淺談嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用

沈銳

摘要：文章主要針對(duì)嵌入式系統(tǒng)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行淺談，簡(jiǎn)單的介紹了嵌入式的各處理器的特點(diǎn)和用處，以及嵌入式在各領(lǐng)域中對(duì)不同軟硬件的應(yīng)用，并對(duì)嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)和生活方面的影響進(jìn)行7分析。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 應(yīng)用 處理器 硬件 軟件

引言

隨著如今計(jì)算機(jī)的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)逐漸走向成熟，嵌入式系統(tǒng)也隨之有了質(zhì)的飛躍。在這個(gè)智能領(lǐng)先的時(shí)代，隨處可見的智能工具都有著嵌入式系統(tǒng)的身影，嵌入式系統(tǒng)已成為了我們生活最重要的一部分應(yīng)用。比如電子產(chǎn)品方面的數(shù)碼相機(jī)，掌上游戲機(jī)等，汽車電子領(lǐng)域的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，以及軍工方面的航空技術(shù)等，這些都是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域。

根據(jù)IEEE（電氣和電子工程協(xié)會(huì)）的定義，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置，它的核心是由一個(gè)或幾個(gè)預(yù)先已編程的微處理機(jī)和單片機(jī)組成的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。雖然它的存儲(chǔ)容量不是特別大，但是它體積小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，而且成本較低，所以才能廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

1嵌入式系統(tǒng)中的處理器

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器，可以說嵌入式處理器就是嵌入式系統(tǒng)的“心臟”，它不僅可以完成多任務(wù)，還有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度，并且還具有較強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。一般可根據(jù)處理器的用途將嵌入式處理器分為四類：

1.1嵌入式微控制器（MCU）

MCU是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片上，它的典型代表就是單片機(jī)。在許多的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，會(huì)根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用需求，對(duì)功能的設(shè)置和外設(shè)的配置進(jìn)行必要的修改和裁剪，從而使得一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種不同的衍生產(chǎn)品，這樣不僅可以使應(yīng)用系統(tǒng)的體積大大減小，功能和成本也大幅度下降。

1.2嵌入式微處理器（MPU）

MPU是由計(jì)算機(jī)的CPU發(fā)展而來，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)一般應(yīng)用于比較惡劣的環(huán)境中，所以MPU在工作溫度、電磁兼容性等方面都比標(biāo)準(zhǔn)微處理器好。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，MPU組成的系統(tǒng)具有體積小、重量輕、可靠性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)于嵌入式微控制器來說，嵌入式微處理器的可靠性沒有嵌入式控制器好，保密性也較差。

1.3嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）

DSP是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，具有很高的編譯效率和指令執(zhí)行速度。嵌入式DPS處理器主要應(yīng)用于有智能邏輯的產(chǎn)品，比如，帶有解密算法的鍵盤，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示，實(shí)時(shí)語(yǔ)音壓解系統(tǒng)等。這類的產(chǎn)品的智能化算法一般都比較大，特別向量運(yùn)算、指針線性尋址等運(yùn)算，這也是DSP處理器的優(yōu)勢(shì)所在。

1.4嵌入片上系統(tǒng)（soc）

soc是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，它實(shí)現(xiàn)了軟硬件的無縫結(jié)合，可以直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。它的優(yōu)點(diǎn)在于用戶不用再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，繪制和焊接龐大的電路板，只需使用精確的語(yǔ)言，綜合時(shí)序設(shè)計(jì)直接在器件庫(kù)中調(diào)用處理器標(biāo)準(zhǔn)，然后通過仿真之后，完成設(shè)計(jì)。

2嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1智能家居監(jiān)控系統(tǒng)

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)具體指的用戶無論是在室內(nèi)還是室外，都可以通過智能手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，來控制家中的各種家具，最主要的應(yīng)用是對(duì)屋內(nèi)用戶的生活環(huán)境和安全進(jìn)行監(jiān)控，若是家中出現(xiàn)火災(zāi)情況，那么系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)感應(yīng)到環(huán)境的變化，從而自動(dòng)的向用戶手機(jī)進(jìn)行撥打電話和發(fā)送短信，若是家中有老人，則可以通過手機(jī)實(shí)時(shí)的查看老人的情況。

此系統(tǒng)主要是利用樹莓派處理器和其他軟硬件的相互配合實(shí)現(xiàn)的，樹莓派處理器是一臺(tái)基于Linux系統(tǒng)的小型計(jì)算機(jī)，可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理運(yùn)算和多設(shè)備控制，它雖然只有信用卡大小，但是它可以實(shí)現(xiàn)很多的功能，比如文字處理、玩游戲、看視頻、放音頻等，可以說是“麻雀雖小，五臟俱全”。

在家居監(jiān)控系統(tǒng)中，樹莓派在硬件設(shè)備上，它不僅連接了監(jiān)控設(shè)備，還連接了溫濕度傳感器、煙霧傳感器等，并配合51單片機(jī)自帶的AD/DA轉(zhuǎn)換功能，將傳感器的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，再通過GSM通過單片機(jī)的串口通信撥打指定的號(hào)碼。在軟件方面主要應(yīng)用Java對(duì)手機(jī)上的APP進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

2.2嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)污染物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

由于生活的需要，建立了越來越多的工廠，隨之造成的環(huán)境污染也日益嚴(yán)重，于是對(duì)污染物檢測(cè)的系統(tǒng)要求也越來越高。嵌入式系統(tǒng)在此應(yīng)用中主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)污染物現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、處理、上傳等功能，進(jìn)而為上位機(jī)提供可靠及時(shí)的污染物數(shù)據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)以上功能，檢測(cè)系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面，主要采用的是通主控芯片來連接和控制不同類型的傳感器、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)、上位機(jī)和傳輸網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備。通過用不同的傳感器采集各種污染物的數(shù)據(jù)，再用現(xiàn)場(chǎng)機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、匯總，然后通過網(wǎng)絡(luò)和檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在軟件方面的主要設(shè)計(jì)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)的傳輸。其中的數(shù)據(jù)采集主要采用的是Modbus協(xié)議，：MocPous協(xié)議是一種公開通用的串行通信協(xié)議，常用于連接工業(yè)電子設(shè)備，在此系統(tǒng)中，此協(xié)議主要是用來控制系統(tǒng)與傳感器的串口數(shù)據(jù)通信。

2.3嵌入式系統(tǒng)傳感器應(yīng)用

傳感器是一種監(jiān)測(cè)裝置，主要功能是采集、控制、處理電子信息，將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。其在嵌入式系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)上主要采用的是反射型光電傳感器設(shè)計(jì)，由于芯片大部分都是黑色，黑色具有較強(qiáng)的吸光效果，而紅外光對(duì)常見光的干擾具有較強(qiáng)的抵抗能力，所以傳感器一般采用的是紅外發(fā)射管發(fā)出的光照。

在本應(yīng)用中的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要就是對(duì)微控制器的的編碼，在以上幾個(gè)應(yīng)用中都有提到過嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，它的功能就是通過軟件編程，選擇單片機(jī)的端口和引腳，以實(shí)現(xiàn)軟硬件的無縫銜接。

2.4基于嵌入式系統(tǒng)的人臉檢測(cè)算法研究

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，人臉技術(shù)逐漸受到大大眾的關(guān)注和歡迎。 在此應(yīng)用中最復(fù)雜核心的是軟件編程方面，因?yàn)橐ㄟ^機(jī)器識(shí)別各種人臉的區(qū)別并認(rèn)證需要通過復(fù)雜的算法和指令才能配合硬件完成。

這里主要采用AdaBoost人臉識(shí)檢測(cè)算法的原理，對(duì)人臉進(jìn)行識(shí)別，此方法是固定一個(gè)窗口大小，然后將窗口分割成一個(gè)個(gè)大小一致的小窗口，再去除人臉的背景區(qū)域，然后對(duì)每一個(gè)小的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)識(shí)別功能。為實(shí)現(xiàn)這一原理，在計(jì)算機(jī)編碼之前我們就要先對(duì)代碼中的算法進(jìn)行研究和計(jì)算，主要的算法有協(xié)方差矩陣對(duì)角化、矩陣相乘和向量?jī)?nèi)積等方法。

現(xiàn)在已有軟件在使用此應(yīng)用，雖然帶給了我們很大的便利，但是使用的人并不多，畢竟現(xiàn)如今的攝影技術(shù)發(fā)展的發(fā)展已經(jīng)比較前衛(wèi)，若是有人用照片冒充別人進(jìn)行面部識(shí)別，也是一個(gè)很大的安全問題。

3總結(jié)

現(xiàn)如今嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，無論是以前的電子產(chǎn)品還是現(xiàn)在的各種智能工具，這些都離不開嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，嵌入式已經(jīng)成為我們生活的一部分，它不僅提高了我們的生活水平，使我們的生活質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，還帶動(dòng)了其他行業(yè)的科技水平和發(fā)展，我相信嵌入式行業(yè)不管是在以前、現(xiàn)在還是將來，它的潛力和發(fā)展空間都是不可估量的。

本文雖然提到很多嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，但是都僅是淺談嵌入式系統(tǒng)在各工業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)以及對(duì)我們生活的影響，并未對(duì)其進(jìn)行專業(yè)的深度探討和研究，若是想要深入了解以上應(yīng)用，可參考參考文獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]朱鑫鑫，黃森，冀逢銳.單片機(jī)技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展中的應(yīng)用[J]，電子技術(shù)與軟件工程，2019（08）：236.

[2]沈華，嵌入式系統(tǒng)的中嵌入式處理器的分類與選型[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013（06）：78+81.

[3]劉艷艷.基于嵌入式的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)[J]，電子世捍，2017（24）：112113.

[4]黃浩然，謝其國(guó).嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)污染物監(jiān)測(cè)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2019，15（OS）：238—239.

[5]何安迪，基于嵌入式系統(tǒng)的傳感器應(yīng)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用，2019，35（02）：59—62.

[6]方仲秋，基于嵌入式系統(tǒng)的人臉檢測(cè)算法研究[J].無線互聯(lián)科技，2017（24）：47—48.