陳宇澤，宋緒勇

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074）

嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳宇澤，宋緒勇

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074）

現(xiàn)代社會(huì)，信息技術(shù)發(fā)展迅速，各種信息技術(shù)都在不斷發(fā)展，嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，特別是在工業(yè)領(lǐng)域，嵌入式技術(shù)的應(yīng)用是非常廣泛的。嵌入式系統(tǒng)和上層通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合而形成了測(cè)控系統(tǒng)，工業(yè)領(lǐng)域大力采用嵌入式技術(shù)，這對(duì)工業(yè)逐漸實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化和智能化有很大的幫助。隨著嵌入式技術(shù)的不斷應(yīng)用，對(duì)該技術(shù)的要求也越來越高。當(dāng)前，各種技術(shù)都在不斷創(chuàng)新，嵌入式測(cè)控系統(tǒng)所采用的芯片生產(chǎn)工藝也在不斷創(chuàng)新，逐漸生產(chǎn)出性能更好的嵌入式微處理器。雖然生產(chǎn)技術(shù)在不斷創(chuàng)新，技術(shù)水平在不斷提高，但是還存在著問題，例如處理器能力達(dá)不到要求、采樣點(diǎn)數(shù)量不夠、時(shí)效性不好等問題，而影響測(cè)控系統(tǒng)時(shí)效性的最大因素就是軟件系統(tǒng)。

嵌入式測(cè)控系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

人們的生活離不開信息技術(shù)，信息技術(shù)在各行各業(yè)都有運(yùn)用，嵌入式技術(shù)在社會(huì)中的應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛，例如在工業(yè)控制、數(shù)控機(jī)床、智能工具、工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等各個(gè)行業(yè)都有運(yùn)用，它正在逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)方式。嵌入式系統(tǒng)的主要作用就是對(duì)其他的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和測(cè)量等，它的應(yīng)用給工業(yè)測(cè)控帶來了極大的便利。該系統(tǒng)具有時(shí)效性好、可靠性高及功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，采用測(cè)控系統(tǒng)可以很好地避免實(shí)時(shí)性、可靠性、網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及監(jiān)控等方面的問題。嵌入式測(cè)控系統(tǒng)不論是技術(shù)方面，還是性能方面，都有很大的創(chuàng)新，使系統(tǒng)在以后的工業(yè)測(cè)控中得到更好的發(fā)展。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和嵌入式技術(shù)的大力應(yīng)用，對(duì)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)算速度等各個(gè)方面的要求也在逐步提高，這就極大地加快了嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展。

1 嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的意義

與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的各個(gè)方面都有很大的進(jìn)步，采用的嵌入式技術(shù)對(duì)系統(tǒng)有很大的好處，主要體現(xiàn)在以下幾方面：①嵌入式測(cè)控系統(tǒng)一般情況下所面對(duì)的對(duì)象都是特定的，任務(wù)處理也具有針對(duì)性，所以專用性是該系統(tǒng)的獨(dú)特之處。②嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性比傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)要好很多，傳統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)在處理任務(wù)時(shí)不如新的測(cè)控系統(tǒng)同時(shí)處理的任務(wù)多。嵌入式測(cè)控系統(tǒng)雖然可以同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)，但是內(nèi)核體積并不是很大，而且比PC操作系統(tǒng)的內(nèi)核還要小得多。③在設(shè)計(jì)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，力爭(zhēng)在同樣的體積上實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)大，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)便，遵循量體裁衣的原則，去掉多余的部分。④嵌入式測(cè)控系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中巧妙地與具體應(yīng)用結(jié)合在一起，在功能升級(jí)時(shí)，也與具體的產(chǎn)品緊密結(jié)合在一起。系統(tǒng)的進(jìn)步離不開產(chǎn)品的變化，嵌入式測(cè)控系統(tǒng)以這樣的形式創(chuàng)新發(fā)展，使得在以后的使用過程中也會(huì)有很長(zhǎng)的使用壽命。⑤嵌入式測(cè)控系統(tǒng)在存儲(chǔ)方式上也有很大的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)中的軟件一般都存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中，而不是存儲(chǔ)于磁盤等載體中，這樣運(yùn)行速度和系統(tǒng)的可靠性都有很大提高。⑥嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境比較特殊，在應(yīng)用的過程中應(yīng)對(duì)電磁干擾具備一定的抗性，穩(wěn)定性也應(yīng)滿足要求。

2 嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

嵌入式測(cè)控系統(tǒng)一般可以從2個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，即硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。下面就這2個(gè)方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括電路模塊規(guī)劃、電路板設(shè)計(jì)2個(gè)方面。

2．1．1 電路模塊規(guī)劃

用戶模式，用于正常程序運(yùn)行時(shí)的工作模式；系統(tǒng)模式，用于支持操作系統(tǒng)的特權(quán)任務(wù)等的模式；管理模式，為操作系統(tǒng)提供的一種保護(hù)模式；中止模式，用于虛擬內(nèi)存和存儲(chǔ)器的保護(hù)；未定義模式，支持軟件仿真的硬件協(xié)處理器；中斷模式，處理中斷請(qǐng)求的模式；快速中斷模式，快速中斷請(qǐng)求處理的模式。

2．1．2 電路板設(shè)計(jì)

電路板上的電壓設(shè)計(jì)采用5 V輸入，經(jīng)過可帶載1.5 A低壓差線穩(wěn)壓AS1117AR-3.3IC芯片穩(wěn)壓，提供板子所需要的3.3 V電源，具體的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 電路板設(shè)計(jì)圖

2.2 嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括需求分析、總體設(shè)計(jì)、模塊劃分、軟件編碼、軟件測(cè)試等幾個(gè)方面。

2．2．1 需求分析

設(shè)計(jì)出的軟件應(yīng)該是要符合實(shí)際情況的，因此在設(shè)計(jì)之前就應(yīng)該對(duì)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行全面的了解，然后根據(jù)自己的觀察設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的軟件。只有經(jīng)過全面的考慮之后，才能設(shè)計(jì)出更好的軟件。

2．2．2 總體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)之前,應(yīng)該有一個(gè)好的規(guī)劃，應(yīng)該知道自己要干什么，有一個(gè)明確的思路，知道設(shè)計(jì)的順序是什么。總體設(shè)計(jì)應(yīng)該包括IIC總線設(shè)計(jì)、IIC驅(qū)動(dòng)開發(fā)、IIC存儲(chǔ)器件軟件實(shí)現(xiàn)。

2．2．3 模塊劃分

設(shè)計(jì)初步完成后，就應(yīng)該劃分好模塊，然后有針對(duì)性地對(duì)某一軟件進(jìn)行相應(yīng)的改善，明確每一個(gè)模塊的準(zhǔn)確作用。

2．2．4 軟件編碼

軟件設(shè)計(jì)出后對(duì)所有軟件進(jìn)行編號(hào)，這樣如果軟件出現(xiàn)問題，就能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題出在哪一個(gè)軟件，同時(shí)可以很好地區(qū)分嵌入式測(cè)控系統(tǒng)中的所有軟件。

2．2．5 軟件測(cè)試

軟件測(cè)試是最后一步，同時(shí)也是很重要的一步，這一步驟是不容小覷的。不管是什么軟件，在被設(shè)計(jì)出后都會(huì)有相應(yīng)的測(cè)試，只有各個(gè)方面測(cè)試指標(biāo)都達(dá)到要求，才能投入使用。在測(cè)試過程中，不管存在多小的問題都不能投入使用，所以軟件測(cè)試這個(gè)過程一定要有。

3 嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用

嵌入式測(cè)控系統(tǒng)在生活中的各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，比如在過程控制和儀器儀表中就有大量應(yīng)用?？梢?，嵌入式測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)越來越被人們所熟知。

3.1 在智能超聲測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

智能超聲測(cè)試系統(tǒng)的工作原理主要就是通過LATTCE1032來驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，超聲波脈沖穿過受火災(zāi)后的混凝土后會(huì)被接收換能器接收，然后在相關(guān)的處理之后進(jìn)行精確分析，并在第一個(gè)脈沖被接收之后向CPU申請(qǐng)中斷讀取時(shí)間，以此來對(duì)混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由以上分析可知，嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性系統(tǒng)對(duì)外來的事件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)，這個(gè)過程具有一定的實(shí)際性。這一過程主要關(guān)注的重點(diǎn)就是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、使用壽命、吞吐量。該系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常可靠，使用比較方便，測(cè)量的數(shù)據(jù)也非常準(zhǔn)確。

3.2 在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

嵌入式測(cè)控系統(tǒng)一般情況下所面對(duì)的對(duì)象都是特定的，任務(wù)處理也具有針對(duì)性，所以專用性是嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的獨(dú)特之處。設(shè)計(jì)的初衷主要就是滿足項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)出符合自己研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)在應(yīng)用過程中存在著不足，面對(duì)的對(duì)象比較有針對(duì)性，所具備的可移植性達(dá)不到要求，在測(cè)評(píng)方面也有要求，因此對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性都應(yīng)該作進(jìn)一步驗(yàn)證。嵌入式測(cè)控系統(tǒng)使人們可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地查看現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，還可以對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、檢測(cè)、儲(chǔ)存，同時(shí)也可以通過網(wǎng)絡(luò)的形式把數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)焦I(yè)測(cè)控儀器中。這就是嵌入式測(cè)控系統(tǒng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。因?yàn)榍度胧綔y(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，已經(jīng)有越來越多的人們開始加強(qiáng)對(duì)該系統(tǒng)的研究，例如河南省自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心開發(fā)了基于嵌入式結(jié)構(gòu)的建筑涂裝機(jī)器人智能測(cè)控系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式技術(shù)也在不斷進(jìn)步，這非常有利于提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平。在以后的發(fā)展過程中，嵌入式測(cè)控系統(tǒng)不管是性能方面，還是技術(shù)方面，都會(huì)有很大的進(jìn)步，該系統(tǒng)的應(yīng)用在儀器和測(cè)試系統(tǒng)2個(gè)方面都有很好的發(fā)展，在技術(shù)方面也會(huì)有所創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)更好的發(fā)展目標(biāo)。這就能很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化發(fā)展目標(biāo)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低對(duì)檢測(cè)對(duì)象的影響，以此來滿足現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展要求。

［1］李金濤.基于Web的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.沈陽：東北大學(xué)，2014.

［2］姬曉陽.嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

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〔編輯：劉曉芳〕

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.160

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