当今在工控系统的开发与应用领域中可以说应用系统级芯片(System—on—Chip, SoC)与基于SoC的智能化软硬件平台己成为构建可靠与简便系统的捷径.为此本文就该技术与芯片及其基于SoC的智能化平台特征与应用作研討. 值此先以系统级芯片(SoC)的基本特征特征作分析。

　　1、系统级芯片基本特征与应用

　　1.1 系统级芯片基本特征

　　SoC是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上.系统级芯片结合了广泛使用的微控制器内核与业界最佳的模拟性能。微控制器内核与模拟内核的集成加上高性能的外围器件，构成高度集成的系统解决方案。因此，从广义上讲系统级芯片又称MicroSystem(微系统),其产品很适合于要求高模拟性能和高集成度的应用。集成在高精度系统中起着至关重要的作用。集成能够解决技术问题，如系统级性能下降、噪声，干扰。接口和电路布局方面的课题。通过简化元件的搜索、样品定型和设计过程，集成还能够缩短研发时间。除此而外，由于系统的关键性能参数比较集中，使得开发和调试效率更高。其长处在于能够形成更加坚固、可靠和可预测的系统。

　　与已被集成到微系统中的模拟内核有关的技术信息和设计依据仍然是适用的。但是，其产品在控制这些参数方面提供了更大的灵活性，以满足应用的特定需求。例如，采用Δ∑型ADC后，可对调制器时钟进行直接控制以实现速度与分辨率之间的折衷。这使得微系统成为功能强大的解决方案。

　　而系统级芯片又一特征是：MIPS---每秒为百万条指令;其指令周期,对一条指令的结果进行读取、解码、执行和存储所需的时间长度;使用期限,快闪存储器的使用期限被定义为在存储器不发生故障的条件下所能经受的擦除/写入次数。

　　为此将例举在工控与检测系统应用很广泛的系统级芯片其应用优势作说明。

　　1.2 例举系统级芯片应用优势说明

　　1.2.1 具有8051微控制器和快闪存储器的精密ADC和DAC

　　MSCl201、MSCl202型芯片是全集成化的混合信号器件系列，具有高分辨率、Δ∑型ADC、8位IDAC、六通道多路转换器、电压过低检测电流源、可选缓冲输入、失调DAC、PGA。温度传感器、电压基准、8位微控制器、快闪程序存储器、快闪数据存储器和数据SRAM。微控制器内核是经优化的8051内核，在采用相同时钟脉冲源的情况下，其执行速度最高可达标准8051内核的3倍。这使得能够在较低的外部时钟频率条件下运行该器件，并可以低于标准8051内核的功耗来实现相同的性能。故MSCl201、MSCl202是专为高分辨率测量应用而设计的。

　　其主要特点：MSCl201,24位(无漏失码位),22有效分辨率(10Hz条件下)，低噪声75nV；而MSCl202：16位(无漏失码位有效分辨率(200Hz条件下)，噪声600nV；PGA=1至128；精密片上电压基准与6个差分/单端通道；其微控制器内核与8051内核兼容,为高速度,即每个指令周期4个时钟；DC至33MHz；而存储器为4KB或8KB快闪存储器与快闪存储器分区；外设功能,即16个数字I/O引脚。

　　该系统级芯片可在工业过程控制、仪器|仪表液相/气相色谱分析、血液分析、智能型发送器、便携式应用及DAS系统应用。

　　1.2.2 数字信号控制MCU控制器与DSP性能

　　以TMS320C28x为例，TMS320028xTM数字信号控制器将TI的DSP技术的处理性能优势与传统微控制器的集成度和易用性优势组合在了一起。图1为构建TMS320028xTM数字信号控制器的框图。

　　图1

　　而而独特的特点为：对任何中断的超快检修时间(20ns至40ns),有强大的20Mbit/s数据存入调试能力和32/64位饱和、单周期读出-修改-写入指令．以及64/32位和32/32位模数分割.又具备C和C++语言支持的增强型五金|工具套件与独特的实时调试能力,是32x32位单周期定点MAC与双通道16x16位单周期定点MAC,可得到16位指令的支持．旨在改善代码效率,尤其是可与TMS320024xDSP和TMS320C2xLP源代码兼容。

　　该系统级芯片(SoC)可在汽车、工业自动化、工具/白色家电、功率转换与检测和测量设备上应用。

　　1.2.3 具有LCD驱动器的超低功耗、16位RISC快闪MCUMSP430F43x

　　凭借极高的模拟集成度(包括集成LCD驱动器)与业界领先的超低功耗水平的完美结合，MSP430F43x目前已可采用体积更小的80引脚LQFP封装，以适合那些对成本、功耗和空间较为敏感的应用。而独特的特点为超低功耗,可在待机模式中1μA；高性能集成模拟和数字外设，包括200ksps、12位ADC、LCD驱动器、硬件乘法器、比较器和电源|稳压器电压检测;串行通信接口(USART)起异步UART或同步SPI接口的作用；系统内可编程快闪存储器允许在最后一刻改变代码、进行现场升级并将数据存入快闪存储器中； 封装型式：80引脚或100引脚LQFP。

　　该系统级芯片可在公用事业计量用表、便携式仪表、智能型检测等领域中应用。

　　1.3 系统级芯片在MSP430FE42X单相多功能防窃电电表技术中的应用

　　1.3.1 设计方案

　　应用MSP430FE42X芯片将电能计量模块直接嵌入在16位MSP430单片机内部，相当于把一个电能计量芯片与一个MCU结合，它使得单相电表的设计进一步简化，成本也得到进一步的降低。其图2为设计方案图。

　　图2

　　MSP430FE42X工作电压斤为2．7V-3．6V，它不是将电能计量模块与MSP430的CPU的简单结合，它还提供了对内部模块的控制；如果用在单相电表设计中，可以直接启动内部电能计量模块ESP430；如果用于一些的需要16位AD转换的产品中时，可以禁止ESP430模块，直接对前置可变增益放大器和AD转换器控制，因而这款单片机在产品设计中有很大的灵活性.能够实现有功功率/电能、无功功率/电能、视在功率/电能的计量；电流有效值、电压有效值、功率因子(附带容性、感性指示)、电网频率的测量，带温度补偿的实时时钟。在防窃电方面可以对电流不平衡时(零线接地或火线短接)的防窃电测量；电流反向时(火线的进出端口连接对换)的防窃电测量；以及移除主电压时(拆除电表的零线连接，没有电压信号进入电表)的防窃电测量。图中MSP430FE42X带128段LCD驱动。

　　1.3.2 MSP430FE42X特性

　　除上述MCUMSP430F43x外，还具有从待机模式唤醒仅用6μS，

　　熔丝代码保护和频率锁相与带有三个捕获/比较寄存器的16位定时器(Tmer-A)及串行在线编程等功能。

　　2、嵌入式智能平台(ESoC)基本架构与应用

　　2.1 嵌入式SoC智能平台(ESoC)的引出

　　迫切需要从产品开发中的困境中解脱是ESoC出世的主要原因。这是因为通常工控企业开发产品都是从“阶段0”起步开始设计软硬件，产品质量完全取决于开发人员的经验和学习能力。不同的人开发不同的产品，不断重复劳动，每一个产品都是一个可能随时爆炸的定时炸弹，其间的风险不言而喻；差另一原因是很多企业几乎星依靠“牛人”发展起来的，一旦“牛人”走了，怎么办？此时此刻，所面临的简直就是噩梦，企业怎么不垮？

　　基于此况开发与应用基于SoC的智能化软硬件平台己是众望所归。

　　2.2 何谓“嵌入式智能平台(ESoC)”

　　从上可知,从广义角度讲，SoC是一个微小型系统，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统．站在系统的立场来看，将各种功能模块集成在一块电路板上构成一个嵌入式系统，故可称之为ESoC。如果更进一步延伸，将多个功能模块或者数据采集与I/O板卡按照一定的规范(如PCI104总线、MiniISA,总线)集成于一体构成一个嵌入式系统，将这样的系统看作一个整体同样可视为ESoC。

　　如果仅仅将硬件功能模块与OS捆绑在一起构成一个嵌入式系统还不是一个真正的智能化平台，只有告别操作寄存器的开发模式，开发人员不需要了解ARM硬件结构, 也不需要对寄存器直接进行操作硬件功能，只需调用底层硬件驱动程序、OS、GUI、FAT文件管理系统、TCP/IP协议栈、CAN-bus高层协议等固件的APl函数，即可快速地开发出一个稳定、可靠的产品，这就是ESoC所要实现的目标。

　　2.3 嵌入式智能平台(ESoC)特征与基本架构

　　嵌入式智能平台(ESoC)既有PC一样强大的功能，又要像嵌入式系统那样体积小巧， 而且还要适用于工业环境(例如抗震，可在-40℃～+85℃环境温度范围内可靠工作)，还能像开发PC软件一样方便地开发、调试应用程序。

　　图3为嵌入式智能平台(ESoC)基本架构示意图

　　图3

　　从图3可知,平台系统它有硬件平台与软件平台及应用三个层面。

　　·图3中系统级芯片（SoC）也可以是ARM7核心控制电路，例如基于MinilSA总线的EPC/EPCM系列工控主板与数据采集板卡，将ARM最小系统、以太网/CAN/USB控制器、电子硬盘等功能模块高度集成于电路板之上，且预装正版μC/OS-II实时操作系统、底层基础驱动函数库、中间件软件函数库(FAT文件管理系统、以太网、CAN-bus、USB Device/Host/OTG、 CF/SD/MMC卡、ZLG500、GPRS/CDMA模块…．)，则构成了完整的嵌入式SoC智能平台。而用户只需要调用APl函数，仅需要几行程序即可实现所要的功能。相比传统的开发模式，由于用户减少了“阶段0”的开发，有效降低研发成本，并大大缩短了开发周期，使产品研发效率至少提高2-4倍，为用户抢占市场先机提供有力保障。

　　·又如EPC-8000/6000系列嵌入式工控机主板

　　硬件特点.EPC—8000/6000系列嵌入式工控机主板具有强大的功能和丰富的接口，由以下具体构成：PXA270处理器XScale内核{416(工业级)/520MHz(宽温级)}或S3C2440A处理器ARM920T内核(405MHz)；A/D板、D/A板、继电器板、CPRS扳扩展(标准PC/104扩展总线接口)；3/5个RS—232接口、RS—485接口；多路数字I/O；10/100M自适应以太网；USB HOST&Device接口(支持U盘及USB键盘鼠标)；CAN总线接口；AC97音频接口与通用LCD接口(或VCA接口)；支持CF卡(可热插拔)与RTC、外部看门狗芯片；64MBSDRAM256MB NAND FIash。

　　软件特点.WindowsCE5．0操作系统与MontaVistaRealTimeLinux操作系统均为稳定的、可靠的操作系统。

　　而嵌入式工控主板互联设备是包括GPRS/CDMA无线数据传输设备DTU、无线调制解调器、智能短信设备、无线数据采集设备与RS-485及RS-485数据采集模块(配合RS-485转换器)。

　　2.4 嵌入式智能平台(ESoC)应用案例

　　以EPC—8900PC/104工控机为例,对在汽车焊接线监控系统上的应用方案作介绍。

　　EPC-8900PC/104工控主板是一款带2路CAN接口的嵌入式通用工控主板，在工业通信网络中得到广泛应用。其资源丰富、接口齐全、功耗低、可靠性高，预装正版MicrosoftWindowsCE 5．0或MontaVistaRealtimeLinux操作系统并提供所有板载外设驱动库，可通过本地(CF卡或U盘)或Internet远程升级WindowsCE操作系统。

　　EPC-8900PC/104工控主板，可以经济和灵活地应用在各种工业通信现场，内嵌iCAN协议主站应用程序，在CAN网络上实现可靠的应用层协议通信，更加适合工业通信网络现场。

　　在汽车生产线的焊接流水线生产过程中，需要对各个焊接工位的实际焊接情况进行监控并记录，采用CAN-bus现场总线作为监控数据的传输方式，能够保证在焊接现场的苛刻环境中数据传输的可靠性与实时性，完全满足焊接流水线监控系统的设计要求。整个焊接流水线监控系统由数据采集系统、现场监控系统和中央管理系统组成。

　　在数据采集系统中，利用iCAN4050数字I/O模块采集并控制激光焊机的工作状态，并通过iCAN4050的CAN接口同现场监控台通信；现场监控台作为现场监控系统的核心，由EPC-8900PC/1041控机配套液晶触摸显示屏|显示器件组成，安装在流水线现场，负责处理并显示现场各个焊接工位的实际情况，并通过以太网接口将数据传输到工厂以太网；处于工厂生产线总控室的计算机服务器作为中央管理系统，通过以太网得到焊接流水线的各种参数数据，并进行数据备份和记录，实现工厂生产线的信息化管理。

　　利用EPC-8900PC/104工控机，外接液晶屏，通过CAN-bus与焊接流水线现场各个焊接工位进行数据传递，实现对各焊接工位的实时监控与管理，并利用工控机本身的以太网接口，将数据通过以太网传递到工厂生产线总控室，满足整个工厂生产线的信息化管理。

　　同传统的方案比，现场监控台采用了EPC-8900PC/104-1-控机配套液晶触摸屏的方式，无论从成本上还是灵活性上， 都具备很大优势，更加适合于在类似的嵌入式分布控制网络中应用。