嵌入式系统用于机器集成

来源：controldesign An embedded real-time operating system (RTOS) operates as a standalone entity. It has no rotating disk from which it downloads files, so everything it needs must be stored in some kind of nonvolatile memory, immune from power losses. This is not a new concept. PLCs have had embedded RTOSs for 40 years, microprocessor-based controls have had them for 30 years, and PC-based control have used a RTOS for 10 years or so. 在与企业对话时，一种嵌入式实时操作系统将控制其机器的运行。机器制造者正把目光转向嵌入式实时操作系统。其将来的发展是什么呢？ 嵌入式实时操作系统（RTOS）作为一个独立实体运行。它没有从中下载文件的旋转式磁盘，所以它需要的每个文件必须以某种非易失性存储器格式存储，且要避免其掉电。这不是一个新概念。PLC系统使用嵌入式实时操作系统有40年，基于微处理器的控制系统使用该系统有30年，而基于PC控制系统使用该系统有10年左右。 数年来，机器制造者已经在小型、专用的、有时量身打造的实时操作系统方面取得进展。过去，嵌入式实时操作系统支持单独的、仅仅连接外围的机器，其外围可能是一个操作员显示器，一个提供下载部件或编程信息的RS-232接口，也可能是一个在一个制造单元中与其它机器进行通信的网络端口。这些情况已经改变。 今天，即使最简单的机器可能必须和企业级的软件挂钩，支持HMI/SCADA系统，和Internet连接，成为企业范围内连接网络的机器的一部分。这种企业领域可用一些专门述语描述，如.Net、XML、OPC及以太网。 虽然现代操作系统也讨论这些语言和协议，但它们不适用于有限存储和无磁盘运行的嵌入式机器控制领域。他们也不适合于大型、其辅助软件占用大量内存的操作系统如Windows NT，其经常需要巨大兆字节的内存和磁盘空间。 机器制造者需要做什么？客户要求机器系统能与企业对话，且需要实时操作系统与Microsoft系统兼容。旧的、可靠的实时操作系统不能处理企业级的控制。甚至两年前的实时操作系统可能都无法实现。 一种基于机器人的汽车座椅磨损测试应用系统，Occubot系统，在运用单片CPU实现的机器人控制、数据采集、机器人路径偏移计算和测试监控上使用了VxWorks/Windows XP嵌入式扩展技术。源自Kuka控制系统 机器制造者正将关注的目光转向这里。“我们所有的机器都使用Windows系统，”控制工程师Travis Rogers说，他也是位于Ark的Bauxite生产部中钢制造机器与其控制系统的制造者。数年前，控制自动化网就将其机器控制转向基于Windows系统控制，现在正转向嵌入式实时操作系统控制。“我们运营光束线、细节线、凸缘线、角度线、钻头及形状切割机器，”他说。“形状切割机器仍然在具有第三方实时扩展功能的Windows NT和2000系统上运行。我们打算将其改变成基于Windows CE系统运行。” 进入嵌入式实时操作系统领域，可以将其两方面的优势结合起来：实时响应和Microsoft兼容性。 内部实时操作系统 一个实时操作系统在外围和机器控制编程之间提供接口。其外围包括那些快速移动的设备和控制系统，如打印机、末端限位开关、运行控制器、视觉系统等。实时操作系统必须确保控制程序能在遇见意外事故时动作，如限位开关在几微秒内关闭。 普通Windows操作系统不适用于机器控制中，因为它们是不确定的。也就是说，没办法保证Windows操作系统何时开始考虑执行重要的I/O信息。如果操作员由于一个托盘掉在传送带上立即去按急停按钮，但Windows系统这时正在运行其许多无休止的辅助程序之一，那么事故可能会发生。当Windows系统更新了无意义的内部磁盘文件时其加工过程会处于立即停止状态。 对于实时应用，嵌入式实时操作系统将其代码嵌入到“内核”，其主要功能是支持实时操作。其辅助软件保留（它能支持非实时功能，如.Net或TCP/IP）但它作为低优先级用户任务运行。实时操作系统中的内核可采用两种方式之一即通过硬中断或定时中断处理重要的I/O信息。若一个急停按钮被连接到一个硬中断上，则它将会被立刻作用。定时中断也类似，即进入到指定时间间隔（如每隔10ms）的时钟中断导致实时操作系统调用中断程序执行其指定任务，如扫描全部或部分I/O接口。 大多数现代实时操作系统支持多任务；即多于一个软件任务能在同一时间里运行。机器中实时工作和保持其运行的控制程序具有最高的优先级别。 多年来，通用实时操作系统精妙地执行着这些功能。当我们添加处理企业控制的任务时，这些功能会变得复杂。而实时操作系统不仅要实时地工作，且必须携带所有软件去处理和Windows相关的组件，如web服务器、XML语言、.Net结构等。几年前这种情况出现了问题，因为它几乎不可能把这两种情况结合到一个嵌入式、无磁盘的操作系统中实现。幸运的是，数个现代嵌入式实时操作系统能做到这一点。 大量的实时操作系统可供选择 嵌入式实时操作系统目前经常用可靠Unix、Linux和基于Windows的系统。在我们机器制造厂之外一个完成真实特殊任务应用的实例使这一点更具可靠性：“在我们的飞行展示和航空电子设备系统中我们使用几种类型的嵌入式实时操作系统，”作为Rockwell Collins公司的嵌入式实时操作系统软件工程师Jonathan Wieman披露，他还是用于军事和商业飞机的航空设备的制造者。“我们使用一个综合的嵌入式操作系统：Lynx操作系统、Greenhill综合系统和Windows XP嵌入式系统。每个操作系统都有其独特的优点和缺点，照此所做的全面考虑使得装有该操作系统的每个产品最有利于客户的需求。” 和一些机器制造者一样，Rockwell Collins公司也在开发它自己的、能满足其特殊需求的实时操作系统。“我们在研发室开发了一套可视化机器操作系统（VMOS）以满足用于特殊飞行系统的美国联邦航空管理局的需要，”Wieman补充道。 模具加工机器制造商exeron公司依靠Windows CE系统提供硬实时控制和可靠用户界面以用于其基于PC的EDM控制器中。该控制技术由于其标准PC结构完成六个轴的控制并将其集成到网络中。源自：Kuka公司。 Rockwell自动化公司也使用多任务系统。“我们对使用Linux、VxWorks、Windows CE和Windows XP嵌入式系统有经验，”作为Rockwell 自动化（www.ra.rockwell.com）公司软件结构主管John Baier说。“所有这些系统都适合于无磁盘运行，但每个系统在实时运行方面都有其自己的问题。所有的嵌入式操作系统必须适应具有硬件选择功能的正常运行和调整被配置系统的实时约束的正常响应。” Baier没有推荐任何具体的系统，但他说：“对于机器控制最重要的特征是其真正的实时中断和任务调度。一个好的TCP/IP协议堆栈实现也是非常重要的。” Windows系统领域 多年来，软件公司充分利用Microsoft的辅助软件和专用的、取代Windows或与其一起工作提供实时控制的实时操作系统。Microsoft必须使其经济处于疲软、损失状态的工业化OEM公司和机器制造商成为暴发户，因为它现在有三种嵌入式实时操作系统，即Windows CE、NT和XP嵌入式系统。 Beckoff公司（www.beckoff.com）在其CX1000模块化工业PC上使用CE.Net技术。“通过CE.Net使能的实时计算决定在制造过程中输入和输出信号之间的确定响应时间，”作为Beckoff公司的产品经理Andreas Thome说。“其轴能以10m/s的速度转动，故控制这种具有1kHZ频率的运动需要确定性、硬实时的控制周期为1ms。Beckoff公司的研究和测试得出结论是运行在CX1000硬件平台上的CE.Net满足其需求：在最大跳动时间为50us范围内尽可能的最快控制周期为1ms。” 西门子能源与自动化（www.sea.siemens.com）公司在其并行的、用于非连续自动化的PC中使用CE系统。智能仪表公司（www.instrument.com）在其用于装有PLC的机器上的EDAS数据采集和LANpoint数据采集系统中使用CE系统。其核结构与EDAS系统和LANpoint系统相同：66-MHz CPU，8-MB RAM和8-MB 紧凑型闪存。 “即使这些产品卖到了不同的市场，但其共同的目的是使你的工厂能现场在线实时运作，”LANpoint产品经理Paul Liska说。 总部位于加利福尼亚州圣里安德鲁的先进发动机技术公司在其使能互联网监控产品上使用Windows XP嵌入式系统。“我们使用XP嵌入式系统是因为它支持在其连接性、安全性和产品面市时间方面提供巨大优势的.Net平台，”首席软件工程师Justin Stimson说。“当我们开发复杂的、完成关键任务的、分布式系统时，.Net能对我们遇到的大多数问题提供现成的、已测试解决方案。开源型操作系统如Linux和Unix会给你重新发明轮子的灵活性思路，但这不是我们的核心工作。” 实时操作系统词汇 嵌入式系统：控制与操作系统软件存储在非易失性存储器中；在无磁盘环境下运行。 无磁盘环境：使用没有旋转式的磁盘。即FLASH设备（片上磁盘、内存条等）作为硬盘发挥同样的功能。一个无磁盘系统能够通过CIFS（通用互联网文件系统）或NFS（网络文件系统）进入远程文件系统。 Kernel：实时操作系统的小型“核”。它实时处理I/O信息，管理多任务运行，从辅助软件运行中分离出实时功能。 辅助软件：操作系统软件，支持非实时功能，如联网、.Net结构、web服务器、Internet通信等。一个嵌入式实时操作系统去除这些功能以便适合内存需要的绝对最小值，且通常在进程中删除一些高级功能。 中断：一种硬件或定时功能，强迫实时操作系统停止其正在运行的任何任务，转到“服务”中断程序。 延迟：从接收到中断信号到中断进程开始的时间。实时操作系统通常在1-10 μs内响应中断，包括其跳动时间。 跳动：时间上的变化。 软实时：一些应用如过程控制，这里延迟时间和跳动<