前言
GEC(General Embedded Controller酒妄，泛用型崁入式控制器)的提出，其主要目的在于以PC-Based為架構(gòu)，提供一個(gè)一般工業(yè)控制應(yīng)用所需的系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)雀鹃，General(泛用型)代表著此控制器需能提供一般工業(yè)控制應(yīng)用中所需的功能如：運(yùn)動(dòng)控制(Motion Control)、影像處理(Vision Process励两、Video Capture)黎茎、數(shù)字及模擬訊號(hào)(Analog and Digital I/O Signal Control)控制、多串行埠支持(Multi RS-232/422/458 Ports Support)支持......等当悔，而藉由事先全盤的設(shè)計(jì)考量傅瞻，GEC即可針對(duì)不同的應(yīng)用需求，提供不同的配備瓢身。

GEC系統(tǒng)架構(gòu)
        基本上迟摹，GEC控制器是一個(gè)PC-Based控制器，因此我們可將其拆解為軟件及硬件兩大部分(請(qǐng)參考圖一)宝辛。而其中硬件又可劃分為中央處理器(CPU)及輸出入接口(I/O)兩大分類跋章，不同的應(yīng)用需求對(duì)中央處理器的需求當(dāng)然會(huì)不一樣，而伴隨著其所需求的輸出入接口也就有所不同枕泽。至于在軟件方面往姆，操作系統(tǒng)(Operating System)的選用往往是決定日后控制器菜單現(xiàn)能否符合需求的重要因素，以下我們將針對(duì)這些部份跟各位作說明掰站。

中央處理器(CPU)
        計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)的核心是CPU宏湾，因此為了符合一般工業(yè)控制應(yīng)用的需求，GEC控制器在CPU的選配上是以應(yīng)用需求作考量涧谓，因工業(yè)控制應(yīng)用的范圍相當(dāng)廣泛旋稚，從簡(jiǎn)單的數(shù)字及模擬訊號(hào)控制到復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制或影像監(jiān)測(cè)，其所需的運(yùn)算能力完全不同芽接，例如一般數(shù)字及模擬訊號(hào)控制應(yīng)用或少軸(1~3軸)的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用饵逐，Pentium 等級(jí)的CPU運(yùn)算能力及可，但如要提供復(fù)雜的影像處理彪标、影像監(jiān)測(cè)或多軸運(yùn)動(dòng)控制等功能時(shí)倍权，則Pentium 等級(jí)CPU的運(yùn)算能力絕對(duì)不夠，而需Pentium III等級(jí)的CPU才能勝任愉快捞烟，因此能針對(duì)不同的應(yīng)用需求薄声，提供不同等級(jí)的CPU作配合選擇，才能提供系統(tǒng)開發(fā)者一個(gè)符合功能需求且合理成本的解決方案题画，GEC控制器即是在此一概念下發(fā)展的產(chǎn)品默辨。

外型架構(gòu)(Form Factor)
        一般崁入式工業(yè)控制應(yīng)用對(duì)于空間限制的要求較大德频，因此其對(duì)控制器的外型就有較大的需求限制，而無法采用一般的工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)之外型架構(gòu)缩幸∫贾茫基于這樣的需求，GEC特別強(qiáng)調(diào)在小體積設(shè)計(jì)及散熱能力上表谊。雖然GEC控制器的內(nèi)部空間并不寬裕钞护，但其內(nèi)部總線仍采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如PC-104(ISA)及PMC(PCI)接口爆办，已使得其可保留最大之彈性及擴(kuò)充性揩臊，以和周邊適配卡整合。

圖二: GEC控制器

輸出入接口(I/O)
        由于GEC是一泛用型崁入式控制器鬼痹，因此如何利用控制器內(nèi)部有限的空間及接口(PMC及PC-104)落余，達(dá)到符合最大多數(shù)不同客戶應(yīng)用需求的目的，就是一項(xiàng)的藝術(shù)榕吨。在此GEC提出了如下數(shù)種不同的輸出入接口幔私，藉由彼此的搭配，提供最大的配置彈性與大多數(shù)的應(yīng)用需求：
l 多軸運(yùn)動(dòng)控制接口(Motion Control Interface Module)
l 多信道影像擷取接口(Video Capture Interface Module)
l 多串行端口接口(RS-232/422/485 Communication Interface Module)
l CAN Bus界面(CAN bus Communication Interface Module)
l 高速串行技術(shù)輸出入接口(High Speed Link Interface Module for DI/O and AI/O signal)
l 數(shù)字訊號(hào)控制接口(Digital I/O Control Interface Module)
l 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊接口(Remote Control Interface Module)

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圖三: GEC不同的輸出入接口

操作系統(tǒng)的選用
        若GEC控制器硬件中的I/O可比擬為身體的眼耳手腳把丹，CPU及Bus尤如神經(jīng)系統(tǒng)图兑，則軟件就是頭腦，以復(fù)雜的程序協(xié)調(diào)以控制系統(tǒng)的所有運(yùn)作躯法，而其中操作系統(tǒng)(OS: Operating System)負(fù)責(zé)掌管PC的核心作業(yè)及資源分派蔫卦，重要性更是無可比擬。因其不只會(huì)影響日后系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)的效能滚蚪，更會(huì)影響整個(gè)應(yīng)用軟件開發(fā)時(shí)的資源需求桨座。因此如何針對(duì)不同的應(yīng)用需求，選擇適當(dāng)?shù)牟僮飨到y(tǒng)搭配蛉幸，實(shí)為系統(tǒng)開發(fā)者的一項(xiàng)重要課題破讨，在選擇操作系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)開發(fā)者須考慮的幾個(gè)重點(diǎn)為：系統(tǒng)穩(wěn)定性奕纫、「實(shí)時(shí)」(real-time)能力提陶、多任務(wù)(Multi-tasking)能力、是否需支持人機(jī)界面或繪圖匹层、所需儲(chǔ)存空間大小隙笆、總持有成本(含應(yīng)用軟件開發(fā)成本、每一個(gè)復(fù)制的授權(quán)成本升筏、軟件工程師能力撑柔、及后續(xù)維護(hù)成本)等等，這其中并無絕對(duì)的對(duì)與錯(cuò)或好與不好，系統(tǒng)開發(fā)者應(yīng)從整體應(yīng)用層面來考慮問題铅忿，針對(duì)開發(fā)的系統(tǒng)提供一個(gè)最適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案剪决。針對(duì)此，GEC控制器內(nèi)所可搭配的操作系統(tǒng)檀训，包含如下列數(shù)種柑潦。

圖四: GEC控制器內(nèi)所可搭配的操作系統(tǒng)

Embedded NT/ Embedded XP
        Windows NT是一個(gè)以穩(wěn)定著稱之多任務(wù)操作系統(tǒng)，由于其在普及性較佳丛滋、人機(jī)界面支持充足及開發(fā)工具普遍等因素的支持下央匀，在Embedded NT中開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)其實(shí)是較容易的。而微軟(Microsoft)在隨后所提出的Embedded XP技窝，也保留了Embedded NT系統(tǒng)上的優(yōu)點(diǎn)。一般來講亡铺，Embedded NT/ Embedded XP的設(shè)計(jì)概念在于將一般的NT/ XP作模塊化分割叙冕，系統(tǒng)開發(fā)者只需要挑選其系統(tǒng)所需要的NT/ XP之功能模塊，隨后并將其組織起來厕猴，即可構(gòu)建一Embedded NT/ Embedded XP系統(tǒng)鹉某。而架構(gòu)于模塊化的概念，使得系統(tǒng)開發(fā)者可以輕易的將Embedded XP操作系統(tǒng)的儲(chǔ)存空間需求縮小至256M盲外，甚至于更小的儲(chǔ)存空間继躁，而其中決定存空間的唯一因素，僅在于系統(tǒng)開發(fā)者所挑選的功能模塊的多少棺蛾。而由于Embedded XP系統(tǒng)與一般 Windows XP完全兼容虎炸，因此系統(tǒng)開發(fā)者僅需將在一般Windows XP上將控制程序編譯完成，直接拷貝至Embedded XP系統(tǒng)上即可執(zhí)行怜俐，因系統(tǒng)開發(fā)者無需學(xué)習(xí)新的工具身堡，原先Windows XP上的經(jīng)驗(yàn)可完全轉(zhuǎn)移，因此其在軟件開發(fā)成本上相當(dāng)?shù)团睦穑^重要的部份是在Embedded XP操作系統(tǒng)的授權(quán)成本上贴谎。

Windows CE
        在Windows CE 3.0上市之后，可看到它繼承了Windows在人機(jī)界面繪圖支持之能力季稳，而Windows CE 4.2的推出擅这，更讓人耳目一新，由于一開始Windows CE即以崁入式系統(tǒng)為開發(fā)目標(biāo)景鼠，因此其再操作系統(tǒng)所需儲(chǔ)存空間的需求上仲翎，跟 Embedded XP相較起來節(jié)省許多。一般而言莲蜘，64M的儲(chǔ)存空間即可構(gòu)建出一個(gè)Windows CE系統(tǒng)谭确，但若有特殊需求，其所需的儲(chǔ)存空間是還可以更小。除此之外逐哈，實(shí)時(shí)性(Real-Time)也是Windows CE的一項(xiàng)重要的功能芬迄，比一般Windows系統(tǒng)強(qiáng)大的實(shí)時(shí)性功能及與Windows系統(tǒng)一致的人機(jī)界面均是其受注目的原因，雖然微軟(Microsoft)已盡量讓W(xué)indows CE與一般Windows XP在軟件開發(fā)方式及API的命名上趨一致蒙玩，以節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)者的開發(fā)時(shí)程瘤贷，但由于Windows CE是架構(gòu)于崁入式系統(tǒng)而非如Windows XP架構(gòu)于桌上型系統(tǒng)的概念，因此在軟件的開發(fā)流程上會(huì)有所不同绅刨，這是新進(jìn)入此領(lǐng)域的開發(fā)者須留意的招惜，而在Windows CE操作系統(tǒng)的授權(quán)成本上，由于微軟的大力促銷抗钻，因此其相較于Embedded XP的價(jià)格棚泛，可說是相當(dāng)便宜。

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Linux
        Linux向以穩(wěn)定性及免費(fèi)授權(quán)的開放性著稱褒述，在服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)應(yīng)用上牢米，Linux已有超過30%的市場(chǎng)占有率，但是在PC-based控制器應(yīng)用逃窜，Linux仍在萌芽階段郊舅。Linux 實(shí)時(shí)性的性能并不突出，而上層人機(jī)接口系統(tǒng)也并不廣為軟件工程師所熟悉止骨，而由于其開放的特性席赂，導(dǎo)致核心(Kernel)版本眾多，因此在版本控制上會(huì)花費(fèi)相當(dāng)多的功夫时迫，相對(duì)于Windows而言颅停，其在解決Bug以及后續(xù)維護(hù)上是較為困難。但由于Linux系統(tǒng)采用的是免費(fèi)授權(quán)的方式别垮，因此相較于Windows CE或Embedded XP需操作系統(tǒng)的授權(quán)費(fèi)用便监，系統(tǒng)開發(fā)者是可節(jié)省操作系統(tǒng)的授權(quán)成本。因此就技術(shù)面而言碳想，若系統(tǒng)開發(fā)者本身已具備Linux系統(tǒng)核心的開發(fā)及維護(hù)能力烧董，其不失為一節(jié)省成本的方式。

GEC應(yīng)用實(shí)例介紹 - 隧道遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)
應(yīng)用背景簡(jiǎn)述
        由于受臺(tái)灣地形環(huán)境多山且都會(huì)市區(qū)土地強(qiáng)調(diào)高效率利用的影響胧奔，隧道在臺(tái)灣的交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上一直占有一重要的地位逊移，也因此大型且長(zhǎng)距離的隧道數(shù)量與日俱增。由于隧道本身因距離較長(zhǎng)龙填，因此很容易導(dǎo)致隧道內(nèi)部空氣流通不易胳泉，再者隧道內(nèi)的潮濕環(huán)境以及交通工具運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的各種氣體的累積，其若不做一適度的排放調(diào)節(jié)岩遗，均會(huì)提升交通工具運(yùn)行時(shí)的危險(xiǎn)及維修人員進(jìn)行工作時(shí)的安全顧慮扇商；而以往此類型的監(jiān)控工程都是使用PLC來進(jìn)行固定時(shí)間式的隧道內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)控與調(diào)節(jié)，而"固定時(shí)間"的方式，其并無法真正的管控隧道的環(huán)境桑趴，且做適度適時(shí)的調(diào)節(jié)盟拨，再者一旦系統(tǒng)完成管控點(diǎn)設(shè)定后，日后若要再增加管控點(diǎn)時(shí)盔连，就必須更換整個(gè)配電盤琢账，因此整體系統(tǒng)在擴(kuò)充性是需花費(fèi)相當(dāng)大的資源，更有甚著凰染，若系統(tǒng)需利用現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)蟆蔫，將所有管控點(diǎn)的數(shù)據(jù)透過以太網(wǎng)絡(luò)(Ethernet)傳送至中控中心與其所配置的信息系統(tǒng)做數(shù)據(jù)交換以求統(tǒng)一且及時(shí)的紀(jì)錄與管控，則傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)的解決方案在建置此類系統(tǒng)時(shí)將花費(fèi)相當(dāng)大的建置成本捏诫。
因此相較起來凿芦，一般工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)是取代PLC的一解決方案，但因應(yīng)隧道內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間惡劣的環(huán)境(潮濕连定、空氣品質(zhì)不良及過往交通工具所產(chǎn)生程度不一的振動(dòng))凹尺，
        我們認(rèn)為即使是一般工業(yè)計(jì)算機(jī)都將很難通過此長(zhǎng)期的考驗(yàn)！

解決方案
        再與業(yè)著溝通并了解現(xiàn)場(chǎng)狀況后希俩，我們提出了使用GEC控制器的建議，我們先針對(duì)整體系統(tǒng)所需的管控點(diǎn)作一了解纲辽，再依據(jù)中控中心之信息系統(tǒng)(HoneyWell 之EBI的監(jiān)控軟件)所要求的信息反應(yīng)時(shí)間為基礎(chǔ)颜武，將整個(gè)隧道監(jiān)控系統(tǒng)劃分為數(shù)十個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)使用一臺(tái)GEC控制器(凌華科技之GEME-1000)作為現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控中樞拖吼，而子系統(tǒng)周遭隧道現(xiàn)場(chǎng)的管控點(diǎn)則利用凌華科技之NuDAM-6000遠(yuǎn)程控制模塊系列來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集鳞上，而GEME-1000即透過其串行埠(Com Port)與NuDAM-6000遠(yuǎn)程控制模塊結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

        上述所說明的是關(guān)于GEC控制器與下層監(jiān)控設(shè)備連結(jié)的狀況吊档，至于GEC控制器與中控中心之信息系統(tǒng)的連接篙议，則是透過Microsoft 所主導(dǎo)之OPC Server/Client 傳輸協(xié)議在100MBps的以太網(wǎng)絡(luò)(Ethernet)下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

        至于在GEC控制器所使用的操作系統(tǒng)上怠硼，我們配置了Compact Flash(CF card)卡并內(nèi)建一個(gè)Embedded XP操作系統(tǒng)與GEC控制器鬼贱，使用CF卡的原因在于隧道現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣，CF卡的所提供的插針式接口香璃，在可靠度这难、防震動(dòng)及穩(wěn)定度上均比一般的硬盤機(jī)佳，而建置Embedded XP操作系統(tǒng)葡秒，主要的考量在于Windows軟件資源的眾多(OPC躲窜、網(wǎng)絡(luò)上的芳鄰、檔案分享.....等功能)與系統(tǒng)的兼容性(中控中心之信息系統(tǒng)建置于Windows 2000上)捺膳。

        透過這套系統(tǒng)咧笔，其除了比傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)在后續(xù)硬件的維護(hù)上更省事外(如未來須再增加監(jiān)控點(diǎn)時(shí)，不須變更整組配電箱，僅須多加NuDAM-6000的控制模塊即可)垂票，成本的節(jié)省李晾，是另一項(xiàng)重要的優(yōu)勢(shì)。再者捅县，GEC控制器可利用建構(gòu)于Embedded XP操作系統(tǒng)內(nèi)之網(wǎng)絡(luò)傳輸及檔案分享的功能摊壳，使得系統(tǒng)開發(fā)者在進(jìn)行GEC控制器內(nèi)控制程序的更換時(shí)，人員僅需至中控中心猪晰，即可透過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制程序的更換粒颂，而不必親至隧道現(xiàn)場(chǎng)在又黑又艱困的環(huán)境中進(jìn)行控制程序更換的工作。

圖五：隧道遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

結(jié)論
        隨著計(jì)算機(jī)軟硬及網(wǎng)絡(luò)科技的進(jìn)步状寨，許多之前所無法成真的夢(mèng)想仑萧，正在逐漸的實(shí)現(xiàn)，而GEC(General Embedded Controller枷遂，泛用型崁入式控制器)概念的提出樱衷，正也是此一科技發(fā)展趨勢(shì)下的產(chǎn)物，藉由崁入式應(yīng)用概念酒唉，衍生出GEC控制器小空間需求的外型設(shè)計(jì)矩桂，而多樣化的中央處理器(Pentium至Pentium III)及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置(硬盤機(jī)或CF卡)的選配、完整的附加硬件接口裝置(運(yùn)動(dòng)控制接口痪伦、影像擷取接口侄榴、串行端口接口、CAN Bus接口网沾、高速串行技術(shù)輸出入接口癞蚕、數(shù)字訊號(hào)控制接口及遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊接口)，均使得GEC控制器可針對(duì)實(shí)際應(yīng)用辉哥，選擇適當(dāng)且符合成本需求的硬件配備桦山，再者崁入式操作系統(tǒng)技術(shù)的成熟與方便的使用性，系統(tǒng)開發(fā)者可針對(duì)其應(yīng)用需求及本身技術(shù)能力醋旦，選擇Embedded XP恒水、WinCE或Linux等進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。技術(shù)已經(jīng)成熟猬肖，過去的限制不再無解余窖，而剩下的僅是為您的應(yīng)用系統(tǒng)，挑選適合的硬件配備函以。

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