嵌入式工控機系統分析與設計

紀磊

【摘要】國內高端的嵌入式工控機系統中有類似PC104系統，但是很長一段時間，該系統都是國外進口的，核心技術難以掌握，所以實現核心元器件的自主研制對提高工控系統產品意義重大。本文就此展開對于嵌入式工控機的系統分析，并且提出了初步的設計方案。

【關鍵詞】嵌入式；工控機；系統；分析；設計

到目前為止，嵌入式傳統軟件甚至還不能完成代碼復用，更談不上跨嵌入式操作系統或跨硬件操作平臺，更甚至把嵌入式軟件的模式抽象成語言的形式。所以對于嵌入式工控機系統來說，嵌入式系統的分析與設計是其中最為重要的環節，本文就針對此來展開分析。

一、嵌入式工控機定義及特點

1、定義

嵌入式工控機，更時髦的叫法是盒式電腦或無風扇工控機，英文全稱Embedded Industrial Computer。嵌入式工控機通俗的說就是專門為工業現場而設計的機構緊湊的計算機。

工控機經常會在環境比較惡劣的環境下運行，對數據的安全性要求也更高，所以工控機通常會進行加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射等特殊設計。

2、技術特點

工控機對于擴展性的要求也非常高，接口的設計需要滿足特定的外部設備，因此大多數情況下工控機需要單獨定制才能滿足需求。

（1）采用符合“EIA”標準的全金屬工業機箱，增強了抗電磁干擾能力。

（2）機箱內無風扇，靠機殼散熱。

（3）配有高度可靠的工業電源，并有過壓、過流保護。

（4）電源及鍵盤均帶有電子鎖開關，可防止非法開、關和非法鍵盤輸入。

（5）具有自診斷功能。

（6）設有“看門狗“定時器，在因故障死機時，無需人的干預而自動復位。

（7）便于多任務的調度和運行。

二、嵌入式工控機系統簡介

嵌入式系統是一種將計算機技術作為基礎，將應用作為中心目的，軟硬件皆可裁剪來適應特定應用的，對成本、體積、可靠性、功耗、功能都有相對嚴格要求的專用的計算機系統，是一種計算機系統的應用形式，亦被稱為埋藏式計算機。而嵌入式軟件，即是嵌入式系統中運行的用來完成具體的功能的軟件。嵌入式系統對其的要求是，要代碼精簡且效率高，要對異步并發的事件有很高的處理能力，要能夠實時處理事件并要有足夠快的響應速度。

下圖為嵌入式系統的簡要發展歷程：

嵌入式工控機系統主要包括了文檔和程序，可分成應用軟件、支撐軟件、系統軟件等。我們普遍上將嵌入式系統中運行的所有軟件都叫做嵌入式軟件。應用軟件：指基于特定的用途而開發的用于響應類嵌入式系統中的應用程序的整體集合。支撐軟件：包括調軟件、用戶使用界面的系統運行環境、網絡通訊協議、開發平臺和數據庫等。系統軟件：Windows CE、Hopen 中嵌入式的 Linux、pSOS、Vxworks等。嵌入式軟件由于其所需的運行環境有極強的特殊性，因而開發應用相對困難，要從其開發環境、功能要求、體系結構等多個方面來研究。

二、嵌入式工控機系統的分析與設計

數據采集與管理模塊主要負責對計算機串口通信的指定款口號、串口的通信參數以及串口數據的具體獲取方式等各個參數進行設置，然后接受從下位單片機之中發送過來的數據，通過簡單的格式處理之后，將其存儲到數據庫之中，并且利用Micros oft SQLSERVER2000 的數據庫管理功能，對信息進行基本的管理操作。

可視化顯示模塊主要負責將上述采集的具體數據以及經過處理、分析之后的數據結果通過二維圖形的方式進行顯示，該圖形需要能夠滿足打印、存儲以及局部放大等功能，并且鼠標在改圖形的曲線上移動的同時，能夠同步顯示不同位置的數據信息。

數據比較模塊主要負責對不同數據的比較，這種比較主要包括將采樣數據與基本模型數據比較以及將采樣數據與采樣數據之間進行比較。前者能夠發現本次與上次檢測的數據差異，而后者則能夠對同一測試者的不同成績或者不同測試者的成績進行比較。比較的結果可以通過圖形化的方式直觀的顯示出來，從而便于發現不同數據之間的差異。

數據計算與分析模塊主要負責對采集的相關數據進行綜合的數據處理和分析，按照預定的分析方案，通過計算和比較，從而對結果做出判斷。

基礎數據和數據庫維護模塊主要負責對基本的采集數據以及數據庫進行維護，這一維護包括了對采集數據的基本信息的添加、修改、編輯以及刪除等，除此之外，還包括了對模型數據庫的維護工作，并且為了便于開展對數據庫的維護工作，還要建立起一些基礎數據，使得對相類似的數據進行維護更為便利。

數據輸出模塊主要負責對數據分析圖形的輸出以及數據的輸出，在圖形輸出以及數據輸出方面，具體的輸出方式可以是存儲導出，也可以是打印輸出，或者是將其導出為Acce s s 圖形或位圖數據庫輸出。

下位單片機在根據預定的設置接收到了相關的測試數據之后，將數據存儲在其外部存儲器之中，然后下位單片機向上位計算機發送握手請求，若握手成功則發送數據，反之則重復發送請求，超過三次不成功，則系統提示錯誤并且退出。

在上位機和下位機之間完成握手之后，上位計算機對其串口進行初始化炒作，將相關的參數配置好，并且做好接受數據的準備，隨后計算機向單片機發送信號，單片機經由串口向計算機發送數據。上位計算機則按照與下位單片機之間的協議對數據進行檢驗，查看其是否完整，如果不完整，則需要重新發送。如果結束后的數據經檢查完整，則對其進行格式轉換并且存儲到數據庫之中。

在完成接收數據的存儲之后，上位計算機開始對測試數據進行處理和分析，包括了基本的數據管理，數據的統計對比分析、數據的分析結果的可視化顯示、相關參數的計算以及處理結果的輸出等。

三、總結

上個世紀80 年代移開，中國市場開始廣泛的使用工控機，而且在通信、導航、控制等領域越來越廣泛的使用，令工控機的發展和研究都達到了一個特定的高度。國內高端的嵌入式工控機系統中有類似PC104 系統，但是很長一段時間，該系統都是國外進口的，核心技術難以掌握，所以實現核心元器件的自主研制對提高工控系統產品意義重大。

（作者單位合肥陸通智能科技有限公司）