嵌入式技术在工业自动化领域中的整合应用

嵌入式系统的应用整和研华大客户技术部高级技术工程师雪锋一、嵌入式技术的发展展望嵌入式系统的几个发展阶段•第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。•第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。•第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。•第四阶段是以Internet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。嵌入式系统的概念•“嵌入式系统”指非一般PC系统。它是以应用为中心，软硬件可缩扩，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的结构•由CPU为核心的硬件环境包括储存器、通讯接口（如串口、网络等）、基本输入输出、专用硬件。•嵌入式操作系统。•应用软件系统三部分组成。什么是实时系统•实时计算正在成为越来越重要的原则。操作系统，特别是调度程序，可能是实时系统中最重要的组件。•实时计算可以定义成这样一类计算，即系统的正确性不仅取决于计算的逻辑结果，而且还依赖于产生结果的时间。•通过定义实时进程或实时任务来定义实时系统。•。实时任务可以分为硬任务或软任务两类。•硬实时任务（hardreal-timetask）指必须满足最后期限的限制，否则会给系统带来不希望的破坏或者致命的错误。•软实时任务（softreal-timetask）也是一个与之关联的最后期限，并希望能满足这个期限的要求，但这并不是强制的，即使超过了最后期限，调度和完成这个任务仍然是有意义的。实时操作系统的特点•操作系统一般符合以下的一些要求：•可确定性：是指它可以按照固定的、预先确定的时间或时间间隔执行操作。•响应性：实时是指在系统得到中断后系统为中断提供服务的时间。•用户控制：是指允许用户细粒度地控制任务的各种属性（任务优先级、任务权限等）。•可靠性•故障弱化运行：是指系统在故障时尽可能多地保存其权能和数据的能力•嵌入式系统一般都是实时系统，实时系统大都是用在嵌入式环境。用于嵌入式场合的实时操作系统就是嵌入式实时操作系统。•在一个较为完善的嵌入式系统环境中，需要一个支持实时多任务的操作系统(RTOS)内核。以应用为中心，以计算机技术为基础、软件硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的性能•功耗低、可靠性高•功能强大、性能价格比高•实时性强，支持多任务•占用空间小，效率高•面向特定应用，可根据需要灵活定制与一般的计算机系统相比，嵌入式系统的优点嵌入式系统的发展趋势•低功耗嵌入式系统•Java虚拟机与嵌入式Java•嵌入式系统的多媒体化和网络化•嵌入式系统的智能化嵌入式系统在自动化行业中的应用•电力•环保•智能楼宇•智能交通•纺织机械二.嵌入式操作系统(WINCE)的介绍典型的嵌入式系统•全球4大操作系统阵营•WinCE•PalmOS•EPOC•Linux4大操作系统阵营展开规格战，各拥有软件及硬件合作厂商逐鹿信息电子市场的份额。工业领域嵌入式OS•WindowsXPembedded•WindowsNTembedded•WindowsCE•EmbeddedLinux•VxWorks(军工，RTOS)•QNX（军工，RTOS）WinNT/XPEmbedded基于WindowsNT技术内核完全基于WindowsNT代码内核精简(大约20MB),支持固态电子盘VisualBasic,VisualC++,Delphi编写的驱动及应用无需更改高、中端嵌入式应用网络设备-routers,switchesPOS、零售终端-kiosks,ATMs工业自动化Linux•Linux是一种低成本的Unix类型网络操作系统•Linux支持multitasking,virtualmemory,sharedlibraries,demandloading,propermemorymanagement,TCP/IPnetworking等特点•其源代码完全公开WinCE简介•WindowsCE1.0于1996年发布•WinCE2.0/3.0•WinCE.NET于2002年发布•MicroSoft于97年的美国Comdex大展中发表了第一个手持式装置的操作系统WindowsCE,应用在PDA的市场上.WindowsCE是一套操作系统，用于商业和个人装置，能互相传递资料，与Windows操作系统的计算机连结，并且连上网络。(可再加上消费性电子产品的方向和应用)。WinCE简介WindowsCE.NET是WindowsCE3.0的后继产品。WindowsCE.NET为嵌入式市场从新设计，为快速建立下一代智能移动和小内存占用的设备提供了一个健壮的实时操作系统。WindowsCE.NET具备完整的操作系统特性集包和端对端开发环境，它包括了创建一个基于WindowsCE的定制设备所需的一切，例如：强大的联网能力、强劲的实时性和小内存体积占用以及丰富的多媒体和Web浏览功能。•32位,实时,多任务操作系统•组件化程度高–发布一系列小的组件–通过平台编译工具来配置映象文件•Scalable–Footprintscaleswithfunctionalityselected•支持多种CPU–Runsonx86,ARM,XScale,MIPSandSH4什么是WINCE?什么是WINCE?SharedSuccessGreaterProductivityIntegratedReliabilityWindowsCE整合了可靠的先进的Windows技术与可靠的实时性,将其快速的应用在各种小型的设备中.WinCE与Windows95/98/2000/XP区别内核小，占用内存少只有一个image文件（nk.bin几百KB~几十MB）稳定性高启动时间短可以支持硬关机需要根据硬件系统定制OS，如网卡显卡等驱动不一样研华WinCE完整的安装文件系统Loader(系统启动的引导文件)advsys.comio.sysmsdos.sysbootcepc.pcxbootcepc.cnfreadmeNknk.bin11MB（系统的内核image文件）WinCE开发PlatformBuilder3.0/4.0系统开发的完整工具。OAL层移植、驱动开发、系统模块裁减、应用程序开发。内核调试及部分原代码。开发人员需要了解内核EmbeddedVisualTools/VisualStudio.NET应用程序开发工具。基于VisualStudio®toolsuite，不需要了解内核。只要了解Win32应用程序编程、API等。应用程序开发商可以将底层交给OEM厂商，集中精力开发应用，WinCE常见问题（1）大多数客户关注AP的开发，目前大多使用EVT3.0开发。EVT和VisualBasic,VisualC++开发的AP有什么差别？VB和VC下使用到的控件源代码90%可以在EVT下使用，所以原来Windows的AP移植到WinCE下，需要重新编译。WinCE常见问题（2）WindowsCE.NET支持实时吗？从实时属性考虑：中断响应等待时间有限；记时器精度1ms；嵌套的中断支持，允许较高优先权级别的中断立即获得服务；其他性能指标可以参考MicroSoft网站。WinCE常见问题（3）能用eMbeddedVisualC++3.0为WindowsCE.NET®编写应用程序吗？答：不能。必须使用EVC4.0编写，工具WinCE.NET中.使用eMbeddedVisualBasic3.0编译的程序能在WinCE.NET上运行吗？答：不能。可以使用VisualBasic.NET编译。关于怎么由EVB移植到VisualBasic.NET上移植，可以参考MSDN。WinCE常见问题（4）基于什么硬件平台的主板WinCE支持？•ARM–ARM720T,IntelSA-1100…•MIPS–NEC,Philips,Toshiba,QED,IDT(R3000,R4100,R4300)•SH–HitachiSH3(7707,7709,7709,7729)SH4(7750)•PowerPC–MotorolaPPC821,IBMPPC403•X86–Intel486family,ClassicPentium,PentiumMMX,PentiumII,AMDK5K6K7,NSMediaGX,STMicroelectronicsSTPC…WinCE应用•HMI•WebbasedKiosk•MultimediaKiosk•CarPC•IndustrialAutomation•TouchScreenPOS•Others三.研华工业级嵌入式控制器硬件规格和功能介绍计算平台的演变工控机开放的嵌入式通用平台单片机*SourcefromARCStrategies标准传统的控制器PC-based控制器开放的嵌入式ARP价格$$$$$可靠性与因特网的连接信息的整合灵活性所有的花费$$$$$-$$$$•开放的,嵌入式,无风扇平台•现场3C指挥–Control–Communication–Computing•随时可用,应用方便•UNO家族UNO-新一代的嵌入式平台Tech.Trend:OpenEmbeddedPlatform•FromCentralizedtoDistributedArchitecture•Ready-for-ApplicationopenembeddedPlatform•Field3CCommander–Computing,CommunicationandControlUNO-2041UNO-2050UNO-2053UNO-2059ControlADAMPLCOn-boardI/OCommunicationComputingGSM/CDPDSerialEthernetHMIDASSoftLogicEthernet开放的系统架构CPUNSGX1-300Celeron-400Celeron-650I/O串行I/OEthernetI/O板载I/OPC/104I/O接口USBPCMCIARS-232/422/485CAN网络10/100MbpsLANWirelessLANModem/GSM显示VGAOSWindowsCEWindowseXPLinuxWindowsFamily安装方式DIN导轨壁挂式安装面板式安装存储CompactFlash2.5’’HardDisk专为工业现场的设计•无风扇设计–无灰尘，免维护•无硬盘–CF卡•永不死机–Watchdog定时器•接口隔离–RS-422/485,DI/O,高达2000VDC无风扇隔离看门狗定时器无硬盘RS-485ADAM-4000I/OADAM-5000I/OEthernetADAM-6000I/OADAM-5000/TCPOn-boardI/O灵活的现场控制I/OKW-软逻辑软件开发包提供板载I/O,定时器和计数器功能10/100Base-TforEthernetI/O(ADAM-6KRS-232/422/485forserialI/O(ADAM-4K/5K)UNO-2050丰富的通讯接口SerialPortSupportRS-232/422/485devicesEthernetPortHub/Switch,EthernetI/O,…PCMCIAWirelessLAN,GSM/GPRS,GPS…USBUSBdrive,USBstorage…PC/104Comm.Module,DAnCModule…Keyfeature-CommunicationePlatform1stEthernetportforuplinkModem2ndEthernetportforI/OPSTNLANWirelessLANWLANPCMCIAMobilityEthernet-enabledSpeedPrivateLANforSecu