嵌入式技术与工程装备智能信息化研究
方虎生 张志超 沙卫平 廖明 周春华
摘要：嵌入式技术的发展及其在工程装备领域的深度应用，加速推进了工程装备向智能化信息化发展。文章介绍了智能信息化的工程装备系统结构以及嵌入式软硬件技术，同时介绍了嵌入式技术在智能信息化工程装备的应用与具体的软硬件实现。
关键词：智能化；信息化；工程装备；嵌入式技术
1引言
智能信息化引领着工程装备的发展方向，工程装备智能化是指：装备系统可以自动的完成对自身状态的调节、控制、监控与诊断，系统还可以及时地对外部指令作出响应，并完成一系列的指令动作。工程装备信息化是指：通过特定的方式将装备系统的静态参数、动态参数变成数字信号传递出去，使得其他的系统可以共享该系统的数据以完成对装备系统的检测与控制。利用笔记本电脑和手持电脑可以在装备现场完成对装备系统的控制、监视、性能测试与故障诊断。使用有线、3G、WIFI网络接入，实现装备系统与远程计算机系统的联网，达到信息共享和远程支持。智能信息化的工程装备本身具有很高的“智能”，能够保证装备系统在绝大部分时间里保持良好的状态以高质量地完成工程作业任务。同时智能信息化的工程装备系统利用其通信接口实现了装备系统高度的信息化，使得系统可以很方便地利用远程的计算机系统、专家系统实现远程维护与控制，极大地扩充了装备系统的资源。事实上由于工程装备的信息化，使得更多的其他装备直接或间接地参予了工程装备系统的工作，因此扩大了传统“工程装备”名词所指代的范围。
2智能信息化的工程装备系统结构
智能信息化的工程装备结构图如图l所示。
系统由三个层次构成：嵌入式智能传感器层、嵌入式控制器层和嵌入式计算机层。嵌入式智能传感器层负责将工程装备机械系统、液压系统的位置、速度、加速度、力矩、温度、压力、含氧量、气流量等物理量参数转换成数字量的电信号，通过传感器层现场总线传递给一个或多个嵌入式控制器使用。利用嵌入式控制器和计算机层现场总线，嵌入式计算机系统可以间接获取各种传感器的输入信号。嵌入式控制器层可以实现对装备系统单一功能的机械、液压机构提供精确的控制，同时可以给嵌入式计算机层提供控制参数和传感器数据。工程装备系统的嵌入式控制器种类繁多如：嵌入式点火控制器、嵌入式电子燃油喷射控制器、嵌入式防抱死控制器、嵌入式功率优化控制器等等，实现了对工程装备的精确控制，显著提高了装备系统的整体性能，大大降低了驾驶员的操作强度。计算机层借助现场总线技术利用控制器层提供的控制参数以及传感器数据完成工程装备系统的复杂控制、协调控制、过程监控、故障诊断、不同计算机系统间的通信以及外部通信。
智能信息化的工程装备系统使用的主体技术有两个：嵌入式技术和现场总线技术。嵌入式技术使得装备系统具有分布式计算机资源，而现场总线技术则将嵌入式计算机资源连接起来，构成一个标准的高效率的数据通信网络，以使完成对整个装备系统的控制、监视、诊断与通信。因此，嵌入式技术和现场总线技术是实现智能信息化的工程装备的主体和核心技术，它们在装备系统的应用状况直接决定了工程装备系统智能化、信息化的水平与层次。
3嵌入式技术与工程装备的智能信息化
3.1嵌入式技术简介
嵌入式技术是计算机技术和微电子技术发展的结果。嵌入式技术的本质是用微处理器或微控制器配合其它的硬件设备组成嵌入式硬件，在特定的硬件上运行相应的嵌入式应用软件，使得嵌入式系统具有了计算机的一部分功能诸如外部事件的响应和数据的处理等能力。嵌入式系统最终当作整个工程或设备的一部分而嵌入到实际的应用系统中去。嵌入式技术应用的最大特点是具有目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式技术与通用计算机技术最主要的区别。另外，嵌入式技术的应用还与实时性联系在一起：由于嵌入式技术的应用是为特定的目的而设计的，系统常常受到空间、成本、存储、带宽等条件的限制，因此，它必须最大限度地在硬件上和软件上“量身定做”，以提高效率，这样的结果最终导致了实时性的增强。
嵌入式技术的出现使得计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微型机之分变为通用计算机和嵌入式系统之分。嵌入式技术应用范围非常广泛，现在嵌入式应用遍及了金融、航天、电信、网络、工业控制各领域。
3.2嵌入式系统
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般分成两个部分嵌入硬件和嵌入式软件。
（1）嵌入式硬件技术
嵌入式硬件包括：嵌入式处理器、存储器和I/O单元等几个部分。嵌入式处理器分为微处理器、微控制器、DSP处理器等几大类，应用最为广泛的还是各种档次的8/16位微控制器。但Intel x86、ARM、DSP芯片等高性能微处理器的应用也在迅速扩大。硬件系统使用的存储器，传统的RAM有SRAM、DRAM，而ROM有掩膜ROM、PROM、EPROM，混合型存储器如EEPROM、FLASH、NVRAM以及“电子盘”“固态盘”等，更符合嵌入式系统的应用要求。
（2）嵌入式软件技术
嵌入式技术包含嵌入式软件技术，主要指嵌入式操作系统。嵌入式操作系统一般具有可裁剪的内核结构、高效的多任务优先级、微秒级的中断处理、支持多任务间的通信、共享内存以及支持多种信号量等等特点。过去，在嵌入式系统开发过程中，软件的开发只作为一个次要的角色出现，嵌入式系统的软件开发工作只占全部工作的5%-10%，在近年来，随着硬件复杂性的增加，嵌入式系统中软件开发工作急剧增长，经常达到全部工作的70%-80%。从八十年代起，国际上就有一些IT组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式系统：WindowsCE、VxWorks、UC/OS等。作为免费的、原代码公开的嵌入式操作系统Linux，正吸引了越来越多的技术人员和开发商的目光，Linux将逐渐成为系统开发者使用最广泛的产品。
4嵌入式技术在智能信息化工程装备中的应用
4.1嵌入式智能传感器
传统的控制系统将多个传感器输出的模拟信号引线直接接入到微控制器处，这样传感器与控制器的距离不能太远，否则较长的传感器输出引线中传输的模拟信号易受干扰严重影响测量精度，不方便与现场总线系统的集成；同时使用这种传感器的系统中，存在大量的引线，这在空间紧凑、有大量机械运动的场合给布线带来极大的不便。工程装备系统中：一方面系统的控制复杂，对某一机构的控制往往需要读取十几个测量位置高度分散的传感器输出参数，需要较多的长距离传感器引线；另一方面装备系统中、空间狭小、机械部件运动频繁、布线困难，环境恶劣、电子设备常受到来自点火系统释放的高频电磁干扰且长时间处于具有大量的水、油烟、振动、急剧的温度变化等复杂的物理环境中，较多较长的金属引线极大地降低了系统的可靠性。
嵌入式智能传感器在其电路主板上集成了传感器、传感器处理电路、总线接口、微控制芯片等电路和器件，模块通过信号滤波、信号放大、A/D转化、光电隔离等处理将传感器传来的模拟信号转换为数字信号，使用带有光电隔离的总线接口将参数传递到总线中去供一个或多个控制器使用。微控制芯片还可以通过总线与上位机通信实现采集模式的改变、电路参数调整、数据存储等高级功能。显而易见，嵌入式智能传感器具备了很多传统传感器不可比拟的优势：1.可以当作I/O设备直接接到现场总线中去；2.不易受干扰，精度高；3.传感器布置灵活易与装备系统的集成。
4.2工程装备嵌入式控制器
智能信息化的工程装备系统中，嵌入式控制器从实现的功能层次上划分，可分为两种：一种是独立控制器，一种是联合控制器。独立控制器能够不依赖于上层控制计算机，使用智能传感器层数据利用自身的微控制器，直接控制液压和机械系统。联合控制器将接收到的相关智能传感器数据处理后，发送到上层控制计算机，由上层控制计算机完成控制算法并将相应的控制参数传回到联合控制器，再由联合控制器处理送至I/O单元控制液压和机械设备。嵌入式控制器与智能传感器间、嵌入式控制器与上层计算机间使用现场总线接口实现连接，安装和布置都非常灵活与方便。同时嵌入式控制器具有对本级被控对象故障的自诊断能力，并能将诊断结果以故障编码的形式传送到现场总线中去，以供总线上其他设备使用。类似地，嵌入式控制器可以将采集到的智能传感器数据直接传送到计算机层现场总线，以满足嵌入式计算机层不同应用层次的需求。智能信息化的工程装备系统中嵌入式控制器的硬件框图如2所示。
4.3工程装备嵌入式计算机系统
由于装备系统使用的嵌入式控制器硬件性能的限制以及在系统中的地位，使得在需要对装备级的综合协调控制、装备级的过程监控、装备级的故障诊断以及实现高级通信功能等场合很难用嵌入式控制器实现。智能信息化的工程装备使用的嵌入式计算机系统大致可分为三种：控制类计算机、监控和诊断类计算机、通信类计算机。控制计算机又分为传动控制计算机（TCM）、动力控制计算机（PCM）和车身控制计算机（BCM）。嵌入式计算机系统使用了工业级的控制主板，运行诸如VxWorks、嵌入式Windows等高稳定性成熟的操作系统，保证了系统对外部计算机系统的良好的兼容性和高级编程开发软件的支持。
5结语
嵌入式技术的发展及其在工程装备领域的深度应用，使得工程装备的智能化控制性能和信息化程度将得到极大提升，国家“互联网+”的发展战略显著推动了无线网络的提速与广域覆盖，可以预见工程装备在自主驾驶、自主作业、自主诊断、远程维护、全程监控方向会快速发展。
