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谈嵌入式系统在自动化仪表的运用

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摘要:自动化仪表是计算机技术向仪器仪表移植的产物,含有微计算机或微处理器,拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能。首先,对工业自动化仪表展开了分析,其后具体介绍了嵌入式系统,并分析了其在自动化仪表中的应用要求,最后围绕实例探讨了基于ARM的自动化仪表设计,以期与同行交流。

关键词:嵌入式系统;自动化仪表;应用;系统方案;模块设计 

引言

随着计算机技术、微电子技术和网络化技术的迅猛发展,仪器仪表将向着智能化、网络化、虚拟化的方向发展,以嵌入式系统为主要处理器或控制器,替代传统仪器仪表中的常规电子线路,成为新一代具有智能算法的自动化仪器仪表的发展主流,加强此方面研究具有重要意义。

1工业自动化仪表介绍

现代工业生产中,自动化仪表是调整生产过程的“神经中枢”,属于核心设备,通过全面配置工业自动仪表,可实现对工业生产过程的实时检测、优化控制,保证各项参数均处于最佳状态,有效控制生产成本、质量[1]。工业自动化仪器仪表的应用,可有效带动传统产业技术升级,提高竞争力。近年来,我国仪器仪表行业走势趋好,得益于中国机械、冶金、石化行业等诸多行业的经营状况转好,同时计算机技术、通信技术、材料科学、工艺技术的发展,有力推动了自动化仪表的应用,具有广阔的发展前景。

2嵌入式系统在自动化仪表中的应用

2.1嵌入式系统介绍嵌入式系统(EmbeddedSystems),从广义上来看,指的是具有特定功能计算机软硬件集合体;从狭义上来看,指的是安装、控制某个设备的专用计算机系统[2]。嵌入式系统主要包括4个部分:微处理器、操作系统、外围硬件设备、应用程序,与常规计算机系统相比,其主要特点可归纳如下:(1)系统内核小,可根据功能需求裁剪,摒弃多余部分;(2)专用性强,嵌入式系统的功能要求是特定的,具有高度个性化,根据实际硬件平台设置软件系统;(3)运行环境差异大,嵌入式系统应满足不同环境运行要求,如:即使突然断电,系统也可完成既定工作;(4)可靠性要求高,嵌入式系统运行往往处于无人值守状态,对此必须设有出错处理、自动复位功能,以保证良好的可靠性;(5)系统精简、实时性好,嵌入式系统有实时性、可裁剪性等要求,基本功能与传统操作系统一致;(6)开发工具,嵌入式系统需采用合适的开发工具、编译环境,保证系统良好运行。

2.2嵌入式系统要求近年来,工业自动化仪表朝着智能化、网络化、微型化的方向发展,越来越多地使用嵌入式微处理器改造既有仪表[3]。现主要就嵌入式系统应用要求、接口要求展开分析。2.2.1应用要求基于嵌入式系统在自动化仪表中的应用,将其具体要求归纳如下:(1)可很好地支持多任务操作系统,具有高精度时钟、实时中断响应时间,确保内部操作系统、实时应用程序执行时间最短;(2)具有良好的存储区管理、保护功能,嵌入式操作系统内核软件基本实现模块化,为了防止软件进程间非法访问况,存储区管理、保护功能十分关键;(3)具有可扩展的架构,能够满足实际工业应用;(4)低功耗,保证工业自动化仪表工作持续性。2.2.2接口要求工业自动化仪表自身具有采集数据、输出控制信号的功能要求,因此外部交互十分重要。工业自动化仪表接口组成如图1所示。(1)处理器内部设有高速A/D、D/A模块,数据处理、运行操作速度快,可实现多级外部中断、精确定时中断;(2)可与网络芯片连接,处理多任务;(3)接口资源丰富,支持数据通信接口,如UART、USB,部分功能器件可通过SPI总线与处理器相连。根据上述两项要求,本文决定选择当前我国仪器仪表领域应用广泛的ARM系列处理器展开分析[4]。

3实例探析基于ARM的自动化仪表设计

3.1系统方案设计本文仅以一种基于ARM的自动化仪表设计为例展开分析,此仪表微处理器选用的是Cortex-M3核的ARMSTM32F103RC芯片,内部集成CAN总线控制器,采用模块设计方法,外围电路设计8路模拟量、4路数字量输入部分与4路模拟量、2路数字量输出部分,通过CAN控制器模块实现与上位机的通信。系统硬件结构如图2所示。

3.2主要模块设计3.2.1主控制器本自动化仪表采用的是ARMSTM32F103RC芯片,基于Cortex-M3核进一步扩展了高性能的外围设备,运行速度快,可达72MHz。此芯片使用的是最少门数的ARMCPU,芯片面积小,可节省相关成本。主控制器内置高速存储器、丰富的增强I/O端口、连接到两条APB总线的外设,包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器、1个PWM定时器,设有标准通信接口,系统可靠性高。3.2.2数据采集模块本自动化仪表系统数据采集模块设计8个模拟量采集点,从现场获取模拟信号后,由片上内嵌的ADC将其转换为可识别数字信号1/0,并传送至微处理器。本系统芯片包含2个12位的ADC,其有18个通道,可测量16个外部、2个内部信号源。本自动化仪表系统数据采集模块设计4个数字量采集点,可将获取的数字量信息直接传输至处理器,为增强抗干扰性,对光电隔离电路进行了扩展,设置PC844光电耦合器件,保证电路澳门葡京娱乐网址。3.2.3数据输出模块本自动化仪表系统数据采集分别为两种信号,模拟量和数字量,对此为满足仪表通用性需求,输出模块设计有4路模拟、2路数字,通过处理器将相关信息传输至现场执行器。模拟输出部分,为防止信号衰减,增设V/I转换器,实现电压输出信号向电流输出信号的转换,保证长距离传输;数字输出部分,为增强抗干扰能力,实施光电隔离,同时采用达林顿管,增大数字输出口输出功率。3.2.4CAN控制器模块本自动化仪表系统采用的STM32F103RC芯片,内部集成CAN控制器,可靠性、经济性均较好,可有效简化CPU外围电路。CAN控制器设有3个CAN发送邮箱,根据优先级确定报文发送顺序,每个邮箱均有2个接受FIFO,每个FIFO均可存放3个完整报文;采用CTM8251隔离收发器芯片,进一步简化电路,具体原理见图3。

3.3调试情况本自动化仪表采用串口调试助手软件进行调试,较好地完成了现场数据信息传输、数据处理、通过CAN总线与上位机通信等任务,基本达到预期目标。

4结语

综上所述,嵌入式系统是目前电子计算机的一种普遍应用形式,嵌入式处理器应用于工业仪表中进一步促进了其自动化、智能化发展。本文基于ARM处理器,对化工自动化仪表的设计与实现进行了详细论述,此仪表稳定性和可靠性都达到了使用要求,具有一定的使用价值。

参考文献

[1]凌志浩.嵌入式系统及其对仪器仪表技术的支持[J].自动化仪表,2007,28(3):1-7.

[2]高明璋.嵌入式Web控制方法在智能仪表上的实现[J].自动化与仪表,2010,25(5):8-10.

[3]聂开俊,龚希宾.一种新型的嵌入式智能监测仪表的研究与设计[J].自动化技术与应用,2009,28(10):96-99.

[4]赵梅,胡宏平.基于ARM的嵌入式系统在温控仪表中的应用[J].自动化仪表,2007,28(11):32-34.

作者:彭根深 单位:长沙有色冶金设计研究院有限公司

自动化仪表杂志责任编辑:张雨    阅读:人次

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