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工业控制领域中的微处理器选型

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资料介绍

工业控制技术正朝着网络化、智能化和集成化方向发展.为工业控制网络中的控制节点选择合适的硬件特别是处理器成为工业控制网络设计的重要环节.本文将嵌入式系统与工业控制计算机进行了对比,提出了工业控制领域中微处理器的选型原则.

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2009年第9期

福建电脑

工业控制领域中的微处理器选型

徐凤亮1．史斌斌2

(1、苏州卫生职业技术学院江苏苏州215000 2、苏州市职业大学江苏苏州215000)

【摘要】：工业控制技术正朝着网络化、智能化和集成化方向发展。为工业控制网络中的控制节点选择合适的硬件特

别是处理器成为工业控制网络设计的重要环节。本文将嵌入式系统与工业控制计算机进行了对比，提出了工业控制领域中

微处理器的选型原则。

【关键词】：工业控制；自动化；嵌入式系统；

1、引言

8位单片机是目前品种最丰富、应用最广泛的单片机．具有

体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优

工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算

机和其它信息技术对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、点。目前主要有MCS一51系列及其兼容机型，MOTORCILA

管理和决策．达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目 68HC05／08系列、MICROCHIP的PIC单片机以及A7rMEL的

的的综合性技术。计算机、通信、控制和网络技术的迅猛发展给 AVR单片机。

工业自动化领域带来了新的活力和深远的影响．工业控制自动

16位单片机运行速度及数据吞吐量比8位单片机有较大

化技术正朝着网络化、智能化和集成化方向发展。网络技术特别提高。目前主要有Intel的MCS一96／196系列、MOTOROLA的

是以太网技术已经在工业企业综合信息管理系统中的资源管理 68HCl2系列等。

32位微处理器目前发展很快．是单片机的发展趋势。随着

层(ERP)、执行制造层(MES)得到广泛应用．并已呈现出向下延

伸至工业控制现场的趋势【ll。工业现场的过程和管理自动化部分技术的发展其开发成本和产品价格正在不断地下降。其中以32

主要是由各种过程控制设备的硬件和软件组成。如何为这些控位ARM系列及MOTOROLA的ColdFire、68K系列的应用相对

制节点选择合适的硬件特别是处理器成为工业控制设计的重要

广泛。

环节。

目前32位微处理器的使用率正逐年增长．其中ARM系列

2、工业控制计算杌机和嵌入式系统的比较

RISC

Machine)公司是一

微处理器最引入瞩目。ARM(Advanced

工业控制计算机f以下简称工控机1是根据工业控制领域需家专门从事芯片IP设计和授权业务的英国公司．其产品有

要．针对工业控制方面的一些特点对个人计算机PC进行了修改 ARM内核以及各类外围接口闭。ARM处理器已遍及工业控制、

而形成的，如将主板的尺寸进行缩小．采用机架式、塔式、-J呼式消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市

结构，使它更加适合工业现场的摆放。而嵌入式系统则对1二业控场。ARM内核是一种32位RjSC微处理器．具有低功耗、性价比

制方面的应用专门进行了设计．集成了各种接口和通讯模块．同高和代码密度高三大优点。ARM已成为业界公认的嵌入式微处

时在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强。因理器标准141。ARM9系列微处理器为低功耗的32位RISC处理

此嵌入式系统比工控机在工业控制领域具有更多的优势：

①工控机通常采用和普通Pc机一样的高性能CPU，同时流水线．能够提供1．1 MIPS／MHz的运算能力．适合用于对价位

还接有键盘、硬盘、内存等部件，总功耗非常高，需要风扇来散和功耗要求较高的应用。

热。嵌入式系统采用16／32／64位微处理器．处理能力接近低档的 4、嵌入式微处理器的选型

器．采用高性能和低功耗领先的硬宏单元设计，哈佛结构，5级

PC机．能够满足大部分的控制要求而功耗却非常低．为瓦级或

在如此众多产品中．每一种产品都有其具体的市场定位．没

者毫瓦级。因此嵌入式设备可以在密闭的环境中工作。不会因为有哪一种微处理器产品可以完全主导嵌入式系统开发。选择合

风扇吸入灰尘以及工作环境中存在不良气体而影响设备的稳定适的嵌入式微处理器是一件艰难而复杂的工作．首先要熟悉众

工作并节省了电能．

多微处理器的类型、特点．其次还要分析系统所要实现的功能和

开发周期。在进行微处理器选型时主要考虑的原则有：

①处理器的性能：包括处理器的核心，时钟频率，内部存储

器的大小。

②工控机内部连线多组装不方便，同时象硬盘这种设备，抗

恶劣环境的能力比较差。可靠性低。嵌入式微处理器片内已集成

大量外设控制模块、各种网络和总线接口．需要的外围器件大大

减少，能真正的嵌入到设备当中．采用内建FLASH、CF卡存储数

②外围功能模块：如果嵌入式微处理片内集成了工业控制

据．可靠性高，还能外扩各种输入输出设备、触摸屏、液晶控制系统所需要的功能模块．如AfD采集、开关量采集、各种总线和

网络通信模块．则可以提高整个系统的集成度．减少元器件的数

量，降低开发成本。提高开发效率。

器、音频控制器等，可提供功能强大的人机界面．丝毫不比工控

机逊色。

③工控机通常基于非实时的Windows操作系统．而嵌入式

③功耗：许多消费类电子产品都要求微处理高性能、低功

系统可以运行各种实时操作系统∞OS)，完全能够保证控制系耗。用于工业控制。则对这方面的考虑可相对较弱。

统的强实时性。

④支持的工具：方便实用的程序开发工具和调试工具对系

④嵌入式微处理器可为控制系统专门设计．产品型号非常统的实现具有巨大的推动作用。能加快开发进度。缩短开发周

丰富，比工控机具有更宽的温度适应能力．性能更加可靠。嵌入

式系统的高实时性、低成本、专用化和高可靠的特点．克服了传

统荜片机控制系统功能的不足和工控机实时性和可靠性不足的

缺点。

期．降低调试的难度等等。

⑤厂商的支持：厂商在推出一款微处理器的时候通常都会

给出相应的技术手册、应用笔记、评估开发板及配套工具等。尽

量选择厂商主要推广的产品系列．这样可以得到更多的技术支

持．同时选择主流的微处理器体系架构，这样会有更多厂商的产

品可供选择和替代．

3、主流的嵌入式微处理器介绍

嵌入式微处理器是嵌入式系统的心脏。目前世界上的嵌入

式微处理器的种数已经超过千余种圆．按照数据总线的宽度主要

划分成8位、16位、32位三类。

例如A四1RM9200是著名半导体厂商ATMEL力推的一款

基于ARM92凹内核的工业级嵌入式微处理器。(下转第3l页)

万方数据

2009年第9期

福建电脑

动学习提供一个良好的学习平台．同时也给学生提供了一个课

程之外的师生交流方式．及时解决学生在学习过程中出现的问

题。当前学生学习的主动性不够，需要加大多个层面对学生指导

的指导。增设专业岗位．为学生提供定期的专业和心理咨询服

五、师资队伍建设

师资是保证学生培养质量的重要保证，计算机科学与技术

专业建设要有一个职称、年龄、学位专业搭配、学术结构合理的

队伍，支撑专业的发展。地方高等院系的教师不仅要进行教育教

务。班主任要深入学习，积极收集各个方面的数据，掌握学生的学，也要进行教研和科研的活动。在安排教师的工作量时要限定

动态，配合学院加强学生的管理工作。要积极推行导师制．学生在合理的范围之内．保证教师正常教学以外拥有充足的时间进

和指导教师定期会面．学生应该及时得到课程选修和职业发展

方面的合理建议．为学生科研项目和实验室的各项活动提供机

会。除了参加各类学术和非学术的学生社团．培养自己的专业素

质外．要以学校和院系为单位有有计划地组织学生参加一些提

行研究工作。以个人的专业增强与教学活动相互促进。提高专业

的办学水平。

地方高等院校的计算机科学与技术专业多数都是新办专

业．老的教师是从其他院系抽调过来的．很多都是新进的年轻教

师，为此要有计划地对青年教师进行职业培训和在职继续教育．

加快理工科院校毕业生到教师职业角色的转变。为此对于刚刚

走向工作岗位的青年教师可以由学院指派指教学经验丰富的教

师作为导师。对青年教师教学的各个方面指导。年轻教师要站稳

讲台为根本目标，保持活跃的、积极进取的精神状态。争取在教

升学生整体能力的竞赛，如挑战杯、TopCode、高校杯、ACM、数学

建模竞赛、电子设计大赛等。

四、教学服务机制

在信息社会里，有限的时间掌握大量的知识．必须在教师教

学和学生学习过程中保证有足够的资源可以使用．特别是计算

机科学与技术专业必须拥有足够的计算资源、电子图书、电子期研和科研中投入更多的时间．保持自己知识的先进性。师资队伍

刊以及其他的电子检索资源。保证师生高效地使用这些资源．为以学科发展需要进行建设的，在具体的发展要依靠各个教研室，

提高学生的应用技术能力提供支持。

关键是基于课程群的教学团队建设．

学校和学院要为学科的发展提供充分的资源．汇集各种渠

道，为学科建设提供科研经费和足够的计算机软件与硬件设备．

对于新进职员的要求应该根据当前的就业市场进行调整．

应届毕业生的新教师都应该在38岁以下，具有博士学位；引进

进一步改善教学环境。只有学科得到了发展，才能给应用技术型教师应该是50岁以下同时具有副教授以上职称和研究生以上

的专业学习提供保证．学校要购买学科建设和学生学习与研究

的各种电子图书、电子期刊、IEEE检索系统等．保证教师的备课

和科研需求．也能为学生的学习不同阶段的实践和创新活动打

下物质基础。

学历；实验技术人员应该硕士毕业生。授课教师在其学习经历中

至少有一个阶段是计算机专业的学历．以保证对计算机学科本

质的深刻理解并将其传授给学生．不能再招收通信工程、电子电

气化、自动化、机电一体化专业的毕业生。教师队伍的专业方向

在保证正常的教学活动的基本条件下．要为学生设立各种要分布合理，能够与课程群的教学团队有机配合．开设出符合培

奖学金。激励学生学习和创作的积极性．鼓励学生积极创业或进养应用技术型本科人才的课程．课程群的教学团队都要有自己

行创造性的工作。为了更加联系实际．学生不仅要参加学校的正

的定位，其教师要具备与自己所讲授的课程相匹配的技术能力．

常实习活动，而且要为学生联系假期实习的机会．要学生走到企其中包括新设备、新系统的操作能力、系统编程能力和科研项目

业、走向市场。真正把理论和实践结合起来。

的独立解决问题的能力。

要培养学生成为应用技术型的人才。实验室的建设是离不

开的。当今教育部的本科教学工作水平评估工作大大增加了学

六、结束语

根据地方高校的定位．计算机科学与技术专业要进行应用

校对计算机各类实验室设备的投入．计算机机房拥有足够数量技术型人才的培养．为所在区域的经济社会发展提供高质量的

的机器，提供不同实验环境，满足上机实验的不同需求。加强课毕业生。本文论述的是人才培养的核心．同时也需要加强实践教

程建设和实验环节，有效提高实验开出率。要保证实验设备的完学体系的建设。完善教学保障机制．深化基于课程群的教学改革

备，为各类课程提供实验实践环节的保证．使学生的教学实验活

以及多种教学手段的综合应用等等。各个地方高校可以根据学

动有效得开展。要有足够数量的实验技术人员。熟练地管理、配校的特点进一步细化人才培养方案。以培养出满足社会发展需

置、维护实验设备、计算机设备，保证实验环境的有效利用。实验要的应用技术型计算机科学与技术专业人才。

技术人员不仅要具有熟练的实验操作技能．而且有效指导学生

进行实验活动，这也是教学改革的必要环节。实验室要采用开放

式的管理，不仅要满足教学管理．同时要满足学生第二课堂学习

和各种实践活动的需求。为学生的自主学习提供帮助。为了保证

开放实验室的有效使用，要根据学生的学习和实践活动。为学生

配备实验技术人员和实验指导教师。各个实验室的都要连接到

计算机网络中．在学校的控制策略下可以使用学校的数字资源

和互联网访同，满足学生学习和交流的需求。

参考文献：

1、王浩：胡学钢等．计算机科学与技术专业实残教学体系的研究与建设

Ⅱ】．计算机教育，2007，(22)：73-76．

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计算机教育．2008．(10】：134—136．

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范学院学报，2007，(06)：105-110．

+—■一—+—■-—■——■——■——_．—· _．H—+——+——卜——●——卜——卜—+-+-+-—●—+—+-+· ．．——■——■-· -．——●——_．叫—+——●呻—卜_—卜——+—¨ · +-_-—· ■—· _．——_．—————■—· ．．—· ．．——．．—· ———-●一

(上接第57页)

可稳定运行于—400C至+850C的苛刻环境，主要针对系统控制、

参考文献：

通信、汽车、医疗等领域。AT91RM9200微处理器除具备ARM微 1．冯冬芹，金建样。褚健．Ethemet与工业控翻网络Ⅱ】．仪嚣仪表学报．

处理器普遍的优势以外．其性能、可靠性和扩展性都大大超过普

通的商业级ARM7和ARM9核心的嵌入式微处理器。

5、结束语

2003．24(1)：23—26

2．Steve Furber．ARM

Peanon F．-

sys怔m—Oil Chip Architecture【J吲．Boston

ducation Limited．2000

3．罗蕾．嵌入式实时操作系统及应用开发【M】．北京航空航天大学出版社。

2005

4．Andrew

嵌入式微处理器具有低成本、微型化、网络化、高性能和高

可靠性的特点，完全符合工业控制自动化发展的趋势．可广泛应

N．Slo墨，Dominic

Symes．Chris Wright著．洗建卓译．ARM嵌入

用于集散式控制系统(DCS)、分布式系统(FCS)和现场总线控制系

统的各控制单元，具有良好的应用前景。

式糸眈开发—电件设计与优化【M】．北京航空航天大学出版社，2005

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