嵌入式控制系统引用网络功能

 

　　用于控制设备的计算机，也叫做 嵌入式系统，它的历史几乎和计算机自身的历史一样长。它们初于六十年代晚期在通讯中被用于控制机电电话交换机。由于在过去的十多年里，计算机产业不断朝着更小的系统方向发展，嵌入式系统也与之一起为这些小型机器提供了更多的功能。渐渐地，就需要把这些嵌入式系统连接到某种网络上，因而也就产生了对网络栈的要求，这提高了系统的复杂程度并要求更多的存储器和接口，还有，您猜对了，操作系统的服务。

　　虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从20世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。嵌入式系统的出现初是基于单片机的。70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上"系统"的概念。

　　OEM厂商把强大的网络功能引进到嵌入式应用系统中。现在，自动装配线的监控人员可以坐在台式计算机前面，通过Web浏览器，监控和调整总装线上的每一个设备部件；医生则可以通过Web浏览器把一系列上网诊断设备的数据调集在一起，进行综合分析。

　　许多OEM厂家对产品上网有些顾虑，怕拖延产品上市时间、怕需要一笔可观的起动资金、怕会有长远的维修费用。Bright Start Engineering公司率先实现了一项既简单、价格又不贵的上网技术。这就是集软硬件和必要的开发环境于一身的垂直式网络引擎，我们叫ipEngine.

　　对于多种控制应用系统，ipEngine可以作为控制器使用。ipEngine用FPGA构成虚拟接口，可动态地配置内部功能和外部接口，以适应各种用户的应用需要。图1给出了ipEngine在生产厂中的应用示例。作为混合罐的控制器，ipEngine以M型模块方式装在混合罐主接口电子线路板上。它和传感器相连以测量温度、压力，与执行机构相连以控制转动部分的工作和速度。ipEngine板上的软件完成闭环控制所需的任一功能，板上嵌入的Web服务器支持在intranet或Intenet网上的任意地方，都可通过浏览器对设备进行监视和控制。为防止对设备进行非授权的访问，Web网页设有口令字，保证Web网服务的安全。

 

 

　　IpEngine还可提供对原有的控制系统提供上网能力。譬如，对于图1中的焊接机器人，ipEngine安装在原有的控制系统内。有的控制系统多数都有标准总线接口。将ipEngine上的FPGA配置成对应的标准总线协议，如PC机的ISA、PCMCIA或VME总线等。ipEngine可经总线与已有控制系统相连，虽然软件的闭环控制部分用不着，但是它却担当起焊接机器人已存在的接口协议与Internet网之间的网关作用。

　　与ipEngine硬件相配套的有两种预集成的、不需付版权费的操作系统。一个是实时的基于POSIX的网络操作系统；一个是Linux嵌入版本。两个操作系统都支持完备的TCP/IP连网和Web服务器。

　　结构

 

　　图2是ipEngine的硬件结构图。微处理器是Motorola生产的 嵌入式MPC823型PowerPC.之所以选MPC823是因为它有丰富的外围接口，包括Ethernet、USB、和I2C,还有两个串行口和一个LCD控制器。MPC823有适合于电池供电片上的许多低功耗工作模式。ipEngine板上有16MB DRAM,2MB FLASH（快闪）存储器，使应用软件足以从网上，或存于FLASH.板上有专门的开关电源，除自用外还可以向用户的电子电路供电。开关电源的输入为5~18V的单一直流电源。

　　虚拟接口

　　ipEngine板上采用由FPGA构成的介于MPC823和用户电子电路之间的虚拟接口。FPGA选用Altera公司的EPF6016,具有1300个用户可配置的触发器。因为FPGA的配置数据每次上电要重装，或运行中进行配置，重装约需10ms.虚拟接口的外引接插件有132引脚，其中82引脚接FPGA,其余接时钟、电源和MPC823的外围功能。另有128K×16位高速同步SRAM挂在FPGA上，作为虚拟接口的高速缓冲。FPGA中有专门为MPC823和FPGA访问SRAM时所需的仲裁电路。SRAM也用做高速同步I/O与处理器内核之间的缓冲，和存放输出波形的查表数据。板上的锁相环电路能合成任意频率的时钟信号，为PowerPC提供片上波特率信号源和FPGA所需的低时滞时钟，还留有一路经虚拟接口的插头方便用户的使用。

　　传感器及执行机构接口

　　ipEngine提供的典型I/O接口有：串行I/O,并行总线及I/O,波形输入/输出。见图3.

 

 

　　串行I/O 对于串行设备的同步  （如AD/DA变换器）使用内部移位寄存器加上一些控制逻辑，因此，串行模拟变换器可由FPGA上8/16位寄存器的读和写来操作。现在MPC823用的是查询方式，将来可以用中断或DMA方式。典型的同步串行口大约耗用20~30个触发器。

　　并行I/O及总线  并行AD/DA变换器及分立的I/O设备的接口FPGA的寄存器来实现。复杂的双向存储器接口和处理器总线式接口也由FPGA的内部逻辑来实现。

　　波形输入

　　主要用于输入波形的测量和比较，如脉冲的频率、脉宽和多路脉冲的相位等。它们用输入波形对内部的计数器进行门控或钟控来实现。

　　波形输出

　　脉冲宽度调制（PWM），是英文"Pulse Width Modulation"的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

　　主要是PWM驱动和控制步进马达等的输出。它们用计数器、寄存器、比较器或方向控制电路来实现。用更复杂的逻辑还可实现加速和制动输出。

　　虚拟接口的讨论

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

　　以FPGA为基础的虚拟接口能省去连接用户传感器和执行机构等的附加硬件，可节省开发调试的时间。因为FPGA的各种配置软件可以事前开发或更新，使用时可在现场升级。 但是虚拟接口的缺点是，虽然可向用户硬件提供灵活的接口，但缺少工业标准总线（即PC/104和VME），而不能为现成的标准I/O卡提供接口。现BSE公司完成了FPGA上的ISA总线接口，以及PC/104模板。虽然FPGA可以实现很多复杂的功能，但是用户要花很多时间去开发。为此，BSE公司打算提供上千种预先编辑好的fpgaWare库，其中包括标准的内部外设和外部接口，fpgaWare库可通过自动处理向用户提供。

　　操作系统

　　BSE公司的是自己的pKernel实时操作系统，pKernel提供POSIX操作，以及上网应用的开发环境。它集成了TCP/IP网络协议和Apache Web server嵌入式版本。第二个选用的操作系统是Linux嵌入式版本。ipEngine上装有Linux全部内核和网络实用程序，但节省了几百兆的硬盘，用起来还是方便的。除上述Linux内核和实用程序外，ipEngine的板上闪存还装有Apache Web server,Java虚拟机等，存储空间还有剩余。

　　BSE能提供嵌入式Linux和pKernel环境下的开发工具套件。还有开发者立即可用的硬件和软件，它们有：ipEngine板、电源、PowerPC成套交叉编译工具、Linux或pKernel、机箱、文件和技术支持等。

　　关于OEM

　　OEM生产，即代工生产，也称为定点生产，俗称代工，基本含义为品牌生产者不直接生产产品，而是利用自己掌握的关键的技术负责设计和开发新产品，控制销售渠道，具体的加工任务通过合同订购的方式委托同类产品的其他厂家生产。之后将所订产品低价买断，并直接贴上自己的品牌商标。这种委托他人生产的合作方式简称OEM,承接加工任务的制造商被称为OEM厂商，其生产的产品被称为OEM产品。可见，定点生产属于加工贸易中的"代工生产"方式，在国际贸易中是以商品为载体的劳务出口。