申宇燕，關(guān)曉曄，周忠良

（中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京，100081）

車載智能設(shè)備處理器的比較與選型

申宇燕，關(guān)曉曄，周忠良

（中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京，100081）

介紹車載智能設(shè)備的工作環(huán)境的特殊性，根據(jù)車載設(shè)備的特殊要求，列出適用于車載設(shè)備的多種處理器平臺；對各種處理器的性能特點和適用范圍進行綜合比較和分析，并對選型依據(jù)的因素和方法提出建議。

車載；處理器；比較；選型

隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展，車載智能化設(shè)備增多，功能越來越強大。在車載電子設(shè)備的研制中，如何選擇合適的智能設(shè)備處理器類型非常重要。在選擇處理器時，需要綜合考慮應(yīng)用的各種需求，首先必須考慮到車載智能設(shè)備的特殊工作環(huán)境；其次，處理器的運算能力、系統(tǒng)的啟動速度、具備的接口、可擴展性等是最終設(shè)備的選型的重要考慮因素；合理的選擇還包括價格和性能的平衡。

1 車載設(shè)備工作環(huán)境的特殊性

車載智能設(shè)備安裝在移動的列車上，其工作環(huán)境有別于普通環(huán)境，具有其特殊性，這些特點必須在產(chǎn)品設(shè)計中引起足夠的重視：

（1）由于列車是運動的，將承受持續(xù)的震動和沖擊；車內(nèi)粉塵較大；

（2）由于我國南北和東西方向地理跨度都很大，造成溫濕度有較大，而且地理環(huán)境（山區(qū)、隧道等）變化也很廣；

（3）車載電子設(shè)備多、類型廣，導(dǎo)致車載設(shè)備電磁環(huán)境惡劣；

（4）長時間連續(xù)運行，無人值守；

（5）無專人進行系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，所以電源供電和斷電是突發(fā)式的，而且供電電源干擾大，電壓變化范圍大；

（6）由于車載設(shè)備維修空間和時間均有限制，必須易于維修更換；

（7）投資有限、成本控制嚴(yán)格。

2 車載設(shè)備的可選擇平臺

由于技術(shù)的不斷進步，同一應(yīng)用需求，有很多處理器可供選擇，都可以滿足要求。但是在開始一個新的設(shè)計時，準(zhǔn)確的處理器選擇必須引起足夠的重視，因為一旦選定某種處理器，后續(xù)的開發(fā)工作的技術(shù)思路和可以達到的功能范圍就基本確定了。

基于上述車載智能設(shè)備工作環(huán)境的特殊性，車載智能設(shè)備的處理器必須具備工作可靠耐用、啟動速度塊、成本低等特點，具體來說，應(yīng)該考慮的因素包括：（1）運算和處理能力：必須能夠跟上數(shù)據(jù)處理的速度需求；（2）系統(tǒng)的啟動快慢：啟動時間長，將導(dǎo)致丟失較長時間段的數(shù)據(jù)；（3）具有的接口種類：滿足實際應(yīng)用中需要的各種數(shù)據(jù)接口需求；（4）存儲器空間：空間的大小影響能運行的軟件程序的大?。唬?）磁盤存儲空間：滿足存儲數(shù)據(jù)的需求；（6）操作系統(tǒng)：是否采用操作系統(tǒng)是一個需要仔細(xì)權(quán)衡的方面，操作系統(tǒng)可以降低開發(fā)工作量，但也有啟動時間長、占用存儲器空間大、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等缺點；軟件安裝、發(fā)布和升級；（7）用戶交互界面：對顯示屏、鍵盤的支持；（8）可擴展性、開發(fā)難度等因素。

下面分別介紹適合上述條件的各種智能設(shè)備處理器。

2.1 單片微型計算機（單片機）[1]

單片機是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU），和計算機相比，單片機缺少了外圍設(shè)備等。

圖1為一種以單片機為核心構(gòu)成的車載制動系統(tǒng)監(jiān)測板卡。

單片機體積小、質(zhì)量輕、價格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。在很多方面單片機比專用處理器更適合，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。單片機是世界上數(shù)量最多的處理器，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上可能有數(shù)百片單片機在同時工作，單片機的數(shù)量遠(yuǎn)超過PC機和其他計算機的總和。

2.2 PLC（可編程邏輯控制器）

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）可編程控制器是計算機技術(shù)與自動化控制技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)的一種適用工業(yè) 環(huán)境的新型通用自動控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。

隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器更多地具有了計算機的功能，不僅能實現(xiàn)邏輯控制，還具有了數(shù)據(jù)處理、通信、網(wǎng)絡(luò)等功能。由于它可通過軟件來改變控制過程，而且具有體積小、組裝維護方便、編程簡單、可靠性高、抗干擾能力強等特點，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，大大推進了機電一體化的進程。

圖2所示為一種PLC實物圖。

圖2 PLC實物照片

2.3 ARM

ARM（Advanced RISC Machines）處理器是32 bit精簡指令集(RISC)處理器架構(gòu),廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中。ARM處理器的特點是體積小、低功耗、低成本、高性能。ARM處理器的數(shù)據(jù)處理能力較強（與單片機和PLC相比），用戶定制和可開發(fā)性強，成本低。

圖3所示是以ARM芯片為核心的功能板。

圖3 ARM核功能板

2.4 PC104

PC104是一種工業(yè)計算機總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線。PC104的特點：（1）小尺寸結(jié)構(gòu)；（2）堆棧式連接：去掉總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互相連，這種層疊封裝有極好的抗震性。（3）輕松總線驅(qū)動：減少元件數(shù)量和電源消耗，4 mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，每個模塊1 W～2 W瓦能耗。

圖4所示為PC104應(yīng)用實例。

圖4 PC104應(yīng)用功能板

有2種方法使用 PC104模塊：（1）獨立的模塊堆棧；（2）作為元件應(yīng)用：在這方式下，模塊作為用一個高度集成元件，插入一個定制的母板上，母板上包含有應(yīng)用接口和總線邏輯，它的自我堆棧方式，可在一個位置上安裝幾個模塊。這種方式允許在系統(tǒng)調(diào)試或者測試時，臨時更換模塊，同時有利于將來的產(chǎn)品升級或者更換選件。

由于PC104的管腳定義與ISA、PCI的規(guī)范完全兼容，所以在產(chǎn)品內(nèi)部用 PC104模塊時，也可以應(yīng)自己的需要設(shè)計生產(chǎn)更多的專業(yè)應(yīng)用PC104模塊種類。X86體系的PC104軟件與PC機兼容，便于軟件調(diào)試和開發(fā)。

2.5 工業(yè)控制計算機

工業(yè)控制計算機（工控機），即基于PC總線的工業(yè)控制計算機，因其質(zhì)量高、產(chǎn)量大、軟/硬件資源豐富，已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。其主要的組成部分為工業(yè)機箱、無源底板及可插入其上的各種板卡組成，如CPU卡、I/O卡等。一般采取全鋼機殼、機卡壓條、過濾網(wǎng)、雙正壓風(fēng)扇等設(shè)計及EMC技術(shù)以解決工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、震動、灰塵、高/低溫等問題。

圖5所示為實際的工業(yè)控制計算機（工控機）照片。

圖5 工控機實物照片

工控機有以下特點：可靠性強；可擴充性好；由于采用底板加擴展卡（包括CPU卡）結(jié)構(gòu)，因而具有很強的輸入輸出功能，最多可擴充20個左右的板卡；兼容性好，與PC機完全兼容，并支持各種操作系統(tǒng)。

3 各種平臺的選型和綜合比較表

3.1 單片機和PLC的選擇

（1）對單項工程或產(chǎn)品運用少的項目，采用PLC方案成功率高、可靠性好，但成本較高。對于大量運用的產(chǎn)品，采用單片機系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點。

（2）PLC具有構(gòu)造簡單、抗干擾能力強、擴展容易、編寫程序簡單等優(yōu)勢，對于大型設(shè)備來說，非常易于維護，結(jié)構(gòu)的模塊化使其擴展和更換都非常容易。

（3）PLC與單片機相比價格昂貴，而且它的執(zhí)行速度相對低一些。

3.2 單片機與ARM選擇[2～3]

一般單片機使用片上Flash內(nèi)存存儲程序，這樣代碼啟動和執(zhí)行很快速， 缺點是可用的程序存儲空間有限。ARM沒有這方面的限制。ARM程序一般存在非易失性存儲中，如NAND或者串行Flash，所以只能在啟動時讀入外部DRAM并提交執(zhí)行，執(zhí)行慢一些，但NAND空間可達幾百兆甚至吉（G）級。

關(guān)于支持的外設(shè)和接口，ARM能支持更多的外設(shè)種類，即便是同一類外設(shè)，ARM具備更多的路數(shù)，例如：串口，一般單片機只有2～4路，而ARM可能能提供8路以上，這樣就為將來的擴展留下了充分的余量。

處理器性能決定了運行速度、處理能力，如果要運行操作系統(tǒng)，如Linux, Android 或者Windows CE, 單片機就顯得力不從心?？紤]到將來的發(fā)展，ARM余地更大一些。

針對用戶界面，簡單的按鍵和液晶顯示，單片機足夠；但如果交互很復(fù)雜，可能需要使用操作系統(tǒng)，適合使用ARM，而且ARM一般都自帶對液晶的驅(qū)動，可以直接連接液晶顯示器。

對于有高速數(shù)據(jù)傳輸需求的，如HS USB 2.0, Gigabit Ethernet以太網(wǎng)通信，最好選擇ARM，因為通信協(xié)議等將占用很多程序空間，而且還有運行速度的問題。

3.3 ARM與PC104

選擇ARM和PC104沒有明顯的優(yōu)劣，它們的性能、運行速度、可擴展性、可用的操作系統(tǒng)，都差不多。但ARM的定制性強一些，可以從ARM芯片級設(shè)計，定制各種外圍設(shè)備，成本低，可控性強；而PC104是成熟模塊，如果選用X86體系，在軟件上，與PC機軟件兼容，可以利用大量的PC機上的軟件，開發(fā)、調(diào)試都容易，掌握的人也多，熟悉的人也多，維護維修容易。

操作系統(tǒng)上，ARM只能運行嵌入式操作系統(tǒng)；PC104既可以采用嵌入式操作系統(tǒng)，也可以采用桌面Windows系統(tǒng)。

由于ARM的啟動系統(tǒng)是非易失性的，操作系統(tǒng)不易損壞； PC104，一般是磁盤啟動，屬于磁盤操作系統(tǒng)，容易損壞和崩潰，近年來有采用FLASH存儲操作系統(tǒng)的PC104產(chǎn)品，可靠性有所提高。

3.4 綜合選擇總結(jié)

各種平臺的比較如表1所示。

（1）性能足夠時，優(yōu)先選擇單片機；單片機性能不滿足時，選擇ARM；

（2）快速開發(fā)、應(yīng)用數(shù)量有限、技術(shù)人員開發(fā)水平有限時，選擇PLC；

（3）需要具備操作系統(tǒng)（如需要使用實時操作系統(tǒng)）時，選擇ARM或PC104；

（4）綜合型大系統(tǒng)、性能要求高、應(yīng)用需求經(jīng)常變化時，選擇工控機，如鐵路領(lǐng)域的各種綜合試驗車、列車娛樂播放系統(tǒng)主機。

4 結(jié)束語

由于車載設(shè)備工作環(huán)境的特殊性，選擇適合于車載環(huán)境的智能設(shè)備處理器非常重要。根據(jù)車載設(shè)備的特殊要求，可以使用單片機、PLC、ARM、PC104、工控機等多種處理器平臺。各種處理器都有其特點，結(jié)合各種處理器的性能特點進行綜合比較和分析，選擇合適的處理器，對于產(chǎn)品的開發(fā)調(diào)試、日后的生產(chǎn)維護和擴展有重要意義。

表1 各種平臺的比較表

[1]黃亮亮，朱欣華. 基于實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μCOS-II的C8051F系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)[J]. 測控技術(shù), 2005（9）：19-21.

[2] Frederic Gaillard. Microprocessor (MPU) or Microcontroller (MCU)? What factors should you consider when selecting the right processing device for your next design[R]. Atmel-Cor poration, 2013, 3.

[3]羅 佳，孫運強. 51 系列單片機與ARM處理器的比較[J].工業(yè)控制計算機，2007，20 （5）： 64-66.

責(zé)任編輯 徐侃春

Comparison and lectotype of processor for on-board intelligent device

SHEN Yuyan, GUAN Xiaoye, ZHOU Zhongliang
( Locomotive & Cars Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

The Characteristic of working conditions for on-board intelligent devices was introduced at fi rst, then based on it, several practicable platforms were listed here. The performance, characteristics and their application scopes were compared and analyzed synthetically. The factors and methods about how to select a suitable processor was suggested.

on-board; processor; comparison; lectotype

U260∶TP39

A

1005-8451（2014）02-0054-04

2013-12-06

鐵道部科技研究開發(fā)計劃（2012J006-A)。

申宇燕，助理研究員；關(guān)曉曄，助理研究員。