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王  梅,陳希平,張  傳,張  巖

1  嵌入式系統與自動化儀器儀表
1.1  嵌入式系統及其發展
嵌入式系統（Embedded System）是以計算機技術為基礎，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。它的最大特點在于能夠根據特定用戶的需求，對軟硬件進行合理裁剪，具有功耗低、體積小、集成度高等特點，有利于整個系統的小型化，提高系統的智能化和網絡化程度。
嵌入式計算機經歷了基于芯片的嵌入式系統（以單片機技術的應用為代表）、標準總線的嵌入式計算機系統（如STD總線、VEM總線、Multibus總線）、PC總線的嵌入式計算機系統、高性能嵌入式微處理器在嵌入式計算機系統中的應用幾個發展階段。
計算機軟硬件技術的飛速發展，使得高性能嵌入式微處理器應用成為當前的熱點，而實時多任務操作系統正成為這一應用中的重要核心部分。它與當前智能控制、網絡等新技術的進一步融合，對業界產生深遠的影響，也推動了嵌入式系統飛速發展。
1.2  自動化儀器儀表與嵌入式系統
高級嵌入式計算機系統和網絡技術的應用，使儀器儀表將傳感測量、補償計算、工程量處理與故障診斷等功能集于一身，并能充分利用網絡時代的優勢，完成遠程維護、遠程控制、故障預報等以前無法實現的功能。在這其中，芯片、總線、接口技術，成為儀器儀表的內核，嵌入式系統成為技術的代表，并由此形成了儀器儀表行業發展的趨勢。
2  儀器儀表中高級嵌入式計算機系統的方案設計
2.1  注意要點
?  實時性好 特定用戶通常對獲取結果的時間延遲有明確限制，設計時必須充分考慮這一因素。
?  可靠性高 作為核心部件，嵌入式系統的損壞常造成系統的癱瘓，帶來無法估量的損失，因此要求有較高的可靠性。
?  集成度高 出于開發效率和占用空間方面的考慮，要求嵌入式系統要有較高的集成度。
?  功耗低 某些移動設備、便攜式設備等需要電池供電，決定了系統應當有更低的功耗。
?  環境適應能力強 自動化儀器儀表的工作環境往往是不可控的，特別是熱、沖擊、光、強電磁場等，因此應考慮到對于這些干擾的防護措施。
2.2  開發過程
(1)  目標產品的功能分析及定義
① 嵌入式系統的主要目標是進行數據采集還是進行控制；② 是否需要顯示界面，需要顯示時，是以圖形方式還是文本方式顯示；③ 是否需要與其他的設備進行數據交換，如需要，選擇何種方式，何種協議；④ 儀器儀表的各項主要性能指標定義。
(2)  根據需要的功能來確定硬件設備和軟件
(3)  嵌入式系統的軟件開發可以分為以下幾個層次：
①  對硬件設備進行直接控制的軟件開發；② 沒有用戶圖形界面的應用程序開發；③ 基于圖形界面的通用應用軟件的開發；④ 在基礎應用軟件上的高層開發。
很多開發環境主要應用于第③、④層次，因此開發可以不在目標機上進行，而在PC機上或PC的模擬環境中進行。
3  高級嵌入式計算機系統中硬件和軟件的設計與選型
3.1  硬件選型
在選擇高檔嵌入式微處理器時，要綜合考慮其性能、功耗、價格、供貨保證、開發工具的配備以及工程師過去對這種處理器的經驗和軟件的支持等因素。同時，兼顧產品的整體成本，而不要只看到某一部件。有時，一個快速而廉價的CPU可能意味著外設成本的成倍增加。
3.2  軟件開發平臺的選擇
實時多任務操作系統（RTOS）采用微內核技術，設計追求靈活性，可配置、可裁剪、可擴充、可移植；強實時和高可靠性，有適應各種主流CPU的版本，非常適合儀器儀表的高級嵌入式計算機系統應用。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)  評價一個RTOS一般可以從任務調度機制、內存管理、任務通訊、最小內存開銷、任務切換時間、最大中斷禁止時間等幾個方面來衡量。
(2)  在選擇軟件開發平臺時，結合開發目標和系統功能，還應該注意以下幾個方面：
① 實時操作系統的開發環境。所用編程語言的類型（以C或C++等通用語言為佳）；提供的開發工具包是否完備等。② 實時操作系統對圖形功能的支持，提供的圖形用戶接口是否滿足需求。③ 實時操作系統對網絡功能、通信功能的支持。這對于實現儀器儀表網絡化目標十分重要。
4  應用實例
蘭州煉化公司自動化研究院為了研制新型質量儀表和現有儀表的升級換代，綜合分析了油品質量指標分析儀、光譜儀、工業色譜儀、近紅外分析儀，并充分考慮現實需求和采用專門設計的正壓防爆裝置對控制器的需求，提出了開發高級通用控制系統。設計方案如下：
(1)  質量儀表通用控制器主要用于為分析器實現分析提供需要的電氣條件，并采集數據、記錄、輸出結果。主要功能有：① 測量 包括溫度、壓力、流量等的測量；② 控制 要求控制器能靈活實現各種控制功能以應用于特定儀表；③ 輸入與輸出 多功能、智能化在線質量儀表必須能夠接收控制中心發出的指令，以多種方式向控制中心輸出狀態信息及檢測結果，并即時顯示圖形。
綜合分析質量儀表主要性能指標的要求，提出通用控制器的技術指標，見表1。

表1

圖1  通用控制器硬件結構圖

(2)  通用控制系統主要由嵌入式計算機系統、IO板和所需的信號調理板、功率驅動等信號功率板組成（見圖1）。由于開發周期及開發成本的限制，嵌入式計算機系統主板選用商業化嵌入式計算機。針對儀表的功能，自行設計部分信號調理板、功率驅動等專用接口板。
根據技術指標的要求，嵌入式計算機主要配置如下：主板：研華PCA6145L；CPU：INTEL / AMD 486；內存：8M / 16M；機箱：研華MBPC-641；數采板：研華PCL812PG；DOC2000：16M或以上；顯示器：640 x 480 VGA液晶平板顯示器。經過比較，控制系統軟件采用QNX實時嵌入式操作系統作為軟件開發平臺，以充分利用其體積小，實時性好的特點提高系統可靠性。

圖2  通用控制器軟件結構框圖

如圖2所示，通用控制器軟件由4個部分組成。① 主程序是唯一運行在圖形界面的程序，用PHAB開發完成，主要任務是顯示分析結果、儀表狀態及參數，輔助輸入儀表運行參數、顯示操作提示，并完成系統運行管理，是其它幾類程序的調度程序和管理程序；② 儀表IO服務程序用以完成系統的低級IO操作的執行，后臺運行，直接接受主程序的管理和調度；③ 面板鍵盤服務程序以中斷方式管理儀表面板鍵盤，地位和運行方式類似IO服務器程序；④ 針對個別儀表的特殊功能，設計專用服務程序，以后臺方式運行，通過進程間通訊直接接受主程序的管理和調度。由于通用控制器針對的是質量儀表系列，故界面的總體風格應該保持一致；其界面和控制程序必須模塊化，且具有一定的組態功能。
(3)  設計完成的在線質量儀表通用控制系統具有智能化的優點，并且較靈活。采用通用控制系統開發新型在線質量儀表時，只需根據儀表的特殊硬件接口要求制作相應的信號接口板，在通用控制器軟件提供的接口函數中編制儀表的特殊運行邏輯，并設置顯示變量，即可完成一種儀表控制器的設計。
這類新型儀表具有界面美觀、操作簡便、功能多樣的特點，并且可以適應現場控制系統對智能儀表的需求。