嵌入式控制系統在工業控制中的應用

摘要:嵌入式控制系統是一種面向具體應用的將底層硬件、實時操作系統和應用軟件相結合的專用計算機系統，它已經用于各種工業控制中。該文首先簡要介紹了工業控制中控制器的廣泛應用，隨后介紹了嵌入式系統的結構。最后從硬軟件設計方面討論了一款用于工業控制的嵌入式控制系統的開發過程。

關鍵詞:嵌入式控制器;工程機械;控制

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)05-1227-02

嵌入式系統在生產制造，工業控制中有廣泛的用途。目前，在工業控制中嵌入式控制系統正朝著高速、高集成度和低功耗方向發展。研究嵌入式控制系統，對于提高工業控制質量，提高生產效率具有重要意義。

1嵌入式系統的特點與結構

嵌入式技術廣泛應用于消費電子、通信、汽車、國防、航空航天、工業控制、儀表和辦公自動化等領域。在個人領域中，嵌入式產品將主要是個人使用，作為個人移動的數據處理和通信軟件。對于企業專用解決方案，如物流管理、條碼掃描、移動信息采集等，小型手持嵌入式系統將發揮巨大作用。嵌入式系統不僅可以用于ATM機，自動售貨機，工業控制等專用設備，而且和移動通信設備、GPS、娛樂相結合[1]。還有一些其他微處理器，如ARM SA-1100系列是便攜式通訊產品和消費類電子產品的理想選擇，已成功應用于多家公司的掌上電腦系列產品中。PXA270則應用于高端移動設備中，通過復雜指令集，提高了其媒體的信息處理能力。總體上看，嵌入式控制系統有以下特點:系統內核小，專用性強，系統精簡，多任務高實時性操作和專用開發工具和環境。

嵌入式系統具有“嵌入性”、“專用性”、“計算機”的基本要素和特征[2]。其一般由嵌入式處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶應用程序四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或者管理等功能。它們的結構圖可以概括如圖1所示。

2 嵌入式控制系統的設計過程

由嵌入式控制系統的組成，可知嵌入式控制系統的設計主要考慮硬件設計和操作系統設計。

2.1 處理器選型

工業中嵌入式控制器的應用較為廣泛，由于處理器是控制器的核心，因此不同類型的處理器有著不同的應用基礎。嵌入式處理器主要分為四類，嵌入式微處理器，嵌入式微控制器，嵌入式DSP，嵌入式片上系統SOC[3]。但是隨著工業控制中對嵌入式控制系統要求越來越高，控制算法越來越復雜，目前形成了以ARM微處理器應用最廣泛的現狀。該系列的處理器中，ARM7主要應用于工業控制、Internet設備、網絡和調制解調器設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用中;ARM9主要應用于無線設備、儀器儀表、安全系統、機頂盒、高端打印機、數字照相機和數字攝像機等;ARM10E系列微處理器主要應用于下一代無線設備、數字消費品、成像設備、工藝控制、圖形和信息系統等領。本文以Philips公司的LPC2880芯片為處理器，它是ARM7系列中的一員，它具有以下特點:8kB高速緩存，64kB SRAM，工作頻率可達60MHz;外部存儲器控制器支持flash，SRAM，ROM，和SDRAM;2個帶可選預分頻器的32位定時器;Boot ROM允許執行flash代碼、外部代碼;允許通過USB進行flash編程等。

2.2 電源電路設計

LPC2880處理器芯片內核芯片需要工作電壓為1.8V ，I/0接口的工作電壓為3.3V，以高電壓為判斷依據，因此系統應設計成3.3V應用系統。其實現方法如下:用一個220V到9V的變壓器將辦公用電轉換成直流9V電源，然后將9V直流電源由從另一電源接口輸入，并使用二極管用來防止電源反接，經過二次濾波后，通過由美國國家半導體公司生產的LM2575開關電源芯片將電源穩壓到5V。最后將5V電源經過低壓差電源芯片穩壓輸出為3.3V和1.8V電壓。其中低壓差電源芯片可以采用Sipex公司生產的SPX1117系列芯片SPX1117M3-3.3和SPX1117M3-1.8，其特點為輸出電流大，輸出電壓精度高，穩定性高。精度在正負±1%，還具有電流限制和熱保護功能。

2.3 系統時鐘電路，復位電路的設計

時鐘電路在嵌入式控制系統中往往因為市場而決定，在工業控制中，由于機械造價昂貴，嵌入式系統中設計時鐘電路就可以控制機械的運行時間，迫使買家按時付款[4]。對于LPC2880處理器而言，通過內部PLL電路可調整系統時鐘，使系統運行速度更，達到最高運行頻率即60MHz，它可使用外部晶振或外部時鐘源。若不使用片內PLL功能，則外部晶振頻率為1~30MHz，外部時鐘頻率為1~50MHz，若使用片內PLL功能，則外部晶振頻率為10~25MHz，外部時鐘頻率為10~25MHz。對于復位電路，其設計一定要使系統能夠充分復，保證系統可靠工作，因為LPC2880芯片具有高速、低功耗、低工作電壓導致其噪聲容限低的特點，使得其對電源的紋波、瞬態響應性能、時鐘源的穩定性、電源監控可靠性等有更高的要求。復位電路的設計一定要使系統能夠充分復位，保證在各種復雜情況下穩定可靠的工作。本文中復位電路采用由CATALYST公司生產的專用電源監控芯片CAT1025JI-30(復位門檻電壓為3.0~3.15V)。

2.4 操作系統設計

一個實時操作系統在應用之前，首先要做的工作是將該實時操作系統移植到該微處理器上，所謂移植，就是使一個實時內核能在某個微處理器或微控制器上運行。本系統采用uC/OS-II，對它的移植就是對對uC/OS-II中與處理器有關的代碼進行重寫或修改。盡管μC/OS-II的大部分源代碼都是用C語言寫成的，但是嵌入式控制系統和硬件密切相關，因此處理器必須滿足如下要求:C編譯器能產生可重入代碼，在程序中可以打開或關閉中斷，處理器支持中斷，并且能產生定時中斷，處理器支持能夠容納一定量數據的硬件堆棧，處理器有將堆棧指針和其他CPU寄存器存儲和讀出到堆棧(或者內存)的指令。對于LPC2880處理器，移植uC/OS-II內核的主要內容是:用#define聲明若干個個宏和若干個(根據具體需要而設計)與編譯器相關的數據類型，并用#define設置一個常量的值，編寫若干個與操作系統相關的函數，用匯編語言編寫若干個個與處理器相關的函數[5]。具體過程如下:1) 移植OS_CPU.H。包括定義數據類型，μC/OS-II不使用C語言中的short、int和long等基本數據類型的定義，代之以移植性強的整數數據類型;臨界代碼的使用，μC/OS-II在進入系統臨界代碼區之前要關閉中斷，等到退出臨界區后再打開，它是通過OS_ENTER_CIRTICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()這兩個宏來實現的。實現關閉中斷的方法有多種，如在OS_ENTER_CIRTICAL()中調用處理器指令關中斷，在OS_EXIT_CRITICAL()中調用相應處理器指令開中斷;執行OS_ENTER_CIRTICAL()時，先將中斷狀態保存到堆棧中，然后關中斷，而當執行OS_EXIT_CRITICAL()時，再從堆棧中恢復原來的中斷開/關狀態等;2)移植OS_CPU_C.C。主要有6個函數在文件:OSTaskStkInit()，OSTaskCreateHook()，OSTaskSwHook()，OSTaskDelHook()，OSTaskStatHook()，OSTimeTickHoo();3)OS_CPU_A.ASM文件。需要改寫的匯編語言函數有四個:OSStartHighRdy()，OSCtxSw()，OSIntCtxSw()，OSTickISR()。

2.5 人機交互模塊設計

在工業控制中，有大量的生產控制信息需要實施被操作人員所掌握，這些信息主要在控制系統的LED面板上現實。其基本信息包括參數值(如速度，進給量、工件統計)，X軸、Y軸坐標值(含X軸、Y軸運行方向指示)，控制方式指示(自動、半自動、調校)等。通過這些信息，操作人員可以完成對現場設備的組態配置，數據集中處理，工作狀態監控等功能。現在很多公司提供功能豐富的組態軟件，如Vincc、力控PCAuto、組態王等。主要工作是創建液晶顯示接口函數，創建過程如下:定義void LCD_Cls()，在LCD的顯示屏中顯示液晶初始化后，液晶的主界面;定義void LCD_Init(void)，用于初始化設置，主要是對顯示區域的設置和顯示方式的設置;定義void LCD_Refresh()，用于更新LCD的顯示，把需要顯示的內容更新到LCD的顯示屏上;定義void LCD_BkLight()，用于打開或者關閉LCD的背光;定void LCD_DisplayOpen()，用于打開或者關閉LCD顯示。

當前，工程控制中的人機界面越來越人性化，具有可操作性和可理解性。因此將人機界面信息由傳統的單文字形式轉化為圖形界面是嵌入式控制系統的必要工作。有些處理器，如S3C44BOX處理器本身也帶有液晶控制系統，其外圍設備只需要配備液晶顯示器，用控制信號線將顯示器和控制器連接即可。

2.6 鍵盤按鍵的程序設計

工業控制系統中，人和機器需要實現信息的交互，即人通過操作界面對機械發出指令。嵌入式系統已經實現了較為人性化的設計，即通過鍵盤，結合液晶顯示，將指令傳達給控制器，實現真正意義上的人機交互功能。按鍵的主要功能可以分為:暫停鍵，復位鍵，開始鍵，分別實現按下此鍵來暫停運動或程序執行，當程序執行過程或著運動中出現異常情況，按下此鍵可以終止一切，暫停后按下此鍵來恢復運動或程序繼續執行等指示。這三個狀態可以在液晶顯示屏上顯示。另外，嵌入式控制系統還需要提供上下翻頁，樹狀上翻下翻等功能，這主要是因為嵌入式系統的液晶現實面，不可能不能一次完全把所有程序運行狀態或者參數全部顯示出來，所以利用上翻和下翻鍵進行查看。在處理器中鍵盤控制由一個函數(GetKey(INT16S*key))控制，它用于檢測鍵盤是否有鍵被按下，如果有，就得到按鍵值并返回。通常需要頻繁的調用該函數，對鍵盤進行輪詢，以檢測是否有按鍵被按下。如果有按鍵被按下，則返回TRUE;否則返回FALSE。

3 總結

工業生產規模的擴大與生產過程的復雜化，對控制系統的實時性、可靠性提出了更高的要求。嵌入式控制系統實現了計算機的微小化控制，對于提高工業控制的準確，實現快速反應和規模化機械生產具有重要意義。本嵌入式工程機械控制系統以S3C44BOX芯片為控制器，以uC/OS-II為操作系統，以LCD顯示器進行顯示，配有時鐘，輸入鍵盤，數據存儲器以及多種數據通訊接口。在實踐中，以該處理器為基礎的控制器具有成本低，系統移植簡單，強操作性和升級性等特點，可以滿足不同機型的工程機械使用。

參考文獻:

[1] 王田苗.嵌入式系統設計與開發實例[M].北京:清華大學出版社，2003.

[2] 蔡明征，汪海生，徐小龍，等.嵌入式微處理器在工程機械控制系統中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2006(9).

[3] 馬忠梅.ARM嵌入式處理器結構與應用基礎[M].北京:北京航空航天大學出版社，2002.

[4] 馬維華.嵌入式系統原理及應用[M].北京:北京郵電大學出版社，2006

[5] 王孫安，張進華.基于ARM開放式數控技術研究[J].北京:現代制造工程，2007(9).

[6] 田澤.嵌入式系統開發與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2005.