嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制中的應(yīng)用

徐 奇

（安徽工商職業(yè)學(xué)院 電子信息系，安徽 合肥 231131）

0 引言

嵌入式系統(tǒng)并非一套功能與硬件設(shè)備齊全的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其專門(mén)為特定功能而研發(fā)特定芯片.通過(guò)單一芯片的靈活控制與多個(gè)芯片的級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，不用購(gòu)置昂貴的整套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而在實(shí)現(xiàn)用戶想要實(shí)現(xiàn)的功能的同時(shí)，達(dá)到降低成本的目的.并且大大降低了嵌入式系統(tǒng)所需要的空間，為智能機(jī)電小型化、輕型化鋪平了道路.

嵌入式系統(tǒng)并非獨(dú)立系統(tǒng)，而以融入其所應(yīng)用的特定為設(shè)計(jì)目的，在與主設(shè)備相互融合的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其設(shè)定的功能.嵌入式系統(tǒng)在被其植入的系統(tǒng)中，進(jìn)行信號(hào)的運(yùn)算和處理、存儲(chǔ)及控制.Intel公司在成功開(kāi)發(fā)出嵌入式系統(tǒng)并投放市場(chǎng)后的短短30年間，嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)行業(yè)開(kāi)花結(jié)果，取得了豐碩的成果.尤其在近些年，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及其與互聯(lián)網(wǎng)的連接在實(shí)際的機(jī)電控制中取得了重大的技術(shù)突破.

1 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介

一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)技術(shù)作為嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)，所應(yīng)用的軟件和硬件都可以根據(jù)需要進(jìn)行合理配置.可以把嵌入式系統(tǒng)看做一個(gè)擁有自擬功能、高可靠性、低成本、微型體積、極低功耗的專門(mén)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng).嵌入式系統(tǒng)面向開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，并非普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng).

嵌入式系統(tǒng)要求盡可能地縮小體積和提高嵌入式系統(tǒng)的響應(yīng)速率.通過(guò)相應(yīng)的微處理器的選擇與安裝配套的支撐硬件以及進(jìn)行合理的軟件選擇來(lái)達(dá)到嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo).

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)歷了4個(gè)比較大的發(fā)展階段：

第1階段以單片機(jī)為核心系統(tǒng)軟件的可編程控制器形式的嵌入式系統(tǒng).具有指示、檢測(cè)、自動(dòng)化伺服等相互配合的功能；

第2階段是以嵌入式核心中央處理器即CPU為控制基礎(chǔ)、用初級(jí)操作系統(tǒng)為應(yīng)用核心的嵌入式系統(tǒng)；

第3階段是以專門(mén)的嵌入式操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)操作系統(tǒng)的上一代嵌入式系統(tǒng)；

第4階段是結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最新一代嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制，達(dá)到微處理器與Internet的聯(lián)動(dòng)遠(yuǎn)程遙感控制.現(xiàn)在此系統(tǒng)還處在技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用階段，前景非常廣闊.不過(guò)目前市場(chǎng)上大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)都還孤立在互聯(lián)網(wǎng)體系之外，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)科技的不斷發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)與機(jī)電控制、工業(yè)控制等日益密切的結(jié)合，嵌入式設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合已經(jīng)成為未來(lái)市場(chǎng)的發(fā)展方向.下面給出嵌入式系統(tǒng)模塊化圖示（如圖1），可以直觀了解基于Linux操作系統(tǒng)的AT91系列嵌入式系統(tǒng)與外圍設(shè)備的通信關(guān)系.

圖1 嵌入式系統(tǒng)與外圍設(shè)備

2 當(dāng)前市場(chǎng)中的微處理器簡(jiǎn)介

當(dāng)前市場(chǎng)中的嵌入式微處理器種類繁多，功能多樣.

Intel公司是嵌入式系統(tǒng)概念的領(lǐng)導(dǎo)者，旗下有Strong ARM，Xscale，ATMEL的AT91系列嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品.

IBM公司作為國(guó)際芯片行業(yè)的巨頭，也推出了自己的嵌入式微處理器產(chǎn)品：PowerPC，Motorola的68K.

韓國(guó)的三星公司也開(kāi)發(fā)了S3C4x系列嵌入式微處理器產(chǎn)品.

目前市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛的是英國(guó)ARM公司基于ARM內(nèi)核的嵌入式微處理器.在PDA、STB、DVD等以消費(fèi)為導(dǎo)向的家用電子產(chǎn)品中，應(yīng)用最廣泛的就是ARM主流的32RISC芯片.同時(shí)其32RISC還應(yīng)用在更加廣泛的領(lǐng)域中，比如機(jī)電產(chǎn)業(yè)、衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)即GPS系統(tǒng)、空中管制系統(tǒng)、礦物勘探測(cè)量系統(tǒng)等軍用和民用的系統(tǒng).目前市場(chǎng)的大趨勢(shì)都是選擇ARM作為嵌入式系統(tǒng)的核心應(yīng)用芯片，全球電子行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)比如 NS，Ateml，Intel，Samsung，Philips，NEC，CirrusLogic 等都先后開(kāi)發(fā)了自己的基于 ARM 處理器的產(chǎn)品.ARM處理器不僅體積微小、功耗極低，而且能實(shí)現(xiàn)“低成本高性能”這一眾多芯片廠商長(zhǎng)久以來(lái)夢(mèng)寐已求的目標(biāo).事實(shí)上，目前市場(chǎng)上嵌入式微處理器芯片的第一選擇便是ARM,其推出的嵌入式解決方案已成為RISC的標(biāo)志，穩(wěn)坐市場(chǎng)第一把交椅.

3 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的選擇

在各種現(xiàn)代電子儀器、設(shè)備中，嵌入式系統(tǒng)在其內(nèi)部發(fā)揮了核心的控制作用.無(wú)需采用操作系統(tǒng)支撐，僅僅依靠匯編語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)來(lái)維持系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去.各個(gè)廠家紛亂復(fù)雜的匯編語(yǔ)言給不同廠家之間的嵌入式系統(tǒng)芯片的聯(lián)動(dòng)帶來(lái)了不必要的麻煩，每重新開(kāi)發(fā)一種系統(tǒng)功能便要耗費(fèi)大量的人力物力去重新編排匯編語(yǔ)言，無(wú)形中增加了系統(tǒng)的應(yīng)用成本，曾經(jīng)給嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)帶來(lái)了非常大的阻礙.隨著開(kāi)發(fā)人員與市場(chǎng)的不斷試煉，與相應(yīng)操作系統(tǒng)配套的嵌入式系統(tǒng)終于研制成功，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)給嵌入式微處理器的大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路，未來(lái)各種電子產(chǎn)品的全方位嵌入式系統(tǒng)時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨.

嵌入式操作系統(tǒng)本質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)應(yīng)用的系統(tǒng)軟件，用來(lái)支持嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用與二次開(kāi)發(fā)，是當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)最為重要的組成部分.其軟件通過(guò)底層驅(qū)動(dòng)程序來(lái)直接進(jìn)行與硬件的信號(hào)交換和控制，設(shè)備的通信接口方便外圍設(shè)備的進(jìn)一步系統(tǒng)擴(kuò)展，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件與嵌入式系統(tǒng)的對(duì)話，通過(guò)直觀的圖形化用戶管理模塊方便用戶進(jìn)行調(diào)試與二次開(kāi)發(fā)利用.所以，嵌入式操作系統(tǒng)秉承微型操作系統(tǒng)的理念，通過(guò)對(duì)軟件進(jìn)行信息處理來(lái)達(dá)到有效管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源的目的.同時(shí)自身及庫(kù)函數(shù)調(diào)用和開(kāi)發(fā)工具于一身，極大地方便了用戶的調(diào)試與使用.其嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)最重要的運(yùn)行環(huán)境和開(kāi)發(fā)平臺(tái).高集成度和高可用性充分提升了嵌入式系統(tǒng)的使用效率，所以，歷來(lái)都是各個(gè)公司研發(fā)和應(yīng)用的重點(diǎn).目前主流的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux，VxWorks，WindowCE，UC/OS-2等.

4 嵌入式系統(tǒng)的外圍設(shè)備

嵌入式系統(tǒng)的外圍設(shè)備以MCU，DSP，EMPU，SOC作為中心控制部件，廣義上來(lái)講，所有可以進(jìn)行信息存儲(chǔ)、信息通信、信號(hào)調(diào)試、數(shù)碼顯示等具有輔助功能的基本部件，均可以算作嵌入式外圍設(shè)備.

嵌入式外圍設(shè)備按功能可以分為存儲(chǔ)記憶設(shè)備、通信交換設(shè)備和狀態(tài)顯示設(shè)備三大類.其中常用的存儲(chǔ)設(shè)備如下：

靜態(tài)易失型存儲(chǔ)器即RAM或者SRAM；

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM)；

非易失型存儲(chǔ)器（ROM，EPROM，EEPROM，F(xiàn)LASH）.

其中便于程序反復(fù)重置與反復(fù)調(diào)用新程序的當(dāng)屬FLASH,即通常我們所說(shuō)的閃存.閃存憑借其存儲(chǔ)速度快、存儲(chǔ)容量大、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，大規(guī)模應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域.目前的通訊設(shè)備幾乎都可以直接切入到嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，通過(guò)串行口和紅外線接口以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和通用串行接口的應(yīng)用達(dá)到融入嵌入式系統(tǒng)的目的.未來(lái)，以太網(wǎng)接口技術(shù)將成為嵌入式系統(tǒng)接口技術(shù)的前沿領(lǐng)域，以太網(wǎng)接口技術(shù)正在不斷的研發(fā)和更新中.

5 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件

以基于uC/OS為RTOS開(kāi)發(fā)的專用軟件為例，來(lái)介紹下嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件.其軟件基本構(gòu)成如下：

1）多線程任務(wù)系統(tǒng)；

2）核心內(nèi)存資源管理系統(tǒng)；

3）中斷控制系統(tǒng)；

4）UART接口處理技術(shù)；

5）ISA接口處理技術(shù)；

6）ADRC算法處理程序.

其中 1），2），3）通過(guò) uC/OS 自身實(shí)現(xiàn)，4），5），6）為用戶通過(guò)響應(yīng)的編程軟件進(jìn)行自行編寫(xiě). 上一代傳統(tǒng)類型的機(jī)電控制系統(tǒng)中大多數(shù)采用非線性PID控制系統(tǒng)和模糊控制PID等，顯示出PID的應(yīng)用范圍繁雜.當(dāng)前市場(chǎng)流行一種采用自抗擾技術(shù)的電機(jī)控制理念，通過(guò)ADRC（auto_disturbance rejector controller）算法進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的抗自擾化處理.同時(shí)對(duì)原來(lái)了ADRC的算法進(jìn)行優(yōu)化，用變參思路來(lái)達(dá)到模糊ADRC處理的概念.

從幾代前的Linux操作系統(tǒng)誕生之時(shí)，其驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)就已經(jīng)開(kāi)始了.良好的操作系統(tǒng)可以對(duì)外圍設(shè)備起到強(qiáng)大的支持作用.現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)更多的集中在嵌入式驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)上面，并以可移植性強(qiáng)作為標(biāo)志.傳統(tǒng)以VI，emacs等為主體開(kāi)發(fā)工具，其載體就是傳統(tǒng)的Linux文本編輯器.當(dāng)開(kāi)發(fā)一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的時(shí)候，應(yīng)該遵守如下啟動(dòng)順序：

1）硬件信息的收集階段；

2）訪問(wèn)方式確定階段.外圍設(shè)備通過(guò)中斷與查詢等約定的通訊方式進(jìn)行對(duì)主體軟件的訪問(wèn).每一種方式都一一對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的應(yīng)用情況；

3）為目標(biāo)功能編寫(xiě)源代碼來(lái)對(duì)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行軟件驅(qū)動(dòng)；

4）編譯和調(diào)試源代碼程序.一般用內(nèi)核自配的PRINTKO函數(shù)輸出代碼信息進(jìn)行調(diào)試.

5）在內(nèi)核中載入相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序.驅(qū)動(dòng)程序加入內(nèi)核后可以與內(nèi)核一并進(jìn)行編譯，也可以以動(dòng)態(tài)形式在運(yùn)行狀態(tài)下強(qiáng)制加載入內(nèi)核.

6）驅(qū)動(dòng)軟件加載前，先要進(jìn)行應(yīng)用軟件的檢驗(yàn).用軟件模擬驅(qū)動(dòng)過(guò)程，同時(shí)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)源程序中出現(xiàn)的問(wèn)題，并加以反復(fù)調(diào)試.從而盡可能減少直接加載到真實(shí)物理硬件的時(shí)候，因?yàn)樵闯绦蝈e(cuò)誤而出現(xiàn)的不可預(yù)知的錯(cuò)誤.同時(shí)模擬系統(tǒng)整體的可靠性與核心部件的處理速度.

6 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化電機(jī)控制系統(tǒng)

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展結(jié)合當(dāng)代嵌入式系統(tǒng)的最新研究成果，有效地改善了服務(wù)器的功能.很多當(dāng)前市場(chǎng)上出現(xiàn)的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)部都安裝有內(nèi)嵌的通訊模塊，具有接入互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的功能.這一技術(shù)的產(chǎn)生為嵌入式遠(yuǎn)程遙控打下了基礎(chǔ)，其最初的設(shè)計(jì)思想是：通過(guò)應(yīng)用基于DSP和MCU的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)器的功能，從而達(dá)到省略掉現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)服務(wù)器的目的，大大減小了系統(tǒng)體系和復(fù)雜度.為電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的低成本高功效之路打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化改造，使其能隨時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，便于復(fù)雜系統(tǒng)的控制與處理.

如果僅僅從通常意義上來(lái)講，利用DSP技術(shù)就可以輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)器與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)通信功能.再加上在操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的TCP/IP協(xié)議，來(lái)達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口芯片驅(qū)動(dòng)等目標(biāo)，從而徹底進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)與機(jī)電系統(tǒng)的互聯(lián)，將機(jī)電系統(tǒng)中的嵌入式系統(tǒng)的功能發(fā)揮到極致，達(dá)到嵌入式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)化的效果.

7 結(jié)語(yǔ)

基于DSP和MCU等嵌入式操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化機(jī)電控制系統(tǒng)，可以靈活運(yùn)用于遠(yuǎn)距離采集數(shù)據(jù)、傳輸監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)等.機(jī)電設(shè)備在Nucleus操作系統(tǒng)的軟件支持之下，應(yīng)用DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并可以實(shí)時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通訊.嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)大的可移植性和高可靠度，為其未來(lái)在機(jī)電系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，市場(chǎng)前景廣闊.

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