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以嵌入式控制器為基礎(chǔ)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 理

（新疆工程學(xué)院，新疆烏魯木齊，830091）

摘要：隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)如今的嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展的較為完善，進(jìn)而在一些領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的運(yùn)用，如工業(yè)測(cè)控、智能化設(shè)等，特別是在自動(dòng)化的控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)更是發(fā)揮了很大的作用。在其設(shè)計(jì)過程內(nèi)，需要用到眾多的編程語(yǔ)言和規(guī)范等，且具體的每個(gè)實(shí)用系統(tǒng)所用到的語(yǔ)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(duì)嵌入式系統(tǒng)和控制進(jìn)行了研究，總結(jié)其科學(xué)內(nèi)涵和歷史作用，然后將其與自動(dòng)控制系統(tǒng)相比較融合，真正讓嵌入式控制器的靈魂深入控制系統(tǒng)的內(nèi)部，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制器；自動(dòng)控制系統(tǒng)

嵌入式控制器指的是可以用來執(zhí)行指定功能的控制系統(tǒng)，并且擁有處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的能力，相比于傳統(tǒng)的控制器而言，其處理數(shù)據(jù)的能力無意識(shí)更為優(yōu)秀的。因?yàn)槠鋬?yōu)秀的數(shù)據(jù)處理能力等，使其在未誕生之前就已經(jīng)備受矚目，進(jìn)而使得以嵌入式控制器為基礎(chǔ)進(jìn)行的自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究組裝也考慮的很全面。又因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)過程與傳統(tǒng)過程中有所差異，所以需要以新式的嵌入式系統(tǒng)的理論依據(jù)進(jìn)行而不是采用傳統(tǒng)的理論。并且在這項(xiàng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于是以嵌入式控制器為主進(jìn)行的，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)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(yīng)速度可以加快處理數(shù)據(jù)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(tǒng)的電池可以供系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行而不至于在處理過程中中斷；內(nèi)存空間的占用情況也需要進(jìn)行檢查。但是要想將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)整體的話，就要將硬件與軟件進(jìn)行協(xié)調(diào)，使兩者相匹配。

1　嵌入式控制系統(tǒng)和嵌入式控制器

嵌入式控制器的簡(jiǎn)稱是MCU，作為嵌入式計(jì)算機(jī)中的一種，其通常結(jié)構(gòu)就是首先有一個(gè)核心，這個(gè)核心可以有某種處理器的內(nèi)核來?yè)?dān)任，接下來就是在芯片內(nèi)部進(jìn)行功能的集成，具體可以集成RAM、總線邏輯、總線、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等，除此之外，要想使嵌入式控制器的功能得以實(shí)現(xiàn)，還必須要增加幾個(gè)I/O模塊、通信模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊，這些模塊通常都是數(shù)字量或者是模擬量。除了計(jì)算機(jī)本身具有的能力之外，嵌入式控制器還具有信號(hào)數(shù)據(jù)分析、預(yù)算、處理，信息還可以通過I/O接口來進(jìn)行采集和測(cè)量，還有多種強(qiáng)大的功能，尤其是在自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在現(xiàn)代社會(huì)，各種各項(xiàng)的虛擬技術(shù)和產(chǎn)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(shù)。其實(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)儀器結(jié)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(biāo)準(zhǔn)總線通過數(shù)據(jù)采集卡和PC構(gòu)成的整體系統(tǒng)進(jìn)而構(gòu)成總系統(tǒng)。嵌入式控制器可以構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，一般是通過以串口通信為基礎(chǔ)然后將控制器中的各種模塊和存儲(chǔ)器等于計(jì)算機(jī)本身相組合構(gòu)成的，因?yàn)槠湟恍┨攸c(diǎn)而使得其在我國(guó)的電子、航天、國(guó)防、汽車、工業(yè)控制、自動(dòng)化等得到了充分的發(fā)展。具有如下：較小的體積可以滿足現(xiàn)在日益苛刻的空間要求，是設(shè)備更加精細(xì)化，可以在與同種產(chǎn)品的企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)；較強(qiáng)的可靠性可使其在同類元件中脫穎而出，能夠在極為嚴(yán)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(yùn)算傳輸速度可保證信息的實(shí)時(shí)性，不必耽誤功夫了；強(qiáng)大的智能化系統(tǒng)可以減少很多不必要的人力負(fù)擔(dān)，使得企業(yè)向現(xiàn)代化邁進(jìn)。

2　以嵌入式控制器為基礎(chǔ)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在這里我們選用德國(guó)的Beckhoff的嵌入式控制器，以全自動(dòng)工業(yè)推板爐為例來研究以嵌入式控制器為基礎(chǔ)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中的軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)控程序等。

接下來運(yùn)用的就是多線程技術(shù)，允許CPU獨(dú)立執(zhí)行一定范圍內(nèi)的多個(gè)任務(wù)，大大提高資源的利用效率。其道理是蘊(yùn)含的非同步的處理機(jī)制，使得在不影響別的程序的情況下來新建造一個(gè)線程進(jìn)行計(jì)算。并且我們所用的框架之中有專門負(fù)責(zé)這一項(xiàng)的空間，操作簡(jiǎn)單易懂。再然后根據(jù)系統(tǒng)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(shù)據(jù)記錄線程，其分別負(fù)責(zé)消息的相應(yīng)、數(shù)據(jù)的讀取、寫入下位機(jī)數(shù)據(jù)、記錄。

在本文的研究中，是以ARM7TDMI-S內(nèi)核作為基礎(chǔ)，進(jìn)而進(jìn)化為L(zhǎng)PC2210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(qiáng)大的功能外，還有其消耗較少的功率，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而至。在這枚芯片中，32位的定時(shí)器具有多個(gè)，ADC是十位的并且數(shù)量高達(dá)8路，而且在外部的中斷管腳安防有多達(dá)九個(gè)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(yōu)點(diǎn)，其在自動(dòng)化系統(tǒng)和醫(yī)療管理系統(tǒng)等系統(tǒng)中特別適用。在這套系統(tǒng)中，LPC2210微控制器提供了76個(gè)GPIO，可以適應(yīng)各種應(yīng)用，如協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器、通信網(wǎng)關(guān)等，而這一切的布置，加上其內(nèi)部設(shè)置了較寬的串行通信接口，完成了總線的配置。除此之外，當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如需考慮數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、控制、處理時(shí)，可以擴(kuò)展芯片，芯片原有的容量是16K SRAMd、128K FLASH，最大可以擴(kuò)展到8M PSRAM、16M FLASH。

(1)選用無病種薯，建立無病留種田。(2)發(fā)現(xiàn)病株及時(shí)挖除，特別是留種田更要細(xì)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(guó)潤(rùn)滑油廠商專家說論壇”在甘肅蘭州國(guó)際會(huì)展中心舉行。本次論壇由中國(guó)汽車后市場(chǎng)聯(lián)合會(huì)、派波爾潤(rùn)滑油、財(cái)神修車網(wǎng)、《汽車維修與保養(yǎng)》雜志社聯(lián)合主辦，來自潤(rùn)滑油相關(guān)企業(yè)及200余家汽車后市場(chǎng)終端商的代表參與了本次論壇活動(dòng)。本次論壇在“第九屆蘭州中國(guó)潤(rùn)滑油、脂及汽車養(yǎng)護(hù)展覽會(huì)”期間舉辦，憑借展會(huì)的強(qiáng)大號(hào)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(qiáng)潤(rùn)滑油貿(mào)易和技術(shù)創(chuàng)新；共同分享維修行業(yè)、潤(rùn)滑油行業(yè)的發(fā)展；汽車后市場(chǎng)的政策走向；市場(chǎng)開發(fā)及營(yíng)銷策劃等進(jìn)行了廣泛的交流和討論。

2.2軟件的設(shè)計(jì)

在軟件的設(shè)計(jì)過程之中，存在著宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)兩中角色，前者負(fù)責(zé)執(zhí)行編譯、定址、鏈接等過程，而后者主要負(fù)責(zé)運(yùn)行相關(guān)硬件平臺(tái)。而除了需要考慮這種交叉系統(tǒng)外，還需要考慮到操作系統(tǒng)的因素，合適的操作系統(tǒng)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(shí)例說明

上述文章已經(jīng)說到，嵌入式控制器的設(shè)計(jì)主要由硬件和軟件兩部分組成。

至于下一個(gè)的推進(jìn)任務(wù)，其所有動(dòng)作都是通過油缸的更替來進(jìn)行的，油缸將前一個(gè)油缸傳過來的推板傳到下一個(gè)油缸，如此周而復(fù)始。那么這樣基本單元就是一個(gè)油缸了，而又由于所有的油缸狀態(tài)、條件等都相同，所以可以用一個(gè)統(tǒng)一的類模型來描述。在這個(gè)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(shí)際運(yùn)用中，共有25個(gè)油缸，可以很方便地直接進(jìn)行增加數(shù)量或者好似改變其行為。

在下位機(jī)程序軟件的設(shè)計(jì)中，主要分為溫度控制和推進(jìn)動(dòng)作控制兩個(gè)方面，這是兩個(gè)周期性的任務(wù)，其周期可以根據(jù)實(shí)際情況具體制定?？梢赃x用ST語(yǔ)言在德國(guó)的Beckhoff的Twincat環(huán)境下進(jìn)行編程。因?yàn)镕B功能的實(shí)現(xiàn)，下位機(jī)的面向?qū)ο罂刂瞥绦虮厝粫?huì)更加靈活與復(fù)雜。

上述四層每層都有不同的功能，第一層的操作層是響應(yīng)用戶狀態(tài)的，主要負(fù)責(zé)記錄查看、監(jiān)控、爐溫校準(zhǔn)等；而數(shù)據(jù)層顧名思義就是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，為其他部分提供數(shù)據(jù)源；通訊層主控制器與監(jiān)控軟件的聯(lián)系；物理層負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的控制。

3.1下位機(jī)嵌入式控制器軟件設(shè)計(jì)

3.2上位機(jī)監(jiān)控軟件編程

這套監(jiān)控軟件的編程是采用微軟推出的VS的最新版本VS.NET來進(jìn)行編程的，在.NET的環(huán)境下運(yùn)行，其無論在什么系統(tǒng)上都可以運(yùn)行。當(dāng)然也需要平臺(tái)的支持，像微軟的.NET就需要.NET Framework來支持。

下面是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，其采用分層結(jié)構(gòu)，每層為其上層服務(wù)

典型病例影像學(xué)資料見圖1、2。Pfirrmann分級(jí)結(jié)果見表3。兩組患者術(shù)后1年椎間盤退變程度較術(shù)前有所改善，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。MEDAR組Pfirrmann分級(jí)由術(shù)前Ⅲ級(jí)12例，術(shù)后1年恢復(fù)至I級(jí)2例，Ⅱ級(jí)4例，其余5例仍為Ⅲ級(jí)；術(shù)前Ⅳ級(jí)8例，術(shù)后1年恢復(fù)至Ⅱ級(jí)1例，Ⅲ級(jí)4例，其余3例仍為Ⅳ級(jí)。然而，PTED組由術(shù)前Ⅲ級(jí)9例，術(shù)后1年恢復(fù)至I級(jí)3例，至Ⅱ級(jí)3例，其余3例仍為Ⅲ級(jí)；術(shù)前Ⅳ級(jí)7例中，術(shù)后1年恢復(fù)至Ⅱ級(jí)1例，Ⅲ級(jí)3例，其余3例仍為Ⅳ級(jí)。術(shù)前與術(shù)后1年兩組間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

在溫度控制任務(wù)程序的設(shè)計(jì)中，要先建立溫區(qū)類模型，將檢測(cè)溫度、設(shè)定溫度、溫度上限等作為溫區(qū)類的輸入數(shù)據(jù)，將輸出率、事件、加熱信號(hào)等作為溫區(qū)類的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)FB模塊，可以根據(jù)輸入溫度和設(shè)定溫度的控制算法得出輸出百分比，然后再轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號(hào)進(jìn)行輸出。在整個(gè)溫區(qū)類中，最為重要的是控制算法的設(shè)計(jì)，它的好壞直接與設(shè)備的性能掛鉤。在此處不采用范圍較窄、適應(yīng)能力差的傳統(tǒng)PID算法，而是將模糊控制與PID算法結(jié)合起來，將人的經(jīng)驗(yàn)浮于控制器，那么在程序運(yùn)行過程中，就會(huì)有較好的適應(yīng)能力。

首場(chǎng)揭幕戰(zhàn)，就是一場(chǎng)硬仗。改換東家的山東男籃客場(chǎng)對(duì)陣上賽季總冠軍遼寧本鋼，結(jié)果并沒有出乎大多數(shù)人的預(yù)料。山東西王92∶113不敵遼寧本鋼。

為了使系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)更加方便，原來元素較多的界面已經(jīng)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(shè)計(jì)，把多種功能元素集合到這個(gè)控件之中。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要定義此控件的屬性、函數(shù)、事件。

對(duì)公共圖書館招聘信息中需求專業(yè)出現(xiàn)的頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。公共圖書館專業(yè)需求排前三位的是圖情檔、其他專業(yè)以及人文社科類，占比分別為 28．1%、23．8%、17．3%。 其他專業(yè)主要是傳媒、會(huì)計(jì)以及外語(yǔ)等專業(yè)。統(tǒng)計(jì)分析顯示，隨著近年來公共圖書館在免費(fèi)開放政策下業(yè)務(wù)范圍的擴(kuò)大，人文社科類和傳媒類等專業(yè)與圖情檔專業(yè)形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科的人才需求集中在省級(jí)以及沿海地區(qū)公共圖書館，縣級(jí)以及偏遠(yuǎn)地區(qū)圖書館由于公共文化服務(wù)體系建設(shè)尚不完善、資金投入不足等原因?qū)?shù)字資源建設(shè)的關(guān)注力度較小，從而對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科人才的需求較低?？傊矆D書館對(duì)人才的專業(yè)需求呈多樣化趨勢(shì)。

到2049年，使現(xiàn)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(nóng)業(yè)人均保水保土基本農(nóng)田面積達(dá)到0.15 hm2，森林覆蓋率達(dá)到45%以上，生態(tài)系統(tǒng)得到全面修復(fù)，生態(tài)環(huán)境全面進(jìn)入良性循環(huán)，全市實(shí)現(xiàn)江河清澈、山川秀美目標(biāo)，構(gòu)建起實(shí)現(xiàn)資陽(yáng)水土保持生態(tài)文明夢(mèng)新篇章。

2.1硬件的設(shè)計(jì)

最后需要使用一種語(yǔ)言來標(biāo)記電子文件使其具有結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記語(yǔ)言，這就是XML。它的適用面非常之廣，可以讓用戶對(duì)自己的語(yǔ)言進(jìn)行定義，進(jìn)而標(biāo)記數(shù)據(jù)、定義數(shù)據(jù)類型等。使用XML最大的好處就是可以提供統(tǒng)一的方法來描述交換數(shù)據(jù)，并且不用重新編譯，直接使用與XML配套的應(yīng)用程序就可以處理數(shù)據(jù)了。而在我們所使用的.NET系統(tǒng)中，也有專門定義與XML相關(guān)的類別。對(duì)于工業(yè)自動(dòng)循環(huán)推板爐來說，這項(xiàng)軟件針對(duì)性的開發(fā)了組態(tài)管理，程序需初始化時(shí)直接讀取XML進(jìn)行配置，然后動(dòng)態(tài)創(chuàng)建界面冤死等。

3.3OPC通訊系統(tǒng)

在英語(yǔ)四項(xiàng)基本技能中，聽是獲取信息的關(guān)鍵，聽力理解在高考英語(yǔ)中也占有較大的比重，英語(yǔ)聽力不僅能培養(yǎng)學(xué)生的理解能力，也能提高學(xué)生的綜合語(yǔ)言運(yùn)用能力。然而在廣大農(nóng)村學(xué)校，聽力教學(xué)困難不少，部分學(xué)生漸漸失去了對(duì)英語(yǔ)學(xué)習(xí)的興趣和信心，這也讓許多老師對(duì)聽力教學(xué)越來越感到困惑。下面，筆者主要分析農(nóng)村中學(xué)生聽力薄弱的原因，并提出相應(yīng)的聽力教學(xué)建議。

我們介紹的例子的通訊全部采用OPC，這項(xiàng)程序出現(xiàn)的最大意義就是為Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際控制進(jìn)行了配對(duì)，并且統(tǒng)一了所有開發(fā)商的程序。其標(biāo)準(zhǔn)是以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，然后通過提供一套接口完成。OPC可以直接從數(shù)據(jù)源上提取數(shù)據(jù)，也可以寫入數(shù)據(jù)。

在我們使用的微軟.NET語(yǔ)言中，有一個(gè)OPC客戶端，然后在客戶端中引出兩個(gè)程序集，再調(diào)用Server的Connect與OPC的服務(wù)器進(jìn)行連接。而在OPC的結(jié)構(gòu)之中，包含著多個(gè)Group，其中的GroupZones為溫區(qū)控制數(shù)據(jù)組，包含若干個(gè)Item，然后進(jìn)行簡(jiǎn)化，每個(gè)Item對(duì)應(yīng)一個(gè)溫區(qū)，并且蘊(yùn)含其中所有數(shù)據(jù)。在OPC傳輸信息中，輸入方將信息化為字節(jié)數(shù)組，然后接收方也必須將這些數(shù)組再轉(zhuǎn)化為信息。為了保證信息的準(zhǔn)確無誤，收發(fā)的雙方必須要使用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體、編碼、對(duì)其方式等。

4　總結(jié)

我們通過對(duì)嵌入式控制器的介紹、構(gòu)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(yùn)算能力、降低了成本、優(yōu)化了設(shè)計(jì)的技術(shù)。此外，通過分析以自動(dòng)推板爐的軟件程序設(shè)計(jì)，我們了解到了模糊PID算法、XML標(biāo)記語(yǔ)言、OPC客戶端等設(shè)計(jì)常用的程序語(yǔ)言，這項(xiàng)系統(tǒng)的建設(shè)中包含的技術(shù)其實(shí)已經(jīng)蘊(yùn)含大部分當(dāng)前主流的設(shè)計(jì)要素了，當(dāng)然，我們也只是粗略地進(jìn)行了一些理論上的描述，若要真正掌握程序和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就必須要掌握更豐富的知識(shí)。通過以上算法程序與嵌入式控制器的融合，才能設(shè)計(jì)出符合實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王文新.以嵌入式控制器為基礎(chǔ)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013,11:18.

[2] 高超,單偉.基于嵌入式控制器的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2012,08:23-30.

趙理（1985—），男，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市人，職務(wù)：教師，研究方向：自動(dòng)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

作者簡(jiǎn)介