嵌入式工控机系统分析与设计

纪磊

【摘要】国内高端的嵌入式工控机系统中有类似PC104系统，但是很长一段时间，该系统都是国外进口的，核心技术难以掌握，所以实现核心元器件的自主研制对提高工控系统产品意义重大。本文就此展开对于嵌入式工控机的系统分析，并且提出了初步的设计方案。

【关键词】嵌入式；工控机；系统；分析；设计

到目前为止，嵌入式传统软件甚至还不能完成代码复用，更谈不上跨嵌入式操作系统或跨硬件操作平台，更甚至把嵌入式软件的模式抽象成语言的形式。所以对于嵌入式工控机系统来说，嵌入式系统的分析与设计是其中最为重要的环节，本文就针对此来展开分析。

一、嵌入式工控机定义及特点

1、定义

嵌入式工控机，更时髦的叫法是盒式电脑或无风扇工控机，英文全称Embedded Industrial Computer。嵌入式工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的机构紧凑的计算机。

工控机经常会在环境比较恶劣的环境下运行，对数据的安全性要求也更高，所以工控机通常会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防辐射等特殊设计。

2、技术特点

工控机对于扩展性的要求也非常高，接口的设计需要满足特定的外部设备，因此大多数情况下工控机需要单独定制才能满足需求。

（1）采用符合“EIA”标准的全金属工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。

（2）机箱内无风扇，靠机壳散热。

（3）配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。

（4）电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。

（5）具有自诊断功能。

（6）设有“看门狗“定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。

（7）便于多任务的调度和运行。

二、嵌入式工控机系统简介

嵌入式系统是一种将计算机技术作为基础，将应用作为中心目的，软硬件皆可裁剪来适应特定应用的，对成本、体积、可靠性、功耗、功能都有相对严格要求的专用的计算机系统，是一种计算机系统的应用形式，亦被称为埋藏式计算机。而嵌入式软件，即是嵌入式系统中运行的用来完成具体的功能的软件。嵌入式系统对其的要求是，要代码精简且效率高，要对异步并发的事件有很高的处理能力，要能够实时处理事件并要有足够快的响应速度。

下图为嵌入式系统的简要发展历程：

嵌入式工控机系统主要包括了文档和程序，可分成应用软件、支撑软件、系统软件等。我们普遍上将嵌入式系统中运行的所有软件都叫做嵌入式软件。应用软件：指基于特定的用途而开发的用于响应类嵌入式系统中的应用程序的整体集合。支撑软件：包括调软件、用户使用界面的系统运行环境、网络通讯协议、开发平台和数据库等。系统软件：Windows CE、Hopen 中嵌入式的 Linux、pSOS、Vxworks等。嵌入式软件由于其所需的运行环境有极强的特殊性，因而开发应用相对困难，要从其开发环境、功能要求、体系结构等多个方面来研究。

二、嵌入式工控机系统的分析与设计

数据采集与管理模块主要负责对计算机串口通信的指定款口号、串口的通信参数以及串口数据的具体获取方式等各个参数进行设置，然后接受从下位单片机之中发送过来的数据，通过简单的格式处理之后，将其存储到数据库之中，并且利用Micros oft SQLSERVER2000 的数据库管理功能，对信息进行基本的管理操作。

可视化显示模块主要负责将上述采集的具体数据以及经过处理、分析之后的数据结果通过二维图形的方式进行显示，该图形需要能够满足打印、存储以及局部放大等功能，并且鼠标在改图形的曲线上移动的同时，能够同步显示不同位置的数据信息。

数据比较模块主要负责对不同数据的比较，这种比较主要包括将采样数据与基本模型数据比较以及将采样数据与采样数据之间进行比较。前者能够发现本次与上次检测的数据差异，而后者则能够对同一测试者的不同成绩或者不同测试者的成绩进行比较。比较的结果可以通过图形化的方式直观的显示出来，从而便于发现不同数据之间的差异。

数据计算与分析模块主要负责对采集的相关数据进行综合的数据处理和分析，按照预定的分析方案，通过计算和比较，从而对结果做出判断。

基础数据和数据库维护模块主要负责对基本的采集数据以及数据库进行维护，这一维护包括了对采集数据的基本信息的添加、修改、编辑以及删除等，除此之外，还包括了对模型数据库的维护工作，并且为了便于开展对数据库的维护工作，还要建立起一些基础数据，使得对相类似的数据进行维护更为便利。

数据输出模块主要负责对数据分析图形的输出以及数据的输出，在图形输出以及数据输出方面，具体的输出方式可以是存储导出，也可以是打印输出，或者是将其导出为Acce s s 图形或位图数据库输出。

下位单片机在根据预定的设置接收到了相关的测试数据之后，将数据存储在其外部存储器之中，然后下位单片机向上位计算机发送握手请求，若握手成功则发送数据，反之则重复发送请求，超过三次不成功，则系统提示错误并且退出。

在上位机和下位机之间完成握手之后，上位计算机对其串口进行初始化炒作，将相关的参数配置好，并且做好接受数据的准备，随后计算机向单片机发送信号，单片机经由串口向计算机发送数据。上位计算机则按照与下位单片机之间的协议对数据进行检验，查看其是否完整，如果不完整，则需要重新发送。如果结束后的数据经检查完整，则对其进行格式转换并且存储到数据库之中。

在完成接收数据的存储之后，上位计算机开始对测试数据进行处理和分析，包括了基本的数据管理，数据的统计对比分析、数据的分析结果的可视化显示、相关参数的计算以及处理结果的输出等。

三、总结

上个世纪80 年代移开，中國市场开始广泛的使用工控机，而且在通信、导航、控制等领域越来越广泛的使用，令工控机的发展和研究都达到了一个特定的高度。国内高端的嵌入式工控机系统中有类似PC104 系统，但是很长一段时间，该系统都是国外进口的，核心技术难以掌握，所以实现核心元器件的自主研制对提高工控系统产品意义重大。

（作者单位合肥陆通智能科技有限公司）