二，熱保護(hù)功能。在上文中選取的是LPC2880芯片，該芯片運(yùn)作電壓為1.8v，I/O接口的工作電壓為3.3V，用高電壓來(lái)對(duì)其進(jìn)行判斷。故而，在整個(gè)電路設(shè)計(jì)中，其電壓需要保持在3.3V。在實(shí)現(xiàn)方法上，也需要以該電壓為基礎(chǔ)。

(三)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

嵌入式控制系統(tǒng)往往是由市場(chǎng)所決定，在整個(gè)工業(yè)控制的過(guò)程中，其器械價(jià)格相對(duì)較高。因此，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，其時(shí)鐘電路的功能也相對(duì)較好。其具有控制運(yùn)行時(shí)間、提高運(yùn)用者的時(shí)間意識(shí)。在選用LPC2880芯片處理器時(shí)，通過(guò)內(nèi)部PLL電路來(lái)調(diào)整其系統(tǒng)時(shí)鐘，能夠有效地保證其系統(tǒng)運(yùn)行的速度，使之頻率達(dá)到更高。

(四)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)其應(yīng)該是在處理器之上。因此，操作系統(tǒng)在應(yīng)用之前，必須要將其移植到處理器上。尤其是，嵌入式系統(tǒng)與硬件關(guān)系密切，處理器也必須要滿(mǎn)足幾個(gè)要求：第一，C編譯器能夠產(chǎn)生重入代碼，在程序中充分獲得處理器的支持，實(shí)現(xiàn)定時(shí)中斷。第二，編譯器相關(guān)數(shù)據(jù)類(lèi)型、常量值等，均需要根據(jù)其實(shí)際需求來(lái)確定。從而編寫(xiě)與處理器相關(guān)的函數(shù)。

(五)人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

在嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)中，其大量的生產(chǎn)控制信息實(shí)際上都是由操作人員所操控。這些信息在控制系統(tǒng)的LED面板上實(shí)現(xiàn)。故而，控制系統(tǒng)中需要為人工操作留出空間。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。傳統(tǒng)工業(yè)以人工操作與控制為主，無(wú)法滿(mǎn)足其生產(chǎn)需求。自動(dòng)控制在這種狀況逐漸產(chǎn)生，為工業(yè)生產(chǎn)提供了極大的便利。而隨著其進(jìn)一步發(fā)展，其對(duì)于控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性要求更高。嵌入式系統(tǒng)的引入，使得工業(yè)控制系統(tǒng)細(xì)微化，其能夠保證其控制的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了快速反應(yīng)與規(guī)模化生產(chǎn)，其對(duì)于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)具有極其重要的意義。

[1]張志杰.嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用[D].電子科技大學(xué)，2005.

[2]李會(huì)，鄔迪.嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，02：47-49.

[3]高勇.嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制應(yīng)用中的研究[D].武漢科技大學(xué)，2007.

汪科(1978-)，男，湖北武漢人，碩士，湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院牽引與動(dòng)力學(xué)院，講師，研究方向：電氣工程。

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