談嵌入式系統在自動化儀表的運用范文

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摘要:自動化儀表是計算機技術向儀器儀表移植的產物，含有微計算機或微處理器，擁有對數據的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能。首先，對工業自動化儀表展開了分析，其后具體介紹了嵌入式系統，并分析了其在自動化儀表中的應用要求，最后圍繞實例探討了基于ARM的自動化儀表設計，以期與同行交流。

關鍵詞:嵌入式系統；自動化儀表；應用；系統方案；模塊設計 

引言

隨著計算機技術、微電子技術和網絡化技術的迅猛發展，儀器儀表將向著智能化、網絡化、虛擬化的方向發展，以嵌入式系統為主要處理器或控制器，替代傳統儀器儀表中的常規電子線路，成為新一代具有智能算法的自動化儀器儀表的發展主流，加強此方面研究具有重要意義。

1工業自動化儀表介紹

現代工業生產中，自動化儀表是調整生產過程的“神經中樞”，屬于核心設備，通過全面配置工業自動儀表，可實現對工業生產過程的實時檢測、優化控制，保證各項參數均處于最佳狀態，有效控制生產成本、質量［1］。工業自動化儀器儀表的應用，可有效帶動傳統產業技術升級，提高競爭力。近年來，我國儀器儀表行業走勢趨好，得益于中國機械、冶金、石化行業等諸多行業的經營狀況轉好，同時計算機技術、通信技術、材料科學、工藝技術的發展，有力推動了自動化儀表的應用，具有廣闊的發展前景。

2嵌入式系統在自動化儀表中的應用

2．1嵌入式系統介紹嵌入式系統（EmbeddedSystems），從廣義上來看，指的是具有特定功能計算機軟硬件集合體；從狹義上來看，指的是安裝、控制某個設備的專用計算機系統［2］。嵌入式系統主要包括4個部分：微處理器、操作系統、外圍硬件設備、應用程序，與常規計算機系統相比，其主要特點可歸納如下：（1）系統內核小，可根據功能需求裁剪，摒棄多余部分；（2）專用性強，嵌入式系統的功能要求是特定的，具有高度個性化，根據實際硬件平臺設置軟件系統；（3）運行環境差異大，嵌入式系統應滿足不同環境運行要求，如：即使突然斷電，系統也可完成既定工作；（4）可靠性要求高，嵌入式系統運行往往處于無人值守狀態，對此必須設有出錯處理、自動復位功能，以保證良好的可靠性；（5）系統精簡、實時性好，嵌入式系統有實時性、可裁剪性等要求，基本功能與傳統操作系統一致；（6）開發工具，嵌入式系統需采用合適的開發工具、編譯環境，保證系統良好運行。

2．2嵌入式系統要求近年來，工業自動化儀表朝著智能化、網絡化、微型化的方向發展，越來越多地使用嵌入式微處理器改造既有儀表［3］。現主要就嵌入式系統應用要求、接口要求展開分析。2．2．1應用要求基于嵌入式系統在自動化儀表中的應用，將其具體要求歸納如下：（1）可很好地支持多任務操作系統，具有高精度時鐘、實時中斷響應時間，確保內部操作系統、實時應用程序執行時間最短；（2）具有良好的存儲區管理、保護功能，嵌入式操作系統內核軟件基本實現模塊化，為了防止軟件進程間非法訪問況，存儲區管理、保護功能十分關鍵；（3）具有可擴展的架構，能夠滿足實際工業應用；（4）低功耗，保證工業自動化儀表工作持續性。2．2．2接口要求工業自動化儀表自身具有采集數據、輸出控制信號的功能要求，因此外部交互十分重要。工業自動化儀表接口組成如圖1所示。（1）處理器內部設有高速A／D、D／A模塊，數據處理、運行操作速度快，可實現多級外部中斷、精確定時中斷；（2）可與網絡芯片連接，處理多任務；（3）接口資源豐富，支持數據通信接口，如UART、USB，部分功能器件可通過SPI總線與處理器相連。根據上述兩項要求，本文決定選擇當前我國儀器儀表領域應用廣泛的ARM系列處理器展開分析［4］。

3實例探析基于ARM的自動化儀表設計

3．1系統方案設計本文僅以一種基于ARM的自動化儀表設計為例展開分析，此儀表微處理器選用的是Cortex－M3核的ARMSTM32F103RC芯片，內部集成CAN總線控制器，采用模塊設計方法，外圍電路設計8路模擬量、4路數字量輸入部分與4路模擬量、2路數字量輸出部分，通過CAN控制器模塊實現與上位機的通信。系統硬件結構如圖2所示。

3．2主要模塊設計3．2．1主控制器本自動化儀表采用的是ARMSTM32F103RC芯片，基于Cortex－M3核進一步擴展了高性能的外圍設備，運行速度快，可達72MHz。此芯片使用的是最少門數的ARMCPU，芯片面積小，可節省相關成本。主控制器內置高速存儲器、豐富的增強I／O端口、連接到兩條APB總線的外設，包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器、1個PWM定時器，設有標準通信接口，系統可靠性高。3．2．2數據采集模塊本自動化儀表系統數據采集模塊設計8個模擬量采集點，從現場獲取模擬信號后，由片上內嵌的ADC將其轉換為可識別數字信號1／0，并傳送至微處理器。本系統芯片包含2個12位的ADC，其有18個通道，可測量16個外部、2個內部信號源。本自動化儀表系統數據采集模塊設計4個數字量采集點，可將獲取的數字量信息直接傳輸至處理器，為增強抗干擾性，對光電隔離電路進行了擴展，設置PC844光電耦合器件，保證電路安全。3．2．3數據輸出模塊本自動化儀表系統數據采集分別為兩種信號，模擬量和數字量，對此為滿足儀表通用性需求，輸出模塊設計有4路模擬、2路數字，通過處理器將相關信息傳輸至現場執行器。模擬輸出部分，為防止信號衰減，增設V／I轉換器，實現電壓輸出信號向電流輸出信號的轉換，保證長距離傳輸；數字輸出部分，為增強抗干擾能力，實施光電隔離，同時采用達林頓管，增大數字輸出口輸出功率。3．2．4CAN控制器模塊本自動化儀表系統采用的STM32F103RC芯片，內部集成CAN控制器，可靠性、經濟性均較好，可有效簡化CPU外圍電路。CAN控制器設有3個CAN發送郵箱，根據優先級確定報文發送順序，每個郵箱均有2個接受FIFO，每個FIFO均可存放3個完整報文；采用CTM8251隔離收發器芯片，進一步簡化電路，具體原理見圖3。

3．3調試情況本自動化儀表采用串口調試助手軟件進行調試，較好地完成了現場數據信息傳輸、數據處理、通過CAN總線與上位機通信等任務，基本達到預期目標。

4結語

綜上所述，嵌入式系統是目前電子計算機的一種普遍應用形式，嵌入式處理器應用于工業儀表中進一步促進了其自動化、智能化發展。本文基于ARM處理器，對化工自動化儀表的設計與實現進行了詳細論述，此儀表穩定性和可靠性都達到了使用要求，具有一定的推廣使用價值。

參考文獻

［1］凌志浩．嵌入式系統及其對儀器儀表技術的支持［J］．自動化儀表，2007，28（3）：1－7．

［2］高明璋．嵌入式Web控制方法在智能儀表上的實現［J］．自動化與儀表，2010，25（5）：8－10．

［3］聶開俊，龔希賓．一種新型的嵌入式智能監測儀表的研究與設計［J］．自動化技術與應用，2009，28（10）：96－99．

［4］趙梅，胡宏平．基于ARM的嵌入式系統在溫控儀表中的應用［J］．自動化儀表，2007，28（11）：32－34.

作者：彭根深 單位：長沙有色冶金設計研究院有限公司