高級嵌入式計算機系統在自動化儀器儀表中的應用

田炎鑫

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

0 引言

在我國現階段工業儀器儀表發展過程中，嵌入式系統的合理應用具有極其重要的價值，能夠使測量工作具有更高的精確性，還可以確保實現遠程控制，使其更高程度滿足現代社會發展需求，具有極其廣闊的前景。

1 嵌入式系統

在具體應用嵌入式系統過程中，計算機是其不可或缺的重要依托。通常情況下，對于計算機系統而言，嵌入式系統具有較為普遍的應用，對于計算機的成本和功能提出了更高的標準和要求。通常情況下，在開展具體工作時，嵌入式系統可以基于具體需求，合理裁剪軟硬件。嵌入式系統具有相對較小的體積和能耗，集成度相對較高。我國現階段嵌入式系統正在逐步實現網絡化、智能化和精簡化，得到了較為普遍的應用。具體包括3 種類型。

（1）以單片機為基礎形成的MCU 系統，通常選擇使用16位或8 位處理器。該系統具有較高的集成度，以及相對較強的控制功能，但是容量較小，存儲空間具有較高的局限性。

（2）工業化單板機，該系統功能強大、安全可靠、能耗低、體積小，靈活性相對不足，只能裁剪板卡級硬件[1]。

（3）DSP 系統或MPU 系統，該系統通常選擇32 位處理器，可以基于具體要求和相關規定裁剪硬件。其他因素不會對其造成限制，該系統的軟件平臺相對較大，具有極強的專用性。

2 嵌入式系統要求

2.1 應用要求

在自動化儀表中，具體應用嵌入式系統時，相關人員必須對其應用要求加強重視。首先，確保能夠同時支持多項任務操作系統，具有實時中斷響應和高精度時鐘。同時，還需要保障其實時應用程序和內部操作系統的執行時間實現最短。其次，要確保其保護功能和存儲區管理的科學性。在此過程中，必須確保嵌入式系統內核軟件在一定程度內實現模塊化，為有效避免非法訪問軟件進程，保護功能和存儲區管理是系統應用過程中的關鍵內容。與此同時，還需要確保其架構可以實現有效擴展，使其工業應用需求得到更高程度的滿足。最后需要有效降低系統功耗，確保儀表工作持續性更高。

2.2 接口要求

在工業工程建設過程中，對自動化儀表輸出信號和采集數據的功能具有較高要求，相關人員必須對其外部交互加強重視。在開展具體工作過程中，對系統接口要求相對較高，具體組成如圖1 所示。

首先需要在處理器內部進行D/A、A/D 模塊的合理設置，確保能夠更快進行數據處理和運行操作，可以實現精確實時中斷和多級外部中斷。還需要確保能夠連接網絡芯片，同時處理多項任務。最后需要保障接口資源豐富，支持usb、uart 等數據通信接口，與此同時，通過利用SPI 總線，還可以使其部分功能器件和處理器相連?？傊?，在我國現階段儀器儀表領域發展過程中，Arm 系列處理器具有極為廣泛的應用。

3 自動化儀器儀表中高級嵌入式計算機系統應用策略

3.1 系統方案設計

首先，需要嚴格遵循以下要求。第一，確保具有良好的實時性，部分特殊客戶在獲得結果時，接收時間會出現一定程度延遲。相關單位在進行具體設計時，需要高度重視該因素。第二，確保具有較高的可靠性。如果嵌入式系統出現故障，可能會使整體系統癱瘓，造成巨大損失，為此，必須嚴格控制系統的可靠性。第三，確保具有較高的集成性，通常情況下，在具體應用嵌入式系統時，如果系統集成度相對較高，都可以大大減少其占地面積，提升開發效果。第四，有效降低功能損耗，通常情況下，對于部分便攜式和移動式設備，具體工作時需要安裝電池，因此，設計人員需要科學控制其功率損耗。第五，有效提升環境適應力。在具體應用儀器儀表時，環境會對其造成很大程度的影響，尤其對于電、熱、光等因素無能為力。為此，為有效避免這種情況，設計人員需要有效落實抗干擾措施。

圖1 接口組成

其次，在具體進行開發過程中，需要深入分析目標產品功能。通常情況下嵌入式系統應用的主要目的在于收集和控制相關數據。同時還需要明確是否需要設置顯示界面，如果需要，應該選擇文本方式還是圖形方式。在此過程中，還需要進一步分析，是否要和其他設備交換數據，如果需要，要進一步分析應用協議和交換方式。

最后，要進一步明確儀器儀表的主要性能指標。在開展具體工作時，相關人員通過深入分析具體目標，基于不同功能科學選擇操作手段。與此同時，基于功能需求，選擇軟件設備和相關硬件，除此之外，在具體開發嵌入式系統軟件時，相關工作具體包括4 個層面：①開發能夠直接控制硬件設備的軟件；②開發不需要用戶圖形界面的程序；③基于圖形界面，開發通用應用軟件；④基于基礎應用軟件，開發高層軟件。

3.2 系統控制目標

在現代工業建設過程中，智能化技術應用具體是在工業設備中有效應用云數據和計算機語言。在我國現代工業生產不斷發展過程中，生產智能化是其相關工作開展的終極目標，能夠有效降低人力成本投入，有效解決勞動力不足現象。在我國現代智能技術高速發展過程中，集成電路、微電子技術、感應技術和紅外線技術的發展，為現代智能技術的進一步發展創造了良好條件[2]。具體應用智能化儀器儀表過程中，為了使其不同應用需求得到更高程度滿足，CPU 生產商為其提供了集成化處理器，其內核為32 位處理器，在處理器內還實現了許多外圍功能的有效集成。例如，Motorola 68360 作為一個集成通信用CPU，具有32位內核，其特點是實現了通信系統的集成，同時還有4 路同步協議，為ISDN、TI/EI 和HDLC 等通信協議提供必要支持。

3.3 系統具體應用

在應用自動化儀器儀表過程中，如果其核心為高性能嵌入式處理器，則嵌入式系統能夠使儀器儀表具有更高性能。在我國現階段自動化儀器儀表具體應用過程中，依舊是以微控制器為主，雖然已經在一定程度上實現了智能化，但是依舊無法滿足現代越來越復雜的功能要求。同時，我國現階段集成電路工藝，芯片技術和微電子技術都在不斷發展，可以在很大程度上降低嵌入式處理器的功耗、價格和體積，可以將其用于新型儀器儀表。在此過程中，廠商可以基于用戶不同需求提供專用集成化處理器，能夠確保更高程度的滿足不同用戶具體需求。在應用自動化儀器儀表時，不需要設置實時操作系統，尤其是當對其儀表處理器功能和存儲器容量具有較高要求時，無法應用實時操作系統。與此同時，有效增強硬件功能，能夠使其成本投入大大降低。我國現階段具體應用儀器儀表過程中，對其功能提出了更為復雜的要求，科學應用實時操控系統，合理協調與科學調度多個任務，具有極其重要的價值，而管理系統資源的要求也相對較高，通過科學應用嵌入式實時操作系統，能夠有效推進自動化儀器儀表的發展，使其整體質量實現質的飛躍。

4 結束語

在我國現代自動化儀器儀表發展過程中，高級嵌入式計算機系統得到了一定程度的普及應用。在此過程中，對嵌入式系統的應用和接口提出了較高要求，相關人員必須對其加強重視，科學設計系統方案，明確系統控制目標，確保更為高效地使用相關系統，推進我國現代儀器儀表的進一步發展，使其更高程度滿足現代工業建設對儀器儀表應用提出的最新要求。