ARM在工业控制中的应用

ARM在工业控制中的应用

摘要：从51单片机到ARM处理器，嵌入式微控制领域不断更替交叠，伴随而来的是技术的不断发展和生产力水平的不断提高。ARM处理器从其诞生之日起就注定担负着推动技术进步和改写历史的重任，因为ARM处理器是一个“集大成者”，ARM嵌入式系统的发展促进了工业控制自动化程度的提高。

关键词：ARM处理器；嵌入式系统；工业控制

1 ARM处理器的发展历史

1990年11月27日，Acorn公司正式改组为ARM（Acorn RISC Machine）计算机公司。苹果公司出资150万英镑，芯片厂商VLSI出资25万英镑，Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股。公司的办公地点非常简陋，就是一个谷仓。

ARM处理器

20世纪90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced lnstruction Set Computer)处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。ARM公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，每个厂商得到的都是一套ARM相关技术及服务。

ARM是第一款面向低价位市场的RISC架构微处理器。目前，ARM已经成为嵌入式微处理器的代名词。

2 ARM处理器的优势

①体积小、低功耗、低成本、高性能。ARM针对嵌入式应用，在满足性能要求的前提下，力求最低的功率消耗。ARM结构的优点是能兼顾到性能、功耗、代码密度、价格等几个方面，而且做得比较均衡。在性能/功耗比（MIPS/W）方面，ARM处理器具有业界领先的性能。基于ARM核的芯片价格也很低，目前ARMCortexM的芯片价格可低至10元人民币左右。

②支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。

③大量使用寄存器，大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快。

④指令长度固定，寻址方式灵活简单，执行效率高。

⑤丰富的可选择芯片。ARM公司自己不生产芯片，而是采用授权的方式给半导体生产商出售芯片技术，目前，全球几乎所有的半导体厂家都向ARM公司购买了各种ARM核，配上多种不同的控制器（如LCD控制器、SDRAM控制器、DMA控制器等）和外设、接口，生产各种基于ARM核的芯片。目前，基于ARM核的各种处理器型号有好几百种，在国内市场上，常见的有ST、TI、NXP、Atmel、Samsung、OKI、Sharp、Hynix、Crystal等厂家的芯片。用户可以根据各自的应用需求，从性能、功能等方面考察，在许多具体型号中选择最合适的芯片来设计自己的应用系统。由于ARM核采用向上兼容的指令系统，用户开发的软件可以非常方便地移植到更高的ARM平台。

ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。

3 嵌入式系统的概念

根据IEEE的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”。其实，嵌入式系统是一个很模糊的概念，很难给它下一个准确的定义，事实上，凡是嵌入在产品中的以计算机来实现某种特定控制功能的控制系统都可以称之为嵌入式系统，目前广泛被大家认可的概念是：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。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。既然嵌入式系统是面向产品的，是与具体应用紧密相结合的，因此它在各个方面一定是紧扣应用的特定需求，这表现在，嵌入式系统可以根据实际系统的应用需求对软硬件进行合理的裁剪，以满足应用系统的功能需求，并保证满足可靠性、实时性、体积等要求，并在此基础上尽可能的降低成本和功耗。嵌入式系统包括硬件系统和软件系统两大方面，其组成结构如图所示：

嵌入式硬件系统的核心是嵌入式处理器。嵌入式处理器的种类非常多，到现在为止一共有30多个体系1000多个系列，包括单片机、DSP、FPGA、ARM等，他们具有不同的字长，有8位、16位、32位和64位之分，且主频和处理速度也有很大差别。目前我们通常所说的嵌入式

系统主要是具有较高性能的32位的嵌入式处理器，主流的有ARM公司的ARM系列、MIPS公司的MIPS系列、INTEL的X86系列、IBM公司的Power PC系列、Compad公司的Alpha系列、Motorala 公司的68K系列等。嵌入式软件系统主要指嵌入式操作系统及其应用软件。

嵌入式操作系统的典型特点是：采用占先式的调度，响应的时间很短，任务执行的时间可以确定；系统内核很小，具有可裁剪，可扩充和可移植性，可以移植到各种处理器上；较强的实时和可靠性，适合嵌入式应用。比较经典的嵌入式操作系统有：WindRiver公司的VxWorks、美国集成系统公司的pSOS、Lineo公司的uClinux、新墨西哥工学院的RT—Linux。随着竞争的激烈，Palm OS，WinCE等嵌入式操作系统相继被推出。

4 工控系统对嵌入式系统的要求

目前嵌入式系统已广泛应用于生产生活的很多方面，如工业控制、家用电器、移动通信、国防军事等方面。在工业控制系统中大量应用了嵌入式芯片，如工业过程控制、电力系统、石油化工、数控机床等，正是由于嵌入式芯片的应用，大大提高了产品的质量和生产效率，提高了生产线的自动化程度，提高了生产车间的网络化管理程度，降低了人力资源需求量。相比嵌入式系统的其他应用方向，工业控制系统具有许多特点，要根据工业控制的特点来选择合适的嵌入式系统。

工业控制系统有以下特点：相对于民用来讲，工业控制对嵌入式系统各方面的要求相对较高，因为有些应用可能涉及控制精度、产品质量、人身安全等重大事务；工业生产现场可能是高温、高压、易燃易爆、高噪音、高电磁辐射、带有腐蚀性气体或液体等的极其恶劣的环境：工业现场需要常年连续作业，由于人力资源的问题，可能出现无人值守的情况；工业生产过程中，可能存在有高温高压密封容器、高速运转机器、高强度作业机械等，若处理不当或不及时，随处隐藏着可以酿成重大安全事故的隐患：在工业现场中，由单个嵌入式CPU 来完成相对简单的控制过程，多个嵌入式CPU与高一级的管理级CPU通信，并在其管理下协调的完成复杂任务，多个工业现场可能分散在不同的地方，距离遥远，各部分需要协调工作等。因此，工业控制对嵌入式系统的要求除了一般性的要求以外，还特别有以下要求：对嵌入式芯片的处理能力要求较高，处理能力将一定程度决定控制系统的精度，处理数据量大，对于处理速度要求较高；对嵌入式系统的可靠性要求很高，要求其要能在极其恶劣的环境中长时间的正常工作；对嵌入式系统的实时性要求很高，以保证对出现的各种情况能够及时采取措施；要具有一定的通信能力，能与上位机进行通信，从而实现分布式控制；具有一定的网络支持能力。

5 ARM嵌入式系统在工控中的应用

在通常所说的嵌入式微处理器中，ARM系列处理器是目前应用最为广泛的，市场占有率高达75％以上。ARM是当前最先进的RISC处理器之一，它具有较强的性能，非常丰富的外围接口，像12C、SPI、UART和USB等接口都是标准配置，在设计系统时只要把处理器和外设进行物理连接就可以实现外围接口扩展了，同时体积小，价格比较低廉，功耗较低。ARM系列处理器的发展经历了ARM7、ARM9、ARMll等几个系列，以ARM9系列性能为例，它是同时支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集的32位RISC处理器，工作频率高达203MHZ，采用五级整数流水线，可达到300MIPS，能够满足较为复杂的信息处理，具有独立的数据Cache和指令Cache，获得了许多实时操作系统的支持，如pSOS、VxWorks、uCOS等。当前市面上使用比较广泛的是由SAMSUNG公司生产的基于ARM9的$3C2410和基于ARMlI的$3C6410嵌入式芯片，它广泛应用于当前的工业控制领域中。$3C2410的资源有一个LCD控制器、4个通道的DMA、触摸屏接口、2个USB主机接口、1个USB设备接口、117位通用I／O口和24位外部中断源、8通道10位AD控制器，非常适于构架嵌入式工控系统。工控系统一般都采用实时性操作系统。对于实时性操作

系统，时间是一个很重要的指标，对事件不但要有正确的响应，而且必须在规定的时间内完成。也就是说，系统运行时如果没有在指定的时间内完成任务，即使能得到正确的处理结果，也是失败的；实时系统又分为硬实时系统和软实时系统，工业控制对于实时性要求较高，因此多采用硬实时系统，而软实时系统多用于消费电子中。

ARM嵌入式应用实例——汽车ABS/ASR/ACC集成化控制系统：

ABS/ASR/ACC集成化控制系统是综合了制动防抱死功能(ABS)、驱动防滑功能(ASR)和自适应巡航功能(ACC)的汽车新型主动安全系统,系统结构。

在硬件上充分利用各个子系统的现有元件,轮速传感器、发动机转速传感器、节气门位置传感器、加速踏板传感器和探测雷达组成传感器网络,共用控制器和执行元件。在软件上应用信息融合、集中控制技术,通过对制动力矩和发动机输出功率的综合调节实现汽车制动防抱死、驱动防滑和自适应巡航功能。控制过程充分考虑三个逻辑模块上的相互关系,实现信息融合共享,例如ABS与ASR的车轮滑动率计算可以统一,ACC探测雷达获取的车速信息可以用来修正ABS参考车速。

ABS/ASR/ACC集成化系统结构

6 工控嵌入式系统发展趋势

随着科技的发展，工业控制正面临前所未有的高要求，嵌入式系统作为其核心，要求各方面功能不断提高，其发展趋势如下：

(1)性能上。随着精密仪器、高精尖技术、生产工艺技术等方面的发展，系统中控制任务可能越来越多且越来越复杂，信息处理往往要经过复杂的算法，因此对嵌入式系统的性能要求越来越高，要求嵌入式系统具有更高的处理能力、更高可靠性和更强的实时性。

(2)网络支持加强，便于远程控制。随着生产和管理的全球化，嵌入式设备面临联网要求，要求嵌入式处理器内嵌网络接口，支持多种通信协议，支持告诉数据传输，具有更加严密的数据保护能力，支持IEEEl394、USB、Bluetooth等，并提供相应的通信组网协议和物理层驱动。嵌入式WebServer在工控系统中的应用，除了可实现生产管理的远程化，对数据库

的支持，将利于为管理层提供分析和依据。

(3)提供友好的图形操作界面。嵌入式已广泛应用于智能仪表设备中，良好的人机交互图形界面，灵活的控制方式，可以大大提高智能仪表的使用性和操作性，因此要求嵌入式系统提供非常友好的用户界面。随着嵌入式系统的发展，越来越多提供优秀图形操作界面和控制方式的嵌入式软硬件相继出现。

(4)开发周期进一步缩短。随着工业的发展和时代的进步，新老产品交替很快，个性化工业产品呼声很高，要求嵌入式系统开发周期缩短，降低开发费用，以适应快速发展的节奏。采用实时多任务编程技术，研发更加完善的交叉开发工具链，简化应用程序设计，提升控制功能复杂性，可以在保障软件质量的同时缩短开发周期。

7 总结

本文分析了工业控制系统的特点，为满足工控系统对嵌入式微处理器和操作系统的特定要求，着重介绍了ARM系列处理器，介绍了ARM系列处理器的性能、资源和优点；通过实例分析适合工控系统的嵌入式操作系统的特点，最后，本文展望了随着工业控制的发展和需求的进一步提高，嵌入式系统未来的发展趋势。

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