工业控制中嵌入式控制系统的应用研究

       嵌入式系统是一种将计算机、通信和控制技术相结合的微处理器系统，在工业控制中的应用十分广泛。嵌入式系统的核心是微处理器，在工业控制中，需要对工业现场进行实时监控和信息采集，嵌入式控制系统可以对这一过程进行实时的监控。本文对嵌入式控制系统在工业中的应用进行了研究，介绍了嵌入式控制系统的结构组成及特点，重点分析了在工业现场监控和信息采集中嵌入式控制系统应用的特点。
    1 嵌入式系统分析
       嵌入式系统^[1]（如图1）是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗限制的专用计算机系统。它是以应用为中心的计算机系统，而不是以硬件为中心的计算机系统。嵌入式系统具有实时性、可裁剪性等特点。        在工业控制中，嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、人机接口、通信接口及外围设备组成。嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，主要功能是完成数据处理和逻辑运算，并根据控制任务的要求进行I/O口的操作和显示。嵌入式微处理器是指带有中断处理程序及存储器访问程 序的微控制器。在工业控制中，需要对生产现场进行实时监控和信息采集，需要实现现场实时监控的功能。而在工业控制中，现场往往存在大量的干扰因素，这些干扰因素会使工业现场不能正常工作。因此需要对工业现场进行信息采集和处理，以便及时发现问题并采取相应措施。
       嵌入式微处理器可以根据应用的需求在CPU内部进行编程来实现所需的功能。在工业控制中，对不同的控制任务要求采用不同类型的微处理器。对于数据采集和信息处理任务来说，采用ARM芯片可以满足要求；而对于实时控制任务来说，则采用实时内核处理器比较合适；对于一般应用系统来说，则选用嵌入式Linux系统比较合适。随着嵌入式系统技术的不断发展，目前市场上出现了多种嵌入式系统平台可供选择，如ARM+Linux、ARM+PICl8C32、 ARM+PowerPC、ARM+X86等^[2]。
    2 嵌入式系统结构组成及特点
       嵌入式系统是一个以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，具有专用硬件电路和软件，主要应用于设备、装置、仪器等智能电子设备中的微处理器系统。嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、存储器、输入输出设备、实时操作系统（RTOS）和应用软件构成^[3]。
       嵌入式系统有许多不同的分类方法，但它们都是基于以下标准：
       （1）操作系统：是指为了完成特定的功能而采用的一组软件和硬件的集合。它必须能充分发挥硬件资源，为用户提供友好的人机界面和操作方式。其设计原则是尽量简化，在性能上要有足够的稳定性，以减少开发工作量。由于嵌入式系统的功能相对复杂，设计周期较长，因此操作系统应能满足实时性和可靠性的要求。
       （2）实时操作系统是嵌入式系统中应用最为广泛的一种系统软件。它可以根据任务性质、大小、功能等要求选择合适的调度算法，以适应实时要求较高的应用场合。由于嵌入式系统中任务对实时性要求不高，所以设计时采用了优先级调度策略，即将任务按照优先级高低分为不同优先级，每个优先级都有相应的调度算法。
       （3）应用软件：是指应用于嵌入式系统中为用户提供软件服务的软件，主要包括人机界面、人机接口、通讯设备（如电话、短信）以及其他辅助应用软件等。这些应用软件应能方便地被用户所使用，以便为用户提供更加直观、快捷和方便的操作方式，具体如图2所示。     3 嵌入式控制系统在工业控制中的重要性
       在工业控制中，嵌入式系统有着广泛的应用。随着科学技术的发展，嵌入式系统得到了飞速的发展。嵌入式系统在工业控制中的应用主要有以下几个方面：
       （1）提高了工业控制的精度和效率。嵌入式控制系统在工业控制中具有广泛应用，它能够实时地采集被控设备的信息，然后将这些信息通过各种通信方式发送到相关设备上，使其能够及时调整自身工作状态。另外，嵌入式系统还能够对采集到的信息进行分析、判断，从而保证了工业控制的准确性和效率。
       （2）增强了工业现场的安全性和可靠性。工业控制中需要实时对被控设备进行监控，这些设备一般都安装在高温、高压、强磁等危险环境下。因此，嵌入式系统具有较强的稳定性和安全性。在工业现场中，需要对工业设备进行不间断监控，当监控系统发现异常情况时， 可以立即发出警报通知相关人员进行处理。同时，当设备出现故障时，可以通过嵌入式系统自动发出报警信号提醒工作人员进行故障排查和维修。
       （3）由于嵌入式系统具有较强的稳定性和安全性，因此其可以将不同类型的设备连接在一起来实现功能扩展，从而使工业控制设备变得更加灵活、方便。例如在实际操作中需要对生产数据进行存储或者需要对数据进行计算时，就可以通过嵌入式系统将不同类型的数据整合在一起来实现功能扩展。
    4 工业控制中嵌入式控制系统的具体应用
       4.1 处理器选型
       在进行处理器选型时，首先应该考虑的就是处理器的运算速度。由于嵌入式控制系统的应用环境比较恶劣，因此对处理器运算速度的要求也会相应提高，为了更好的满足实际需求，应该选择主频较高的处理器。而对于一些小规模的应用场合，可以选择主频较低的处理器。其次，对于一些通用型处理器来说，其最大的特点就是运算速度比较快，但是这类处理器所具有的局限性也比较大。在实际应用过程中，虽然这类处理器可以满足相关应用要求，但是其功能并不能完全满足实际需求。因此在进行选型时，应该根据具体应用情况选择适合自己需求的处理器。最后，应该注意在选择处理器时要根据实际需要来进行选择，比如可以采用32位或者更高性能的处理器。如果采用8位或者16位处理器的话，虽然能够满足应用需求，但是会导致成本上升，因此应该选择价格较低的处理器。
       4.2 电源电路设计
       在嵌入式控制系统中，电源电路是其重要组成部分，其主要作用是为系统提供必要的电源。嵌入式系统的电源电路设计包括：输入部分、输出部分以及反馈电路三个方面，其中输入部分是指电源变压器和整流滤波电路，输出部分则是指稳压电路和稳压控制电路。输入部分和输出部分构成了一个完整的电源系统，反馈电路则是提供给嵌入式系统的参考电压。
       在嵌入式系统的实际应用过程中，一般情况下采用市电作为供电来源，而为了保证嵌入式系统能够正常工作，在设计过程中一般采用5V电源供电。当嵌入式控制系统工作时，其工作电压一般为5V、3.3V等^[4]。因此为了能够使嵌入式控制系统能够正常运行，必须要对电源进行有效控制。为了能够对嵌入式控制系统的电源进行有效控制，通常情况下采用开关型稳压电路将其输出电压进行调节，具体如图3。        4.3 嵌入式软件开发
       嵌入式软件的开发是对嵌入式控制系统进行维护和管理的主要工作，所以在实际开发过程中要认真研究嵌入式软件的特点，充分发挥出它的优势。首先，要对嵌入式系统的运行环境进行分析，保证嵌入式系统能够顺利运行。其次，要对嵌入式软件进行调试和测试，使其能够在实际应用过程中正常工作。
       （1）操作系统的选择。不同的操作系统对嵌入式控制系统的性能影响也会有所差异。在实际选择嵌入式操作系统时要综合考虑各种因素，保证操作系统能够满足应用需求。
       （2）软件开发环境的建立。在实际应用过程中，建立一个稳定、高效、可靠的软件开发环境非常重要。
       4.4 嵌入式系统硬件设计
       在工业控制领域中，嵌入式系统的应用具有非常重要的意义，它可以大大提高工业控制系统的运行效率，提高工业控制系统的稳定性。在实际应用过程中，嵌入式系统硬件设计主要是通过以下几个方面实现的：
       （1）将整个系统进行模块化设计，保证整个系统具备一定的灵活性。在实际应用过程中，由于不同类型的控制对象，对嵌入式控制系统硬件设计的要求是不一样的。因此，在进行硬件设计时要充分考虑到这种需求。
       （2）通过模块化设计方法完成嵌入式控制系统硬件设计。模块化设计方法是一种比较常见的嵌入式设计方法，它可以在短时间内完成系统硬件的整体设计，降低了开发难度。
       （3）在进行嵌入式控制系统硬件设计时，要充分考虑到各个模块之间的关联性，通过这种方式可以将整个控制系统进行简化处理。同时这种方式还可以有效提高系统运行效率。
       4.5 嵌入式系统的网络连接
       在工业控制中，嵌入式控制系统能够与外部网络进行连接，但是当前的嵌入式控制系统主要使用的是TCP/IP协议，而TCP/IP协议在工业控制中不能充分发挥出其作用，因此要想提高嵌入式控制系统在工业控制中的应用水平，就要对TCP/IP协议进行改进。当前嵌入式控制系统主要是采用了以太网，这主要是由于以太网能够更好的满足工业控制系统的需求。以太网能够将工业控制系统中的信息进行传输，同时在工业控制中也能有效的降低成本。但是在实际应用过程中，以太网仍然存在一定问题，如网络时延大、网络丢包等问题。因此要想有效解决这些问题，就需要对嵌入式控制系统进行改进，采用TCP/IP协议^[5]。
       4.6 系统时钟电路，复位电路的设计
       在嵌入式系统的设计过程中，时钟电路具有非常重要的作用，它能够确保系统运行过程中的稳定性，而且还能够保证系统具有很高的工作效率。嵌入式系统的时钟电路设计通常包括以下几个方面：
        首先，对系统时钟电路进行优化设计，使其能够在短时间内完成高精度的计时功能；
        其次，对时钟电路进行复位设计，使其在系统运行过程中能够快速地恢复到正常状态；
        最后，在嵌入式系统的设计过程中，通常采用定时中断机制来控制嵌入式系统的运行。
        这种方法不仅能够保证嵌入式控制系统在实际运行过程中具有很高的工作效率，而且还能够使系统具有较高的稳定性。因此，定时中断机制在嵌入式控制系统中得到了广泛应用。
        4.7 人机交互模块设计
       在嵌入式控制系统中，人机交互模块是非常重要的组成部分，其主要是为了实现对人机界面的控制和管理。在工业控制领域中，嵌入式系统通常会通过触摸屏来实现人机交互功能，以便于实现对设备的管理和控制。
       在设计人机交互模块时，需要将其分为两个部分，即触摸屏和液晶显示屏。触摸屏具有良好的显示功能，其主要功能是完成设备信息的采集和显示功能。为了保证系统的稳定性，一般会采用三线制供电方式。在使用过程中，如果采用三线制供电方式，系统就无法完成对触摸 屏的供电。液晶显示屏具有很高的分辨率，因此在使用过程中能够实现对各种数据的显示。为了保证显示屏具有良好的性能，一般会选择专用芯片作为系统人机交互模块的核心部件。在设计人机交互模块时，需要根据实际情况选择合适的硬件资源。为了能够实现对设备状态、温度、电流等数据的采集和显示功能，一般会选择MSP430系列单片机作为核心部件。
    5 结语
       随着我国工业的不断发展，工业控制中对嵌入式系统的需求越来越大，嵌入式系统具有体积小、可靠性高、功能强大等优点，在工业控制中的应用越来越广泛，已经成为当前工业控制中不可缺少的部分。近年来，随着网络技术、计算机技术和通信技术的发展，嵌入式系统在工业控制中的应用逐渐深入到各个领域，许多应用都离不开嵌入式系统。嵌入式系统不仅可以控制现场设备，还可以实现对现场设备的远程监控。随着通信网络技术和计算机网络技术的快速发展，嵌入式系统在工业控制中的应用将会越来越广泛，人们对嵌入式系统的性能、功能等方面要求也会越来越高。相信在不久的将来，嵌入式系统将会成为工业控制中必不可少的一部分。
       参考文献
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        [3] 周峰.嵌入式控制系统在机械设备自动化控制中的应用研究[J].电子技术与软件工程 ,2015(20):161.
        [4] 王刚元.机械控制系统中嵌入式控制芯片的应用[J].科技与企业,2015(10):81.
        [5] 覃颖.嵌入式控制系统在工业控制中的应用[J].电脑知识与技术,2010,6(05):1227-1228.
        作者简介：陈星光（1991-），男，湖南省衡阳市人。大学本科学历，讲师、实验师、工程师。研究方向为电气自控、电力控制、电子学。
        来源：《电子技术与软件工程》杂志.2023