新型自動(dòng)化儀表中嵌入式智能化與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)應(yīng)用分析

戴云霞

摘 要 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，很多新型自動(dòng)化儀表在社會(huì)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，對(duì)社會(huì)進(jìn)步及發(fā)展起到很大推動(dòng)作用。在當(dāng)前新型自動(dòng)化儀表應(yīng)用過(guò)程中，為能夠使其作用得到更好發(fā)揮，使其功能得到更好實(shí)現(xiàn)，嵌入式的智能化與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)得在自動(dòng)化儀表中得到較好應(yīng)用。本文就新型自動(dòng)化儀表中嵌入式的智能化與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】新型自動(dòng)化儀表 嵌入式 智能化技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)化技術(shù) 應(yīng)用

隨著當(dāng)前信息技術(shù)不斷發(fā)展，智能化技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)在社會(huì)上各個(gè)方面均得到廣泛應(yīng)用，在自動(dòng)化儀表中的應(yīng)用就是比較常見(jiàn)的一種。當(dāng)前嵌入式智能化與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)在新型自動(dòng)化儀表中的應(yīng)用使儀表功能能夠更好實(shí)現(xiàn)，并且使其在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程更好發(fā)揮其作用。因此，掌握嵌入式智能化與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)在新型自動(dòng)化儀表中的應(yīng)用十分必要。

1 新型自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)分析

1.1 自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)傳統(tǒng)模式與新型模式

對(duì)于傳統(tǒng)儀器儀表而言，其在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中先對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后再對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行集成測(cè)試。在這種設(shè)計(jì)模式下，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)硬件中有錯(cuò)誤存在，或者在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中存在缺陷，要想對(duì)其進(jìn)行修正十分困難，可能會(huì)造成結(jié)果就是需要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這樣一來(lái)，不但會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期被延長(zhǎng)，使開(kāi)發(fā)成本增加，并且與快速發(fā)展市場(chǎng)需求相適應(yīng)。

在對(duì)新型嵌入式儀器儀表系統(tǒng)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)兩者之間應(yīng)當(dāng)保持協(xié)同、一致，而不可使其分離、獨(dú)立。具體而言，在系統(tǒng)硬件以及系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)之前，應(yīng)當(dāng)合理劃分系統(tǒng)中軟件與硬件需實(shí)現(xiàn)功能，從而使最佳分解方案能夠產(chǎn)生，另外，在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)硬件之前，應(yīng)當(dāng)合理驗(yàn)證嵌入式系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)功能，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能保證與最初功能規(guī)格說(shuō)明一致。這屬于新型的一種設(shè)計(jì)模式，即軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)思想在自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)方面具有十分重要的意義。

1.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)分析

對(duì)于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)而言，其主要分為四個(gè)階段，即系統(tǒng)功能描述及劃分階段，軟硬件設(shè)計(jì)階段以及協(xié)同模擬階段與軟硬件綜合階段。

1.2.1 系統(tǒng)功能描述及劃分

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期便應(yīng)當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證及性能驗(yàn)證，通過(guò)與實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行描述，可選擇VHDL當(dāng)作算法級(jí)描述語(yǔ)言，同時(shí)也可對(duì)C語(yǔ)言實(shí)行必要修改以及擴(kuò)充，將其當(dāng)作行為級(jí)描述語(yǔ)言，從而模擬驗(yàn)證系統(tǒng)功能。

1.2.2 軟件功能與硬件功能分解

以系統(tǒng)功能描述為基礎(chǔ)，依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)以及相關(guān)約束條件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行分解，對(duì)系統(tǒng)中軟件部分與硬件部分進(jìn)行劃分，從而保證能夠并行進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而盡最大可能使系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

1.2.3 系統(tǒng)協(xié)同模擬

在完成系統(tǒng)軟件與硬件設(shè)計(jì)之后，利用通信以及同步機(jī)制綜合模擬驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在偏差及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并且對(duì)其進(jìn)行修正。

1.2.4 軟件與硬件綜合

在系統(tǒng)模擬通過(guò)之后，應(yīng)當(dāng)實(shí)行系統(tǒng)軟件與系統(tǒng)硬件綜合，最終使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠得以完成。對(duì)于硬件構(gòu)件綜合而言，其構(gòu)成所包括內(nèi)容主要為硬件高層綜合、版圖綜合以及邏輯綜合等；對(duì)于軟件構(gòu)件綜合而言，其構(gòu)成所包括內(nèi)容主要為高級(jí)綜合、編譯以及匯編等。在儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)這種新型設(shè)計(jì)思想的合理應(yīng)用，不但能夠使社會(huì)成本在很大程度上降低，可使設(shè)計(jì)周期有效縮短，并且還能夠防止重復(fù)設(shè)計(jì)情況出現(xiàn)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠提高合理性，并且能夠提高其成功率。

2 新型自動(dòng)化儀表核心內(nèi)容分析

從當(dāng)前實(shí)際情況來(lái)看，在自動(dòng)化儀表中所選擇的微控制器大部分都是8位或者16位，這樣雖然能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)智能化，然而由于當(dāng)前需要實(shí)現(xiàn)功能越來(lái)越多，并且也越來(lái)越復(fù)雜，這些控制器已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前實(shí)際需要。另外，隨著當(dāng)前微電子技術(shù)、芯片技術(shù)以及集成電路技術(shù)快速發(fā)展，一些性能比較高的嵌入式處理器在體積、功耗以及價(jià)格方面均有一定程度降低，在一些新型儀表中高性能嵌入式處理器使用已經(jīng)成為可能。

對(duì)于嵌入式DSP處理器而言，在其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及指令方面均實(shí)行特殊設(shè)計(jì)，實(shí)行DSP算法比較適合，該處理器具有較高的編譯效率，并且在執(zhí)行指令方面也具有較快速度，在數(shù)字濾波、譜分析以及FFT方面均表現(xiàn)出比較明顯的優(yōu)勢(shì)，其中代表性比較強(qiáng)的產(chǎn)品主要包括TMS320系列以及DSP56000系列。為能夠使各種應(yīng)用需求均得到滿足，有些處理器生產(chǎn)廠家還提供專門集成化處理器。

在系統(tǒng)中將32位處理器當(dāng)作內(nèi)核，另外在處理器中還包括很多外圍功能。比如Motorola68360，其屬于集成通信用處理器，其內(nèi)核為32位，其最大特點(diǎn)就是集成通信系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)部包括4路協(xié)議通道，這些協(xié)議通道具有同步協(xié)議，對(duì)HDLC、T1/E1以及ISDN等一些通信協(xié)議均具備支持作用。對(duì)于ARM系列微處理器而言，其具有更多種類，有些專門在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，有些專門在通信中應(yīng)用，有些用于集成DSP協(xié)處理器，有些對(duì)Java可起到支持作用。用戶在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可將自動(dòng)化儀表具體應(yīng)用要求作為依據(jù)，并且綜合考慮體積、功耗以及性能與價(jià)格等方面因素，從而對(duì)嵌入式微處理器進(jìn)行適當(dāng)選擇，并且在該基礎(chǔ)上使更加高級(jí)算法能夠得以實(shí)現(xiàn)，從而使其所提供功能能夠更加強(qiáng)大。

3 利用嵌入式Internet技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化儀表網(wǎng)絡(luò)化

在很早之前，使自動(dòng)化儀表和互聯(lián)網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)聯(lián)接這一思路便已經(jīng)存在，其所存在困難主要就是對(duì)于因特網(wǎng)而言，其中通信協(xié)議對(duì)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器以及運(yùn)行速度均有著比較高的要求，而對(duì)于當(dāng)前儀器儀表而言，其所利用微處理器大部分都是8位與16位，對(duì)TCP或者IP能夠支持的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議所占的系統(tǒng)資源數(shù)量非常大，或者說(shuō)這種情況要想實(shí)現(xiàn)基本是不可能的。對(duì)于當(dāng)前普遍使用的8位儀器儀表及16位儀器儀表而言，除選擇性能比較高的32位處理器以及相關(guān)硬件平臺(tái)之外，嵌入式同時(shí)提供相關(guān)網(wǎng)絡(luò)化解決方案，其中代表性比較強(qiáng)的就是嵌入式微型互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。利用微型互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)⒒ヂ?lián)網(wǎng)接入，選擇性能較高嵌入式處理器或者桌面計(jì)算機(jī)，將其作為網(wǎng)關(guān)，而該網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的關(guān)鍵內(nèi)容。

總而言之，自動(dòng)化儀表網(wǎng)絡(luò)化使系統(tǒng)潛力得到釋放，使傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)得到改變，使傳統(tǒng)模式得以突破，改變以往同一地點(diǎn)采集、分析以及顯示情況。另外，利用互聯(lián)網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們能夠?qū)h(yuǎn)程儀器設(shè)備進(jìn)行有效控制，在任意地點(diǎn)均能夠?qū)崿F(xiàn)采集、分析以及顯示。

4 利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提高自動(dòng)化儀表質(zhì)量

對(duì)于當(dāng)前自動(dòng)化儀表而言，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并非其必須部分，并且對(duì)于傳統(tǒng)儀器儀表而言，由于在處理器功能以及存儲(chǔ)器容量方面存在限制，應(yīng)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)也比較困難。隨著當(dāng)前儀器儀表中硬件功能得以不斷增強(qiáng)，其生產(chǎn)成本逐漸降低，功能要求不斷增加，并且也越來(lái)越復(fù)雜，因而需利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)合理協(xié)調(diào)調(diào)度多個(gè)任務(wù)，對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行合理管理。另外，隨著當(dāng)前不同種類嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)越來(lái)越多，在硬件配置方面也不在有十分嚴(yán)格的要求，其實(shí)時(shí)性得以不斷增強(qiáng)，并且工作效率也得以不斷提高，有些還能夠支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而在自動(dòng)化儀表中使實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。

用戶可依據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，從內(nèi)存管理與開(kāi)銷、任務(wù)調(diào)度以及任務(wù)切換時(shí)間與中斷禁止最大時(shí)間等相關(guān)方面為標(biāo)準(zhǔn)，從而對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行衡量以及適當(dāng)選擇。在嵌入式處理器以及相關(guān)硬件平臺(tái)支持之下，利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行高效調(diào)度以及管理，在新型嵌入式自動(dòng)化儀表中，系統(tǒng)中軟件地位更加突出。系統(tǒng)軟件不再僅僅是硬件附屬品，而是成為系統(tǒng)智能模塊，具有很強(qiáng)的處理能力，可使人工智能方法以及技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，使自動(dòng)化儀表能夠?qū)?fù)雜信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，并且能夠?qū)嵭蓄l譜分析，并且能夠根據(jù)分析、比較以及推理結(jié)果，從而將相關(guān)控制信息輸出，可實(shí)現(xiàn)自我診斷以及自我測(cè)試，通過(guò)在內(nèi)部及性能協(xié)調(diào)以及自動(dòng)修復(fù)重組，與外界變化情況相適應(yīng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)自補(bǔ)償與自適應(yīng)，并且通過(guò)進(jìn)行自校準(zhǔn)能夠是自身準(zhǔn)確度得到保證。另外，其還能夠通過(guò)自學(xué)習(xí)而能夠?qū)Ω喔鼜?fù)雜測(cè)控程序進(jìn)行處理，從一定程度上來(lái)說(shuō)軟件決定了儀器儀表智能化程度。

5 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前儀器儀表設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中，傳統(tǒng)模式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前需求，新型嵌入式儀表在社會(huì)上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并且智能化技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)在嵌入式新型儀表中得到廣泛應(yīng)用，使其智能化程度及網(wǎng)絡(luò)化程度均得到有效提高，從而能夠得以更好應(yīng)用。

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作者單位

上海南華蘭陵電氣有限公司 上海市 201111