Struktura, funkcjonalność i zastosowania systemów wbudowanych

Z tego powodu stosunkowo niedawno zaczęto mówić o specyficznym rodzaju zastosowań technik mikroprocesorowych, dziedzina zaś została określona jako systemy wbudowane. Pomimo intensywnego rozwoju, systemy te nie do końca są jeszcze zdefiniowane i skategoryzowane. Dlatego oprócz szeroko zakrojonych prac nad nowymi zastosowaniami, prowadzi się również badania teoretyczne, w celu jasnego określenia odrębności takich systemów od typowych komputerów i zestawów mikroprocesorowych.

W artykule przedstawiono charakterystykę systemów wbudowanych, opisano ich strukturę sprzętową, a także oprogramowanie uruchamiane na tego typu urządzeniach. Ze względu na obecny stan zaawansowania technicznego, skupiono się na mikrokontrolerach oraz sterownikach PLC. Na koniec przedstawiono zastosowanie takiego systemu w przemyśle samochodowym jako rozwiązania mającego zwiększyć bezpieczeństwo na drodze.

charakterystyka systemu wbudowanego

Jednoznaczne zdefiniowanie systemu wbudowanego nie jest łatwe. Pomimo braku jednolitej, ścisłej definicji, w literaturze przyjmuje się taki system jako rozwiązanie wykorzystujące sprzęt komputerowy do analizy oraz sterowania obiektami (najczęściej o naturze analogowej). Urządzenie takie jest umieszczone w bezpośredniej bliskości kontrolowanego obiektu, uzyskując z niego informacje za pomocą modułów pomiarowych oraz wykonując algorytm sterujący zrealizowany w formie oprogramowania wykonywanego przez jednostkę obliczeniową [1]. Wynika stąd kilka istotnych konsekwencji oraz wymagań zarówno wobec sprzętu, jak i oprogramowania.

Przede wszystkim, systemy wbudowane są stosowane jako element wykorzystywany w połączeniu z innym systemem, z którym użytkownik ma bezpośrednio styczność lub który odpowiada za proces lub zjawisko. Do tego typu obiektów należą urządzenia mechaniczne (np. ramię robota), procesy technologiczne w fabryce, pojazdy (samochody, samoloty) itp. Istotną cechą systemu wbudowanego jest jego autonomiczna praca. Po zaprojektowaniu oraz zainstalowaniu w miejscu pracy powinien on działać nieprzerwanie bez ingerencji operatora (wyjątkiem jest sytuacja, w której
muszą zostać wykonane modyfikacje, zarówno w sprzęcie, jak i oprogramowaniu). Tym samym komputer sterujący obiektem analogowym musi posiadać wszystkie interfejsy konieczne do komunikacji ze środowiskiem zewnętrznym. Dotyczy to zarówno portów wejściowych (służących do uzyskiwania danych pomiarowych), jak i wyjściowych (wykorzystywanych do generowania sygnałów sterujących).

Możliwości komunikacji systemu ze światem zewnętrznym nie ograniczają się tylko do komunikacji z badanym obiektem, obejmują również transmisję danych do innych komputerów. Pod tym względem intensywnie wykorzystywana jest sieć komputerowa standardu IEEE 802.3 (Ethernet), obecne są jednak również bardziej tradycyjne rozwiązania (np. port szeregowy RS-232 służący do komunikacji z innym komputerem, w celu aktualizacji oprogramowania uruchamianego na mikroprocesorze). Należy zauważyć, że mikroprocesor jest systemem cyfrowym, podczas gdy informacje pobierane ze środowiska oraz sygnały wysyłane do niego mają naturę analogową (obejmując temperaturę, pomiar prędkości, przyspieszenia, położenia). Stąd konieczne jest wyposażenie systemu wbudowanego w odpowiednie przetworniki cyfrowo-analogowe oraz analogowo-cyfrowe. Wewnątrz komputera musi bowiem dojść do wygenerowania sygnału cyfrowego, który potem zostanie przekonwertowany na odpowiadającą mu wielkość fizyczną, charakterystyczną dla monitorowanego obiektu (np. prędkość kątową serwomechanizmu umożliwiającego przemieszczanie elementów na taśmie produkcyjnej). Schemat blokowy systemu wbudowanego przedstawia fotografia 1.

Jak widać, system wbudowany zawiera trzy podstawowe elementy. Elementy pomiarowe (czujniki – ang. sensors) odpowiedzialne są za pozyskiwanie danych z obiektu na temat jego aktualnego stanu. Blok akwizycji sygnałów współpracuje z czujnikami pomiarowymi odpowiedzialnymi za konwersję mierzonej wielkości na analogowy sygnał elektryczny lub cyfrowy, który następnie jest przetwarzany w systemie mikroprocesorowym [2]. Jest to zatem przetwarzanie typu analogowo-cyfrowego, choć możliwe jest również traktowanie sygnałów wejściowych jako przyjmujących tylko dwie wartości (a zatem mających charakter cyfrowy). Elementy wykonawcze odpowiadają za generację cyfrowych sygnałów sterujących, które następnie muszą zostać zamienione na sygnały analogowe. Ten typ przetwarzania ma charakter cyfrowo-analogowy. Z kolei reguły sterowania są reprezentowane przez program komputerowy, który w reakcji na określoną konfigurację sygnałów wejściowych powinien powodować generowanie sygnałów sterujących. Ponieważ całe działanie odbywa się wewnątrz systemu komputerowego, ma ono charakter cyfra – cyfra.