以嵌入式控制器为基础的自动控制系统的设计与实现



以嵌入式控制器为基础的自动控制系统的设计与实现

赵 理

（新疆工程学院，新疆乌鲁木齐，830091）

摘要：随着科技的发展，现如今的嵌入式系统已经发展的较为完善，进而在一些领域内得到了广泛的运用，如工业测控、智能化设等，特别是在自动化的控制系统领域内，嵌入式系统更是发挥了很大的作用。在其设计过程内，需要用到众多的编程语言和规范等，且具体的每个实用系统所用到的语言程序并不是完全相同，不过却在很大一部分上相同。我们对嵌入式系统和控制进行了研究，总结其科学内涵和历史作用，然后将其与自动控制系统相比较融合，真正让嵌入式控制器的灵魂深入控制系统的内部，设计出科学合理的自动控制系统。

关键词：嵌入式控制器；自动控制系统

嵌入式控制器指的是可以用来执行指定功能的控制系统，并且拥有处理复杂数据的能力，相比于传统的控制器而言，其处理数据的能力无意识更为优秀的。因为其优秀的数据处理能力等，使其在未诞生之前就已经备受瞩目，进而使得以嵌入式控制器为基础进行的自动控制系统的研究组装也考虑的很全面。又因为其设计理论和设计过程与传统过程中有所差异，所以需要以新式的嵌入式系统的理论依据进行而不是采用传统的理论。并且在这项自动控制系统的设计中，由于是以嵌入式控制器为主进行的，所以在实际设计运行过程中，有很多因素能够影响最终效果的确定，比如良好的软件反应速度可以加快处理数据的速度；又比如电源的消耗问题，以供电性能较好的锂离子电池作为系统的电池可以供系统长时间的运行而不至于在处理过程中中断；内存空间的占用情况也需要进行检查。但是要想将设计的系统构成一个整体的话，就要将硬件与软件进行协调，使两者相匹配。

1　嵌入式控制系统和嵌入式控制器

嵌入式控制器的简称是MCU，作为嵌入式计算机中的一种，其通常结构就是首先有一个核心，这个核心可以有某种处理器的内核来担任，接下来就是在芯片内部进行功能的集成，具体可以集成RAM、总线逻辑、总线、定时/计数器等，除此之外，要想使嵌入式控制器的功能得以实现，还必须要增加几个I/O模块、通信模块、运动控制模块，这些模块通常都是数字量或者是模拟量。除了计算机本身具有的能力之外，嵌入式控制器还具有信号数据分析、预算、处理，信息还可以通过I/O接口来进行采集和测量，还有多种强大的功能，尤其是在自动化领域得到了广泛的应用。

在现代社会，各种各项的虚拟技术和产物问世，为人类带来了便利，嵌入式控制器就是这样一种技术。其实计算机技术与传统仪器结合而生成的，通常包括硬件与软件两方面，硬件是主要借助于GPIB、VXI等标准总线通过数据采集卡和PC构成的整体系统进而构成总系统。嵌入式控制器可以构成一个虚拟仪器系统，一般是通过以串口通信为基础然后将控制器中的各种模块和存储器等于计算机本身相组合构成的，因为其一些特点而使得其在我国的电子、航天、国防、汽车、工业控制、自动化等得到了充分的发展。具有如下：较小的体积可以满足现在日益苛刻的空间要求，是设备更加精细化，可以在与同种产品的企业竞争中取得优势；较强的可靠性可使其在同类元件中脱颖而出，能够在极为严苛的条件下使用且具备一定的抗干扰能力使得很多人都看好它；快速的运算传输速度可保证信息的实时性，不必耽误功夫了；强大的智能化系统可以减少很多不必要的人力负担，使得企业向现代化迈进。

2　以嵌入式控制器为基础的自动控制系统的设计与实现

在这里我们选用德国的Beckhoff的嵌入式控制器，以全自动工业推板炉为例来研究以嵌入式控制器为基础的自动控制系统的设计中的软件设计和监控程序等。

接下来运用的就是多线程技术，允许CPU独立执行一定范围内的多个任务，大大提高资源的利用效率。其道理是蕴含的非同步的处理机制，使得在不影响别的程序的情况下来新建造一个线程进行计算。并且我们所用的框架之中有专门负责这一项的空间，操作简单易懂。再然后根据系统的功能要求，将程序划分为主线程、OPC读取线程、OPC写入线程、数据记录线程，其分别负责消息的相应、数据的读取、写入下位机数据、记录。

在本文的研究中，是以ARM7TDMI-S内核作为基础，进而进化为LPC2210微控制器作为核心处理器，之所以选择这枚芯片，除了它及其强大的功能外，还有其消耗较少的功率，结构复杂而至。在这枚芯片中，32位的定时器具有多个，ADC是十位的并且数量高达8路，而且在外部的中断管脚安防有多达九个的中断管教，在输出方面更是具有PWM型的输出，基于以上的优点，其在自动化系统和医疗管理系统等系统中特别适用。在这套系统中，LPC2210微控制器提供了76个GPIO，可以适应各种应用，如协议转换器、嵌入式软件调制解调器、通信网关等，而这一切的布置，加上其内部设置了较宽的串行通信接口，完成了总线的配置。除此之外，当进行系统设计时，如需考虑数据的存储、控制、处理时，可以扩展芯片，芯片原有的容量是16K SRAMd、128K FLASH，最大可以扩展到8M PSRAM、16M FLASH。

(1)选用无病种薯，建立无病留种田。(2)发现病株及时挖除，特别是留种田更要细心挖除，减少菌源。（3）噻霉酮叶面喷雾80g/亩，连用两次。

9月16日-18日，“顿悟、起航—中国润滑油厂商专家说论坛”在甘肃兰州国际会展中心举行。本次论坛由中国汽车后市场联合会、派波尔润滑油、财神修车网、《汽车维修与保养》杂志社联合主办，来自润滑油相关企业及200余家汽车后市场终端商的代表参与了本次论坛活动。本次论坛在“第九届兰州中国润滑油、脂及汽车养护展览会”期间举办，凭借展会的强大号召力参展商积极参与本次论坛。论坛上各位演讲嘉宾就加强润滑油贸易和技术创新；共同分享维修行业、润滑油行业的发展；汽车后市场的政策走向；市场开发及营销策划等进行了广泛的交流和讨论。

2.2软件的设计

在软件的设计过程之中，存在着宿主机和目标机两中角色，前者负责执行编译、定址、链接等过程，而后者主要负责运行相关硬件平台。而除了需要考虑这种交叉系统外，还需要考虑到操作系统的因素，合适的操作系统也可使操作更为轻松容易。在这之后就可以使用其中的工具了。

3　实例说明

上述文章已经说到，嵌入式控制器的设计主要由硬件和软件两部分组成。

至于下一个的推进任务，其所有动作都是通过油缸的更替来进行的，油缸将前一个油缸传过来的推板传到下一个油缸，如此周而复始。那么这样基本单元就是一个油缸了，而又由于所有的油缸状态、条件等都相同，所以可以用一个统一的类模型来描述。在这个类模型之中，还可以嵌套别的模型来增加自己功能的灵活性。在实际运用中，共有25个油缸，可以很方便地直接进行增加数量或者好似改变其行为。

在下位机程序软件的设计中，主要分为温度控制和推进动作控制两个方面，这是两个周期性的任务，其周期可以根据实际情况具体制定。可以选用ST语言在德国的Beckhoff的Twincat环境下进行编程。因为FB功能的实现，下位机的面向对象控制程序必然会更加灵活与复杂。

上述四层每层都有不同的功能，第一层的操作层是响应用户状态的，主要负责记录查看、监控、炉温校准等；而数据层顾名思义就是整个系统的数据中心，为其他部分提供数据源；通讯层主控制器与监控软件的联系；物理层负责现场的控制。

3.1下位机嵌入式控制器软件设计

3.2上位机监控软件编程

这套监控软件的编程是采用微软推出的VS的最新版本VS.NET来进行编程的，在.NET的环境下运行，其无论在什么系统上都可以运行。当然也需要平台的支持，像微软的.NET就需要.NET Framework来支持。

下面是本系统的结构图，其采用分层结构，每层为其上层服务

典型病例影像学资料见图1、2。Pfirrmann分级结果见表3。两组患者术后1年椎间盘退变程度较术前有所改善，差异有统计学意义（P＜0.05）。MEDAR组Pfirrmann分级由术前Ⅲ级12例，术后1年恢复至I级2例，Ⅱ级4例，其余5例仍为Ⅲ级；术前Ⅳ级8例，术后1年恢复至Ⅱ级1例，Ⅲ级4例，其余3例仍为Ⅳ级。然而，PTED组由术前Ⅲ级9例，术后1年恢复至I级3例，至Ⅱ级3例，其余3例仍为Ⅲ级；术前Ⅳ级7例中，术后1年恢复至Ⅱ级1例，Ⅲ级3例，其余3例仍为Ⅳ级。术前与术后1年两组间的差异均无统计学意义（P＞0.05）。

在温度控制任务程序的设计中，要先建立温区类模型，将检测温度、设定温度、温度上限等作为温区类的输入数据，将输出率、事件、加热信号等作为温区类的输出信号，实现FB模块，可以根据输入温度和设定温度的控制算法得出输出百分比，然后再转化为相应的控制信号进行输出。在整个温区类中，最为重要的是控制算法的设计，它的好坏直接与设备的性能挂钩。在此处不采用范围较窄、适应能力差的传统PID算法，而是将模糊控制与PID算法结合起来，将人的经验浮于控制器，那么在程序运行过程中，就会有较好的适应能力。

首场揭幕战，就是一场硬仗。改换东家的山东男篮客场对阵上赛季总冠军辽宁本钢，结果并没有出乎大多数人的预料。山东西王92∶113不敌辽宁本钢。

为了使系统的扩展和升级更加方便，原来元素较多的界面已经不适合了，需要自定义控件来布置界面元素。这列控件就是用户自定义设计，把多种功能元素集合到这个控件之中。在设计的时候，要定义此控件的属性、函数、事件。

对公共图书馆招聘信息中需求专业出现的频次进行统计，结果如图3所示。公共图书馆专业需求排前三位的是图情档、其他专业以及人文社科类，占比分别为 28．1%、23．8%、17．3%。 其他专业主要是传媒、会计以及外语等专业。统计分析显示，随着近年来公共图书馆在免费开放政策下业务范围的扩大，人文社科类和传媒类等专业与图情档专业形成竞争关系。对计算机学科的人才需求集中在省级以及沿海地区公共图书馆，县级以及偏远地区图书馆由于公共文化服务体系建设尚不完善、资金投入不足等原因对数字资源建设的关注力度较小，从而对计算机学科人才的需求较低。总之，公共图书馆对人才的专业需求呈多样化趋势。

到2049年，使现有的水土流失面积全部得到治理和巩固，江河泥沙含量减少90%，农业人均保水保土基本农田面积达到0.15 hm2，森林覆盖率达到45%以上，生态系统得到全面修复，生态环境全面进入良性循环，全市实现江河清澈、山川秀美目标，构建起实现资阳水土保持生态文明梦新篇章。

2.1硬件的设计

最后需要使用一种语言来标记电子文件使其具有结构性的标记语言，这就是XML。它的适用面非常之广，可以让用户对自己的语言进行定义，进而标记数据、定义数据类型等。使用XML最大的好处就是可以提供统一的方法来描述交换数据，并且不用重新编译，直接使用与XML配套的应用程序就可以处理数据了。而在我们所使用的.NET系统中，也有专门定义与XML相关的类别。对于工业自动循环推板炉来说，这项软件针对性的开发了组态管理，程序需初始化时直接读取XML进行配置，然后动态创建界面冤死等。

3.3OPC通讯系统

在英语四项基本技能中，听是获取信息的关键，听力理解在高考英语中也占有较大的比重，英语听力不仅能培养学生的理解能力，也能提高学生的综合语言运用能力。然而在广大农村学校，听力教学困难不少，部分学生渐渐失去了对英语学习的兴趣和信心，这也让许多老师对听力教学越来越感到困惑。下面，笔者主要分析农村中学生听力薄弱的原因，并提出相应的听力教学建议。

我们介绍的例子的通讯全部采用OPC，这项程序出现的最大意义就是为Windows的应用程序和现场的实际控制进行了配对，并且统一了所有开发商的程序。其标准是以微软公司的OLE技术为基础，然后通过提供一套接口完成。OPC可以直接从数据源上提取数据，也可以写入数据。

在我们使用的微软.NET语言中，有一个OPC客户端，然后在客户端中引出两个程序集，再调用Server的Connect与OPC的服务器进行连接。而在OPC的结构之中，包含着多个Group，其中的GroupZones为温区控制数据组，包含若干个Item，然后进行简化，每个Item对应一个温区，并且蕴含其中所有数据。在OPC传输信息中，输入方将信息化为字节数组，然后接收方也必须将这些数组再转化为信息。为了保证信息的准确无误，收发的双方必须要使用统一的结构体、编码、对其方式等。

4　总结

我们通过对嵌入式控制器的介绍、构成、用途的叙述，充分了解到了使用嵌入式控制器能够带来的好处：提高了运算能力、降低了成本、优化了设计的技术。此外，通过分析以自动推板炉的软件程序设计，我们了解到了模糊PID算法、XML标记语言、OPC客户端等设计常用的程序语言，这项系统的建设中包含的技术其实已经蕴含大部分当前主流的设计要素了，当然，我们也只是粗略地进行了一些理论上的描述，若要真正掌握程序和系统的设计，就必须要掌握更丰富的知识。通过以上算法程序与嵌入式控制器的融合，才能设计出符合实际的自动控制系统。

参考文献

[1] 王文新.以嵌入式控制器为基础的自动控制系统的设计与实现[J].科技创新与应用,2013,11:18.

[2] 高超,单伟.基于嵌入式控制器的自动控制系统设计[J].电子工业专用设备,2012,08:23-30.

赵理（1985—），男，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市人，职务：教师，研究方向：自动控制。

The design and implementation of the automatic control system based on the embedded controller

Zhao Li

（Xinjiang Engineering School，Urumqi，Xinjiang，830091）

Abstract：With the development of science and technology,now today,embedded system has been the development of a more perfect,and in some areas has been widely used,such as industrial control,intelligent design,especially in automation control system in the field,the embedded system is played a great role.In the design process,need to use many programming languages and standards,specific and each practical system used in programming languages are not exactly the same,but in a large part.We of the embedded system and control were studied summarizes the scientific connotation and historical role,then,an automatic control system and compared fusion, really let the soul of the embedded controller depth control system inside, the design of automatic control system of scientific and reasonable.

Keywords：embedded controller;automatic control system

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