以嵌入式控制器為基礎的自動控制系統的設計與實現

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以嵌入式控制器為基礎的自動控制系統的設計與實現

趙 理

（新疆工程學院，新疆烏魯木齊，830091）

摘要：隨著科技的發展，現如今的嵌入式系統已經發展的較為完善，進而在一些領域內得到了廣泛的運用，如工業測控、智能化設等，特別是在自動化的控制系統領域內，嵌入式系統更是發揮了很大的作用。在其設計過程內，需要用到眾多的編程語言和規范等，且具體的每個實用系統所用到的語言程序并不是完全相同，不過卻在很大一部分上相同。我們對嵌入式系統和控制進行了研究，總結其科學內涵和歷史作用，然后將其與自動控制系統相比較融合，真正讓嵌入式控制器的靈魂深入控制系統的內部，設計出科學合理的自動控制系統。

關鍵詞：嵌入式控制器；自動控制系統

嵌入式控制器指的是可以用來執行指定功能的控制系統，并且擁有處理復雜數據的能力，相比于傳統的控制器而言，其處理數據的能力無意識更為優秀的。因為其優秀的數據處理能力等，使其在未誕生之前就已經備受矚目，進而使得以嵌入式控制器為基礎進行的自動控制系統的研究組裝也考慮的很全面。又因為其設計理論和設計過程與傳統過程中有所差異，所以需要以新式的嵌入式系統的理論依據進行而不是采用傳統的理論。并且在這項自動控制系統的設計中，由于是以嵌入式控制器為主進行的，所以在實際設計運行過程中，有很多因素能夠影響最終效果的確定，比如良好的軟件反應速度可以加快處理數據的速度；又比如電源的消耗問題，以供電性能較好的鋰離子電池作為系統的電池可以供系統長時間的運行而不至于在處理過程中中斷；內存空間的占用情況也需要進行檢查。但是要想將設計的系統構成一個整體的話，就要將硬件與軟件進行協調，使兩者相匹配。

1　嵌入式控制系統和嵌入式控制器

嵌入式控制器的簡稱是MCU，作為嵌入式計算機中的一種，其通常結構就是首先有一個核心，這個核心可以有某種處理器的內核來擔任，接下來就是在芯片內部進行功能的集成，具體可以集成RAM、總線邏輯、總線、定時/計數器等，除此之外，要想使嵌入式控制器的功能得以實現，還必須要增加幾個I/O模塊、通信模塊、運動控制模塊，這些模塊通常都是數字量或者是模擬量。除了計算機本身具有的能力之外，嵌入式控制器還具有信號數據分析、預算、處理，信息還可以通過I/O接口來進行采集和測量，還有多種強大的功能，尤其是在自動化領域得到了廣泛的應用。

在現代社會，各種各項的虛擬技術和產物問世，為人類帶來了便利，嵌入式控制器就是這樣一種技術。其實計算機技術與傳統儀器結合而生成的，通常包括硬件與軟件兩方面，硬件是主要借助于GPIB、VXI等標準總線通過數據采集卡和PC構成的整體系統進而構成總系統。嵌入式控制器可以構成一個虛擬儀器系統，一般是通過以串口通信為基礎然后將控制器中的各種模塊和存儲器等于計算機本身相組合構成的，因為其一些特點而使得其在我國的電子、航天、國防、汽車、工業控制、自動化等得到了充分的發展。具有如下：較小的體積可以滿足現在日益苛刻的空間要求，是設備更加精細化，可以在與同種產品的企業競爭中取得優勢；較強的可靠性可使其在同類元件中脫穎而出，能夠在極為嚴苛的條件下使用且具備一定的抗干擾能力使得很多人都看好它；快速的運算傳輸速度可保證信息的實時性，不必耽誤功夫了；強大的智能化系統可以減少很多不必要的人力負擔，使得企業向現代化邁進。

2　以嵌入式控制器為基礎的自動控制系統的設計與實現

在這里我們選用德國的Beckhoff的嵌入式控制器，以全自動工業推板爐為例來研究以嵌入式控制器為基礎的自動控制系統的設計中的軟件設計和監控程序等。

接下來運用的就是多線程技術，允許CPU獨立執行一定范圍內的多個任務，大大提高資源的利用效率。其道理是蘊含的非同步的處理機制，使得在不影響別的程序的情況下來新建造一個線程進行計算。并且我們所用的框架之中有專門負責這一項的空間，操作簡單易懂。再然后根據系統的功能要求，將程序劃分為主線程、OPC讀取線程、OPC寫入線程、數據記錄線程，其分別負責消息的相應、數據的讀取、寫入下位機數據、記錄。

在本文的研究中，是以ARM7TDMI-S內核作為基礎，進而進化為LPC2210微控制器作為核心處理器，之所以選擇這枚芯片，除了它及其強大的功能外，還有其消耗較少的功率，結構復雜而至。在這枚芯片中，32位的定時器具有多個，ADC是十位的并且數量高達8路，而且在外部的中斷管腳安防有多達九個的中斷管教，在輸出方面更是具有PWM型的輸出，基于以上的優點，其在自動化系統和醫療管理系統等系統中特別適用。在這套系統中，LPC2210微控制器提供了76個GPIO，可以適應各種應用，如協議轉換器、嵌入式軟件調制解調器、通信網關等，而這一切的布置，加上其內部設置了較寬的串行通信接口，完成了總線的配置。除此之外，當進行系統設計時，如需考慮數據的存儲、控制、處理時，可以擴展芯片，芯片原有的容量是16K SRAMd、128K FLASH，最大可以擴展到8M PSRAM、16M FLASH。

(1)選用無病種薯，建立無病留種田。(2)發現病株及時挖除，特別是留種田更要細心挖除，減少菌源。（3）噻霉酮葉面噴霧80g/畝，連用兩次。

9月16日-18日，“頓悟、起航—中國潤滑油廠商專家說論壇”在甘肅蘭州國際會展中心舉行。本次論壇由中國汽車后市場聯合會、派波爾潤滑油、財神修車網、《汽車維修與保養》雜志社聯合主辦，來自潤滑油相關企業及200余家汽車后市場終端商的代表參與了本次論壇活動。本次論壇在“第九屆蘭州中國潤滑油、脂及汽車養護展覽會”期間舉辦，憑借展會的強大號召力參展商積極參與本次論壇。論壇上各位演講嘉賓就加強潤滑油貿易和技術創新；共同分享維修行業、潤滑油行業的發展；汽車后市場的政策走向；市場開發及營銷策劃等進行了廣泛的交流和討論。

2.2軟件的設計

在軟件的設計過程之中，存在著宿主機和目標機兩中角色，前者負責執行編譯、定址、鏈接等過程，而后者主要負責運行相關硬件平臺。而除了需要考慮這種交叉系統外，還需要考慮到操作系統的因素，合適的操作系統也可使操作更為輕松容易。在這之后就可以使用其中的工具了。

3　實例說明

上述文章已經說到，嵌入式控制器的設計主要由硬件和軟件兩部分組成。

至于下一個的推進任務，其所有動作都是通過油缸的更替來進行的，油缸將前一個油缸傳過來的推板傳到下一個油缸，如此周而復始。那么這樣基本單元就是一個油缸了，而又由于所有的油缸狀態、條件等都相同，所以可以用一個統一的類模型來描述。在這個類模型之中，還可以嵌套別的模型來增加自己功能的靈活性。在實際運用中，共有25個油缸，可以很方便地直接進行增加數量或者好似改變其行為。

在下位機程序軟件的設計中，主要分為溫度控制和推進動作控制兩個方面，這是兩個周期性的任務，其周期可以根據實際情況具體制定。可以選用ST語言在德國的Beckhoff的Twincat環境下進行編程。因為FB功能的實現，下位機的面向對象控制程序必然會更加靈活與復雜。

上述四層每層都有不同的功能，第一層的操作層是響應用戶狀態的，主要負責記錄查看、監控、爐溫校準等；而數據層顧名思義就是整個系統的數據中心，為其他部分提供數據源；通訊層主控制器與監控軟件的聯系；物理層負責現場的控制。

3.1下位機嵌入式控制器軟件設計

3.2上位機監控軟件編程

這套監控軟件的編程是采用微軟推出的VS的最新版本VS.NET來進行編程的，在.NET的環境下運行，其無論在什么系統上都可以運行。當然也需要平臺的支持，像微軟的.NET就需要.NET Framework來支持。

下面是本系統的結構圖，其采用分層結構，每層為其上層服務

典型病例影像學資料見圖1、2。Pfirrmann分級結果見表3。兩組患者術后1年椎間盤退變程度較術前有所改善，差異有統計學意義（P＜0.05）。MEDAR組Pfirrmann分級由術前Ⅲ級12例，術后1年恢復至I級2例，Ⅱ級4例，其余5例仍為Ⅲ級；術前Ⅳ級8例，術后1年恢復至Ⅱ級1例，Ⅲ級4例，其余3例仍為Ⅳ級。然而，PTED組由術前Ⅲ級9例，術后1年恢復至I級3例，至Ⅱ級3例，其余3例仍為Ⅲ級；術前Ⅳ級7例中，術后1年恢復至Ⅱ級1例，Ⅲ級3例，其余3例仍為Ⅳ級。術前與術后1年兩組間的差異均無統計學意義（P＞0.05）。

在溫度控制任務程序的設計中，要先建立溫區類模型，將檢測溫度、設定溫度、溫度上限等作為溫區類的輸入數據，將輸出率、事件、加熱信號等作為溫區類的輸出信號，實現FB模塊，可以根據輸入溫度和設定溫度的控制算法得出輸出百分比，然后再轉化為相應的控制信號進行輸出。在整個溫區類中，最為重要的是控制算法的設計，它的好壞直接與設備的性能掛鉤。在此處不采用范圍較窄、適應能力差的傳統PID算法，而是將模糊控制與PID算法結合起來，將人的經驗浮于控制器，那么在程序運行過程中，就會有較好的適應能力。

首場揭幕戰，就是一場硬仗。改換東家的山東男籃客場對陣上賽季總冠軍遼寧本鋼，結果并沒有出乎大多數人的預料。山東西王92∶113不敵遼寧本鋼。

為了使系統的擴展和升級更加方便，原來元素較多的界面已經不適合了，需要自定義控件來布置界面元素。這列控件就是用戶自定義設計，把多種功能元素集合到這個控件之中。在設計的時候，要定義此控件的屬性、函數、事件。

對公共圖書館招聘信息中需求專業出現的頻次進行統計，結果如圖3所示。公共圖書館專業需求排前三位的是圖情檔、其他專業以及人文社科類，占比分別為 28．1%、23．8%、17．3%。 其他專業主要是傳媒、會計以及外語等專業。統計分析顯示，隨著近年來公共圖書館在免費開放政策下業務范圍的擴大，人文社科類和傳媒類等專業與圖情檔專業形成競爭關系。對計算機學科的人才需求集中在省級以及沿海地區公共圖書館，縣級以及偏遠地區圖書館由于公共文化服務體系建設尚不完善、資金投入不足等原因對數字資源建設的關注力度較小，從而對計算機學科人才的需求較低。總之，公共圖書館對人才的專業需求呈多樣化趨勢。

到2049年，使現有的水土流失面積全部得到治理和鞏固，江河泥沙含量減少90%，農業人均保水保土基本農田面積達到0.15 hm2，森林覆蓋率達到45%以上，生態系統得到全面修復，生態環境全面進入良性循環，全市實現江河清澈、山川秀美目標，構建起實現資陽水土保持生態文明夢新篇章。

2.1硬件的設計

最后需要使用一種語言來標記電子文件使其具有結構性的標記語言，這就是XML。它的適用面非常之廣，可以讓用戶對自己的語言進行定義，進而標記數據、定義數據類型等。使用XML最大的好處就是可以提供統一的方法來描述交換數據，并且不用重新編譯，直接使用與XML配套的應用程序就可以處理數據了。而在我們所使用的.NET系統中，也有專門定義與XML相關的類別。對于工業自動循環推板爐來說，這項軟件針對性的開發了組態管理，程序需初始化時直接讀取XML進行配置，然后動態創建界面冤死等。

3.3OPC通訊系統

在英語四項基本技能中，聽是獲取信息的關鍵，聽力理解在高考英語中也占有較大的比重，英語聽力不僅能培養學生的理解能力，也能提高學生的綜合語言運用能力。然而在廣大農村學校，聽力教學困難不少，部分學生漸漸失去了對英語學習的興趣和信心，這也讓許多老師對聽力教學越來越感到困惑。下面，筆者主要分析農村中學生聽力薄弱的原因，并提出相應的聽力教學建議。

我們介紹的例子的通訊全部采用OPC，這項程序出現的最大意義就是為Windows的應用程序和現場的實際控制進行了配對，并且統一了所有開發商的程序。其標準是以微軟公司的OLE技術為基礎，然后通過提供一套接口完成。OPC可以直接從數據源上提取數據，也可以寫入數據。

在我們使用的微軟.NET語言中，有一個OPC客戶端，然后在客戶端中引出兩個程序集，再調用Server的Connect與OPC的服務器進行連接。而在OPC的結構之中，包含著多個Group，其中的GroupZones為溫區控制數據組，包含若干個Item，然后進行簡化，每個Item對應一個溫區，并且蘊含其中所有數據。在OPC傳輸信息中，輸入方將信息化為字節數組，然后接收方也必須將這些數組再轉化為信息。為了保證信息的準確無誤，收發的雙方必須要使用統一的結構體、編碼、對其方式等。

4　總結

我們通過對嵌入式控制器的介紹、構成、用途的敘述，充分了解到了使用嵌入式控制器能夠帶來的好處：提高了運算能力、降低了成本、優化了設計的技術。此外，通過分析以自動推板爐的軟件程序設計，我們了解到了模糊PID算法、XML標記語言、OPC客戶端等設計常用的程序語言，這項系統的建設中包含的技術其實已經蘊含大部分當前主流的設計要素了，當然，我們也只是粗略地進行了一些理論上的描述，若要真正掌握程序和系統的設計，就必須要掌握更豐富的知識。通過以上算法程序與嵌入式控制器的融合，才能設計出符合實際的自動控制系統。

參考文獻

[1] 王文新.以嵌入式控制器為基礎的自動控制系統的設計與實現[J].科技創新與應用,2013,11:18.

[2] 高超,單偉.基于嵌入式控制器的自動控制系統設計[J].電子工業專用設備,2012,08:23-30.

趙理（1985—），男，新疆維吾爾自治區烏魯木齊市人，職務：教師，研究方向：自動控制。

The design and implementation of the automatic control system based on the embedded controller

Zhao Li

（Xinjiang Engineering School，Urumqi，Xinjiang，830091）

Abstract：With the development of science and technology,now today,embedded system has been the development of a more perfect,and in some areas has been widely used,such as industrial control,intelligent design,especially in automation control system in the field,the embedded system is played a great role.In the design process,need to use many programming languages and standards,specific and each practical system used in programming languages are not exactly the same,but in a large part.We of the embedded system and control were studied summarizes the scientific connotation and historical role,then,an automatic control system and compared fusion, really let the soul of the embedded controller depth control system inside, the design of automatic control system of scientific and reasonable.

Keywords：embedded controller;automatic control system

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