试论微电子技术在自动化控制中的应用

2022-08-03中国电子科技集团公司第十三研究所薛源

数字技术与应用 2022年7期

中国电子科技集团公司第十三研究所薛源

随着科学技术水平的不断提高，各行各业对于自动控制的需求越来越大，再加上不同行业对于自动控制的不同要求，促进自动控制得到了有效的发展。尤其是将微电子技术融入到自动化控制中后，不仅在一定程度上提高了自动控制的精准度，还促进了自动化控制系统的小型化，对自动控制领域的发展具有积极地推动作用。因此，文章对微电子设计自动化技术进行研究，希望其可以在自动控制领域中得到更加广泛的应用，进而为各行业的相关人员提供工作上的便利。

1 自动化控制概述

社会不断发展与进步下，自动化控制技术一直在不断的提升，且在各领域中的应用范围越来越广泛，并在不同行业的应用过程中取得了一定的成就，对各个行业的发展与进步具有重要作用[1]。自动化控制其实与人工控制是相对立的，其是不需要人工进行手动操纵控制的，只需要在相关设备中安装一个控制装置就可以进行自动的有计划操纵。但在这个过程中一定要注重反馈控制系统，当控制部分向受控部分发出相应指令时，受控制部分可以及时的将其活动的状况正确的反馈给控制部分，从而让控制部分根据受控部分所传的信息进行及时的活动调整。将微电子技术应用于自动化控制系统中可以发现，原本杂乱无章的线路变的更加整洁有序，控制系统的精确度得到有效提升，而且控制系统体积也在慢慢的缩小，为使用者提供了很大的便利[2]。

2 开发流程

在自动控制过程中，一定要注重反馈控制系统，当控制部分向受控部分发出相应指令时，受控制部分可以及时的将其活动的状况正确的反馈给控制部分，从而让控制部分根据受控部分所传的信息进行及时的活动调整。如图1所示为自动控制系统框图。融合了微电子技术的自动控制系统的设计流程分为设计输入、设计测试、设计数据、设计仿真四个模块，如图2所示。

图1 自动控制系统框图Fig.1 Block diagram of automatic control system

图2 设计流程图Fig.2 Design flow chart

2.1 设计输入模块

微电子技术融入自动化控制系统设计时，一般会将想要实现的目标以计算机编程的形式实现，但在编程中不仅要注意每一个控制系统相关功能的体现，还要注重输入模块的设计质量，必须保证当控制命令发出时，设备的相关自动化控制系统可以做出相关的反应，保证反馈控制系统中控制单元与受控单元之间可以进行高效的信息反馈和信息执行，当自动化控制系统在接收到反馈信息时，可以及时有效的做出相应的命令动作，以此在提高自动化控制系统的精确度同时提高其执行的效率[3]。想要实现这一效果，对于自动化控制系统的设计人员来说是一个很大的挑战，需要其在进行代码编写时尽量减少不必要的代码出现，以此提高自动化控制系统的执行效率。

2.2 设计测试模块

测试模块的设计其实就相当于起到查漏补缺的作用，为了更好地避免自动化控制系统在实际的应用过程中出现各种问题，通过测试模块可以将其实际应用的每一个环节都可以进行缺陷的排查，一旦发现其中存在哪些漏洞或者还可以进行进一步改善的地方，设计人员可以第一时间对其中存在的漏洞进行解决，在保证自动化控制系统进行正常运行的前提下不断提高其运行的安全性和效率[4]。由此可见，测试模式的设计对于自动化控制系统的完善具有重要意义。测试模块进一步确保自动化控制系统的安全运行，相当于多了一层保障，在一定程度上有效避免了一些问题的发生，使自动化控制系统可以更加安全的运行。

2.3 设计数据模块

控制系统中所包含的信息是非常多的，想要对这些信息进行有效的处理和保管，离不开数据模块的设计。再加上各行业对于控制系统的精确度要求越来越高，就更需要把这些控制信息进行高效的处理，使控制系统中的信息可以得到有效的提取和储存，从而更好地保障自动化控制系统的工作速度[5]。基于此，相关设计人员在进行数据模块设计时，一定要不断提高相关数据处理的效率，只有这样才能使自动化控制系统及时发出有效的控制命令，才能真正发挥自动化控制设备的作用。

2.4 设计仿真模块

仿真模块的设计其实与测试模式的设计具有一定的共性，其都是具有查找缺陷的作用。但是仿真模块设计与测试模块设计最大的不同之处就是，仿真模块设计是通过模拟系统真实的运行条件，进而在系统运行的过程中查找系统运行中可能存在的一些缺陷，一旦发现系统运行中的缺陷，方便相关设计人员对其缺陷之处进行有效的调整，以此来更好地保证自动化系统的运行安全。而通过模拟系统运行条件的形式对系统运行缺陷进行排查，排查的结果真实性更高，且可有效的提高系统运行的效率。

3 微电子设计自动化技术的特点

3.1 方便功能调节

在微电子设计的自动化控制系统的应用中不难发现其控制的对象一般都是多样化的，很少有只控制一个对象的现象发生[6]。那么随着工业控制系统的快速发展，对图像、语言信号等大数据量以及高速率传输的要求越来越高。相应的控制功能也在不断的实践中进行完善，未来自动化控制系统中所需要控制的对象的数量可能还会增加，面对这种情况，只需要对其代码进行转换再进行一定的调试就可以实现对多控制对象的有效控制。而在代码转换过程中一般都是在芯片内进行的，只要一个小小的芯片，插入到自动化控制设备当中就可以实现自动化控制系统的正常、安全运转[7]。除此之外，通过微电子设计自动化系统，在对系统进行升级改造时只需要通过计算机编程进行相关代码的编写即可完成控制系统的多项新要求，且在完成控制系统升级改造之后，还可以通过测试编程的设计对系统运行中存在的一些漏洞和问题进行修补，以此更好地确保控制系统的安全运行，使控制系统在各行业中的应用可以为各行业安全、稳定的发展进行有效的服务。

3.2 高集成度

随着微电子技术的出现以及其在自动化系统中的不断应用，电子线路变的越来越小。而众所周知，自动化系统中所需要应用到的电子线路数量是非常庞大的，且不同的电子线路往往都具有不同的功能，如果把这些电子线路都暴露在自动化控制设备当中，不仅其设备的体积会非常大，而且还会影响自动化控制系统的安全运行，这对于各行业中应用自动化系统进行发展的企业来说显然是非常不利的。而微电子技术的出现正好打破了这一局面，其只需要通过一个小小的芯片就可以把多数量、多功能的电子线路有效的集成在一起，不仅系统的体积得到明显的下降，系统反馈信息的效率也得到了明显的提升。而从对小规模集成电路与大规模集成电路的划分中也可以明显的看出两者之间的区别还是非常大的。小规模集成电路中电子元件的数量一般少于100个，但是大规模集成电路中电子元件的数量则可以高达100万个。集成电路中大数量的电子元件在运行过程中势必会消耗大量的能量。但微电子技术的应用则可以有效降低自动化系统功能的消耗，这也是现在集成控制系统得以在工业控制上得到广泛应用的重要原因，为工业的发展节省了更多的资金成本，且并不会占据工业生产太大的空间。

3.3 采用计算机编程控制

在微电子设计没有应用到自动化技术之前，自动化控制系统如果想要增加几个新的功能控制，肯定是需要多增加一些硬件的，这在无形之中不仅会增加其使用的成本，还会给使用者带来一些不必要的麻烦，自动化控制系统想要快速的投入到正常的运转当中是非常困难的。但随着微电子设计在自动化技术中进行应用，不仅只需要一个小小的芯片就可以完成对自动化控制系统的控制工作，且不管多少电子元件的集成电路都可以在芯片中进行高效率的功能控制。而当自动化控制系统需要增加功能控制时，只需要利用计算机编程就可以快速的实现，根本不需要进行硬件方面的任何增加，在完成控制功能的代码编辑工作之后，还可以根据其个体差异性进行代码的修改，更新后的自动化控制系统不仅工作效率更高，而且不会浪费太多的时间和成本。

3.4 要注意进行仿真开发

在自动化系统正式进行使用之前，对其进行仿真开发是非常重要的。但是在没有应用微电子设计之前，自动化系统是无法实现仿真开发的，这也充分说明了仿真开发其实就是微电子自动化系统的一个重要特征和体现。而仿真开发过程中，需要采集实地现场的一些数据，把这些数据通过代码的形式进行体现，就可以真正模拟自动化系统在实地现场应用情况，当在实际的运转过程中哪个控制系统的精准度没有达到要求的，可以进行及时的调整，有效提高系统控制的精准度。此外，在仿真自动化系统运转中还可以及时发现其中一些不适用的地方，及时进行调整会使自动化系统的运转更加安全、顺利。

4 微电子设计自动化技术的应用

4.1 软件开发

微电子技术的不断发展对于计算机编程的应用和发展具有一定的推动作用。同时，微电子技术应用在自动化控制系统当中，加快了自动化控制设备更新换代的速度，自动化控制设备在各行各业中的应用会越来越广泛，且对于相关操作人员来说会更加便利、简单，对于应用企业来说投入的成本也在慢慢降低，且随着集成电路只需要在芯片中就可以完成相应的控制工作，自动化控制设备的相关规格也会越来越小，在一定程度上也节省了一定的空间。在科学技术的不断发展下，现代社会中对于软件的开发和应用越来越普遍，且软件开发的功能也越来越多样化，满足了不同人对于软件使用的需求，且随着人们对于软件功能要求的增多，还可以通过重新编辑的形式对软件进行更新和升级，人们需求得到满足的同时，对软件的使用满意度也会得到相应的提升，但软件的更新和升级并不会投入太多的成本。可见，其具有既节省成本又可以达到客户满意的优势。

4.2 电气设备革新

无论是人们的生活还是生产现在都离不开电的使用，电气设备对于人们来说并不陌生，尤其是在工业领域方面的应用非常频繁，而且其电气设备的种类也非常繁多。但随着用电量的不断增加，安全用电至关重要，这就需要对电气设备进行一定的更新，以确保电气设备的安全运行。而在电气设备的更新中，微电子自动化技术的应用，可以使电气设备中的相关程序软件开发效率更高，精确度更准，对进一步优化电气设备具有重要意义。

4.3 高校教学

随着社会的不断进步与发展，微电子设计在自动化技术方面的应用已经成为未来的一种发展趋势，面对人们对自动化控制系统需求越来越多样化，显然传统的机械控制方式已经不能得到有效的适用，不仅浪费资源成本，而且还会影响自动化系统控制的精准度，微电子技术的应用将会使自动化系统得到不断的升级，各领域对于自动化系统的应用也会更加广泛。那么面对自动化系统的不断升级，高校作为培养自动化技术人才的重要场所，在相关的教育资源上肯定要做出一定的改变，教育资源必须与当前社会发展中所需要的微电子自动化技术相连接，这样才能培养出更多优秀的微电子自动化技术人才，才能在毕业之后成为社会发展所需要的人才，这既对微电子自动化技术的发展非常有利，对高校学生日后的职业生涯发展也将具有重要作用。

4.4 控制工业电气

微电子技术的不断发展确实对自动化系统的升级具有积极的推动作用。自动化控制系统在社会工业的发展中应用是非常普遍的，在工业的生产中随处可见自动控制机器的情况，这不仅在一定程度上降低了人工的工作量，而且针对于一些比较危险或对精确度要求比较高的工作，可以直接通过自动化系统控制进行实现。比如：在现代的工业生产中随处可见机器人自动化设备，机器人可以代替人工更高效的完成相应的工作，而这里的机器人就是通过微电子技术芯片的方式对其进行控制的，当需要机器人进行审计时，只需要对其系统进行升级即可，这对于工业的快速发展做出了突出的贡献。