構(gòu)建嵌入式測(cè)控系統(tǒng)

基于NI技術(shù)構(gòu)建嵌入式測(cè)控系統(tǒng)沈陽(yáng)恒科機(jī)電設(shè)備有限公司概況主要業(yè)務(wù)：測(cè)試控制系統(tǒng)研制視頻處理系統(tǒng)研制軟件開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)集成公司研制開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品沈陽(yáng)恒科機(jī)電設(shè)備有限公司概況測(cè)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)：測(cè)控系統(tǒng)解決方案發(fā)展歷程做好用戶與廠商之間的銜接專注于特定的應(yīng)用專注于測(cè)控系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象的鏈接為滿足用戶對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了幾種嵌入式系統(tǒng)方案。今天針對(duì)我們提出的設(shè)計(jì)方案，以構(gòu)建嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的為題目，與大家進(jìn)行一下技術(shù)交流。嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)：NI支持的嵌入式系統(tǒng)解決方案 NI為工程師和科學(xué)家提供了圖形化的系統(tǒng)工具，用于在能源、工業(yè)控制、生命科學(xué)和交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)內(nèi)開(kāi)發(fā)下一代控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用NI可重配置I/O(ReconfigurableIO,RIO)硬件和NILabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，小型設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)即可快速構(gòu)建系統(tǒng)原型，并更快地部署嵌入式控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 NI在嵌入式控制和監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：高效率精確度和準(zhǔn)確度靈活性高品質(zhì)和堅(jiān)固性技術(shù)支持與服務(wù)

上述內(nèi)容可以在NI的官方網(wǎng)站獲取相關(guān)細(xì)節(jié)。構(gòu)建嵌入式測(cè)控系統(tǒng)接下來(lái)以我們構(gòu)建過(guò)的部分項(xiàng)目為案例，介紹一下如何構(gòu)建一個(gè)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)。加固式機(jī)箱+接口卡+WindowsEmbeddedCompactPCI機(jī)箱+接口卡+VxWorksNI可重配置I/O(ReconfigurableIO,RIO)硬件+NILabVIEW軟件WindowsEmbedded解決方案 WindowsEmbedded為微軟研發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，是一個(gè)以組件模塊展現(xiàn)出與Windows桌面操作系統(tǒng)一樣的接口與操作模式，可依據(jù)用戶需求組合出的操作系統(tǒng)鏡像文件，確保有Windows操作系統(tǒng)相依性以及完整的功能。可以應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)，或是硬件規(guī)格層次較低的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（例如很少的內(nèi)存，較慢的中央處理器等）。WindowsEmbedded解決方案突出優(yōu)點(diǎn)WindowsEmbedded構(gòu)建在已經(jīng)得到驗(yàn)證的Windows代碼庫(kù)基礎(chǔ)之上，它提供了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的可靠性、安全性和性能，并且具備最新的多媒體、Web瀏覽、電源管理及設(shè)置支持功能。WindowsEmbedded還集成了最新的嵌入式支持功能，例如無(wú)頭支持以及靈活的啟動(dòng)與存儲(chǔ)選項(xiàng)。此外，它還包含一套全新設(shè)計(jì)的工具集WindowsEmbeddedStudio,這套工具使得開(kāi)發(fā)人員能夠更快速配置、構(gòu)建并部署智能化設(shè)計(jì)方案。對(duì)安全和可伸縮網(wǎng)絡(luò)的支持得到增強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力更為優(yōu)秀的性能表現(xiàn)更為豐富的多媒體和Web瀏覽功能與個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、Web服務(wù)以及其它設(shè)備更為出色的互操作性行業(yè)領(lǐng)先的可靠性、安全性和性能支持Flash和Shockwave文件的回放以及增強(qiáng)保密性。WindowsEmbedded解決方案關(guān)鍵特性：1、文件保護(hù)2、加密文件3、組件化技術(shù)4、通用串行總線5、WEBWindowsEmbedded解決方案嵌入式特性

靈活的啟動(dòng)和存儲(chǔ)選項(xiàng)：除了磁盤(pán)以外，還為非易失性（永久性）讀/寫(xiě)存儲(chǔ)設(shè)備（例如FlashROM和電池支持的RAM）提供了啟動(dòng)能力。

增強(qiáng)型寫(xiě)過(guò)濾器：增強(qiáng)型寫(xiě)過(guò)濾器（EWF）將選定的磁盤(pán)I/O重新路由到內(nèi)存或其它的存儲(chǔ)媒體，從而讓操作系統(tǒng)認(rèn)為您的只讀存儲(chǔ)器是可寫(xiě)的。WindowsEmbedded解決方案案例

《數(shù)據(jù)記錄設(shè)備》項(xiàng)目中我們采用WindowsXPEmbedded操作系統(tǒng)，成功將原有成熟的運(yùn)行于桌面操作系統(tǒng)的《數(shù)據(jù)記錄程序》應(yīng)用到目標(biāo)系統(tǒng)中。最大程度的保證了應(yīng)用軟件和驅(qū)動(dòng)程序的兼容性，使得原有桌面程序在嵌入式硬件環(huán)境下，能夠執(zhí)行原有軟件功能。

采用增強(qiáng)型寫(xiě)過(guò)濾器（EWF）技術(shù)，保證目標(biāo)系統(tǒng)在直接關(guān)閉電源的情況下能夠正常重啟，避免了桌面操作系統(tǒng)頻繁異常關(guān)機(jī)會(huì)造成操作系統(tǒng)被容易被破壞的問(wèn)題。VxWorks解決方案

VxWorks是美國(guó)WindRiverSystem公司（以下簡(jiǎn)稱風(fēng)河公司，即WRS公司）推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Tornado是WRS公司推出的一套實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，類似MicrosoftVisualC，但是提供了更豐富的調(diào)試、仿真環(huán)境和工具。 VxWorks操作系統(tǒng)是于1983年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。

VxWorks解決方案VxWorks操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：1、板級(jí)支持包BSP(BoardSupportPackage)2、微內(nèi)核wind3、文件系統(tǒng)4、網(wǎng)絡(luò)支持5、I/0系統(tǒng)VxWorks解決方案案例

分布式數(shù)據(jù)總線測(cè)試項(xiàng)目，在該項(xiàng)目中被測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行于電磁干擾比較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，用戶需要遠(yuǎn)程完成數(shù)據(jù)總線的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)任務(wù)。

CPCI機(jī)箱CPCI單板機(jī)CPCI數(shù)據(jù)總線接口卡VxWorks操作系統(tǒng)ACE自適配通信環(huán)境數(shù)據(jù)總線測(cè)試軟件分布式數(shù)據(jù)總線測(cè)試系統(tǒng)-現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備VxWorks解決方案案例

分布式數(shù)據(jù)總線測(cè)試項(xiàng)目，在該項(xiàng)目中被測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行于電磁干擾比較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，用戶需要遠(yuǎn)程完成數(shù)據(jù)總線的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)任務(wù)。便攜式加固筆記本W(wǎng)INDOWS操作系統(tǒng)ACE自適配通信環(huán)境數(shù)據(jù)總線測(cè)試軟件分布式數(shù)據(jù)總線測(cè)試系統(tǒng)-用戶端監(jiān)測(cè)設(shè)備VxWorks解決方案設(shè)備組件程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序測(cè)試設(shè)備被測(cè)試系統(tǒng)M1553總線A429總線A/D…....

D/AM1553接口卡A429接口卡A/D采集卡D/A輸出卡M1553驅(qū)動(dòng)A429驅(qū)動(dòng)A/D驅(qū)動(dòng)D/A驅(qū)動(dòng)M1553組件A429組件A/D組件D/A組件設(shè)備管理程序控制數(shù)據(jù)傳輸通道測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸通道控制中心數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析分布式數(shù)據(jù)總線測(cè)試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖NI解決方案設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)選用NILabVIEW的理由：借助圖形化設(shè)計(jì)環(huán)境，更快進(jìn)行部署輕松重復(fù)使用嵌入式代碼和現(xiàn)有C代碼庫(kù)

借助內(nèi)嵌實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的架構(gòu)，獲得最大靈活性

借助內(nèi)置調(diào)試、仿真和用戶界面功能，快速迭代集成數(shù)百種高級(jí)分析和其他VI

快速啟動(dòng)可立即執(zhí)行的范例NI解決方案NI支持構(gòu)建從最簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)到大型、分布式的測(cè)控系統(tǒng)，并且采用相同的開(kāi)發(fā)環(huán)境完成系統(tǒng)構(gòu)建任務(wù)。最簡(jiǎn)單的機(jī)器控制系統(tǒng)由一個(gè)控制器組成。圖4.1沒(méi)有顯示界面的控制器NI解決方案

較復(fù)雜一些控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)HMI或者更多的控制器（如圖4.2）。這個(gè)控制系統(tǒng)一般用于由操作人員控制的機(jī)器中。圖4.2局部機(jī)器控制系統(tǒng)NI解決方案

復(fù)雜的機(jī)器控制系統(tǒng)中可能包含許多控制器或HMI（圖4.3）。這個(gè)系統(tǒng)中一般擁有一個(gè)高級(jí)的終端服務(wù)器作為數(shù)據(jù)記錄及轉(zhuǎn)發(fā)的引擎?？梢栽诖笮突驈?fù)雜的機(jī)器中使用這個(gè)控制系統(tǒng)。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，可以與不同位置的機(jī)器進(jìn)行通訊或者為不同的操作員分配不同的監(jiān)視及控制任務(wù)。圖4.3分布式機(jī)器控制系統(tǒng)NI解決方案圖4.4局部機(jī)器控制結(jié)構(gòu)的概覽NI解決方案圖4.5控制器構(gòu)架及單元NI解決方案CompactRIO簡(jiǎn)介CompactRIO是一款堅(jiān)固耐用、可重配置的嵌入式系統(tǒng)，主要由三個(gè)部分組成：實(shí)時(shí)控制器，可重配置的FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）和工業(yè)級(jí)I/O模塊。圖4.6NIcRIO控制器圖4.7可重構(gòu)的機(jī)箱NI解決方案圖4.8可以選擇50多種I/O模塊來(lái)將CompactRIO連接到幾乎所有的傳感器和執(zhí)行器上I/O模塊包含隔離、轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)調(diào)理功能，并可直接與工業(yè)傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。通過(guò)提供多種連線選擇并將連接器的接線盒集成到模塊上，CompactRIO系統(tǒng)大幅降低了對(duì)空間的需求和現(xiàn)場(chǎng)布線的成本。NI解決方案

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)部分，使用LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，以NI提供的例程為起點(diǎn)，在詳細(xì)、有效的幫助系統(tǒng)指導(dǎo)下，可以在已有代碼的基礎(chǔ)上迅速實(shí)現(xiàn)嵌入式測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。LabVIEW2012的初始畫(huà)面嵌入式系統(tǒng)方案總結(jié)三種技術(shù)都可以用于實(shí)現(xiàn)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)，各自的優(yōu)缺點(diǎn)：WindowsEmbedded的最大特點(diǎn)是與桌面系統(tǒng)的最大兼容性，能夠?qū)⑦\(yùn)行于桌面系統(tǒng)的應(yīng)用以最小的代價(jià)移植到嵌入式系統(tǒng)中，能夠提供用戶熟悉的用戶界面和使用習(xí)慣，只需要支付較少的成本；同時(shí)也有其缺點(diǎn)：在實(shí)時(shí)性能、響應(yīng)時(shí)間、確定性及抖動(dòng)等方面表現(xiàn)不佳。VxWorks作為十分優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)，能夠滿足用戶對(duì)實(shí)時(shí)性能、響應(yīng)時(shí)間、確定性及抖動(dòng)等方面的苛求要求。面對(duì)復(fù)雜多變的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，VxWork