王  梅,陳希平,張  傳,張  巖

1  嵌入式系統(tǒng)與自動(dòng)化儀器儀表
1.1  嵌入式系統(tǒng)及其發(fā)展
嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的最大特點(diǎn)在于能夠根據(jù)特定用戶(hù)的需求，對(duì)軟硬件進(jìn)行合理裁剪，具有功耗低、體積小、集成度高等特點(diǎn)，有利于整個(gè)系統(tǒng)的小型化，提高系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度。
嵌入式計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了基于芯片的嵌入式系統(tǒng)（以單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用為代表）、標(biāo)準(zhǔn)總線的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（如STD總線、VEM總線、Multibus總線）、PC總線的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、高性能嵌入式微處理器在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用幾個(gè)發(fā)展階段。
計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，使得高性能嵌入式微處理器應(yīng)用成為當(dāng)前的熱點(diǎn)，而實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)正成為這一應(yīng)用中的重要核心部分。它與當(dāng)前智能控制、網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)的進(jìn)一步融合，對(duì)業(yè)界產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，也推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)飛速發(fā)展。
1.2  自動(dòng)化儀器儀表與嵌入式系統(tǒng)
高級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，使儀器儀表將傳感測(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與故障診斷等功能集于一身，并能充分利用網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的優(yōu)勢(shì)，完成遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程控制、故障預(yù)報(bào)等以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。在這其中，芯片、總線、接口技術(shù)，成為儀器儀表的內(nèi)核，嵌入式系統(tǒng)成為技術(shù)的代表，并由此形成了儀器儀表行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。
2  儀器儀表中高級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
2.1  注意要點(diǎn)
?  實(shí)時(shí)性好 特定用戶(hù)通常對(duì)獲取結(jié)果的時(shí)間延遲有明確限制，設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮這一因素。
?  可靠性高 作為核心部件，嵌入式系統(tǒng)的損壞常造成系統(tǒng)的癱瘓，帶來(lái)無(wú)法估量的損失，因此要求有較高的可靠性。
?  集成度高 出于開(kāi)發(fā)效率和占用空間方面的考慮，要求嵌入式系統(tǒng)要有較高的集成度。
?  功耗低 某些移動(dòng)設(shè)備、便攜式設(shè)備等需要電池供電，決定了系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有更低的功耗。
?  環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng) 自動(dòng)化儀器儀表的工作環(huán)境往往是不可控的，特別是熱、沖擊、光、強(qiáng)電磁場(chǎng)等，因此應(yīng)考慮到對(duì)于這些干擾的防護(hù)措施。
2.2  開(kāi)發(fā)過(guò)程
(1)  目標(biāo)產(chǎn)品的功能分析及定義
① 嵌入式系統(tǒng)的主要目標(biāo)是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集還是進(jìn)行控制；② 是否需要顯示界面，需要顯示時(shí)，是以圖形方式還是文本方式顯示；③ 是否需要與其他的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如需要，選擇何種方式，何種協(xié)議；④ 儀器儀表的各項(xiàng)主要性能指標(biāo)定義。
(2)  根據(jù)需要的功能來(lái)確定硬件設(shè)備和軟件
(3)  嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)可以分為以下幾個(gè)層次：
①  對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行直接控制的軟件開(kāi)發(fā)；② 沒(méi)有用戶(hù)圖形界面的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)；③ 基于圖形界面的通用應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)；④ 在基礎(chǔ)應(yīng)用軟件上的高層開(kāi)發(fā)。
很多開(kāi)發(fā)環(huán)境主要應(yīng)用于第③、④層次，因此開(kāi)發(fā)可以不在目標(biāo)機(jī)上進(jìn)行，而在PC機(jī)上或PC的模擬環(huán)境中進(jìn)行。
3  高級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件和軟件的設(shè)計(jì)與選型
3.1  硬件選型
在選擇高檔嵌入式微處理器時(shí)，要綜合考慮其性能、功耗、價(jià)格、供貨保證、開(kāi)發(fā)工具的配備以及工程師過(guò)去對(duì)這種處理器的經(jīng)驗(yàn)和軟件的支持等因素。同時(shí)，兼顧產(chǎn)品的整體成本，而不要只看到某一部件。有時(shí)，一個(gè)快速而廉價(jià)的CPU可能意味著外設(shè)成本的成倍增加。
3.2  軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇
實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）采用微內(nèi)核技術(shù)，設(shè)計(jì)追求靈活性，可配置、可裁剪、可擴(kuò)充、可移植；強(qiáng)實(shí)時(shí)和高可靠性，有適應(yīng)各種主流CPU的版本，非常適合儀器儀表的高級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用。目前主要有Integrated System公司的PSOS、Microtec Research公司的VRTX、Wind River System公司的Vxworks、QNX Software Systems Ltd公司的QNX等。許多頗具實(shí)力的軟件公司也加入了這一行列，推出Windows CE、Hopen OS、嵌入Linux、OS-9等。
(1)  評(píng)價(jià)一個(gè)RTOS一般可以從任務(wù)調(diào)度機(jī)制、內(nèi)存管理、任務(wù)通訊、最小內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)、任務(wù)切換時(shí)間、最大中斷禁止時(shí)間等幾個(gè)方面來(lái)衡量。
(2)  在選擇軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)時(shí)，結(jié)合開(kāi)發(fā)目標(biāo)和系統(tǒng)功能，還應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：
① 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。所用編程語(yǔ)言的類(lèi)型（以C或C++等通用語(yǔ)言為佳）；提供的開(kāi)發(fā)工具包是否完備等。② 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)圖形功能的支持，提供的圖形用戶(hù)接口是否滿(mǎn)足需求。③ 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能、通信功能的支持。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)儀器儀表網(wǎng)絡(luò)化目標(biāo)十分重要。
4  應(yīng)用實(shí)例
蘭州煉化公司自動(dòng)化研究院為了研制新型質(zhì)量?jī)x表和現(xiàn)有儀表的升級(jí)換代，綜合分析了油品質(zhì)量指標(biāo)分析儀、光譜儀、工業(yè)色譜儀、近紅外分析儀，并充分考慮現(xiàn)實(shí)需求和采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的正壓防爆裝置對(duì)控制器的需求，提出了開(kāi)發(fā)高級(jí)通用控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)方案如下：
(1)  質(zhì)量?jī)x表通用控制器主要用于為分析器實(shí)現(xiàn)分析提供需要的電氣條件，并采集數(shù)據(jù)、記錄、輸出結(jié)果。主要功能有：① 測(cè)量 包括溫度、壓力、流量等的測(cè)量；② 控制 要求控制器能靈活實(shí)現(xiàn)各種控制功能以應(yīng)用于特定儀表；③ 輸入與輸出 多功能、智能化在線質(zhì)量?jī)x表必須能夠接收控制中心發(fā)出的指令，以多種方式向控制中心輸出狀態(tài)信息及檢測(cè)結(jié)果，并即時(shí)顯示圖形。
綜合分析質(zhì)量?jī)x表主要性能指標(biāo)的要求，提出通用控制器的技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1

圖1  通用控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

(2)  通用控制系統(tǒng)主要由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、IO板和所需的信號(hào)調(diào)理板、功率驅(qū)動(dòng)等信號(hào)功率板組成（見(jiàn)圖1）。由于開(kāi)發(fā)周期及開(kāi)發(fā)成本的限制，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主板選用商業(yè)化嵌入式計(jì)算機(jī)。針對(duì)儀表的功能，自行設(shè)計(jì)部分信號(hào)調(diào)理板、功率驅(qū)動(dòng)等專(zhuān)用接口板。
根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，嵌入式計(jì)算機(jī)主要配置如下：主板：研華PCA6145L；CPU：INTEL / AMD 486；內(nèi)存：8M / 16M；機(jī)箱：研華MBPC-641；數(shù)采板：研華PCL812PG；DOC2000：16M或以上；顯示器：640 x 480 VGA液晶平板顯示器。經(jīng)過(guò)比較，控制系統(tǒng)軟件采用QNX實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以充分利用其體積小，實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)提高系統(tǒng)可靠性。

圖2  通用控制器軟件結(jié)構(gòu)框圖

如圖2所示，通用控制器軟件由4個(gè)部分組成。① 主程序是唯一運(yùn)行在圖形界面的程序，用PHAB開(kāi)發(fā)完成，主要任務(wù)是顯示分析結(jié)果、儀表狀態(tài)及參數(shù)，輔助輸入儀表運(yùn)行參數(shù)、顯示操作提示，并完成系統(tǒng)運(yùn)行管理，是其它幾類(lèi)程序的調(diào)度程序和管理程序；② 儀表IO服務(wù)程序用以完成系統(tǒng)的低級(jí)IO操作的執(zhí)行，后臺(tái)運(yùn)行，直接接受主程序的管理和調(diào)度；③ 面板鍵盤(pán)服務(wù)程序以中斷方式管理儀表面板鍵盤(pán)，地位和運(yùn)行方式類(lèi)似IO服務(wù)器程序；④ 針對(duì)個(gè)別儀表的特殊功能，設(shè)計(jì)專(zhuān)用服務(wù)程序，以后臺(tái)方式運(yùn)行，通過(guò)進(jìn)程間通訊直接接受主程序的管理和調(diào)度。由于通用控制器針對(duì)的是質(zhì)量?jī)x表系列，故界面的總體風(fēng)格應(yīng)該保持一致；其界面和控制程序必須模塊化，且具有一定的組態(tài)功能。
(3)  設(shè)計(jì)完成的在線質(zhì)量?jī)x表通用控制系統(tǒng)具有智能化的優(yōu)點(diǎn)，并且較靈活。采用通用控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)新型在線質(zhì)量?jī)x表時(shí)，只需根據(jù)儀表的特殊硬件接口要求制作相應(yīng)的信號(hào)接口板，在通用控制器軟件提供的接口函數(shù)中編制儀表的特殊運(yùn)行邏輯，并設(shè)置顯示變量，即可完成一種儀表控制器的設(shè)計(jì)。
這類(lèi)新型儀表具有界面美觀、操作簡(jiǎn)便、功能多樣的特點(diǎn)，并且可以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)對(duì)智能儀表的需求。