單片機與嵌入式系統(tǒng)9

嵌入式技術(shù)智能播放器車載設(shè)備SmartphonePocketPC機頂盒網(wǎng)關(guān)POSATM安防設(shè)備工業(yè)控制醫(yī)療設(shè)備辦公自動化前言

一個應(yīng)用+兩項技術(shù)+一點遐想一、嵌入式系統(tǒng)的定義和發(fā)展歷程二、控制技術(shù)發(fā)展與嵌入式關(guān)系三、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)１、嵌入式系統(tǒng)的定義IEEE:Deviceusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants.嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機器和車間運行的裝置。可以看出此定義是從應(yīng)用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機電等附屬裝置。一、嵌入式系統(tǒng)的定義和發(fā)展歷程嵌入式系統(tǒng)用在一些特定專用設(shè)備上。像我們平常常見到的手機、PDA、電子字典、可視電話、VCD/DVD/MP3Player、數(shù)字相機（DC）、數(shù)字攝像機(DV)、U-Disk、機頂盒(SetTopBox)、高清電視(HDTV)、游戲機、智能玩具、交換機、路由器、數(shù)控設(shè)備或儀表、汽車電子、家電控制系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、航天航空設(shè)備等等都是典型的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式將會是我們數(shù)字化生存的基礎(chǔ),一輛高檔轎車大約要用到六七十個單片機;嵌入式處理器無所不在,無處不在,全世界的年產(chǎn)量超過100億片,這是怎樣驚人的數(shù)字呀??!

嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。嵌入式系統(tǒng)必須能夠根據(jù)應(yīng)用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。一般定義：

“以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。”2、嵌入式系統(tǒng)的特點系統(tǒng)內(nèi)核小專用性強系統(tǒng)精簡高實時、多任務(wù)的操作軟件面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用軟件要求固化存儲軟件代碼高質(zhì)量、高可靠性3、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程早期以單片機為主現(xiàn)在基本上以IP核模塊（IntellectualPropertyKernel知識產(chǎn)權(quán)核模塊），用混合ASIC/CPLD/FPGA生成的硅片直接構(gòu)成整塊的單片嵌入式產(chǎn)品(SOCSystemonChip)表達方式有HDL語言、電路圖、邏輯表等70年代后期用匯編語言編寫，只適用于專用微處理器；現(xiàn)在用C、可移植80年代出現(xiàn)了有源碼的Wendon，或有名的系統(tǒng)：VxWorks,pSOS,Neculeus,WindowsCE90年代出現(xiàn)在GNU下的Linux、C/OSII開發(fā)軟件gcc在通訊和消費類產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用；如數(shù)字電視、數(shù)字廣播、數(shù)字通訊、PDA等等國外上百家開發(fā)嵌入式系統(tǒng)硬件與軟件的公司，而國內(nèi)…4、嵌入式系統(tǒng)的硬件8051系列嵌入式微控制器（MicroControllerUnit）嵌入式DSP處理器（DigitalSignalProcessor）嵌入式微處理器（MicroProcessorUnit）ARM、PowerPC68000嵌入式片上系統(tǒng)（SystemonChip），如SmartXA、一些ARM，CPLD、FPGA。5、嵌入式系統(tǒng)的軟件操作系統(tǒng)主要任務(wù)：進程管理、進程間通訊與同步、內(nèi)存管理和I/O資源管理操作系統(tǒng)基本功能：使計算機硬件便于使用，高效組織和正確使用計算機資源操作系統(tǒng)可分為實時操作系統(tǒng)和分時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)硬實時操作系統(tǒng)和軟實時操作系統(tǒng)還有從應(yīng)用方面、使用條件分類等6、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢一項系統(tǒng)工程，要提供全方位的支持網(wǎng)絡(luò)化、信息化要求網(wǎng)絡(luò)速度不斷提高，進而產(chǎn)品功能復(fù)合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜互聯(lián)互通成為必然精簡系統(tǒng)內(nèi)核、算法，降低功耗和成本提供友好的多媒體人機界面7、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展前景：

1、尺寸越來越?。患啥仍絹碓礁?/p>

2、品種越來越多；功能越來越強

3、軟件和中間件越來越豐富

4、應(yīng)用范圍越來越廣泛

5、各種無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮一點想象分散控制系統(tǒng)隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展會產(chǎn)生什么變化?嵌入式系統(tǒng)與PC之間的區(qū)別嵌入式系統(tǒng)一般是專用系統(tǒng)，而PC是通用計算平臺嵌入式系統(tǒng)的資源比PC少得多嵌入式系統(tǒng)軟件故障帶來的后果比PC機大得多嵌入式系統(tǒng)一般采用實時操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)大都有成本、功耗的要求嵌入式系統(tǒng)得到多種微處理體系的支持嵌入式系統(tǒng)需要專用的開發(fā)工具二、控制技術(shù)發(fā)展與嵌入式關(guān)系1、早期的過程控制（模擬儀表）電動單元組合儀表:

變送器－將過程量（壓力、流量、溫度、位移、成分等）轉(zhuǎn)換為電壓／電流

調(diào)節(jié)器－對過程量進行比例、積分、微分和其他函數(shù)運算，輸出電壓／電流信號以便驅(qū)動執(zhí)行器。

執(zhí)行器－接收調(diào)節(jié)信號，控制電機驅(qū)動過程控制裝置０－10MA、４－２０MA統(tǒng)一電流信號

早期的過程控制（模擬儀表）氣動單元組合儀表：采用壓縮空氣為動力源液動單元組合儀表：采用壓力油為動力源HART協(xié)議HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)，可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。HART協(xié)議HART協(xié)議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號(使用兩種不同的頻率1200Hz和2200Hz)進行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1200bps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。在HART協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。

生產(chǎn)過程變送器調(diào)節(jié)器E調(diào)節(jié)回路示意圖執(zhí)行器調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)介質(zhì)過程量電流信號Q輸出電流信號U給定信號RE=(R-Q)計算機控制系統(tǒng)的初期階段＊單機控制一臺計算機、龐大的過程接口＊制約因素計算機資源昂貴、可靠性差、軟件匱乏2、控制系統(tǒng)采用計算機的發(fā)展歷程單機控制圖示主機面板紙帶機磁鼓外設(shè)接口監(jiān)視器打印機數(shù)據(jù)線模擬量輸出模擬量輸入數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出現(xiàn)場電纜現(xiàn)場變送器現(xiàn)場執(zhí)行器現(xiàn)場開關(guān)信號現(xiàn)場啟動器3、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)對計算機分布式控制系統(tǒng)的影響嵌入式系統(tǒng)技術(shù)嵌入式系統(tǒng)是為了控制、監(jiān)視或輔助生產(chǎn)設(shè)備、工廠運行、機器運轉(zhuǎn)的裝置。（英國電機工程學(xué)會）包括四個方面：A、執(zhí)行特定功能B、以電腦及周遍設(shè)備為核心C、嚴格的時序和穩(wěn)定度D、自動循環(huán)操作它們是計算機硬件和軟件的綜合體現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的變送器15、7是線路板4是液晶顯示器變送器的解體1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的變送器2變送器的解體2現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的單回路調(diào)節(jié)SOC(SystemOnChip)和SOPC技術(shù)Soc嵌入式系統(tǒng)是電路系統(tǒng)。它結(jié)合了許多功能模塊，將功能做在一個芯片上。特點：1、利用改變內(nèi)部電壓，降低芯片消耗功率。2、大大減少芯片對外引腳數(shù)，簡化制造過程。提高可靠性。3、減少外圍驅(qū)動接口單元和電路板間的信號傳遞，加快數(shù)據(jù)處理速度。4、芯片內(nèi)嵌的線路之間的系統(tǒng)噪聲大大降低。三、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)嵌入式開發(fā)就是根據(jù)“應(yīng)用”的要求設(shè)計硬件系統(tǒng)，微處理器、外圍硬件設(shè)備（接口）等。規(guī)劃軟件系統(tǒng)。是否采用操作系統(tǒng)，軟件功能設(shè)計，開發(fā)環(huán)境。功能、成本核算。完善硬軟件設(shè)計，定型“應(yīng)用”嵌入式系統(tǒng)硬軟件環(huán)境嵌入式系統(tǒng)硬軟件開發(fā)環(huán)境嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境嵌入式系統(tǒng)中間件開發(fā)環(huán)境由于對應(yīng)于每一個處理器的硬件平臺都是通用的、固定的、成熟的，因此在開發(fā)過程中減少了硬件系統(tǒng)錯誤的引入機會；同時，由于嵌入式操作系統(tǒng)屏蔽掉了底層硬件的很多信息，使得開發(fā)者通過操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)就可以完成大部分工作，大大簡化了開發(fā)過程，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。即：開發(fā)者把主要工作就是編寫特定的應(yīng)用程序。硬件平臺的選擇選擇嵌入式微處理器存儲空間、存儲方式考慮外設(shè)的需求顯示接口：LCD輸入方式：觸摸屏通信接口：紅外、藍牙、802.11b、USB、串口音頻、視頻A/D、D/A轉(zhuǎn)換可供嵌入的功能和技術(shù)可編程只讀存儲器：EPRO