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電子萬能試驗(yàn)機(jī)及
液壓萬能試驗(yàn)機(jī)的著名品牌。也是國內(nèi)最早的民營試驗(yàn)機(jī)企業(yè)之一。試驗(yàn)機(jī)在儀器儀表行業(yè)中占有重要的位置。今天 我們一起探討高級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在自動(dòng)化儀器儀表中的具體應(yīng)用情況。
摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展以及技術(shù)水平的提高，嵌入式計(jì)算機(jī)作為一種新興的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，已被社會(huì)人士得到廣泛的關(guān)注。目前，該系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)設(shè)備以及智能化家電當(dāng)中。本文主要分析了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在自動(dòng)化儀器儀表中的應(yīng)用，以期促進(jìn)儀器儀表行業(yè)得到更快更好的發(fā)展。
在新時(shí)代信息發(fā)展的今天，信息化、智能化、數(shù)字化得到了較快的發(fā)展，這極大的推動(dòng)了我國科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，自動(dòng)化儀器儀表的主要功能是為了對(duì)社會(huì)中各個(gè)物質(zhì)進(jìn)行測量，它是信息發(fā)展的源頭，是整個(gè)社會(huì)發(fā)展的重要手段。在自動(dòng)化儀器儀表中，嵌入式計(jì)算機(jī)作為一種新興的高級(jí)系統(tǒng)，已逐漸被業(yè)界人士廣泛關(guān)注，通過相關(guān)研究，已將其運(yùn)用在日常生活中，并為自動(dòng)化儀器儀表提供了良好的條件，促使儀器儀表行業(yè)向更好的方向發(fā)展。
一、高級(jí)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用為儀器儀表行業(yè)發(fā)展提供了廣闊的前景
（一）嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分類。
嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)為主要內(nèi)容，適應(yīng)硬件軟件系統(tǒng)，并且需要該系統(tǒng)的功能、體積、能耗、成本等各個(gè)方面都達(dá)到一定的要求，該系統(tǒng)是一款專用性很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。近年來，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)越來越發(fā)達(dá)，通過分析，我們可將其分為以下幾種類型：1）基于單片機(jī)的MCU系統(tǒng)。這種系統(tǒng)中主要是采用8位或者16位的處理器進(jìn)行的，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是具有高集成度，并且具有良好的控制功能；缺點(diǎn)是容量小，存儲(chǔ)空間有效，功能不能夠達(dá)到理想的效果。2）工業(yè)化單板機(jī)（PC104）。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：功能極為強(qiáng)大，并且機(jī)器小、能耗低、安全可靠；其缺點(diǎn)是：不夠靈活，只能夠選擇一些板卡級(jí)硬件進(jìn)行裁剪。3）MPU或者DSP系統(tǒng)。這種系統(tǒng)主要是采用32位的處理器進(jìn)行運(yùn)作，它能夠根據(jù)規(guī)定或要求對(duì)硬件進(jìn)行裁剪，不會(huì)受到其他因素的限制，這種嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)擁有一個(gè)巨大的軟件平臺(tái)，專用性極強(qiáng)。
（二）嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)前景廣闊。
在實(shí)際工作中，我們可以根據(jù)自動(dòng)化儀器儀表的特殊要求，將硬件進(jìn)行合理的裁剪，使系統(tǒng)微型化，并能夠有效的實(shí)現(xiàn)高集成度，此時(shí)的自動(dòng)化儀器儀表就能夠越來越智能化，它可以對(duì)外界物質(zhì)的空間特性進(jìn)行科學(xué)的測量，能夠有效的對(duì)電路補(bǔ)償，有利于對(duì)獲取的信息進(jìn)行科學(xué)的處理，能夠自我診斷故障并維修，還能夠自我學(xué)習(xí)，適應(yīng)能力極強(qiáng)。在利用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的過程中，有利于幫助自動(dòng)化儀器儀表完成遠(yuǎn)程控制、探測、維護(hù)、處理等功能，這些都是過去儀器儀表中不能夠完成的。總而言之，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的誕生與應(yīng)用，為自動(dòng)化儀器儀表的發(fā)展提供了有利的依據(jù)。
二、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)是自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)的新模式
（一）傳統(tǒng)儀器儀表設(shè)計(jì)的弊端難以滿足市場發(fā)展需要。
過去，我們?cè)趯?duì)儀器儀表進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，工序極為復(fù)雜，其主要流程是：首先需要對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)；其次應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)；最后還需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的集成度進(jìn)行全面的測試。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師如果發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的硬件出現(xiàn)錯(cuò)誤或者整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)各種缺陷問題，要想在此基礎(chǔ)上更正是不大實(shí)際的，往往需要設(shè)計(jì)人員對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這樣也就不僅延長了系統(tǒng)開發(fā)的周期，增加了經(jīng)濟(jì)成本，還不能夠滿足社會(huì)發(fā)展的需求，不能為市場提供良好的產(chǎn)品。
（二）嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)復(fù)合自動(dòng)化儀器儀表的設(shè)計(jì)發(fā)展。
在嵌入式系統(tǒng)的研究開發(fā)中，人們認(rèn)識(shí)到軟件與硬件的開發(fā)不應(yīng)是獨(dú)立的、分離的，而應(yīng)是協(xié)同的、一致的。即在軟件和硬件實(shí)現(xiàn)之前，對(duì)軟硬件所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行劃分，以便產(chǎn)生一個(gè)最佳的分解方案，同時(shí)在硬件開發(fā)之前，應(yīng)對(duì)包含軟件、硬件的嵌入式系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行驗(yàn)證，以確保系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與最初的功能規(guī)格說明相一致。這就是一種新的設(shè)計(jì)模式—軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)（CoDesign）。這種思想對(duì)于自動(dòng)化儀表的設(shè)計(jì)是很有借鑒意義的。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)可分為四個(gè)階段：系統(tǒng)功能描述和劃分階段，軟硬件設(shè)計(jì)階段，協(xié)同模擬階段，軟硬件綜合階段。
1.軟硬件綜合。
模擬通過后進(jìn)行軟硬件綜合，最后完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。硬件構(gòu)件的綜合可由硬件高層綜合、邏輯綜合、版圖綜合等幾個(gè)不同階段構(gòu)成。軟件構(gòu)件的綜合包括軟件高級(jí)綜合、編譯、匯編等幾個(gè)階段。采用這種新的設(shè)計(jì)思想，不僅能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，而且避免了重復(fù)設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的合理性和成功率。
2.軟硬件功能分解。
在系統(tǒng)功能描述的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，劃分軟硬件部分，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠并行進(jìn)行，使系統(tǒng)方案接近最優(yōu)。
3.系統(tǒng)協(xié)同模擬。
軟硬件設(shè)計(jì)完畢，通過通信和同步機(jī)制對(duì)整個(gè)系統(tǒng)綜合模擬驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修正系統(tǒng)設(shè)計(jì)偏差。
4.系統(tǒng)功能描述和劃分。
在設(shè)計(jì)的初期就對(duì)系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行驗(yàn)證，采用和實(shí)現(xiàn)無關(guān)的語言描述系統(tǒng)的功能，可以采用VHDL作為算法級(jí)的描述語言，也可以通過對(duì)C語言進(jìn)行必要的修改與擴(kuò)充作為行為級(jí)的描述語言，以便對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行模擬驗(yàn)證。
三、高性能嵌入式處理器是新型自動(dòng)化儀表的核心
（一）高性能嵌入式系統(tǒng)使新型儀器高性能成為可能。
目前的自動(dòng)化儀表大多采用8位或者16位的微控制器（單片機(jī)），雖然在一定程度上做到了智能化，但是隨著需要實(shí)現(xiàn)的功能越來越多，越來越復(fù)雜，已經(jīng)有些力不從心。同時(shí)，微電子技術(shù)、芯片技術(shù)、集成電路工藝的飛速發(fā)展，使得高性能的嵌入式處理器的價(jià)格、體積、功耗都不斷降低，新型儀器中使用高性能的嵌入處理器已成為可能。嵌入式DSP處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較快。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面具有突出的優(yōu)勢，比較有代表性的產(chǎn)品是TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。為了滿足各種不同應(yīng)用的需求，CPU生產(chǎn)商還提供了專用的集成化處理器。以32位處理器為內(nèi)核，處理器中還集成了許多外圍的功能。如Motorola68360是一個(gè)32位內(nèi)核（CPU32+）的集成通信用CPU，它最大的特點(diǎn)是集成了一個(gè)通信系統(tǒng)，內(nèi)含4路同步協(xié)議的協(xié)議通道，可以支持HDLC、T1/E1、ISDN等通信協(xié)議。ARM系列的微處理器種類更多，有專用于網(wǎng)絡(luò)的，專用于通信的，集成DSP協(xié)處理器的，還有支持Java的等等。
（二）嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS使自動(dòng)化儀表產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。
自動(dòng)化儀表不一定需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而且在以往的儀器儀表中由于處理器功能、存儲(chǔ)器容量等限制，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。隨著儀器儀表硬件功能的增強(qiáng)，成本的降低，功能要求的增加和復(fù)雜化，需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)多個(gè)任務(wù)進(jìn)行合理協(xié)調(diào)調(diào)度，管理系統(tǒng)資源的要求越來越迫切。
四、結(jié)束語
由上可知，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是當(dāng)前社會(huì)中應(yīng)用最為廣泛的一種設(shè)備，它的誕生與發(fā)展促進(jìn)了儀器儀表行業(yè)的快速發(fā)展，并且在國際上掀起了一股研究嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的熱潮。在利用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的過程中，我們需要運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)模式，并選用一種高性價(jià)比處理器系統(tǒng)，然后在現(xiàn)代化發(fā)展的驅(qū)使下，使儀器儀表行業(yè)走向智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化，有利于該行業(yè)更快更好的發(fā)展。
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