泛用型嵌入式控制器GEC应用在远程监控中

GEC（General Embedded Controller，泛用型嵌入式控制器）的提出,主要目的在于以PC-Based为架构，提供一个一般工业控制应用所需的系统开发平台。  
    General（泛用型）代表着此控制器需能提供一般工业控制应用中所需的功能；Embedded（嵌入式）则代表控制器的外型经过适当的设计与处理后所需的安置空间不多，适合嵌入于各种机器或设备内作为控制中枢之用；而Controller（控制器）则代表着此设备具备控制逻辑程序的执行能力，系统能在其上利用程序工具发展应用程序。 
    在计算机软硬件及信息网络应用技术的快速发展下，传统的PLC控制器在软件扩充性及网络化方面往往捉襟见肘，新一代的控制器要求能够在快速、易操作且低成本基础上与不同系统作数据流的连接，以提升整体控制系统的功能与效率。 
    本文将就GEC的特性与架构作出介绍，并且用一个真实的应用案例与读者进行探讨。 
    GEC系统架构
    GEC控制器是一个PC-Based控制器，因此我们可将其拆解为软件及硬件两大部分（请参考图一）。其中硬件部分又可划分为*处理器（CPU）及输出入接口（I/O）两大类，不同的应用需求对*处理器和输出入接口的要求各不相同。在软件方面，操作系统的选用往往是决定日后控制器菜单能否符合需求的重要因素。

    以下我们将针对这些部分逐一说明。 
    *处理器（CPU） 
    计算机硬件架构的核心是CPU，GEC控制器在CPU的选配上是以应用需求作为考虑重点。因为工业控制应用的范围相当广泛，从简单的数字及模拟讯号控制到复杂的运动控制或影像监测，所需的运算能力*不同，因此针对不同的应用需求提供不同等级的CPU作配合选择，才能提供系统一个符合功能需求且成本合理的解决方案，GEC控制器即是在此概念下开发出来的产品。 
    外型架构（Form Factor） 
    一般嵌入式工业控制应用对于空间限制的要求较多，因此GEC特别强调小体积设计及散热能力。虽然GEC控制器的内部空间并不宽裕，但其内部总线仍采用工业标准，保留了zui大的弹性及扩充性和周边适配卡整合。 
    输出入接口（I/O） 
    GEC是泛用型嵌入式控制器，必须利用控制器内部有限的空间及接口满足zui大多数客户的应用需求，于是GEC提出了如下数种不同的输出入接口，通过彼此搭配提供zui大的配置弹性： 
    多轴运动控制接口（Motion Control Interface Module）
    多信道影像采集接口（Video Capture Interface Module）
    多串行端口接口（RS-232/422/485 Communication Interface Module）
    CAN Bus界面（CAN bus Communication Interface Module）
    高速串行技术输出入接口（High Speed Link Interface Module for DI/O and AI/O signal）
    数字讯号控制接口（Digital I/O Control Interface Module）
    远程监控模块接口（Remote Control Interface Module） 
    操作系统的选用 
    操作系统负责掌管PC的核心作业及资源分派，不仅会影响系统执行的效能更会影响整个应用软件开发时的资源需求，因此系统应针对不同的应用需求选择适当的操作系统搭配，考虑的重点一般为：系统稳定性、"实时"能力、多任务能力、是否需支持人机界面或绘图、所需储存空间大小、总持有成本等等。 
    GEC控制器内可搭配的操作系统包含下列数种： 
    1、Embedded NT/ Embedded XP 
    Embedded NT/ Embedded XP的设计概念在于将一般的NT/ XP作模块化分割，系统只需要挑选所需的NT/ XP的功能模块并将其组织起来，即可构建一Embedded NT/ Embedded XP系统。模块化架构使系统可以根据所挑选的功能模块的多少决定储存空间的大小。 
    Embedded XP系统与一般 Windows XP*兼容，在Windows XP上编译完成的控制程序直接拷贝至Embedded XP系统上即可执行，因此系统无需学习新的工具，大大降低了软件开发成本。 
    2、Windows CE 
    Windows CE操作系统所需的储存空间比Embedded XP节省许多，一般而言64M的储存空间即可构建出一个Windows CE系统，若有特殊需求储存空间还可以更小。此外，Windows CE还有强大的实时性功能和与Windows系统一致的人机界面。但是系统需要注意，由于Windows CE架构于嵌入式系统而Windows XP架构于桌上型系统，因此两者在软件的开发流程上会有所不同。 
    在微软的*下，Windows CE操作系统的*成本相当便宜。 
    3、Linux 
    Linux一向以稳定性及免费*的开放性著称，在服务器及网络的相关应用上已有超过30%的*，但是在PC-based控制器应用上Linux仍处于萌芽阶段。Linux 的实时性功能并不突出，其上层人机接口系统也并不广为软件工程师所熟悉，并且其开放性导致版本控制花费增加，在解决Bug以及后续维护上也较为困难。 
    但是Linux系统采用的是免费*的方式，如果系统本身已具备Linux系统核心的开发及维护能力，则可以采用Linux节省成本。 
    GEC应用实例介绍——隧道远程监控系统 
    应用背景简述 
    我国中国台湾地区多山并且市区土地利用率高，因此隧道一直是交通运输网络的重要部分。由于潮湿、空气流通不畅以及交通工具运行时排出的大量废气会成为安全隐患，因此需要对隧道内空气品质进行监控调节。 
    以往，此类型的监控工程都是使用PLC系统，但是PLC 的"固定时间"方式无法真正管控隧道环境并做出适时适度的调节，并且PLC在进行系统扩充和建置管控点信息传输与交换系统时需要花费相当大的成本。相比较而言，一般工业计算机应当是取代PLC的一个解决方案，但考虑到隧道内长时间的恶劣环境，凌华科技认为一般的工业计算机很难胜任。 
    解决方案 
    与专业人员沟通并了解现场状况后，凌华科技提出了使用GEC控制器的建议。 
    凌华科技依据中控中心信息系统所要求的信息反应时间为基础，将整个隧道监控系统划分为数十个子系统，每个子系统使用一台GEC控制器（凌华科技的GEME-1000）作为现场的监控中枢。子系统周遭隧道现场的管控点用凌华科技的NuDAM-6000远程控制模块系列进行数据采集，GEME-1000则透过其串行接口与NuDAM-6000远程控制模块结合进行数据传输。GEC控制器与中控中心信息系统的连接则是透过Microsoft主导的OPC Server/Client 传输协议在100MBps的以太网络下进行数据传输。 
    凌华科技为GEC控制器配置了CF卡并内建一个Embedded XP操作系统，CF卡的所提供的插针式接口，在可靠度、防震性及稳定度上均比一般的硬盘机好，能够适应隧道现场的恶劣环境；而建置Embedded XP操作系统主要是考虑到Windows软件资源以及与中空中心信息系统的兼容性。 
    这套系统比传统PLC系统的后续硬件维护更加简便，成本更加节省，系统利用Embedded XP操作系统内的网络传输和档案分享功能在中控中心就可以透过计算机网络进行GEC控制器内控制程序的更换 
    结论
    随着计算机软硬件及网络科技的进步，过去的许多梦想正在成为现实，GEC概念的提出正也是这一科技发展趋势下的产物。 
    嵌入式应用概念衍生出GEC控制器小空间需求的外型设计；多样化的*处理器及数据储存装置的选配、完整的附加硬件接口装置，使得GEC控制器可针对实际应用选择适当且成本合理的硬件配备；嵌入式操作系统技术的成熟又让系统可针对应用需求及本身技术能力，自由选择Embedded XP、WinCE或者Linux。 
    技术的成熟化解了过去的种种限制，剩下的问题就是如何为您的应用系统挑选一套适合的硬件配备。