一种通用嵌入式控制平台的设计实现

(火箭军工程大学士官学院 山东 青州 262500)

摘 要:针对测控系统控制对象的多样性和测控仪器的功能局限性,给出了嵌入式LINUX操作系统下基于ARM的通用控制平台实现方案。采取平台化和模块化的开发方式,实现测控系统的多通道数据采集、人机交互、网络通信等硬件设计;最后详细阐述了通用平台软件设计方案。

关键词:测控系统;嵌入式系统;控制平台;模块化

1引言

伴随着计算机技术、现代电子技术和嵌入式技术的飞速发展,在测控或工控领域所使用的测控仪器的互通性、可移植性和互相交换性得到了越来越多专家学者的关注,相应的自动控制系统,也朝着模块化、开放化、通用化的趋势发展。然而现在各种控制领域所应用的控制系统大多数还停留在以工控机、单片机和PLC所设计的控制器为主的阶段,不仅控制范围具有局限性,相对于现今较高的控制要求是越来越难以满足。正是基于上述原因,本研究将控制技术、智能技术、模式识别技术、自适应、仿真技术与嵌入式技术融合在一起,构建出基于ARM的嵌入式控制平台。它极大地提高对系统的控制功能,增强系统的抗病毒和抗干扰能力,并且具有更小的体积、更低的成本、更高的可靠性、更广阔的应用范围,能广泛适用于生产生活的各个领域。

2 平台总体设计思想

随着计算机技术的发展,嵌入式应用己经成为计算机应用领域的一个重要组成部分。嵌入式应用,就是指应用系统不是以计算机为主,而是把计算机技术作为应用系统的一个组成部分嵌入到应用系统中,使其具有更高的性能。为了提高测控系统的开发速度、保证产品质量、提高技术的重复利用率,嵌入式控制平台的整体开发思路采取平台化和模块化设计方法。平台开发模式是先进的社会化生产方式,在现今知识经济条件下,已形成了一个重要的产业形式。在一个设计集团中,实行严格的标准化、系列化,规范化设计,将某一类产品领域的基本硬件结构及基本软件形成产品的“统一机芯”,即基础平台,并将基础平台相关的周边扩展电路及应用软件进行优化、筛选,形成基础平台的平台库资源。在开发新产品时,利用基础平台,并选择平台库中的相关资源进行,这就是平臺开发模式思想。基于这样的考虑,开发这种适合控制平台的特殊要求、自有特色的嵌入式应用系统,旨在实现一个应用于测控系统的通用嵌入式控制、信息处理平台,同时具有以太网通信功能。

3 控制平台的硬件与功能设计

硬件是整个控制平台赖以生存的基础,是应用程序或软件及相关数据传输的载体,也是各种控制逻辑实现的执行器件。

控制平台的硬件系统主要的功能模块:如多通道信号采集与控制模块、人机交互模块、数据存储模块、网络和外设通信模块和硬件平台相关的辅助管理模块。每个功能模块的逻辑配置与组合各不相同,但控制平台中的数字信息处理模块采用的是低功耗、运算速度快、体积小和稳定可靠的微处理器。

3.1 多通道信号采集控制模块

在测控系统或仪器仪表中,通常为了便于进行多种参数的数据检测,系统会设有多路信号采集的前向通道。前向通道中首先是相关传感器与其相关检测电路完成参数的模拟信号的初级处理任务。模/数转换电路和采样/保持电路互相配合采集到的模拟信号变换成能直接满足模/数转换的电平或信号输入方式,同时也减少了动态数据测量的误差。在一些比较复杂的测量环境中传感器部分会设有相关的控制器件和控制补偿器件,当元件布局不会造成电信号的相互干扰时,光电隔离电路可以不必选择接通,但控制I/O电路是必不可少的组成部分。

3.2电源管理模块

电源管理模块是控制平台的电源供给控制的基础。对于野外作业或手持终端方式的测控装置的电源管理要求采用低功耗芯片,能够实现自动开关机、CPU休眠和对耗电器件的智能供电开关控制等功能。因为在一些参数或特殊环境的测量中,系统并不是一直处于测量状态而是进行间隔测量,也就是系统测量的时间只占整个时间的一部分而已,因此这时完全可以关闭传感器检测部分的电源、微处理器和其他相关转换芯片也可以进入休眠方式。

3.3网络和外设通信模块

在测控仪器仪表的发展过程中,通信的概念非常重要。同类型的仪表、不同类型的仪表之间,以及仪表与计算机系统之间都会进行数据信息的交换,包括上传采集的数据、获取仪表的设定参数、下载升级的程序软件等等。通过通信接口,与计算机或其他相关测量控制仪表通信,组成个测控信息系统,因此在测量控制的系统中,通信通常是必不可少的重要组成部分。对于通信功能,控制平台还集成了基于TCP/IP协议的网络通信接口,采用有线通信与无线通信结合的方式,通过网络传输数据并实现对被控对象的远程控制和测控仪器与外界的网络化互联。

4 控制平臺软件的实现

4.1 控制平台软件设计的总体方案

控制平台的设计工作主要是集中在软件的设计上,这也是整个控制平台的核心部分。控制平台采用LINUX嵌入式实时操作系统作为其运行平台。开发工具选用ARM公司提供的ADS1. 2集成开发环境。LINUX是实时多任务操作系统,具有源代码开放免费,代码短小精练,采用抢占式优先级调度方式,可支持56个用户任务等优点。源代码中与硬件相关部分需要用汇编言编写,其余大部分源代码用ANSI C语言编写,可移植性强,可以在绝大多数的徽处理器上运行。LINUX的可裁剪性非常强,它提供许多系统服务,用户可以根据需要进行裁减,这样可以减少产品中,LINUX所需要的存储空间。

4.2 控制平台的应用程序总体功能

控制平台的应用程序设计要求实现以下功能:

(1) 根据采集的现场信号进行分类识别,对不同类型的信号进行相应的分类处理并建立相对应的信号数据库;

(2) 根据信号的不同类型选取相应的控制策略对信号进行判断和处理;

(3) 将处理的结果转换成相应的控制输出信号对被控对象进行控制;

(4) 根据需要编写相应的中断程序、人机交互和网络通信程序。

4.3 模式识别和控制算法库的实现

模式识别(Pattern Recognition)是指对表征事物或现象的各种形式的(数值的、文字的和逻辑关系的)信息进行处理和分析,以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程,是信息科学和人工智能的重要组成部分。研究模式识别技术,通过对相关实验数据的知识挖掘,制定出对不同被控对象的与之对应的控制策略。同时实现对采集数据的有效分类处理和存储功能,并且对各分类数据库采取不同的控制策略,从而达到对被控对象的最优控制。将模式识别技术引入本系统的设计,将工业生产和人民生活中常见的信号数据通过模式识别进行分类,对每种分类的结果尽可能的去建立其数学模型,并通过仿真技术找到其最佳的控制方案。

算法是程序设计的核心,在具体编程前应先确定算法。控制算法的设计也采用结构化、模块化的设计方法。传统的控制系统中,主要采用PID控制规律,但由于受到各方面条件的限制,被控对象的复杂性,这类控制规律显得比较单一,适用面较窄。在控制系统中引入16/32位处理功能的嵌入式技术,来模拟人的逻辑思维和判断决策成为可能。控制平台综合了经典实用、易于实现的PID参数自整定控制算法和模糊控制算法,形成其控制决策库。由测控系统的研发人员自行选择何种算法和设定相关参数,以达到对被控对象的有效实时的判断和处理等工作。

5 结束语

文章针对传统测控系统中存在的问题,采取了平台化和模块化的方式设计了具有良好的可扩展性、可开发性和可靠性的控制平台。采用本平台将节省大量研发费用,缩短测控产品的研发周期,提高系统可靠性。另外只需要对相应的传感器电路和具体软件进行一定的修改,此控制平台即可应用于测控领域的诸多方面。