Ch10 第十章 機械電子系統(tǒng)中的微處理器

機械電子工程原理第十章機械電子系統(tǒng)中的微處置器微處置器進展控制和信息處置的優(yōu)勢1〕可存貯、可編程控制。程序是一系列操作的邏輯順序，而這些任務(wù)都是確定的、可反復的，因此用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)學運算、邏輯運算、控制和信號處置是一種理想的方式。2〕數(shù)字處置。微處置器中的信息被轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)，這使得微處置器不會遭到模擬噪聲的干擾，并且可以根據(jù)不同的要求采用不同的處置方法。3〕任務(wù)速度快。雖然微處置器只能按一定的順序執(zhí)行指令，但它運轉(zhuǎn)速度非常快，可以在很短的時間內(nèi)執(zhí)行許多操作。2微處置器進展控制和信息處置的優(yōu)勢4〕設(shè)計的靈敏性：如今的硬件開展程度使系統(tǒng)設(shè)計具有很大的靈敏性，而更重要的是微處置器指令系統(tǒng)的功能越來越豐富，使軟件設(shè)計具有更大的靈敏性，經(jīng)過改動程序就可以改動同一個硬件所能實現(xiàn)的功能。5〕集成化：隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)程度的不斷提高，可以在同一片硅片上集成許多硬件，甚至可以在一個硅片中集成一個完好的微處置器系統(tǒng)。6〕費用：可接受的費用是微處置器獲得運用的一個極為重要的商業(yè)要素。310.1嵌入式微處置器系統(tǒng)典型的機械電子系統(tǒng)中常見的一類微處置器系統(tǒng)是嵌入式微處置器系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。“嵌入〞指的是在機械電子系統(tǒng)中微處置器從屬于另一個大得多的消費過程或系統(tǒng)。除了嵌入式實時控制以外，微處置器系統(tǒng)的另一類廣泛運用是數(shù)據(jù)處置。在這類運用場所中，微處置器與外圍設(shè)備組合成通用計算機系統(tǒng)，如個人計算機和任務(wù)站。4微處置器系統(tǒng)在嵌入式實時控制和數(shù)據(jù)處置運用中的對比5嵌入式系統(tǒng)對存儲器的要求存儲器指的是能直接被微處置器訪問的那部分存儲器，而不是指磁帶、磁盤等外部存貯介質(zhì)。在對存儲器的要求上，嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)有著艱苦的差別，這主要是由于嵌入式系統(tǒng)通常運轉(zhuǎn)固定的程序，而通用計算機系統(tǒng)那么必需可以反復調(diào)用各種各樣的不同程序。對永久性存儲器來說，信息一旦寫入后不會因系統(tǒng)掉電而喪失，這類存儲器普通用作ROM；而對非永久性存儲器來說，系統(tǒng)掉電后信息即消逝，此類存儲器普通用作RAM。在嵌入式系統(tǒng)中，運用程序通常很小，只需少量的ROM。在一些大型的嵌入式系統(tǒng)中〔如通訊控制器〕，那么需求數(shù)百KB的ROM〔用于存貯控制程序〕和相當數(shù)量的RAM〔用來存貯通訊數(shù)據(jù)〕6人-機界面和機-機界面計算機系統(tǒng)根本的輸入輸出設(shè)備是鍵盤和顯示單元，而影響系統(tǒng)任務(wù)的控制活動主要是人的操作。因此計算機需求一個與操作者協(xié)調(diào)的人-機界面來提高任務(wù)效率。規(guī)范鍵盤通常被以為是低效率的人-機界面，為提高效率導致了鼠標器的運用，可以與可視化窗口與下拉式菜單配合運用。嵌入式系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來源是安裝在它所控制的機器或設(shè)備上的傳感器。系統(tǒng)的輸出信號驅(qū)動執(zhí)行器以控制機器或設(shè)備。因此在嵌入式系統(tǒng)中最根本的界面是一個機-機界面。7實時多義務(wù)系統(tǒng)通用計算機系統(tǒng)接受并執(zhí)行從鍵盤輸入的命令。而嵌入式系統(tǒng)除了接受鍵入命令以外，也可以運用一種稱為實時多義務(wù)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，它是由系統(tǒng)外部的中斷信號所驅(qū)動，從而調(diào)用并執(zhí)行特定的程序來為所要求完成的義務(wù)而效力。系統(tǒng)也能夠具有內(nèi)部的調(diào)度機制，使它可以控制假設(shè)干個獨立程序的執(zhí)行，從而產(chǎn)生一個多義務(wù)系統(tǒng)。因此一個實時多義務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)提供了一系列效力，在這根底上，才干從相互之間或與外設(shè)之間有復雜聯(lián)絡(luò)的各項義務(wù)中建立起系統(tǒng)。在嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)和運用程序一同貯留在程序存儲器中，而在通用計算機系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)和運用程序通常是分別從磁盤裝入存儲器的。8微處置器的任務(wù)性能目的對嵌入式系統(tǒng)來說，一個很重要的性能目的是它的呼應(yīng)時間?！皩崟r〞一詞通常用來描畫那些在規(guī)定時間內(nèi)對外部信息做出呼應(yīng)并實現(xiàn)某種功能的系統(tǒng)。當從傳感器收到數(shù)據(jù)信息后，處置器必需在一定的時間內(nèi)向執(zhí)行機構(gòu)輸出控制信號，這種控制系統(tǒng)稱為硬實時系統(tǒng)，由于時間界限是系統(tǒng)正常任務(wù)的嚴厲條件。而對通用計算機系統(tǒng)來說，對于操作者輸入命令的呼應(yīng)時間并不是很苛刻的。而當系統(tǒng)到達時間界限時并不會產(chǎn)生災難性缺點，只是任務(wù)性能有所下降的系統(tǒng)被稱為軟實時系統(tǒng)。9嵌入式系統(tǒng)的開展歷史自從1971年Intel公司推出第一款微處置器4004之后，嵌入式系統(tǒng)開場出現(xiàn)。閱歷了30多年的開展，嵌入式系統(tǒng)曾經(jīng)廣泛地浸透到各類自動控制和智能設(shè)備之中。據(jù)統(tǒng)計，嵌入式微處置器占據(jù)了微處置器產(chǎn)量的94%。嵌入式系統(tǒng)每年的工業(yè)產(chǎn)值曾經(jīng)超越了1萬億美圓。10嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)至今仍沒有一致的定義。普通以為，嵌入式系統(tǒng)是指以運用為中心，以計算機技術(shù)為根底，軟件硬件可配置、可剪裁，順應(yīng)于運用系統(tǒng)對功能、可靠性、本錢、體積、功耗嚴厲要求的公用計算機系統(tǒng)。它主要由嵌入式微處置器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶運用軟件等部分組成，用于實現(xiàn)對其它設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理等功能，它通常嵌入在主要設(shè)備中運轉(zhuǎn)。11嵌入式系統(tǒng)的開展歷史階段根據(jù)嵌入式系統(tǒng)軟件與硬件的關(guān)系，其開展的歷程大致可以劃分為四個階段：第一階段是以單芯片為中心的可編程控制器方式的系統(tǒng)第二階段是以嵌入式處置器為根底、以簡單操作系統(tǒng)為中心的嵌入式系統(tǒng)。第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標志的嵌入式系統(tǒng)。第四階段是以交融網(wǎng)絡(luò)通訊功能的嵌入式系統(tǒng)。12嵌入式系統(tǒng)的開展趨勢目前通用計算機技術(shù)的開展的可以分為軟、硬件兩個方向。與之一樣，嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)也在軟、硬件兩條道路上飛速前行。嵌入式硬件技術(shù)的開展嵌入式硬件技術(shù)正在沿著三個方向開展：單片機〔SingleChipMicrocomputer,SCM〕數(shù)字信號處置器〔DigitalSignalProcessor,DSP〕可編程邏輯器件(ProgrammableLogicalDevice,PLD)13單片機的開展單片機是將中央處置單元(CPU)、ROM、RAM和I/O接口集成到單一芯片上的微型計算機。它具有很強的接口性能，非常適宜于工業(yè)控制，因此又叫微控制器(MicroControlUnit,MCU)，也可以構(gòu)成所謂的片上系統(tǒng)(SystemOnchip,SOC)，實現(xiàn)對各種便攜式電子產(chǎn)品的控制。目前單片機的開展出現(xiàn)了功能不斷拓展和處置器位數(shù)不斷提高的趨勢。32位的處置器主要有四種典型架構(gòu)：ARM(Advanced

RISC

Machines)、PowerPC、MIPS和EIA(EmbeddedIntelArchitecture)。其中最流行的是ARM系列處置器，它憑仗著低功耗、高性能、靈敏易用的特點，運用曾經(jīng)普及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)及無線通訊設(shè)備等各領(lǐng)域，在32位RISC微處置器市場中的占有率到達75%。14數(shù)字信號處置器DSP的開展DSP芯片主要運用于高密度、大容量、反復的數(shù)據(jù)處置領(lǐng)域，例如音頻或視頻信號的緊縮編碼、加密解密、調(diào)制解調(diào)、頻譜分析等處置運算。由于DSP內(nèi)部存儲器采用了不同于普通處置器普林斯頓構(gòu)造〔馮·諾依曼構(gòu)造〕的改良的哈佛構(gòu)造，并擁有多總線和流水線構(gòu)造，硬件乘法器和公用的運算指令，所以DSP可以進展高速的并行運算。目前DSP曾經(jīng)廣泛地運用于通訊、航空、雷達、家用電器等領(lǐng)域，常見的手機、數(shù)字電視、數(shù)碼相機都離不開DSP。15可編程邏輯器件的開展可編程邏輯器件是電子設(shè)計自動化〔ElectronicDesignAutomation,EDA〕的物質(zhì)根底。所謂電子設(shè)計自動化是在EDA的軟件平臺上，對用硬件描畫言語HDL完成的設(shè)計文件自動地進展邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯規(guī)劃布線、邏輯仿真,直至對于特定目的芯片進展適配編譯、邏輯映射和編程下載等。設(shè)計者只需用HDL言語完成系統(tǒng)功能的描畫，借助EDA工具就可得到設(shè)計結(jié)果，將編譯后的代碼下載到目的芯片就可在硬件上實現(xiàn)。目前主要的可編程邏輯器件有CPLD和FPGA。EDA技術(shù)作為一種現(xiàn)代電子系統(tǒng)開發(fā)方式，具有軟硬件高度關(guān)聯(lián)、高速高可靠性的優(yōu)點。16嵌入式軟件技術(shù)的開展嵌入式軟件的開展主要表達在嵌入式運用軟件和嵌入式操作系統(tǒng)兩個方面。嵌入式系統(tǒng)的運用軟件具有固化存儲、可靠性和正確性要求高等特點，目前的嵌入式運用軟件的開發(fā)曾經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向運用高級言語，例如C和Java。嵌入式系統(tǒng)運用軟件的開發(fā)手段和工具的改動，一方面使得嵌入式軟件的功能更為豐富，另一方面也使開發(fā)的復雜程度和風險大大提高。與通用計算機操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)不單要管理各種硬件資源、處置各種沖突、為各類運用程序提供與硬件無關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用接口，還必需具備通用操作系統(tǒng)不具備的內(nèi)核體積小、實時性、可裁剪、可移植、高可靠性等特點。1710.2機械電子系統(tǒng)中微處置器的作用一個典型的用于控制的微處置器系統(tǒng)的框圖。18運用微處置器系統(tǒng)控制機械手機器人控制器的首要功能是控制機器人手臂的軸。每一個坐標軸都構(gòu)成一個獨立的控制環(huán)，稱為獨立義務(wù)模塊或程序模塊。機器人軸的運動速度、方向的運算和控制算法使CPU的運算量很大。因此，CPU必需具有足夠的性能以滿足在運用途置方面和實時性方面的要求，因此采用高性能的16位或32位CPU。在許多運用場所中，還采用高速運算的協(xié)處置器來提高CPU的運算才干。機器人的手臂與微處置器系統(tǒng)經(jīng)過各模擬傳感器和數(shù)字傳感器以及不同的執(zhí)行器銜接起來。19運用微處置器系統(tǒng)控制機械手像機器人這樣的系統(tǒng)很少會單獨任務(wù)，它普通都從屬于一個更大的控制系統(tǒng)，這個大控制系統(tǒng)同時控制著相互協(xié)作的許多臺機器人和控制器。因此本例中的機器人控制器配備有鍵盤和顯示器兩個人機界面以及一個用來銜接其它機器人和系統(tǒng)的通訊接口。雖然這些機器人和系統(tǒng)能夠位于不同的地點，但通訊網(wǎng)絡(luò)提供了一個聯(lián)絡(luò)手段。經(jīng)過這個網(wǎng)絡(luò)，機器人之間可以相互通訊，或與掌管全局的中心計算機通訊。這種類型的系統(tǒng)稱為分布式控制系統(tǒng)，其作用主要在于使通訊系統(tǒng)的設(shè)計符合實踐要求。2010.3嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計方法無論在機械電子系統(tǒng)中的作用是控制還是信息處置，假設(shè)微處置器嵌入的是一個相對較大、較復雜的系統(tǒng)，由于監(jiān)控變量多，數(shù)據(jù)量大，計算復雜，顯示要求高，那么可以選用PC機。由于PC機具有寬廣的硬件支持廠商，而且其軟件產(chǎn)品類型多樣、種類齊全，軟硬件開發(fā)環(huán)境及有關(guān)工具也非常豐富，再加上其良好的用戶界面有圖形顯示功能，因此PC機對于工控領(lǐng)域的吸引力是宏大的。正是在這樣的背景下，工業(yè)PC機產(chǎn)生了。21工業(yè)PC機的局限性規(guī)范構(gòu)造的工業(yè)PC機也有許多局限性，主要問題是體積和功耗太大，在許多嵌入式運用場所〔例如航空航天產(chǎn)品、智能儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備、機電一體化產(chǎn)品等〕無法勝任，因此出現(xiàn)了采用基于模塊化設(shè)計方法的嵌入式系統(tǒng)。22可編程控制器PLC可編程控制器該當說是一種真正的工業(yè)控制計算機，它的設(shè)計過程是經(jīng)過廣泛地征求各個工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω鞣N現(xiàn)場環(huán)境的要求，并把這些要求綜合成十幾條規(guī)范后完成的?？删幊炭刂破鞯姆e木化構(gòu)造使得它在不同的運用場所中顯得非常靈敏，在一個根本系統(tǒng)上，根據(jù)監(jiān)控變量數(shù)量的要求，可以靈敏地選用模擬通道和數(shù)字通道的數(shù)量，并可以配置通訊模塊，聯(lián)成工業(yè)控制的局域網(wǎng)絡(luò)?？删幊炭刂破饔兄浅?yōu)良的可靠性，它在工業(yè)界的運用中極少出現(xiàn)缺點，即使出現(xiàn)缺點，也有相當一部分是由于接線引起的。但對一些監(jiān)控變量少、計算量小的機電系統(tǒng)來說，顯得價錢偏高。23模塊化：一種行之有效的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法長期以來，微型計算機系統(tǒng)設(shè)計者常采用下述幾種方法設(shè)計嵌入式系統(tǒng)：基于模板的設(shè)計方法基于模塊的設(shè)計方法基于芯片的設(shè)計方法24基于模板的設(shè)計方法于模板的設(shè)計方法是指運用市場上銷售的總線模板來構(gòu)本錢人的公用嵌入式系統(tǒng)，這種設(shè)計方法能大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，但設(shè)計出來的產(chǎn)品往往本錢高、體積大、靈敏性差。

國內(nèi)目前較為流行的STD總線工控機和PC總線工控機系統(tǒng)就屬于這種設(shè)計方法。由于系統(tǒng)需求龐大的機箱或總線底板，因此在許多嵌入式運用場所，其運用遭到限制。25基于模塊的設(shè)計方法基于模塊的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，即采用現(xiàn)成的、由廠家提供的模塊來設(shè)計嵌入式系統(tǒng)。所謂“模塊〞是指一種體積較小的多集成塊組件，通常在2～10in2的電路板上，安裝了許多滿足某種特定功能的集成電路和元件。基于模塊的設(shè)計的優(yōu)點：不需很高的投資即可獲得較高的器件密度降低開發(fā)費用增多產(chǎn)品檔次，便于晉級換代預先定義的模塊的機械電氣規(guī)范也會大大簡化用戶模塊的設(shè)計，減少技術(shù)風險。26基于芯片的設(shè)計方法基于芯片的設(shè)計是指設(shè)計全部從芯片開場做起。它能非常有針對性地滿足系統(tǒng)的要求，但需破費較多的開發(fā)費用、較長的開發(fā)時間和冒較大的風險。當然，開發(fā)出來的產(chǎn)品體積小、功耗低、本錢也較低。典型的實例是采用單片機〔例如，Intel8051系列、8096系列〕來設(shè)計公用的嵌入式系統(tǒng)，這是一種大家比較熟習傳統(tǒng)的設(shè)計方法。在當今猛烈競爭的市場環(huán)境中，這種方法由于周期長，開發(fā)費用高，因此有時在時間上不能滿足用戶的需求，最好能預先開發(fā)。27嵌入式系統(tǒng)規(guī)范模塊─PC/104總線模塊PC/104的概念來源于美國AMPRO公司在1987年開發(fā)出來的、用于該公司“小板〞系列PC兼容單板計算機的一些擴展模塊——“最小模塊〞(MiniModule)。由于這些MinModule的體積很小、尺寸規(guī)范化(90×96mm)、功耗很低、構(gòu)造獨特，因此，AMPRO公司想象能否能將CPU模塊也可以按上述規(guī)范來設(shè)計。1990年，這些想象成為現(xiàn)實：AMPRO公司推出了第一個CPU模塊——CoreModuleXT，接著許多計算機廠商和OEM用戶也不斷推出了與CoreModule和MiniMoule規(guī)范兼容的產(chǎn)品。28PC/104的由來目前MiniMoule系列已有通訊控制、磁盤接口控制、顯示控制、網(wǎng)絡(luò)控制四大類十多種產(chǎn)品，與MiniModule兼容的其它外圍模塊。為了使“PC/104〞產(chǎn)品進一步普及和運用，以AMPRO公司為首的廠家，已結(jié)合了其它七十多個公司，成立了“PC/104〞協(xié)會，從而構(gòu)成較大的氣勢，在全世界推行嵌入式PC/104模塊及其產(chǎn)品。2021年AMPRO公司曾經(jīng)被AD-link公司收買。29PC/104──IEEE-P996.1IEEE-P996.1是指IBMPC和PC/AT總線規(guī)范，它已成微型機現(xiàn)實上的工業(yè)規(guī)范，PC/104總線只需與之兼容，才干有生命力。PC/104模塊正是在電氣和機械特性與IEEE-P996.1兼容的根底上，減少了體積空間、降低了功耗，從而滿足了嵌入式計算機運用系統(tǒng)的需求。之所以將模塊命名為“PC/104〞，是由于其總線之間的互連運用了104個信號線〔一個64引腳銜接器，一個40引腳銜接器〕。因此，“PC/104〞總線完全可以作為IEEE-P996.1規(guī)范的擴展。30PC/104與IEEE-P996.1的主要不同點1〕非常小的體積，尺寸僅為90×96mm，可以當作普通元件組件來運用。2〕獨特的自層疊式總線，無需機殼、母板或總線板，從而降低了本錢。3〕總線驅(qū)動電流僅需6mA，采用低功耗設(shè)計和高集成度的元件，模塊的典型功耗1～2W。31PC/104總線模塊系統(tǒng)

已成為現(xiàn)實上的嵌入式PC機的規(guī)范我們以為，采用PC/104總線構(gòu)造設(shè)計的產(chǎn)品，最適宜于嵌入式控制的運用。PC/104模塊與IBMPCXT/AT軟硬件完全兼容，因此完全可以利用現(xiàn)有的硬件、軟件、開發(fā)工具、設(shè)計知識等資源，為技術(shù)人員提供了良好的開發(fā)環(huán)境。PC/104模塊體積小(90×96mm)、功耗低〔采用CMOS器件，無需散熱〕、可層疊，完全可以嵌入到各種設(shè)備中。中心模塊(CPUModule)已有XT、AT、386SDX、