前言
GEC(General Embedded Controller，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，提供一個一般工業(yè)控制應用所需的系統(tǒng)開發(fā)平臺，General(泛用型)代表著此控制器需能提供一般工業(yè)控制應用中所需的功能如：運動控制(Motion Control)、影像處理(Vision Process、Video Capture)、數(shù)字及模擬訊號(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，而藉由事先全盤的設計考量，GEC即可針對不同的應用需求，提供不同的配備。

GEC系統(tǒng)架構
        基本上，GEC控制器是一個PC-Based控制器，因此我們可將其拆解為軟件及硬件兩大部分(請參考圖一)。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，不同的應用需求對中央處理器的需求當然會不一樣，而伴隨著其所需求的輸出入接口也就有所不同。至于在軟件方面，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，以下我們將針對這些部份跟各位作說明。

中央處理器(CPU)
        計算機硬件架構的核心是CPU，因此為了符合一般工業(yè)控制應用的需求，GEC控制器在CPU的選配上是以應用需求作考量，因工業(yè)控制應用的范圍相當廣泛，從簡單的數(shù)字及模擬訊號控制到復雜的運動控制或影像監(jiān)測，其所需的運算能力完全不同，例如一般數(shù)字及模擬訊號控制應用或少軸(1~3軸)的運動控制應用，Pentium 等級的CPU運算能力及可，但如要提供復雜的影像處理、影像監(jiān)測或多軸運動控制等功能時，則Pentium 等級CPU的運算能力絕對不夠，而需Pentium III等級的CPU才能勝任愉快，因此能針對不同的應用需求，提供不同等級的CPU作配合選擇，才能提供系統(tǒng)開發(fā)者一個符合功能需求且合理成本的解決方案，GEC控制器即是在此一概念下發(fā)展的產(chǎn)品。

外型架構(Form Factor)
        一般崁入式工業(yè)控制應用對于空間限制的要求較大，因此其對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)計算機標準之外型架構?；谶@樣的需求，GEC特別強調在小體積設計及散熱能力上。雖然GEC控制器的內部空間并不寬裕，但其內部總線仍采用工業(yè)標準，如PC-104(ISA)及PMC(PCI)接口，已使得其可保留最大之彈性及擴充性，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，因此如何利用控制器內部有限的空間及接口(PMC及PC-104)，達到符合最大多數(shù)不同客戶應用需求的目的，就是一項的藝術。在此GEC提出了如下數(shù)種不同的輸出入接口，藉由彼此的搭配，提供最大的配置彈性與大多數(shù)的應用需求：
l 多軸運動控制接口(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 高速串行技術輸出入接口(High Speed Link Interface Module for DI/O and AI/O signal)
l 數(shù)字訊號控制接口(Digital I/O Control Interface Module)
l 遠程監(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，CPU及Bus尤如神經(jīng)系統(tǒng)，則軟件就是頭腦，以復雜的程序協(xié)調以控制系統(tǒng)的所有運作，而其中操作系統(tǒng)(OS: Operating System)負責掌管PC的核心作業(yè)及資源分派，重要性更是無可比擬。因其不只會影響日后系統(tǒng)執(zhí)行時的效能，更會影響整個應用軟件開發(fā)時的資源需求。因此如何針對不同的應用需求，選擇適當?shù)牟僮飨到y(tǒng)搭配，實為系統(tǒng)開發(fā)者的一項重要課題，在選擇操作系統(tǒng)時，系統(tǒng)開發(fā)者須考慮的幾個重點為：系統(tǒng)穩(wěn)定性、「實時」(real-time)能力、多任務(Multi-tasking)能力、是否需支持人機界面或繪圖、所需儲存空間大小、總持有成本(含應用軟件開發(fā)成本、每一個復制的授權成本、軟件工程師能力、及后續(xù)維護成本)等等，這其中并無絕對的對與錯或好與不好，系統(tǒng)開發(fā)者應從整體應用層面來考慮問題，針對開發(fā)的系統(tǒng)提供一個最適當?shù)慕鉀Q方案。針對此，GEC控制器內所可搭配的操作系統(tǒng)，包含如下列數(shù)種。

圖四: GEC控制器內所可搭配的操作系統(tǒng)

Embedded NT/ Embedded XP
        Windows NT是一個以穩(wěn)定著稱之多任務操作系統(tǒng)，由于其在普及性較佳、人機界面支持充足及開發(fā)工具普遍等因素的支持下，在Embedded NT中開發(fā)應用系統(tǒng)其實是較容易的。而微軟(Microsoft)在隨后所提出的Embedded XP，也保留了Embedded NT系統(tǒng)上的優(yōu)點。一般來講，Embedded NT/ Embedded XP的設計概念在于將一般的NT/ XP作模塊化分割，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，即可構建一Embedded NT/ Embedded XP系統(tǒng)。而架構于模塊化的概念，使得系統(tǒng)開發(fā)者可以輕易的將Embedded XP操作系統(tǒng)的儲存空間需求縮小至256M，甚至于更小的儲存空間，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。而由于Embedded XP系統(tǒng)與一般 Windows XP完全兼容，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，因系統(tǒng)開發(fā)者無需學習新的工具，原先Windows XP上的經(jīng)驗可完全轉移，因此其在軟件開發(fā)成本上相當?shù)停^重要的部份是在Embedded XP操作系統(tǒng)的授權成本上。

Windows CE
        在Windows CE 3.0上市之后，可看到它繼承了Windows在人機界面繪圖支持之能力，而Windows CE 4.2的推出，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，因此其再操作系統(tǒng)所需儲存空間的需求上，跟 Embedded XP相較起來節(jié)省許多。一般而言，64M的儲存空間即可構建出一個Windows CE系統(tǒng)，但若有特殊需求，其所需的儲存空間是還可以更小。除此之外，實時性(Real-Time)也是Windows CE的一項重要的功能，比一般Windows系統(tǒng)強大的實時性功能及與Windows系統(tǒng)一致的人機界面均是其受注目的原因，雖然微軟(Microsoft)已盡量讓Windows CE與一般Windows XP在軟件開發(fā)方式及API的命名上趨一致，以節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)者的開發(fā)時程，但由于Windows CE是架構于崁入式系統(tǒng)而非如Windows XP架構于桌上型系統(tǒng)的概念，因此在軟件的開發(fā)流程上會有所不同，這是新進入此領域的開發(fā)者須留意的，而在Windows CE操作系統(tǒng)的授權成本上，由于微軟的大力促銷，因此其相較于Embedded XP的價格，可說是相當便宜。

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Linux
        Linux向以穩(wěn)定性及免費授權的開放性著稱，在服務器及網(wǎng)絡的相關應用上，Linux已有超過30%的市場占有率，但是在PC-based控制器應用，Linux仍在萌芽階段。Linux 實時性的性能并不突出，而上層人機接口系統(tǒng)也并不廣為軟件工程師所熟悉，而由于其開放的特性，導致核心(Kernel)版本眾多，因此在版本控制上會花費相當多的功夫，相對于Windows而言，其在解決Bug以及后續(xù)維護上是較為困難。但由于Linux系統(tǒng)采用的是免費授權的方式，因此相較于Windows CE或Embedded XP需操作系統(tǒng)的授權費用，系統(tǒng)開發(fā)者是可節(jié)省操作系統(tǒng)的授權成本。因此就技術面而言，若系統(tǒng)開發(fā)者本身已具備Linux系統(tǒng)核心的開發(fā)及維護能力，其不失為一節(jié)省成本的方式。

GEC應用實例介紹 - 隧道遠程監(jiān)控系統(tǒng)
應用背景簡述
        由于受臺灣地形環(huán)境多山且都會市區(qū)土地強調高效率利用的影響，隧道在臺灣的交通運輸網(wǎng)絡上一直占有一重要的地位，也因此大型且長距離的隧道數(shù)量與日俱增。由于隧道本身因距離較長，因此很容易導致隧道內部空氣流通不易，再者隧道內的潮濕環(huán)境以及交通工具運行時所產(chǎn)生的各種氣體的累積，其若不做一適度的排放調節(jié)，均會提升交通工具運行時的危險及維修人員進行工作時的安全顧慮；而以往此類型的監(jiān)控工程都是使用PLC來進行固定時間式的隧道內空氣品質的監(jiān)控與調節(jié)，而"固定時間"的方式，其并無法真正的管控隧道的環(huán)境，且做適度適時的調節(jié)，再者一旦系統(tǒng)完成管控點設定后，日后若要再增加管控點時，就必須更換整個配電盤，因此整體系統(tǒng)在擴充性是需花費相當大的資源，更有甚著，若系統(tǒng)需利用現(xiàn)行網(wǎng)絡技術，將所有管控點的數(shù)據(jù)透過以太網(wǎng)絡(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)一且及時的紀錄與管控，則傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)的解決方案在建置此類系統(tǒng)時將花費相當大的建置成本。
因此相較起來，一般工業(yè)計算機應是取代PLC的一解決方案，但因應隧道內長時間惡劣的環(huán)境(潮濕、空氣品質不良及過往交通工具所產(chǎn)生程度不一的振動)，
        我們認為即使是一般工業(yè)計算機都將很難通過此長期的考驗！

解決方案
        再與業(yè)著溝通并了解現(xiàn)場狀況后，我們提出了使用GEC控制器的建議，我們先針對整體系統(tǒng)所需的管控點作一了解，再依據(jù)中控中心之信息系統(tǒng)(HoneyWell 之EBI的監(jiān)控軟件)所要求的信息反應時間為基礎，將整個隧道監(jiān)控系統(tǒng)劃分為數(shù)十個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)使用一臺GEC控制器(凌華科技之GEME-1000)作為現(xiàn)場的監(jiān)控中樞，而子系統(tǒng)周遭隧道現(xiàn)場的管控點則利用凌華科技之NuDAM-6000遠程控制模塊系列來進行數(shù)據(jù)采集，而GEME-1000即透過其串行埠(Com Port)與NuDAM-6000遠程控制模塊結合進行數(shù)據(jù)傳輸。

        上述所說明的是關于GEC控制器與下層監(jiān)控設備連結的狀況，至于GEC控制器與中控中心之信息系統(tǒng)的連接，則是透過Microsoft 所主導之OPC Server/Client 傳輸協(xié)議在100MBps的以太網(wǎng)絡(Ethernet)下進行數(shù)據(jù)傳輸。

        至于在GEC控制器所使用的操作系統(tǒng)上，我們配置了Compact Flash(CF card)卡并內建一個Embedded XP操作系統(tǒng)與GEC控制器，使用CF卡的原因在于隧道現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，CF卡的所提供的插針式接口，在可靠度、防震動及穩(wěn)定度上均比一般的硬盤機佳，而建置Embedded XP操作系統(tǒng)，主要的考量在于Windows軟件資源的眾多(OPC、網(wǎng)絡上的芳鄰、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)。

        透過這套系統(tǒng)，其除了比傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)在后續(xù)硬件的維護上更省事外(如未來須再增加監(jiān)控點時，不須變更整組配電箱，僅須多加NuDAM-6000的控制模塊即可)，成本的節(jié)省，是另一項重要的優(yōu)勢。再者，GEC控制器可利用建構于Embedded XP操作系統(tǒng)內之網(wǎng)絡傳輸及檔案分享的功能，使得系統(tǒng)開發(fā)者在進行GEC控制器內控制程序的更換時，人員僅需至中控中心，即可透過計算機網(wǎng)絡進行控制程序的更換，而不必親至隧道現(xiàn)場在又黑又艱困的環(huán)境中進行控制程序更換的工作。

圖五：隧道遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構圖

結論
        隨著計算機軟硬及網(wǎng)絡科技的進步，許多之前所無法成真的夢想，正在逐漸的實現(xiàn)，而GEC(General Embedded Controller，泛用型崁入式控制器)概念的提出，正也是此一科技發(fā)展趨勢下的產(chǎn)物，藉由崁入式應用概念，衍生出GEC控制器小空間需求的外型設計，而多樣化的中央處理器(Pentium至Pentium III)及數(shù)據(jù)儲存裝置(硬盤機或CF卡)的選配、完整的附加硬件接口裝置(運動控制接口、影像擷取接口、串行端口接口、CAN Bus接口、高速串行技術輸出入接口、數(shù)字訊號控制接口及遠程監(jiān)控模塊接口)，均使得GEC控制器可針對實際應用，選擇適當且符合成本需求的硬件配備，再者崁入式操作系統(tǒng)技術的成熟與方便的使用性，系統(tǒng)開發(fā)者可針對其應用需求及本身技術能力，選擇Embedded XP、WinCE或Linux等進行系統(tǒng)開發(fā)。技術已經(jīng)成熟，過去的限制不再無解，而剩下的僅是為您的應用系統(tǒng)，挑選適合的硬件配備。

（轉載）