嵌入式控制系統(tǒng)在汽車自動化生產(chǎn)線運用分析

胡松 潘丹丹 趙磊

摘要：汽車自動化生產(chǎn)線中，嵌入式控制系統(tǒng)利用芯片技術(shù)，可實現(xiàn)實時控制功能，滿足不同的配置和控制要求，促進自動化生產(chǎn)線發(fā)展和進步?；诖耍治隽似嚽度胧较到y(tǒng)發(fā)展歷程，從多方面研究了嵌入式控制系統(tǒng)在汽車自動化生產(chǎn)線中的運用優(yōu)勢，并重點從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件組成、軟件設(shè)計和運用效果幾大方面，探究了嵌入式控制系統(tǒng)在汽車自動化生產(chǎn)線中的運用方法，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)工作提供一定幫助。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制系統(tǒng)??人機交互??汽車自動化??生產(chǎn)線

中圖分類號：U468.23;TP273

Analysis?of?the?Application?of?the?Embedded?Control?System?in?Automatic??Automobile?Production?lines

HU?Song??PAN?Dandan??ZHAO?Lei

（College?of?Mechanical?and?Electrical?Engineering，Huangshan?University，?Huangshan，?Anhui?Province，?245041?China）

Abstract：?In?the?automatic?automobile?production?line，?the?embedded?control?system?can?realize?the?real-time?control?function?by?using?chip?technology，?so?as?to?meet?different?configuration?and?control?requirements，?and?promote?the?development?and?progress?of?automatic?production?lines.?Based?on?this，?this?paper?analyzes?the?development?history?of?the?embedded?system?of?automobiles，?studies?the?application?advantages?of?the?embedded?control?system?in?the?automatic?automobile?production?line?from?various?aspects，?and?focuses?on?the?application?methods?of?the?embedded?control?system?in?the?automatic?automobile?production?line?from?the?aspects?of?the?system?architecture，?hardware?composition，?software?design?and?application?effect，?hoping?to?offer?some?help?to?related?work.

Key?Words：?Embedded?control?system;?Man-machine?interaction;?Automobile?automation;?Production?line

現(xiàn)階段，在科學(xué)技術(shù)的支持下，汽車自動化生產(chǎn)線逐漸向智能化、復(fù)雜化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的PLC等控制手段，需配置更多I/O和相關(guān)設(shè)備，系統(tǒng)標準化不足、調(diào)試工作繁雜，很難在復(fù)雜且大型的生產(chǎn)線中發(fā)揮高效、集中的控制功能。為滿足汽車自動化生產(chǎn)線運行的需要，控制模式逐漸從集中控制轉(zhuǎn)化為分布式控制。要想實現(xiàn)分布式控制，嵌入式控制系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，研究嵌入式控制系統(tǒng)在汽車自動化生產(chǎn)線中的運用具有重要意義。

1?汽車嵌入式系統(tǒng)發(fā)展歷程

嵌入式系統(tǒng)具有明顯的體積小、能耗低、集成度高等優(yōu)勢，且其中的子系統(tǒng)之間還可實現(xiàn)通信和信息共享，這些優(yōu)勢決定了其在汽車工業(yè)領(lǐng)域的適用性。隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展進步，科學(xué)技術(shù)，尤其微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式應(yīng)用范圍越來越廣，在汽車工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。汽車嵌入式系統(tǒng)也可以分為3個發(fā)展階段：第一階段，嵌入式系統(tǒng)通常以4位和低檔8位微處理器為核心，在每一個芯片上都集成管理CPU和外設(shè)電路，硬件結(jié)構(gòu)和性能都比較簡單，處理控制效率較小、儲電能力較小，不需要嵌入操作系統(tǒng)；第二階段，嵌入式系統(tǒng)以高檔的8位和16位處理器為核心，集成了較多外部接口功能單元。該階段嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，程序數(shù)據(jù)量有明顯增加；第三階段，嵌入式系統(tǒng)以性能極高的32位甚至64位嵌入式處理器為核心，使用DSP作為協(xié)處理器，重點應(yīng)用于大量離散的信息而需要高速數(shù)據(jù)的處理場合采用。

2?嵌入式控制系統(tǒng)在汽車自動生產(chǎn)線的優(yōu)勢

嵌入式控制系統(tǒng)，以芯片技術(shù)為核心，在芯片技術(shù)不斷優(yōu)化提升下，嵌入式控制系統(tǒng)也得以逐漸完善和快速發(fā)展。嵌入式控制系統(tǒng)，將功能軟件和操作系統(tǒng)相結(jié)合，具有更強的針對性，能夠?qū)崿F(xiàn)一體化控制效果。嵌入式控制系統(tǒng)在汽車自動化生產(chǎn)線中的運用，有著多方面明顯優(yōu)勢。（1）嵌入式控制系統(tǒng)的體積較小，集成度較高，功耗和成本相對較低，能夠利用通用CPU，將各項任務(wù)在芯片中集成處理，以此實現(xiàn)更加專業(yè)化的控制效果，提高控制處理的靈活性和高效性；（2）嵌入式控制系統(tǒng)，結(jié)合先進的電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)，在通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的支撐下迅速發(fā)展，這也意味著，嵌入式控制系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，有著明顯的技術(shù)密集、注重研發(fā)等優(yōu)勢[1]。在汽車自動化生產(chǎn)線中，合理應(yīng)用嵌入式控制系統(tǒng)，能夠有效針對各相似工位，實現(xiàn)有目的地控制和操作，模塊化設(shè)計和處理各工位工作，復(fù)刻現(xiàn)場設(shè)備運行，以此實現(xiàn)高質(zhì)量的設(shè)備安裝調(diào)試、軟件編程控制等生產(chǎn)線重要工作，提高汽車自動化生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

3?嵌入式控制系統(tǒng)在汽車自動生產(chǎn)線的運用

3.1?系統(tǒng)架構(gòu)

在汽車自動化生產(chǎn)線當中，嵌入式控制系統(tǒng)的核心為嵌入式處理器。在控制管理過程中，可將生產(chǎn)線中的重要數(shù)據(jù)信息，在硬盤中以文件形式存儲，利用工業(yè)以太網(wǎng)總線，將報警信息、各類數(shù)據(jù)向上位機傳輸。通過整體系統(tǒng)架構(gòu)，用戶可及時了解設(shè)備相關(guān)參數(shù)、設(shè)備運行情況，通過Web界面，進行設(shè)備和系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和維護管理。例如：在汽車自動化生產(chǎn)中，底板線生產(chǎn)制造的嵌入式控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計上，考慮到焊接車間的底板線生產(chǎn)，大多使用相似的設(shè)備，運行方式基本相同，各工位工作模式一致。所以，可采用分布式控制方式，進行有效的PLC軟件編程，提高現(xiàn)場布線和調(diào)試的效率。在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，實現(xiàn)不同工位夾具氣缸組的模塊化、標準化控制，結(jié)合堆積木方式，通過可復(fù)制方法，形成生產(chǎn)線中的控制系統(tǒng)[2]。通過模塊化控制架構(gòu)，能夠有效提高設(shè)備運行和調(diào)試的便捷性，實現(xiàn)集中控制，縮短開發(fā)設(shè)計周期，保證控制系統(tǒng)的高質(zhì)量、安全運行，降低開發(fā)成本。

3.2??硬件組成

嵌入式控制系統(tǒng)運用過程中，硬件組成設(shè)計是重要一部分。嵌入式控制系統(tǒng)平臺中，包括底板和核心板兩大部分，形成分層次結(jié)構(gòu)的主控制板，在處理器作用下運行。同時，在RS-485的作用下，連接IO擴展板，形成完整的嵌入式控制器硬件系統(tǒng)。為滿足汽車自動化生產(chǎn)線工業(yè)需要，可選擇性價比相對較高的微處理器作為芯片，保證芯片的主頻和AI算力效果。利用以太網(wǎng)對芯片進行實時控制管理[3]。在核心板上，還集成多個高速通信接口，使得嵌入式控制器可在運行期間，滿足高清視頻、5G網(wǎng)絡(luò)、高速工業(yè)等應(yīng)用場景，提高其控制效果和運行效率。

3.3??軟件設(shè)計

嵌入式控制系統(tǒng)當中，軟件系統(tǒng)是核心部分。嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計過程中，重點考慮嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核、運行環(huán)境、編程開發(fā)環(huán)境、人機交互等多部分。其中，開發(fā)環(huán)境發(fā)揮著開發(fā)和調(diào)試控制程序的功能，圍繞用戶的使用功能需求，構(gòu)建服務(wù)齊全、操作完善的開發(fā)環(huán)境。運行環(huán)境則主要針對任務(wù)處理，設(shè)計實時和非實時的穩(wěn)定系統(tǒng)模式，達到可靠性和穩(wěn)定性運行效果。

3.3.1??操作系統(tǒng)內(nèi)核

嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程中，實時性是其主要特點。在開發(fā)嵌入式Linux時，需拓展其實時性能。向上拓展，主要是對Linux內(nèi)核進行擴展，從功能角度，擴展其實時控制和處理功能。向外擴展，主要擴展其控制范圍，使得實時系統(tǒng)可支持更多設(shè)備，實現(xiàn)更廣泛的支持效果。在進行實時任務(wù)的過程中，主要通過其內(nèi)部的可裝卸內(nèi)存完成，與普通進程不相同，主要存在于核膜塊的形式[4]。在實時任務(wù)運行過程中，在系統(tǒng)內(nèi)核當中插入實時任務(wù)模塊，利用FIFO通道或共享內(nèi)存，完成一般進程和實時任務(wù)模塊之間的通信，達到信息共享效果。

3.3.2??運行環(huán)境

運行環(huán)境當中，設(shè)備資源調(diào)度管理系統(tǒng)，基于標準開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)對各功能塊的管理調(diào)度，科學(xué)分配設(shè)備中的資源，對資源調(diào)度過程加以監(jiān)控和維護，設(shè)置資源調(diào)度優(yōu)先級等，對不同任務(wù)進行實時控制和實時調(diào)度，提高管理控制便捷性，以此構(gòu)建更可靠、高性能、可配置的運行環(huán)境。例如：在Linux系統(tǒng)中，裁剪其中的多余模塊和組件，為達到實時控制效果，增加實時任務(wù)處理模塊和功能[5]。

3.3.3??編程開發(fā)環(huán)境

開發(fā)環(huán)境，主要包括設(shè)備控制、應(yīng)用控制、功能塊控制、工程控制管理、連接器控制等多方面。其中，功能塊控制，主要針對總體進行調(diào)度管理，對各功能模塊進行有效控制。工程控制管理，主要針對其余各部分進行總體管理和分配調(diào)度，是各模塊的運行關(guān)鍵，為各模塊運行提供重要的交流渠道。

分布式工業(yè)測控系統(tǒng)，可執(zhí)行多項模型功能，存在于一個設(shè)備或分布在多個設(shè)備當中，實現(xiàn)資源的合理利用。在開發(fā)環(huán)境創(chuàng)建期間，利用對軟件組件的調(diào)整和改進，對其封裝進行優(yōu)化，提高其使用性能，使其得以在獨立的供應(yīng)商格式下運行，實現(xiàn)高效的控制器通信支持等工作。對標準環(huán)境進行拓展，發(fā)揮其動態(tài)調(diào)控和分發(fā)功能優(yōu)勢，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)提供有利的基礎(chǔ)條件[4]。這種編程開發(fā)環(huán)境，既能夠有效簡化傳統(tǒng)編程類型，又能夠滿足新時代下，高級編程語言和高標準編程的需求，實現(xiàn)編程多樣性和高效性。

3.3.4?人機交互

人機交互界面，主要用來調(diào)試和控制夾具等固定設(shè)備，并利用Web服務(wù)，進行設(shè)備的有效配置和科學(xué)管理。在夾具管理過程中，利用人機交互界面，由上級發(fā)送操作指令，界面就可自動化控制夾具的配置和運行[6]。在人機交互界面的作用下，能夠有效實現(xiàn)設(shè)備的獨立運行和聯(lián)動效果，減少編程過程，實現(xiàn)更加便捷的設(shè)備調(diào)試。

3.4??運用效果

為進一步檢驗嵌入式控制系統(tǒng)在汽車自動化生產(chǎn)線中的運用效果，從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)角度，對比分析傳統(tǒng)方案和嵌入式控制系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)。

從技術(shù)層面，嵌入式控制系統(tǒng)的RTOS系統(tǒng)內(nèi)存可達到4GB，支持拓展IO、運動控制模塊以及硬盤空間、非實時功能應(yīng)用等。分布式控制系統(tǒng)，可脫離PLC進行單獨調(diào)試，有效提高調(diào)試效果，且功能塊重構(gòu)更加便捷，可復(fù)制性較強，標準化、模塊化工作效率更高，可一次性復(fù)制10臺以上的設(shè)備。嵌入式控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，系統(tǒng)內(nèi)存擴展能力更強，能夠?qū)崿F(xiàn)實時和非實時的系統(tǒng)支持效果，且具備數(shù)據(jù)采集能力，具有更高的可復(fù)制性和靈活性，分布式功能優(yōu)異，可為汽車自動化生產(chǎn)線提供智能終端控制，促進數(shù)字化應(yīng)用水平。

從產(chǎn)業(yè)層面，通過對底板線的嵌入式控制系統(tǒng)方案改造，能夠有效優(yōu)化生產(chǎn)線工程，縮短70%以上的工時。根據(jù)相關(guān)實驗統(tǒng)計，從工件檢測方法、閥組自由組合、自動控制程序機床化配置幾方面，嵌入式控制方案所用工時要比傳統(tǒng)控制方案總體節(jié)省41工時左右，由此可見，從產(chǎn)業(yè)化角度，運用嵌入式控制系統(tǒng)，有利于改造汽車自動化生產(chǎn)過程，縮短生產(chǎn)周期，提高其經(jīng)濟效益。

4??結(jié)語

綜上所述，在科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展下，嵌入式技術(shù)不斷推廣和普及，在不少領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要作用，尤其在工業(yè)控制領(lǐng)域，更是占據(jù)重要地位。嵌入式技術(shù)，憑借其自身的穩(wěn)定性、開發(fā)周期短、適用性強等優(yōu)勢，在汽車自動化生產(chǎn)線中被廣泛應(yīng)用。汽車自動化生產(chǎn)線中，運用嵌入式控制系統(tǒng)，能夠滿足其復(fù)雜的控制需要，分布式控制各生產(chǎn)過程，提高控制的標準化、統(tǒng)一性和高效性，促進汽車自動化生產(chǎn)進一步完善。

參考文獻

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