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基於光導總線的包裝機控製係統的研究

發布時間:2020-06-10 15:39:56 |來源:網絡轉載

煙草行業在中國是一個很大的行業,每年都可以為政府創造大量的稅收和就業機會。德國某公司生產的包裝機在我國有一定數量的煙廠在使用。該產品具有高效、高速、準確的優點。可以保證產品質量,降低勞動強度,改善工作環境。它的使用可以大大提高生產線的自動化程度,擁有廣闊的前景。目前, 該設備機械係統完好,但電氣係統故障率偏高,備件供應存在問題,所以需要對其電控係統進行新的研究設計。

本文通過對現場總線、嵌入式計算機係統、電機拖動等關鍵技術的研究,結合包裝機的生產工藝特點,闡述了整個包裝機的電氣係統設計過程。其中主要研究了包裝機的部分、RC 部分和 FHZ/ NK 部分的電氣設計和軟件設計。方案采用某公司的嵌入式控製器作為主控製器,控製整個包裝機係統的生產過程;采用某公司的 li ghtbus 總線技術進行控製器與底層設備之間的數據傳輸和交換;采用能與聯機工作的日本某公司工業觸摸屏作為人機交互界麵。軟件方麵,在內嵌的操作係統中利用 Tw i nCAT 係統軟件直接進行編程,控製整個係統的運行。

新的控製係統在現場長時間的穩定運行結果也表明:係統整個設計方案具有先進性,功能完善,同時具有良好的可維護性。

第一章 緒論

1 課題的提出

煙草行業在中國是一個很大的行業,每年都可以為政府創造大量的稅收和就業機會。煙機是自動化領域中最複雜的機器之一,同時香煙的生產速度又非常快。例如,軟包線的生產速度是 400-500 包/分鍾,由於生產速度很快且產品的包裝又非常軟,所以,對於包裝機的要求是非常高的。德國某公司出產的包裝機在我國有一定的用戶,其中在江蘇徐州卷煙廠承擔軟包蘇煙的包裝任務。包裝機是某公司 90 年代推出的產品,與該公司早期的包裝機相比,它的控製係統具有更高的先進性,其特點如下:

控製方式先進

從控製係統的結構上說,機采取了工業計算機+光導總線的架構,由一台基於歐洲 VME 標準的工業計算機充當主控製器,設備上所有的 I/O 點僅通過 1 根光纖連接到控製櫃中,整個係統的布線顯得非常簡潔。光導總線是德國某公司推出的一種總線體係,它具有傳送速度快,抗幹擾性能好的優點,在歐洲工業製造、樓宇自動化、物流傳送等領域均有著廣泛的應用。

完全以交流驅動取代了直流驅動在包裝機主機中,直流調速已完全被更先進的交流調速技術所取代;人機界麵由原來的 LED 顯示改為了圖形界麵顯示方案總體設計原則在進行總的方案設計時,其設計原則是要求確保:技術具有先進性;係統工作穩定可靠,功能完善;良好的可維護性;現場施工省時省力。

為了保證係統穩定可靠、功能完整,需要在硬件軟件兩方麵采取措施,硬件方麵選用工控領域知名公司產品,同時對電控櫃的布線、接地、屏蔽作周密的安排, 最大限度去除各種電磁幹擾。軟件方麵確保控製邏輯算法的嚴密,同時安排好各種出錯情況下的處理出口,如重要數據的自動備份與自動恢複,係統突然掉電的處理,關鍵程序的容錯處理,程序死鎖的回避等。

為了實現係統具有良好的可維護性,各種硬件模塊選用標準化係列,所選用的應是具有良好發展前景技術的產品,這樣才能夠保證將來長遠的備件供應。軟件方麵由於是自主開發,並最終向用戶完全開放,所以維護方麵不存在問題,但也必須注意保證程序代碼的可讀性和加入必要的注釋,保存好各種開發文檔資料並及時規範化入檔,確保軟件的可維護性。

為了能做到現場施工省時省力,縮短停機時間,減少對生產的影響。需要做好以下幾方麵的準備工作:

對係統中哪些需要改造替換、那些繼續保留進行合理的安排劃分,防止盲目擴大改造範圍和遺漏改造項目情況的發生。

采用現場總線技術,在減少布線工作量同時也提高連接可靠性。

現場施工前準備工作充分到位,軟硬件調試徹底,另外用戶單位的配合工作也非常重要,包擴機台生產原料的準備,人員的配備,機械係統提前保養好等等。

現場總線技術

. 1 現場總線的基本概念

現場總線作為當今自動化領域技術發展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現,標誌著自動化係統步入一個新時代的開端,將對該領域產生前所未有的衝擊和影響。

什麽是現場總線?有人把現場總線定義為應用在生產現場、在微機化測量控製設備之間實現雙向串行數字通信的係統;也有人把它稱為開放式、數字化、多點通信技術,可被廣泛應用於製造業、流程工業、樓宇、交通等處的自動化係統中。

現場總線技術將專用微處理器置於傳統的測量控製儀表,使它們各自都具有了數字計算和數字通信能力,成為能獨立承擔某些控製、通信任務的網絡節點。它們分別通過普通雙絞線等多種傳輸介質進行信息傳輸聯絡,把多個測量控製儀表、計算機等作為節點連接成網絡係統,把公開、規範的通信協議,在位於生產控製現場的多個微機化自控設備之間,以及現場儀表與用作監控、管理的遠程計算機之間,實現數據傳輸與信息共享,形成各種適應實際需要的自動控製係統。簡而言之,它是把單個分散的測量控製設備變成網絡節點,共同完成自控任務的網絡係統與控製係統。它給自動化領域帶來了巨大的變化,如同計算機網絡和因特網給單個計算機帶來的變化等等。如果說,計算機網絡把人類引入到信息時代,那麽現場總線則使自控係統與設備加入到信息網絡的行列,成為企業信息網絡的底層,使企業信息溝通的覆蓋範圍一職延伸到生產現場。因此把現場總線技術的出現說成是標誌著一個自動化新時代的開端並不為過。

現場總線技術的開發始於 20 世紀 80 年代。隨著微處理器與計算機功能的不斷增強及價格的急劇下降,計算機與計算機網絡係統得到迅速發展,信息溝通聯絡的範圍不斷擴大。而處於企業生產過程底層的測控自動化係統,由於仍在通過開關、閥門、傳感測量儀表間的一對一連線,用電壓、電流的模擬信號進行測量控製,或者隻能采用某種自封閉式的集散係統,難以實現設備之間以及係統與外界之間的信息交換,使自動化係統成為“信息孤島”,嚴重製約了其本身的發展。要實現企業的信息集成,要實施綜合自動化,就必須設計出一種能在工業現場環境

中運行的、可靠性高、實時性強、造價低廉的通信係統,形成工廠底層網絡,完成現場自動化設備之間的多點數字通信,實現底層現場設備之間,以及自動化設備與外界的信息交換。現場總線就是在這種實際需求的驅動下應運而生的。國際標準化組織、北美、歐洲等許多國家的儀表控製領域,陸續開始著手現場總線的標準製定與技術開發。由於行業、地域、經濟利益等多種原因,本應是統一標準、開放互連的控製通信網絡目前已經在不同領域形成了頗具影響的幾大總線係列。

現場總線是綜合運用微處理器技術、網絡技術、通信技術和自動控製技術的產物。它把微處理器置入現場自控設備,使設備具有數字計算和數字通信能力,這一方麵提高了信號的測量、控製和傳輸精度,同時為豐富控製信息的內容,實現其遠程傳送創造了條件。在現場總線的環境下,借助現場總線網段以及與之有通信連接的其他網段,實現異地遠程自動控製,如操作遠在數百公裏之外的電氣開關等。現場總線設備與傳統自控設備相比,拓寬了信息內容,提供傳統儀表所不能提供的,如閥門開關動作次數、故障診斷等信息,便於操作管理人員更好、更深入的了解生產現場和自控設備的運行狀態。由於現場總線強調遵循公開統一的技術標準,因而有條件實現設備的互操作性和互換性。也就是說,用戶可以把不同廠家、不同品牌的產品集成在同一個係統內,並可在同功能的產品之間進行相互替換,使用戶具有了自控設備選擇、集成的主動權。

現場總線可采用多種傳輸介質傳送數字信號,如用普通電纜、雙絞線、光導纖維、紅外線,甚至電力傳輸線等,因而可因地製宜,就地取材,構成控製網絡。一般在由兩根普通導線製成的雙絞線上,可掛接幾十個自控設備,與傳統的設備間一對一的接線方式相比,可節省大量線纜、槽架、連接件,同時,由於所有的連線都變得簡單明了,係統設計、安裝、維護的工作量也隨之大大減少。另外, 現場總線還支持總線供電,即兩根導線在為多個自控設備傳送數字信號的同時, 還為這些設備傳送工作電源。可以看到,采用現場總線具有諸多好處,可以為企業節省開支,創造經濟效益。

現場總線既是通信網絡,又是自控係統。它作為通信網絡,不同於日常用於聲音、圖像、文字傳送的網絡,它所傳送的是接通、關斷電源或開關閥門的指令與數據,直接關係到處於運行操作過程之中的設備、人身的安全,要求信號在有粉塵、噪聲、電磁幹擾等較為惡劣的環境下能夠準確、及時的傳送,同時還具有節點分散、報文簡短等特征,它作為自動化係統,在係統結構上發生了較大的變化, 其顯著特征是通過網絡信號的傳送聯絡,可由單個節點、也可由多個網絡節點共同完成所要求的自動化功能,是一種由網絡集成的自動化係統。

由於現場總線適應了工業控製係統向分散化、網絡化、智能化的發展方向,它一經產生便成為全球工業自動化技術的熱點,受到全世界的普遍關注。該項技術

的開發,可帶動整個工業控製、樓宇自動化、儀表製造、工業控製和計算機軟硬件等行業的技術、產品的更新換代。它的出現為我國自動化儀表行業和自動控製領域提供了良好的機遇,也提出了嚴峻的挑戰。

現場總線控製係統

繼氣動信號控製係統 PCS、4~20mA 等點動模擬信號控製係統、數字計算機集中式控製係統和集散式分布控製係統 DCS 之後,現場總線控製係統被譽為第五代控製係統。它采用了基於公開化、標準化的開放式解決方案,實現了真正的全分布式結構,將控製功能下放到現場,使控製係統更加趨向於分布化、扁平化、網絡化、集成化和智能化。現場總線的產生和發展,使一個企業的現場級控製網絡可以更方便有效的與辦公信息網絡通信,二者的集成對企業信息基礎設施的改進具有重大意義。可以說, 現場總線從開始出現時就是為了融入到實際上已通行的 TCP/IP 信息網絡中,並與其有效的集成到一起,為企業提供一個強有力的控製與通信基礎設施。

與傳統的集散控製係統相比,現場總線控製係統有兩個新特征:

現場總線控製係統是將傳統集散控製係統中的數據公路、控製器、I/O 卡以及模擬信號傳輸線四部分用統一標準的現場總線來替代,減少了層次傳遞,使控製係統的結構更趨於扁平化。

現場總線控製係統用智能現場儀表替代傳統集散係統中的模擬現場儀表, 其智能體現在:變送器不僅僅具有信號變換、補償、累加功能,而且具有諸如 PID 等運算控製功能;執行器不僅具有驅動和調節功能,而且具有特性補償、自校驗、自診斷功能。

現場總線控製係統的技術特點

現場總線控製係統在技術上具有以下特點:

係統的開放性。開放係統是指通信協議公開,各不同廠家的設備之間可互聯為係統並實現信息交換。現場總線開發者就是要致力於建立統一的工廠底層網絡的開放係統。這裏的開放是指對相關標準的一致性、公開性,強調對標準的共識和遵從。一個開放係統,是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其他設備或係統連接。一個具有總線功能的現場總線網絡,係統必須是開放的,開放係統把係統集成的權力交給了用戶。用戶可按自己的考慮和需要把來自不同供應商的產品組成大小隨意的係統。現場總線就是自動化領域的開放互聯係統。當今, 位於企業基層的測控係統,仍處於像 20 世紀 70 年代計算機網絡係統那樣的封閉狀態,嚴重製約了其本身的發展,從用戶到設備製造商都強烈要求形成統一的標準,從根本上打破現有各自封閉的 DCS 體係結構,組成開放因特網絡。正是這種需求促成了現場總線的誕生和發展。

互可操作性和互用性。這裏的互可操作性,是指實現互聯設備間、係統間的信息傳送與溝通;而互用性則意味著對不同生產廠家的性能類似的設備可以進行更換而實現相互替換。

現場設備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控製等功能分散到現場設備中完成,僅靠現場設備即可完成自動控製的基本功能,並可隨時診斷設備的運行狀態。

係統結構的高度分散性。現場總線已構成一種新的全分散性控製係統的體係結構,從根本上改變了現有的 DCS 集中與分散相結合的集散控製係統體係,簡化了控製結構,提高了可靠性和對現場環境的適應性。工作在現場設備前端,作為工廠網絡底層的現場總線,是專為在現場環境設計的,可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等多種傳輸介質,具有較強的抗幹擾能力,能采用兩線製實現送電與通信,並可滿足本征安全防爆要求等。

現場總線控製係統的優越性

現場總線控製係統使工業過程控製發生了很大的變化,它具有如下優越性:

現場總線使得智能變送器中安裝的微處理器能夠直接與數字控製係統通信,而不需要 I/O 轉換,節約了費用;

現場總線可以取代每個傳感器到控製器的單獨布線,大大減少了連線費用;

現場總線可以將一些先進功能,如線性化、工程量轉換以及報警處理等賦予現場儀表,提高了現場儀表的精度和可靠性;

現場總線提高了控製精度,這意味著應用數字信號所受到的限製將主要來自於傳感器的精度;

現場總線可提供控製裝置與傳感器、執行器之間的雙向通信,方便了操作員與被控設備之間的交互;

現場總線使得專門根據現場總線開發的現場儀表的使用成為可能,並將最終取代單變量模擬儀表,減少了儀表的購置、安裝與包修費用;

現場總線的開放性將使用戶有可能對各儀表廠商的產品任意進行選擇,並組成係統,而不必考慮接口是否匹配的問題。

典型現場總線簡介

基金會現場總線

基金會現場總線,即 Foundat i on F i e l dbus,簡稱 FF,這是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術。其前身是以美國某公司為首,聯合 80 家公司製訂的 ISP 協議和以某公司為首,聯合歐洲等地的 150 家公司製訂的 WordFIP 協議。屈於用戶的壓力,這兩大集團於 1994 年 9 月合並,成立了現場總線基金會,致力於開發出國際上統一的現場總線協議。它以 ISO/ OSI 開放係統互連模型為基礎,取其物理層、數據鏈路層、應用層為 FF 通信模型的相應層次,並在應用層上增加了用戶層。

LonWorks

LonWorks 是又一具有強勁實力的現場總線技術,它是由美國某公司推出並由它們與某公司共同倡導,於 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/ OSI 模型的全部七層通訊協議,采用了麵向對象的設計方法,通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置,其通訊速率從 300bps 至 15Mbps 不等,直接通信距離可達到 2700m(78kbps,雙絞線) , 支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質,並開發相應的本安防爆產品,被譽為通用控製網絡。

Prof i bus

Prof i bus 是作為德國國家標準 DIN 19245 和歐洲標準 prEN 50170 的現場總線。ISO/ OSI 模型也是它的參考模型。由 Prof i bus –DP、Pro f i bus -FMS、Pro f i bus-PA 組成了 Prof i bus 係列。DP 型用於分散外設間的高速傳輸,適合於加工自動化領域的應用。FMS  意為現場信息規範,適用於紡織、樓宇自動化、可編程控製器、低壓 開關等一般自動化,而 PA 型則是用於過程自動化的總線類型,它遵從 IEC1158-2 標準。該項技術是由某公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了 OSI 模型的物理層、數據鏈路層,由這兩部分形成了其標準第一部分的子集,DP 型隱去了 3~7 層,而增加了直接數據連接擬合作為用戶接口,FMS 型隻隱去第 3~6 層,采用了應用層,作為標準的第二部分。PA 型的標準目前還處於製定過程之中,其傳輸技術遵從 IEC1158-2 (1 )標準,可實現總線供電與本質安全防爆。

CAN

CAN 是控製網絡 Cont ro l Area Network的簡稱,最早由德國某公司推出, 用於汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線規範現已被 ISO 國際標準組織製訂為國際標準,得到了 5家公司的支持,已廣泛應用在離散控製領域。

HART

HART 是 H i ghway Addressab l e Remote Transduer的縮寫。最早由 Rosemout

公司開發並得到 80 多家著名儀表公司的支持,於 1993 年成立了HART 通信基金會。這種被稱為可尋址遠程傳感高速通道的開放通信協議,其特點是現有模擬信號傳輸線上實現數字通信,屬於模擬係統向數字係統轉變過程中工業過程控製的過渡性產品,因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力,得到了較好的發展。

6)RS-485

盡管 RS-485 不能稱為現場總線,但是作為現場總線的鼻祖,還有許多設備繼續沿用這種通訊協議。采用 RS-485 通訊具有設備簡單、低成本等優勢,仍有一定的生命力。以 RS-485 為基礎的 OPTO-22 命令集等也在許多係統中得到了廣泛的應用。

現場總線技術展望與發展趨勢

發展現場總線技術已成為工業自動化領域廣為注的焦點課題,國際上現場總線的研究、開發,使測控係統衝破了長期封閉係統的禁錮,走上開放發展的征程, 這對我國現場總線控製係統的發展是個極好的機會,也是一次嚴峻的挑戰。現場總線技術是控製、計算機、通訊技術的交叉與集成,涉及的內容十分廣泛,筆者認為應不失時機地抓好我國現場總線技術與產品的研究與開發。自動化係統的網絡化是發展的大趨勢,現場總線技術受計算機網絡技術的影響是十分深刻的。現在網絡技術日新月異,發展十分迅猛,一些具有重大影響的網絡新技術必將進一步融合到現場總線技術之中,這些具有發展前景的現場總線技術有:智能儀表與網絡設備開發的軟硬件技術;組態技術,包括網絡拓撲結構、網絡設備、網段互連等;網絡管理技術,包括網絡管理軟件、網絡數據操作與傳輸;人機接口、軟件技術;現場總線係統集成技術。現場總線屬於尚在發展之中的技術,我國在這一技術領域還剛剛起步,了解國際上該項技術的現狀與發展動向,對我國相關行業的發展,對自動化技術、設備的更新,無疑具有重要的作用。總體說來,自動化係統與設備將朝著現場總線體係結構的方向前進,這一發展趨勢是肯定的。既然是總線,就要向著趨於開放統一的方向發展,成為大家都遵守的標準規範,但由於這一技術所涉及的應用領域十分廣泛,幾乎覆蓋了所有連續、離散工業領域, 如過程自動化、製造加工自動化、樓半自動化、家庭自動化等等。大千世界,眾多領域,需求各異,一個現場總線體係下可能不止容納單一的標準。另外,從以上介紹也可以看出,幾大技術均具有自己的特點,已在不同應用領域形成了自己的優勢。加上商業利益的驅使,它們都各自正在十分激烈的市場競爭中求得發展。有理由認為:在從現在起的未來 10 年內,可能出現幾大總線標準共存,甚至在一個現場總線係統內,幾種總線標準的設備通過路由網關互連實現信息共享的局麵。

現場總線技術的興起,開辟了工廠底層網絡的新天地。它將促進企業網絡的快速發展,為企業帶來新的效益,因而會得到廣泛的應用,並推動自動化相關行業的發展。

嵌入式控製係統

嵌入式係統的基本概念

嵌入式係統一般指非 PC 係統,有計算機功能但又不稱之為計算機的設備或器材。它是以應用為中心,軟硬件可裁減的,適應應用係統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴格要求的專用計算機係統。簡單地說,嵌入式係統集係統的應用軟件與硬件於一體,類似於 PC 中 Bioses 的工作方式,具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點,特別適合於要求實時和多任務的體係。

嵌入式係統主要由嵌入式處理器、相關支撐硬件、嵌入式操作係統及應用軟件係統等組成,它是可獨立工作的“器件”。嵌入式係統幾乎包括了生活中的所有電器設備,如掌上 PDA 、移動計算設備、電視機頂盒、手機上網、數字電視、多媒體、汽車、微波爐、數字相機、家庭自動化係統、電梯、空調、安全係統、自動售貨機、蜂窩式電話、消費電子設備、工業自動化儀表與醫療儀器等。

嵌入式係統的硬件部分,包括處理器 / 微處理器、存儲器及外設器件和 I/ O 端口、圖形控製器等。嵌入式係統有別於一般的計算機處理係統,它不具備像硬盤那樣大容量的存儲介質,而大多使用 EPROM 、 EEPROM 或閃存 (F l ash Memory) 作為存儲介質。軟件部分包括操作係統軟件 ( 要求實時和多任務操作 ) 和應用程序編程。應用程序控製著係統的運作和行為;而操作係統控製著應用程序編程與硬件的交互作用。

嵌入式處理器

嵌入式係統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備 4 個特點:

對實時和多任務有很強的支持能力,能完成多任務並且有較短的中斷響應時間,從而使內部的代碼和實時操作係統的執行時間減少到最低限度;

具有功能很強的存儲區保護功能,這是由於嵌入式係統的軟件結構已模塊化,而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用,需要設計強大的存儲區保護功能,同時也有利於軟件診斷;

可擴展的處理器結構,以能迅速地擴展出滿足應用的高性能的嵌入式微處理器;

嵌入式微處理器的功耗必須很低,尤其是用於便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式係統更是如此,功耗隻能為 mW 甚至 μ W 級。

據不完全統計,目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過 1000 種,流行

的體係結構有 30 多個係列。其中 8051 體係占多半,生產這種單片機的半導體廠家有 20 多個,共 350 多種衍生產品,僅 Ph ili ps  就有近 100 種。現在幾乎

每個半導體製造商都生產嵌入式處理器,越來越多的公司有自己的處理器設計部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從 64kB 到 16MB ,處理速度為 0 . 1~2000MIPS , 常用封裝 8~144 個引腳。

根據現狀,嵌入式計算機可分成下麵幾類。

嵌入式微處理器 (Embedded M i croprocessor Un i t, EMPU)

嵌入式微處理器采用“增強型”通用微處理器。由於嵌入式係統通常應用於環   境比較惡劣的環境中,因而嵌入式微處理器在工作溫度、電磁兼容性以及可靠性    方麵的要求較通用的標準微處理器高。但是,嵌入式微處理器在功能方麵與標準    的微處理器基本上是一樣的。根據實際嵌入式應用要求,將嵌入式微處理器裝配    在專門設計的主板上,隻保留和嵌入式應用有關的主板功能,這樣可以大幅度減    小係統的體積和功耗。和工業控製計算機相比,嵌入式微處理器組成的係統具有    體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點,但在其電路板上必須包括 ROM 、 RAM 、總線接口、各種外設等器件,從而降低了係統的可靠性,技術保密性也較差。由    嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等安裝在一塊電路主板上構成一個通常    所說的單板機係統。嵌入式處理器目前主要有 Am186 / 88 、386EX 、SC-400 、Power PC、68000 、 MIPS 、ARM 係列等。

嵌入式微控製器 (M i crocont ro ll er Un i t, MCU)

嵌入式微控製器又稱單片機,它將整個計算機係統集成到一塊芯片中。嵌入式  微控製器一般以某種微處理器內核為核心,根據某些典型的應用,在芯片內部集   成了 ROM/ EPROM 、 RAM 、總線、總線邏輯、定時 / 計數器、看門狗、 I/ O 、串行口、脈寬調製輸出、 A/ D 、 D/ A 、 F l ash RAM 、 EEPROM 等各種必要功能部件和外設。為適應不同的應用需求,對功能的設置和外設的配置進行必要的修   改和裁減定製,使得一個係列的單片機具有多種衍生產品,每種衍生產品的處理   器內核都相同,不同的是存儲器和外設的配置及功能的設置。這樣可以使單片機   最大限度地和應用需求相匹配,從而減少整個係統的功耗和成本。

和嵌入式微處理器相比,微控製器的單片化使應用係統的體積大大減小,從而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由於嵌入式微控製器目前在產品的品種和數量上是所有種類嵌入式處理器中最多的,而且上述諸多優點決定了微控製器是嵌入式係統應用的主流。微控製器的片上外設資源一般比較豐富,適合於控製, 因此稱為微控製器。通常,嵌入式微處理器可分為通用和半通用兩類,比較有代表性的通用係列包括 8051 、 P51XA 、 MCS-251 、 MCS-96 / 196 / 296 、C166 / 167 、 68300 等。而比較有代表性的半通用係列,如支持 USB 接口的 MCU 8XC930 / 931 、 C540 、 C541 ;支持 I 2C 、 CAN 總線、 LCD 等的眾多專用 MCU 和兼容係列。目前 MCU 約占嵌入式係統市場份額的 70% 。

嵌入式 DSP 處理器 (Embedded D i g i ta l S i gna l Processor , EDSP

在數字信號處理應用中,各種數字信號處理算法相當複雜,這些算法的複雜度可能是 O(nm) 的,甚至是 NP 的,一般結構的處理器無法實時的完成這些運算。由於 DSP 處理器對係統結構和指令進行了特殊設計,使其適合於實時地進行數字信號處理。在數字濾波、 FFT 、譜分析等方麵, DSP 算法正大量進入嵌入式領域, DSP 應用正從在通用單片機中以普通指令實現 DSP 功能,過渡到采用嵌入式 DSP 處理器。嵌入式 DSP 處理器有兩類:

DSP 處理器經過單片化、 EMC 改造、增加片上外設成為嵌入式 DSP 處理器,TI 的 TMS320C2000 / C5000 等屬於此範疇;

在通用單片機或 SOC 中增加 DSP 協處理器,例如 Inte l 的 MCS-296 和

Inf i neon(S i emens) 的 Tr i Core 。

另外,在有關智能方麵的應用中,也需要嵌入式 DPS 處理器,例如各種帶有智能邏輯的消費類產品,生物信息識別終端,帶有加解密算法的鍵盤, ADSL 接入、實時語音壓解係統,虛擬現實顯示等。這類智能化算法一般都是運算量較大, 特別是向量運算、指針線性尋址等較多,而這些正是 DSP 處理器的優勢所在。嵌入式 DSP 處理器比較有代表性的產品是 TI 的 TMS320 係列和 Motoro l a 的DSP56000 係列。 TMS320 係列處理器包括用於控製的 C2000 係列、移動通信的C5000 係列,以及性能更高的 C6000 和 C8000 係列。DSP56000 目前已經發展成為 DSP56000、DSP56100、DSP56200 和 DSP56300 等幾個不同係列的處理器。另外, 某公司最近也推出了基於可重置嵌入式 DSP 結構,采用低成本、低功耗技術製造的 R. E. A. L DSP處理器,其特點是具備雙 Harvard 結構和雙乘/ 累加單元,應用目標是大批量消費類產品。

嵌入式片上係統 (System On Ch i p, SOC)

隨著 EDI 的推廣和 VLSI 設計的普及化,以及半導體工藝的迅速發展,可以在一塊矽片上實現一個更為複雜的係統,這就產生了 SOC 技術。各種通用處理器內核將作為 SOC 設計公司的標準庫,和其他許多嵌入式係統外設一樣,成為 VLSI 設計中一種標準的器件,用標準的 VHDL 、 Ver l og 等硬件語言描述,存儲在器件庫中。用戶隻需定義出其整個應用係統,仿真通過後就可以將設計圖交給半導體工廠製作樣品。這樣除某些無法集成的器件以外,整個嵌入式係統大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去,應用係統電路板將變得很簡單,對於減小整個應用係統體積和功耗、提高可靠性非常有利。

SOC 可分為通用和專用兩類,通用 SOC 如 Inf i neon(S i emens) 的 Tr i Core 、Motoro l a 的 M-Core ,以及某些 ARM 係列器件,如 Eche l on 和 Motoro l a 聯合研製的 Neuron 芯片等;專用 SOC 一般專用於某個或某類係統中,如 Ph ili ps 的

通過直觀形象的機器結構模擬圖顯示方式,大大方便了故障定位和參數設定。大屏幕彩色 CRT 顯示醒目細致,但沒有中文顯示。

目前,國內使用的該設備大部分機械係統完好,但電氣係統故障率偏高,備件供應存在問題,CRT 也已經老化,顯示效果受到很大影響已經嚴重影響該設備的正常使用。所以需要對其電控係統進行新的研究設計,加以國產化改造,使之成為有我們自主知識產權的電氣控製係統。於是引出了本課題。

Smar t XA ,它將 XA 單片機內核和支持超過 2048 位複雜 RSA 算法的 CCU 單元製作在一塊矽片上,形成一個可加載 Java 或 C 語言的專用 SOC ,可用於互聯網安全方麵。

嵌入式操作係統

嵌入式操作係統是一種支持嵌入式係統應用的操作係統軟件,它是嵌入式係統 ( 包括硬、軟件係統 ) 極為重要的組成部分,通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、係統內核、設備驅動接口、通信協議、圖形界麵、標準化瀏覽器等 Browser 。嵌入式操作係統具有通用操作係統的基本特點,如能夠有效管理越來越複雜的係統資源;能夠把硬件虛擬化,使得開發人員從繁忙的驅動程序移植和維護中解脫出來;能夠提供庫函數、驅動程序、工具集以及應用程序 。與通用操作係統相比較,嵌入式操作係統在係統實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固態化以及應用的專用性等方麵具有較為突出的特點。

觸摸屏技術

觸摸屏技術在我國的應用雖然隻有 10 多年的時間,但是它已經成了繼鍵盤、鼠標、手寫板、語音輸入後最為普通百姓所易接受的計算機輸入方式。因為利用這種技術,用戶隻要用手指輕輕地觸碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現對主機操作,從而使人機交互更為直截了當,這種技術極大方便了用戶,非常適合多媒體信息查詢。同時,這種人機交互方式賦予了多媒體嶄新的麵貌,是極富吸引力的全新多媒體交互設備。

 

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