以嵌入式控制器为基础的自动控制系统的设计与实现

摘 要：随着嵌入式系统的不断发展，其在工业测控、智能化设备及其家具等各种领域均得到了广泛的应用，特别是在自动化控制领域，嵌入式系统的应用更加普遍。因此，本文就嵌入式控制器及嵌入式系统进行了分析，并重点就其在自动化控制系统中的设计与实现进行了研究，以期进一步提高自动化控制系统的功能，推动其朝着更加开放化的方向发展。

关键词：嵌入式控制器；嵌入式系统；自动控制系统

作为嵌入式系统中十分典型的一种，嵌入式控制器自诞生之日即受到了各领域的普遍关注。对于基于嵌入式控制器的系统而言，其设计过程同传统设计过程存在着一定差异，因此，以嵌入式控制器为基础，进行自动化控制系统的设计时，必须以嵌入式控制器及嵌入式系统的相关设计理论为依据了进行。进行基于嵌入式控制器的自动化控制系统的设计过程中，应当对软件响应速度、电源的消耗以及内存空间的占用情况等进行考虑，且还需将软、硬件的结构进行统一的协调，最终构成一个整体。

1 嵌入式控制器与嵌入式系统

作为嵌入式计算机其中的一种类型，嵌入式控制器（MCU）通常是将某种处理器的内核作为核心，并在芯片的内部进行了RAM、总线逻辑、ROM/EPROM、总线、定时/计数器、I/O、看门狗、串行端口、D/A、脉宽调制输出、A/D、E2PROM、Flash RAM等等多种必须功能及外设的集成，此外，还需要一具体需求为依据进行必要数字量及模拟量的I/O模块、通信模块、运动控制模块等的添加和设置。嵌入式控制器将计算机作为功能强大的软件系统，有效实现了信号及数据分析、运算以及处理，并借助于I/O接口实现了信号的采集、调理及其测量，并完成了多种测试功能，在诸如自动化控制等领域中均得到了广泛的应用。

作为虚拟仪器中的一种，嵌入式控制器是传统仪器同计算机技术结合之下的产物之一，其通常包括如下两个部分，即硬件与软件，通常而言，而嵌入式控制器的硬件主要是通过数据采集卡（DAQ）与PC共同构成的测试系统，其主要借助于GPIB、VXI、PXI、Serial以及Field-bus等标准总线分别构成了GPIB、VXI、串口及现场总线等系统。嵌入式控制器硬件中的D/A、A/D、通信模块、存储器同计算机相结合，同时，以串口通信标准为基础，构成了一个虚拟仪器系统，其作为板级嵌入式计算机之一，主要具有如下几个方面的特点：1）体积较小，因此，能够满足工业自动化控制领域对于空间布局方面的日益严苛的要求；2）可靠性较强，嵌入式控制器能够适应一般性以及较为苛刻的环境条件，且具有极强的抗干扰能力；3）速度极高，嵌入式控制器可以快速完成数据的传输及其计算，因而具有较好的实时性；4）智能化水平较高，且使用过程较为方便，具有强大的功能。因此，嵌入式控制器在电子、通讯、国防、航天、汽车、工业控制、仪表仪器、自动化办公等领域均得到了十分广泛的应用。

下文以嵌入式控制器为基础进行了自动控制系统的设计，利于嵌入式控制器所具有的这些特点解决了各类系统试验综合后难以实现复杂性逻辑以及可靠程度较低等一系列问题，并实现了自动控制系统实时性的大幅度提高。

2 以嵌入式控制器为基础的自动化控制系统的设计与实现

本文所设计的基于嵌入式控制器的自动化控制系统总体设计结构图见图1所示：

2.1 硬件的设计

本文所及设计系统中，核心处理器为以ARM7TDMI-S内核为基础的LPC2210微控制器。此芯片不仅功能极为强大，且功耗相当低，具有多个32位的定时器，具有8路10位的ADC、外部中断管脚多达九个，且具有PWM输出，因而特别适合在工业自动化控制、医疗管理系统、访问自动控制以及POS系统中进行应用。系统为了进行总线的配置，借助于LPC2210微控制器所提供的76个GPIO，因内部进行了较宽范围串行通信接口的设置，因而使得LPC2210微控制器能够适应协议转换器、嵌入式软件调制解调器、通信网关及其它多种类型的应用。此外，以自动化控制系统中数据存储、处理及控制等的需求，进行系统的设计时，还在芯片所自带16K SRAM以及128K FLASH的基础上进行了8M PSRAM以及16M FLASH的扩展。基于嵌入式控制器的自动控制系统硬件结构图见图2所示：

2.2 软件的设计

同Windows环境中进行应用程序的开发不同，嵌入式控制器进行自动控制系统的开发过程中存在着宿主机与目标机两种不同的角色。其中，前者主要负责进行编译、定址以及链接等过程的执行；而目标机则主要负责进行嵌入式软件相关硬件平台的运行。因此，基于嵌入式控制器的自动控制系统的开发就是以此种交叉开发环境为基础进行的。

此外，进行软件设计过程中还应考虑到操作系统这一环节，如何选择一个合适有效的操作系统也相当重要，本文所设计系统中的操作系统选择的是嵌入式Linux操作系统。进行操作系统的选定之后，即可对指定硬件平台中的多种工具进行使用了，例如编译器、定位器以及链接器等等。此外，调试也是嵌入式自动控制系统开发过程中十分重要的环节之一，其主要包括了调试的方法及其方案。其中，调试方法主要包括了ITAG及在线仿真器、指令集模拟器以及驻留监控软件等等。而调试的方案主要包括了快速原型仿真方案以及实时在线调试方案等等。

3 结束语

综上所述，采用嵌入式控制器及其相关操作系统，例如LINUX等，不仅大幅度提高了自动控制系统的可靠性及处理运算能力，还实现了成本的大幅降低，因而可以进一步进行系统设计的优化，方便用户的使用过程，可以完全对传统工控机以及PLC技术进行替代，并解决了工控机以及Windows操作系统稳定性不足等一系列问题，能够满足工业生产过程中对于连续性、稳定性以及可靠性等方面的需求。此外，为了便于企业局域网的构建，还可以借助于LPC2210微控制器内部设置的通讯模块，不仅可以实现企业生产过程的网络化管理，还可以推动企业逐步朝着现代化及信息化管理方面发展。

参考文献

[1]王学龙.嵌入式Linux系统设计与应用[M].北京：清华大学出版社， 2001.

[2]李善平等.Linux与嵌入式系统[M].北京：清华大学出版社，2003.

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