谈嵌入式系统在自动化仪表的运用范文

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、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，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，保证电路安全。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，具有一定的推广使用价值。

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