嵌入式系统设计【1】

　　[摘 要]嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

　　嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和具体应用相结合的产物。

　　[关键词]嵌入式系统 设计

　　嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

　　嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和具体应用相结合的产物。

　　近年来,在计算机、互联网和通信技术高速发展的同时,嵌入式系统开发技术取得迅速发展,嵌入式系统应用范围也急剧扩大。

　　从小到电子手表、电子体温计、翻译机等,大到如冷气机、电冰箱、电视机,甚至马路上红绿灯的控制器、战斗机中的飞控系统等。

　　嵌入式系统几乎无处不在:

　　1 嵌入式系统的特点

　　与通用计算机系统相比,嵌入式系统有其自身的特点:

　　(1)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物,这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

　　(2)嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。

　　(3)嵌入式系统和具体应用相结合,其升级换代也是和具体产品同步进行的。

　　因此嵌入式系统产品一旦进入市场,就具有较长的生命周期。

　　2 嵌入式系统的发展趋势

　　消费家电的智能化,为嵌入式系统的发展展现出美好的市场前景,也对嵌入式系统提出新的发展要求;微电子技术和系统设计方法的进步,使得嵌入式系统的发展呈现出以下趋势:

　　(1)随着嵌入式系统功能的增加,嵌入式系统处理的信息和数据量越来越大,系统对处理的响应时问也要求更严格,嵌入式处理器的主频会越来越高,甚至采用多核的方式来应付日益增长的性能要求。

　　(2)嵌入式系统在工业领域和某些特殊场合的广泛应用,要求嵌入式系统具有远程控制软件更新和故障诊断的能力。

　　(3)随着嵌入式系统在手持设备上的大量应用,手持设备的特点要求嵌入式系统功耗、体积更小,重量更轻。

　　(4)嵌入式系统将具有更加高速的通信接口,如USB2.0、千兆以太网等。

　　3 嵌入式系统设计流程

　　嵌入式系统开发分为软件开发部分和硬件开发部分。

　　嵌入式系统开发过程一般都采用“宿主机/目标板”开发模式,即利用宿主机(PC机)上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调试工具来开发目标板上的软件,然后通过交叉编译环境生成目标代码和可执行文件,通过串口FUSB/以太网等方式下载到目标板上,利用交叉调试器在监控程序运行,实时分析,最后,将程序下载固化到目标机上,完成整个开发过程。

　　当前,嵌入式开发已经逐步规范化,在遵循一般工程开发流程的基础上,嵌入式开发有其自身的一些特点,图1所示为嵌入式系统开发的一般流程。

　　流程主要包括系统需求分析佞求有严格规范的技术要求)、体系结构设计、软硬件及机械系统设计、系统集成、系统测试、最终产品。

　　具体情况如下:

　　(1)系统需求分析:确定设计任务和设计目标,并提炼出设计规格说明书,作为正式设计指导和验收的标准。

　　系统的需求一般分功能性需求和非专题与综述功能性需求两方面。

　　功能性需求是系统的基本功能,如输入输出信号、操作方式等;非功能需求包括系统性能、成本、功耗、体积、重量等因素。

　　(2)体系结构设计:描述系统如何实现所述的功能和非功能需求,包括对硬件、软件和执行装置的功能划分,以及系统的软件、硬件选型等。

　　一个好的体系结构是设计成功与否的关键。

　　(3)硬件/软件协同设计:基于体系结构,对系统的软件、硬件进行详细设计。

　　为了缩短产品开发周期,设计往往是并行的。

　　嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件设计上,采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计是现代软件工程经常采用的方法。

　　(4)系统集成:

　　把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起,进行调试,发现并改进单元设计过程中的错误。

　　(5)系统测试:对设计好的系统进行测试,看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。

　　4 嵌入式系统设计面临的挑战

　　要求更高的应用需求推动嵌入式设计从8/16位转向功能更强大的32位MCU。

　　这种升级给工程师带来了严峻的挑战,提出了一系列前所未有的全新问题。

　　(1)转变观念,需要熟悉新的开发模式。

　　嵌入式系统应用不再是过去单一的单片机应用模式,而是越来越多样化,嵌入式系统实现的最高形式是片上系统SoC,而SoC的核心技术是重用和组合IP核构件。

　　从单片机应用设计到片上系统设计及其中间的一系列的变化,从底层大包大揽的设计到利用FPGA和IP模块进行功能组合PSoC/SOPC设计。

　　(2)技术门槛提高,需要学习全新的RTOS技术。

　　(3)选择合适的开发工具,熟悉新的开发环境。

　　目前从8位升级到32位的一个最大障碍就是开发工具的投入。

　　32位开发工具要比8位开发工具复杂得多,使用的技术门槛要高得多,同时其投资也要高得多。

　　(4)熟悉硬件/软件协同设计和验证技术、设计管理技术。

　　软/硬件并行设计是嵌入式系统设计的一项关键任务。

　　在设计过程中的主要问题,是软硬件设计的同步与集成。

　　这要求控制一致性与正确性,但随着技术细节不断增加,需要消耗大量的时间。

　　目前,业界已经开发Polis、Cosyma及Chinook等多种方法和工具来支持集成式软硬件的协同设计。

　　目标是提供一种统一的软硬件开发方法。

　　它支持设计空间探索,并使系统功能可以跨越硬件和软件平台复用。

　　团队开发的最大问题就是设计管理问题。

　　(5)SoC设计所面临的巨大的挑战。

　　SoC已经开始成为新一代应用电子技术的核心,这已成为电子技术的革命标志。

　　过去应用工程师面对的是各种ASIC电路,而现在越来越多所面对的是巨大的IP模块库,所有设计工作都是以IP模块为基础。

　　SoC设计技术使嵌入式系统设计工程师变成了一个面向应用的电子器件设计工程师。

　　随着SoC应用的日益普及,在测试程序生成、工程开发、硅片查错、量产等领域对SoC测试技术提出了越来越高的要求。

　　[参考文献]

　　系统设计是新系统的物理设计阶段。根据系统分析阶段所确定的新系统的逻辑模型、功能要求，在用户提供的环境条件下，设计出一个能在计算机网络环境上实施的方案，即建立新系统的物理模型。

　　第一篇

　　1测试系统总体设计

　　根据实际分析，装置的设计需满足以下条件:1)系统能实现-20～50℃范围内任意时刻的检测并保证测试设备机械结构对测试结果无影响;2)系统应具有较高的自动化水平，在整个测试过程中，用户只需简单操作系统就可完成整个测试。

　　根据设计要求提出的装置整体示意简图如图1所示。

　　系统由恒温试验箱、三轴平台、激光位移传感器、控制系统等主要部分组成。

　　工作时，将待测零件固定在工装板上并放置到试验箱安装支架上，然后关闭试验箱测试室门，当测试室达到预定的温度时，三轴平台带着传感头运动，传感头发出的光束透过双层隔热玻璃从每个零件表面扫过，同时测量值被传感控制器接收，并传输到上位机LabVIEW中。

　　在此过程中，控制系统主要控制伺服电机、恒温试验箱、报警装置等的工作，还对激光位移传感器的信号进行采集、显示、处理和输出。

　　2测试系统硬件设计

　　为实现预定的功能，提高测试效率，保证系统的可靠性，本文提出的双金属片形变测试系统硬件部分整体框图如图2所示。

　　因传统水域测量法采用水作为双金属片的传热介质，在节能、效率、测量精度等方面均存在不足。

　　因此，本文选择恒温试验箱为测试系统提供测试环境，并完成试验箱的设计和激光位移传感器的选型。

　　2.1分体式恒温试验箱的设计目前，市场上的恒温试验箱的测试区与制冷系统为一体式[8]，压缩机等部件在工作过程中的振动会导致被测双金属片的振动，从而影响测试精度。

　　因此，本文设计了分体式恒温试验箱。

　　该试验箱由制冷、制热系统、循环通风系统、测试室以及控制系统等部分组成，分左右2个箱体，2个箱体之间用软管连接用于通风循环，制冷回路、加热管以及风机安装在左箱体中，测试室安装在右箱体中并在其顶侧开有玻璃窗用于激光位移传感器的透光检测。

　　试验箱通过热平衡控温法实现测试室温度控制，表1为分体式恒温试验箱的主要性能参数。

　　2.2激光位移传感器的选择激光位移传感器由传感头和传感控制器组成，是测试系统的核心。

　　传感头主要实现位置信号的采集，传感控制器对位置信号进行预处理并及时传输到上位机，考虑到测试过程中传感器检测光需透过双层玻璃，为保证测试精度，分别选用松下和基恩士的传感器产品做透双层玻璃试验，经过测试比较多个产品的综合性能，最终选用基恩士LK—G5000型激光位移传感器，其传感头主要性能见表2所示。

　　3测试系统软件设计

　　3.1基于PLC的控制程序设计本文选用台达DVP40EH—PLC作为下位机，实现对伺服电机、循环风机、报警装置的控制，其控制流程如图3所示。

　　系统在完成原点回归后，以当前位置作为检测起始点，由于不同类型零件高度不同且激光位移传感器的测试范围为定值，所以，程序运行时首先根据上位机选择的零件类型，Z轴电机运行到指定的位置，然后控制三轴平台进行XY平面移动，待测试完成，系统重新初始化，等待下一次检测。

　　当系统发生错误时，PLC立即停止电机输出，报警灯响起，并把错误信息传输给上位机和触摸屏，以便用户处理。

　　此外，触摸屏除显示测试系统工作状态外，还能实现PLC相关参数的修改。

　　3.2基于LabVIEW的控制程序设计测试系统采用LabVIEW作为上位机控制软件[9]，主要实现以下功能:1)通过TCP/IP协议对激光位移传感器的数据进行读取、处理、显示、储存;2)经过NIOPCServers实现硬件接口的转换，通过RS—232串行接口实现与PLC的连接并通过该端口控制PLC工作;3)通过RS—485串行接口，实现与DTC的数据传输;4)根据测试要求编写人性化的人机界面。

　　3.2.1数据传输与数据处理测试中，LabVIEW根据PLC发送检测开始信号，调用数据采集子VI。

　　由于数据的实时处理会导致数据处理量大并增加编程的难度，并且在整个检测过程中零件需在不同温度下重复检测，为此，程序设计分2步:1)在传感器检测时，将数据实时存入数据库;2)检测完毕试验箱升温或降温时，调用检测数据进行数据处理。

　　1)数据采集传感控制器与LabVIEW是基于TCP/IP协议利用以太网实现两者的通信。

　　首先设置传感控制器和计算机的IP地址、子网掩码和网关，然后在LabVIEW中运用“Getdllpath”，“DllretcodetoVIErrcode”等函数编写数据采集子VI，供LabVIEW主程序调用，最终实现LabVIEW对传感器数据的采集。

　　LabVIEW数据库工具包基于ODBC(openda-tabaseconnectivity)技术，利用DSN(datasourcenames)连接数据库，将采集到的数据存入数据库，并对这些数据进行管理和查询。

　　图4为传感器数据采集程序。

　　2)数据处理LabVIEW对所采集的数据进行数据截取、数据过滤以及求平均值。

　　在每次检测完毕后，LabVIEW调用测试原始数据，由于被检测的零件成规则排布，可根据伺服电机的行走路径、行走速度以及采集到的数据进行计算分析，计算出每个零件数据的范围并截取出每个零件的数据段，然后针对每个零件数据进行过滤，除去误差较大的数值，最后对剩下的数据求平均值，即可得零件某温度下的位移量。

　　待零件所有温度检测点全部检测完毕后，系统根据每个温度检测点的检测数据，计算出双金属片在各温度间的相对变形量，然后与标准变形量比较，就可判断出零件的合格性。

　　当产品检测不合格时，记下该产品对应的序列号，测试时间和各项测试指标，并在人机界面上显示，用户可根据约定的排练顺序，取出不合格产品。

　　此外，LabVIEW利用数据库工具包和报表工具包编写数据库管理和生成Word报表程序，从而用户可在人机界面上查询数据并打印报表。

　　3.2.2基于OPC协议实现对PLC的控制LabVIEW与PLC通信的实现过程分为2步:1)建立PLC与NIOPC服务器的连接:在NIOPCServers软件中添加新的Channl后，选择ModbusSerial驱动程序，并设置通信格式，然后新建设备名并添加标签属性。

　　2)建立OPC与LabVIEW的连接:首先，创建I/O服务器，并通过I/O服务器连接OPC标签的共享变量，然后将带标签的共享变量拖入程序框图，从而实现上位机与PLC的通信。

　　测试系统运行中，LabVIEW通过RS—232串行接口把设置的参数和操作量传递给PLC，PLC根据内部程序执行上位机的指令，并向上位机传输PLC状态。

　　3.2.3基于Modbus协议实现对DTC的控制在恒温试验箱运行中，LabVIEW通过Modbus协议实现与温控器通信并控制温控器工作。

　　LabVIEW程序运用NIModbus函数实现对温控器的控制，采用“MBSerialInit”函数进行端口配置、“MBSerialMasterQuery(poly)”函数读写寄存器的值、“VISA关闭”函数关闭等函数进行编程并把程序封装成温控器子VI。

　　图5为温控器子VI。

　　3.2.4LabVIEW人机界面的设计本测试系统人机界面由主控、调试、报警、查询、登入等界面组成。

　　为了用户能够更好地操作测试系统，该系统采用了人性化操作界面，其中主控界面有基本参数选择按钮，测试系统实时状态显示功能，激光位移传感器采集数据实时显示等。

　　4试验研究

　　4.1系统标定按检测流程标定出测试范围(-20～50℃)内每个整数温度下工装板的形变，以便系统计算零件形变量时除去此部分误差，从而保证测量精度。

　　4.2试验描述与结果分析所研制的测试系统对宁波蓝宝石科技仪器有限公司煤气表C型温度补偿片进行了测试。

　　先将零件安置到试验箱中，并设置试验箱测试点温度:-5，5，15，25，35℃。

　　测试系统运行后，待测试室温度由室温降到-5℃，然后三轴平台带着传感头运动检测出各零件与传感器基准之间的相对位移，传感器依次检测各个温度点，5个检测点总共检测时间大约58min，每次检测零件数为180个且不良零件全部检出。

　　表3为部分零件检测数据。

　　结果表明:该测试系统工作效率高、可靠性好、自动化程度高。

　　5结论

　　基于恒温试验箱、激光位移传感器等硬件平台和Lab-VIEW软件平台研制了双金属片形变测试系统，并对设备进行了实际测试，结果表明:1)所研制的恒温试验箱很好地解决了压缩机等部件的振动对测试结果的影响，并为检测提供了稳定、可靠的测试环境，提高了检测效率。

　　2)所研制的测试系统控制部分以LabVIEW为核心，采用性能优良的激光位移传感器，实现了透过双层玻璃的检测，且可较好地实现高效精确的数据传输和分析功能。

　　3)研制的测试系统采用触摸屏和LabVIEW人机界面，系统可视性提高，便于实现在线监测。

　　作者：楼应侯 朱文斌 王贤成 胡宁波 王友林 单位：浙江大学 宁波理工学院 机电与能源工程学院 太原科技大学 机械工程学院

　　第二篇

　　1自抗扰控制系统

　　1.1ADRC系统设计ADRC结构如图1所示。

　　此系统主要跟踪微分器(TD)、分线性组合、被控对象、扩张状态观测器4部分组成。

　　整个系统的流程安排主要由跟踪微分器完成。

　　扩张状态观测器主要作用是估计系统状态、模型和干扰[6]。

　　非线性组合主要是完成非线性误差反馈(NLSEF)确定一个固定的控制信号。

　　如果异步电机驱动系统是矢量控制的，此时应该选用一阶模型控制器，其结构也应该与其匹配的二阶ESO结构[7]。

　　基于一阶ADRC转速控制器结构图如图2所示。

　　转子链条不点是矢量控制的一个重要的特点。

　　如果转动惯量发生变化，此时会造成系统模型误差和负载扰动的情况，可以利用ADRC的特点，通过ESO观测此时的扩张状态Z2[8]。

　　1.2ADRC的优化在如图2的结构中，并没有TD的输出，这是因为ESO输出的观测值并没有被控制对象的微分项输出。

　　如果NLSEF被线性比例调节所代替，代替之后的优点是模型简化、计算量减小，同时还能很好的保证控制器的性能[9]。

　　优化后的一阶ADRC转速控制结构图如图3所示。

　　2系统软件设计

　　系统的程序流程图如图4所示。

　　整个系统的编程采用结构化的形式进行，在软件STEP7V5.2环境下通过语句表STL完成[11]。

　　3测试结果和分析

　　测试系统主要由监控软件、变频器和光电编码器构成。

　　其中监控软件使用的是WinCC。

　　变频器使用的型号是S7-300PLC。

　　具体的连接示意图如图5所示。

　　在实际的应用当中，控制器的离散控制周期决定了参数β01(β01=1/h)和β02(β02=1/(5h)2)的值。

　　在测试中设定h=100ms，所以相应的β01和β02的值分别为10和20。

　　kp和b0通过由小到大的试凑法整定。

　　变频器是矢量控制方式，原始速度为200r/min，周期为60s，整个系统的闭环响应可以通过变化的三角波得到。

　　其中n的变化范围是200r/min～500r/min。

　　具体的测试结果如图6和图7所示。

　　通过图6可以看出，传统的PLD控制和ADRC控制方式相比，PLD控制的跟随性很差。

　　而ADRC控制方式的跟随性很好。

　　通过图7(a)可以看出，ADRC控制方式和传统的PLD控制方式相比，其鲁棒性和抗干扰性具有明显的优势。

　　通过图7(b)可以看出，ADRC控制方式和传统的PLD控制方式相比，其动态性能更好。

　　4结论

　　传统的PLC变频调速系统存在一些不足，为了很好的解决这些问题，文章提出了一种基于自抗扰控制器的异步电机变频调速系统。

　　文章主要介绍了此系统的数学模型和具体的实现方法。

　　测试结果表明，和传统的PLC变频调速系统相比运行性能提高了很多。

　　文章还介绍了ADRC的优化方法。

　　优化后的系统不但减少了计算量，而且控制器的参数也大大减少。

　　作者：马宏骞 单位：辽宁机电职业技术学院自控系