一種通用嵌入式控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

徐利國

（火箭軍工程大學(xué)士官學(xué)院 山東 青州 262500）

摘 要：針對(duì)測(cè)控系統(tǒng)控制對(duì)象的多樣性和測(cè)控儀器的功能局限性，給出了嵌入式LINUX操作系統(tǒng)下基于ARM的通用控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案。采取平臺(tái)化和模塊化的開發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信等硬件設(shè)計(jì)；最后詳細(xì)闡述了通用平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：測(cè)控系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；控制平臺(tái)；模塊化

1引言

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，在測(cè)控或工控領(lǐng)域所使用的測(cè)控儀器的互通性、可移植性和互相交換性得到了越來越多專家學(xué)者的關(guān)注，相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，也朝著模塊化、開放化、通用化的趨勢(shì)發(fā)展。然而現(xiàn)在各種控制領(lǐng)域所應(yīng)用的控制系統(tǒng)大多數(shù)還停留在以工控機(jī)、單片機(jī)和PLC所設(shè)計(jì)的控制器為主的階段，不僅控制范圍具有局限性，相對(duì)于現(xiàn)今較高的控制要求是越來越難以滿足。正是基于上述原因，本研究將控制技術(shù)、智能技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、自適應(yīng)、仿真技術(shù)與嵌入式技術(shù)融合在一起，構(gòu)建出基于ARM的嵌入式控制平臺(tái)。它極大地提高對(duì)系統(tǒng)的控制功能，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗病毒和抗干擾能力，并且具有更小的體積、更低的成本、更高的可靠性、更廣闊的應(yīng)用范圍，能廣泛適用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。

2 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)思想

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式應(yīng)用己經(jīng)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。嵌入式應(yīng)用，就是指應(yīng)用系統(tǒng)不是以計(jì)算機(jī)為主，而是把計(jì)算機(jī)技術(shù)作為應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)組成部分嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，使其具有更高的性能。為了提高測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)速度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高技術(shù)的重復(fù)利用率，嵌入式控制平臺(tái)的整體開發(fā)思路采取平臺(tái)化和模塊化設(shè)計(jì)方法。平臺(tái)開發(fā)模式是先進(jìn)的社會(huì)化生產(chǎn)方式，在現(xiàn)今知識(shí)經(jīng)濟(jì)條件下，已形成了一個(gè)重要的產(chǎn)業(yè)形式。在一個(gè)設(shè)計(jì)集團(tuán)中，實(shí)行嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，規(guī)范化設(shè)計(jì)，將某一類產(chǎn)品領(lǐng)域的基本硬件結(jié)構(gòu)及基本軟件形成產(chǎn)品的“統(tǒng)一機(jī)芯”，即基礎(chǔ)平臺(tái)，并將基礎(chǔ)平臺(tái)相關(guān)的周邊擴(kuò)展電路及應(yīng)用軟件進(jìn)行優(yōu)化、篩選，形成基礎(chǔ)平臺(tái)的平臺(tái)庫資源。在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，利用基礎(chǔ)平臺(tái)，并選擇平臺(tái)庫中的相關(guān)資源進(jìn)行，這就是平臺(tái)開發(fā)模式思想?；谶@樣的考慮，開發(fā)這種適合控制平臺(tái)的特殊要求、自有特色的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用于測(cè)控系統(tǒng)的通用嵌入式控制、信息處理平臺(tái)，同時(shí)具有以太網(wǎng)通信功能。

3 控制平臺(tái)的硬件與功能設(shè)計(jì)

硬件是整個(gè)控制平臺(tái)賴以生存的基礎(chǔ)，是應(yīng)用程序或軟件及相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，也是各種控制邏輯實(shí)現(xiàn)的執(zhí)行器件。

控制平臺(tái)的硬件系統(tǒng)主要的功能模塊：如多通道信號(hào)采集與控制模塊、人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)通信模塊和硬件平臺(tái)相關(guān)的輔助管理模塊。每個(gè)功能模塊的邏輯配置與組合各不相同，但控制平臺(tái)中的數(shù)字信息處理模塊采用的是低功耗、運(yùn)算速度快、體積小和穩(wěn)定可靠的微處理器。

3.1 多通道信號(hào)采集控制模塊

在測(cè)控系統(tǒng)或儀器儀表中，通常為了便于進(jìn)行多種參數(shù)的數(shù)據(jù)檢測(cè)，系統(tǒng)會(huì)設(shè)有多路信號(hào)采集的前向通道。前向通道中首先是相關(guān)傳感器與其相關(guān)檢測(cè)電路完成參數(shù)的模擬信號(hào)的初級(jí)處理任務(wù)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路和采樣/保持電路互相配合采集到的模擬信號(hào)變換成能直接滿足模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電平或信號(hào)輸入方式，同時(shí)也減少了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量的誤差。在一些比較復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境中傳感器部分會(huì)設(shè)有相關(guān)的控制器件和控制補(bǔ)償器件，當(dāng)元件布局不會(huì)造成電信號(hào)的相互干擾時(shí)，光電隔離電路可以不必選擇接通，但控制I/O電路是必不可少的組成部分。

3.2電源管理模塊

電源管理模塊是控制平臺(tái)的電源供給控制的基礎(chǔ)。對(duì)于野外作業(yè)或手持終端方式的測(cè)控裝置的電源管理要求采用低功耗芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)開關(guān)機(jī)、CPU休眠和對(duì)耗電器件的智能供電開關(guān)控制等功能。因?yàn)樵谝恍﹨?shù)或特殊環(huán)境的測(cè)量中，系統(tǒng)并不是一直處于測(cè)量狀態(tài)而是進(jìn)行間隔測(cè)量，也就是系統(tǒng)測(cè)量的時(shí)間只占整個(gè)時(shí)間的一部分而已，因此這時(shí)完全可以關(guān)閉傳感器檢測(cè)部分的電源、微處理器和其他相關(guān)轉(zhuǎn)換芯片也可以進(jìn)入休眠方式。

3.3網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)通信模塊

在測(cè)控儀器儀表的發(fā)展過程中，通信的概念非常重要。同類型的儀表、不同類型的儀表之間，以及儀表與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間都會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換，包括上傳采集的數(shù)據(jù)、獲取儀表的設(shè)定參數(shù)、下載升級(jí)的程序軟件等等。通過通信接口，與計(jì)算機(jī)或其他相關(guān)測(cè)量控制儀表通信，組成個(gè)測(cè)控信息系統(tǒng)，因此在測(cè)量控制的系統(tǒng)中，通信通常是必不可少的重要組成部分。對(duì)于通信功能，控制平臺(tái)還集成了基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信接口，采用有線通信與無線通信結(jié)合的方式，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的遠(yuǎn)程控制和測(cè)控儀器與外界的網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)。

4 控制平臺(tái)軟件的實(shí)現(xiàn)

4.1 控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)的總體方案

控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作主要是集中在軟件的設(shè)計(jì)上，這也是整個(gè)控制平臺(tái)的核心部分?？刂破脚_(tái)采用LINUX嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為其運(yùn)行平臺(tái)。開發(fā)工具選用ARM公司提供的ADS1. 2集成開發(fā)環(huán)境。LINUX是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有源代碼開放免費(fèi)，代碼短小精練，采用搶占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度方式，可支持56個(gè)用戶任務(wù)等優(yōu)點(diǎn)。源代碼中與硬件相關(guān)部分需要用匯編言編寫，其余大部分源代碼用ANSI C語言編寫，可移植性強(qiáng)，可以在絕大多數(shù)的徽處理器上運(yùn)行。LINUX的可裁剪性非常強(qiáng)，它提供許多系統(tǒng)服務(wù)，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行裁減，這樣可以減少產(chǎn)品中，LINUX所需要的存儲(chǔ)空間。

4.2 控制平臺(tái)的應(yīng)用程序總體功能

控制平臺(tái)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1） 根據(jù)采集的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別，對(duì)不同類型的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的分類處理并建立相對(duì)應(yīng)的信號(hào)數(shù)據(jù)庫；

（2） 根據(jù)信號(hào)的不同類型選取相應(yīng)的控制策略對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷和處理；

（3） 將處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制輸出信號(hào)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制；

（4） 根據(jù)需要編寫相應(yīng)的中斷程序、人機(jī)交互和網(wǎng)絡(luò)通信程序。

4.3 模式識(shí)別和控制算法庫的實(shí)現(xiàn)

模式識(shí)別（Pattern Recognition）是指對(duì)表征事物或現(xiàn)象的各種形式的（數(shù)值的、文字的和邏輯關(guān)系的）信息進(jìn)行處理和分析，以對(duì)事物或現(xiàn)象進(jìn)行描述、辨認(rèn)、分類和解釋的過程，是信息科學(xué)和人工智能的重要組成部分。研究模式識(shí)別技術(shù)，通過對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的知識(shí)挖掘，制定出對(duì)不同被控對(duì)象的與之對(duì)應(yīng)的控制策略。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的有效分類處理和存儲(chǔ)功能，并且對(duì)各分類數(shù)據(jù)庫采取不同的控制策略，從而達(dá)到對(duì)被控對(duì)象的最優(yōu)控制。將模式識(shí)別技術(shù)引入本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中常見的信號(hào)數(shù)據(jù)通過模式識(shí)別進(jìn)行分類，對(duì)每種分類的結(jié)果盡可能的去建立其數(shù)學(xué)模型，并通過仿真技術(shù)找到其最佳的控制方案。

算法是程序設(shè)計(jì)的核心，在具體編程前應(yīng)先確定算法。控制算法的設(shè)計(jì)也采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，主要采用PID控制規(guī)律，但由于受到各方面條件的限制，被控對(duì)象的復(fù)雜性，這類控制規(guī)律顯得比較單一，適用面較窄。在控制系統(tǒng)中引入16/32位處理功能的嵌入式技術(shù)，來模擬人的邏輯思維和判斷決策成為可能?？刂破脚_(tái)綜合了經(jīng)典實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)的PID參數(shù)自整定控制算法和模糊控制算法，形成其控制決策庫。由測(cè)控系統(tǒng)的研發(fā)人員自行選擇何種算法和設(shè)定相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到對(duì)被控對(duì)象的有效實(shí)時(shí)的判斷和處理等工作。

5 結(jié)束語

文章針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)中存在的問題，采取了平臺(tái)化和模塊化的方式設(shè)計(jì)了具有良好的可擴(kuò)展性、可開發(fā)性和可靠性的控制平臺(tái)。采用本平臺(tái)將節(jié)省大量研發(fā)費(fèi)用，縮短測(cè)控產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高系統(tǒng)可靠性。另外只需要對(duì)相應(yīng)的傳感器電路和具體軟件進(jìn)行一定的修改，此控制平臺(tái)即可應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域的諸多方面。