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嵌入式工控机嵌入式控制系统应用领域及发展趋势

blog 2021-04-28 13 0

  嵌入式控制系统应用领域及发展趋势 *** 摘要:从 20 世纪 70 年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用,嵌入 式系统已经有了近 50 年的发展历史,它为自动化控制开辟了广阔的发展空间。由于嵌入式系统具有功能强 大、开发方便的优点,目前已经得到广泛的应用,同时,

  嵌入式控制系统应用领域及发展趋势 嵌入式控制系统应用领域及发展趋势 *** 摘要:从 20 世纪 70 年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用,嵌入 式系统已经有了近 50 年的发展历史,它为自动化控制开辟了广阔的发展空间。由于嵌入式系统具有功能强 大、开发方便的优点,目前已经得到广泛的应用,同时,无风扇工控机,随着信息化时代的到来,用户对嵌入式生产厂商 提出了更高的要求,嵌入式控制系统将会有更大的发展。本文主要就嵌入式控制系统的一些应用领域做简 单的说明,并介绍其发展趋势。 1 嵌入式系统的介绍 1.1 定义:根据英国电器工程师协会 (U.K. Institution of Electrical Engineer) 的 定义, 嵌入式系统为控制、监视或辅助设 备、机器或用于工厂运作的设备。 1.2 系统结构:嵌入式系统有硬件和软 件两大部分组成。 a.硬件包括微处理器、 存储器、 外部设 备和 I/O 口、图形控制器等; b.软件部分包括操作系统, 和应用程序。 1.3 特点:系统内核小、系统精简、高 实时性和高可靠性、智能化和网络化、专用 性强、需要有专用的开发工具和环境等。 2 嵌入式控制系统应用领域 嵌入式系统以其组网灵活﹑可靠性高 ﹑抗干扰能力强﹑低功耗和网络容量大等 特点在计算机控制领域发挥着显著的作用。 嵌入式控制器体积小、可靠性高、功能强、 灵活方便等许多优点, 使其应用深入到各个 领域,包括:工业控制、交通管理、信息家 电、消费类电子产品及家庭智能管理系统、 POS 网络及电子商务、农业及环境工程监 测、机器人领域、军事国防领域等。 2.1.工业控制 在工业控制领域中, 嵌入式系统主要应 用于各种智能测量仪表、数控装置、可编程 控制器、分布式控制系统、现场总线仪表及 控制系统、工业机器人、机电一体化设备等 系统中。 随着工业控制对性能和智能化的要 求不断提高, 基于嵌入式芯片的工业自动化 设备已经获得长足的发展, 目前已经有大量 的 8、16、32 位嵌入式微控制器在应用在 如工业过程控制、数铣机床、电力系统、电 网安全、 电网设备监测、 石油化工等系统中。 另外, 在工业控制器和设备控制器方面采用 的嵌入式处理器往往采用 16 位以上的处理 器, 各种 MCU、 ARM、 MIPS、 DSP、 FPGA、 68000 系列的处理器在控制器中占据核心 地位。这些处理器提供丰富的接口总线资 源,可以事先数据采集,数据处理,通信及 显示。就传统的工业控制产品而言,低端型 采用的往往是 8 位单片机。 但是随着技术的 发展,32 位、64 位的处理器逐渐成为工业 控制设备的核心, 在未来几年内必将获得长 足的发展。 2.2.交通管理 智能交通系统(ITS)主要由交通信息采 集、交通状况监视、交通控制、信息发布和 通信 5 大子系统组成。 各种信息都是 ITS 的 运行基础, 而以嵌入式为主的交通管理系统 就像人体内的神经系统一样在 ITS 中起着 至关重要的作用。 嵌入式系统应用在测速雷 达(返回数字式速度值)、运输车队遥控指挥 系统、车辆导航系统等方面,在这些应用系 统中能对交通数据进行获取、存储、管理、 传输、分析和显示,以提供交通管理者或决 策者对交通状况现状进行决策和研究。 在智 能交通的各类管理系统中, 一般都要求系统 能够在无人值守的状态下 24 小时不间断运 行,对产品工作的稳定性要求很高,更不允 许出现死机的现象, 嵌入式产品的工作稳定 特性正好适应其在这方面的严格的要求。 1 嵌入式控制系统应用领域及发展趋势 例子:在智能交通系统中当车辆闯红灯时, 地感线圈感应到车辆信号,检测器被触发, 并给嵌入式系统发出一个信号, 由信号灯控 制器发出“红灯”信号同时也给计算机发出 另一信号,两者同时具备时,嵌入式系统给 摄像机发出一个控制信号。照相机动作,拍 摄违章车辆图像。车辆经过检测线圈时,嵌 入式系统检测车速,同时记录闯红灯时间。 由于嵌入式系统处理器运行速度高, 他能满 足高速处理图像数据的要求。 嵌入式系统可 以根据数字化后的车辆灰度图像, 对车辆颜 色进行提取和识别,对车牌类型进行分类, 对车辆字符进行识别。 车辆字符识别系统包 括图像二值转换,图像差分、滤波与平滑, 车牌定位与旋转,字符切割,字符识别,车 牌颜色提取与识别和车牌分类等功能模块。 违章车辆速度和颜色、闯红灯时间、违章车 辆类型和经过识别的车牌字符等信息, 由嵌 入式系统以数据信号形式发送给无线接入 装置。无线接入装置把这些数据传给 lnternet, Internet 再把这些数据传给交通管 理系统数据中心。 交通管理系统可以及时得 到违章车辆信息, 从而更好地对交通系统进 行管理,更好地保证交通管理系统正常运 作。 2.3.信息家电、消费类电子产品及家庭 智能管理系统 家电行业是嵌入式应用的另一大行业, 具有用户界面、能远程控制、智能管理的电 器是未来的趋势。据 IDG 发布的统计数据 表明,未来信息家电将会增长五到十倍。这 些应用中,可以着重于在控制方面的应用。 就远程家电控制而言,除了开发出支持 TCP/IP 的嵌入式系统之外,家电产品控制 协议也需要制订和统一, 这需要家电生产厂 家来做。同样的道理,所有基于网络的远程 控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接 口, 然后再由嵌入式系统来控制并通过网络 实现控制。所以,开发和探讨嵌入式系统有 着十分重要的意义。 而我们日常生活中必 不可少的消费类电子产品则是各种嵌入式 控制系统的天下,手机、MP3、录影机、平 板电脑等, 这些电子产品的核心部分就是嵌 入式系统。例如:自从 2005 年,消费者已 不再仅仅满足于用手机打打语音电话、 发发 文本短信,对移动多媒体通信、娱乐和联网 的要求已隐然成为一种新的消费趋向。 消费 者 希 望 手 机 能 下 载 和 播 放 MP3 音 乐 及 MPEG-4 电影、高速浏览互联网、拍摄和显 示高清晰度照片、收发多媒体邮件、玩互动 多媒体游戏、在全球不同移动网中漫游、打 可视电话, 甚至希望在手机平台上收看实时 卫星或地面 DTV 节目,这几大促进了嵌入 式系统在这方面的发展。另外,在家庭智能 管理系统方面,水、电、煤气表的远程自动 抄表,安全防火、防盗系统,其中嵌有的专 用控制芯片将代替传统的人工检查, 并实现 更高,更准确和更安全的性能。目前在服务 领域, 如远程点菜器等已经体现了嵌入式系 统的优势。 2.4.POS 网络及电子商务 公 共交 通无接 触智能 卡 (Contactless Smartcard, CSC)发行系统,公共电话卡发 行系统,自动售货机,各种智能 ATM 终端 将全面走入人们的生活, 到时手持一卡就可 以行遍天下。 2.5.农业及环境工程监测 农业方面如:温度、湿度和二氧化碳浓 度是影响棚栽农作物生长的 3 大要素。为 了实现农业大棚中这 3 种要素数据的远程 实时采集,引入了当前嵌入式应用中较为成 熟的 ARM9 微处理器和 Linux 嵌入式操作 系统技术, 采用温度传感器 PH100TMPA、 湿度传感器 HM1500 和二氧化碳浓度传感 器 NAP221A ,设计一种基于 TCP/ IP 协议 的嵌入式远程实时数据采集系统方案, 这样 就可以实时获得大棚温度、 湿度和二氧化碳 浓度等数据。另外,水文资料实时监测,防 洪体系及水土质量监测、堤坝安全,地震监 测网,实时气象信息网,水源和空气污染监 测。在很多环境恶劣,地况复杂的地区,嵌 入式系统将实现无人监测。 2.6.机器人领域 机器人技术的发展从来就是雨嵌入式 系统的发展紧密联系在一起的。近年来,由 于嵌入式处理器的发展, 机器人从硬件到软 件都呈现了新的发展趋势。 嵌入式芯片的发 展将使机器人在微型化, 高智能方面优势更 2 嵌入式控制系统应用领域及发展趋势 加明显,同时会大幅度降低机器人的价格, 使其在工业领域航空航天领域和服务领域 获得更广泛的应用。 火星车就是一个典型例 子,这个价值 10 亿的技术高密集移动机器 人, 采用的是 VXWORKS 嵌入式操作系统, 可以在不与地球联系的情况下工作。另外, 随着 32 位处理器和 Windows CE 等 32 位 嵌入式操作系统的盛行, 使得操作一个机器 人只需在手持 PDA 上获得远程机器人的信 息,并且通过无线通信控制机器人的运行, 与传统的采用工控机相比,要轻巧便捷得 多。随着嵌入式控制器越来越微型化、功能 化,微型机器人、特种机器人等也将获得更 大的发展机遇。 2.7.军事国防领域 在20实际60年代武器控制中就开始采 用嵌入式计算机系统了, 后来用于军事指挥 控制和通信系统, 所以军事国防历来就是嵌 入式系统的一个重要应用领域。 现在各种武 器控制(火炮控制,导弹控制,智能炸弹制 导引爆装置) ,坦克,舰艇,轰炸机等,陆 海空各种军用电子装备,雷达,电子对抗军 事通信装备, 野战指挥作战用各种专用设备 等都可以看到嵌入式系统的影子。 使用嵌入 式技术的武器在伊拉克战争中就曾经被广 泛使用。例子:央视报道过嵌入式系统可使 老坦克行进中快准狠打击运动目标。 的同时还提供开发板和板级支持包 (BSP) , 而 WindowCE 在 主 推 系 统 时 也 提 供 Embedded VC++ 作 为 开 发 工 具 , 还 有 Vxworks 的 Tonado 开发环境,DeltaOS 的 Limda 编译环境等等都是这一趋势的典型 体现。当然,这也是市场竞争的结果。 3.2.网络化、信息化的要求随着因特网 技术的成熟、带宽的提高日益提高,使得以 往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微 波炉等功能不再单一,结构更加复杂。 这就要求芯片设计厂商在芯片上集成 更多的功能, 设计师们一方面采用更强大的 嵌入式处理器如 32 位、64 位 RISC 芯片或 信号处理器 DSP 增强处理能力,同时增加 功能接口, USB, 如 扩展总线类型, CAN 如 BUS,加强对多媒体、图形等的处理,逐步 实施片上系统(SOC)的概念。软件方面采 用实时多任务编程技术和交叉开发工具技 术来控制功能复杂性,简化应用程序设计、 保障软件质量和缩短开发周期。 3.3.网络互联成为必然趋势。 未来的嵌入式设备为了适应网络发展 的要求, 必然要求硬件上提供各种网络通信 接口。传统的单片机对于网络支持不足,而 新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络 接口,除了支持 TCP/IP 协议,还有的支持 IEEE1394、 USB、 CAN、 Bluetooth 或 IrDA 通信接口中的一种或者几种, 同时也需要提 供相应的通信组网协议软件和物理层驱动 软件。软件方面系统系统内核支持网络模 块,甚至可以在设备上嵌入 Web 浏览器, 真正实现随时随地用各种设备上网。 3.4.精简系统内核、算法,降低功耗和 软硬件成本。 未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合 的设备,为了减低功耗和成本,需要设计者 尽量精简系统内核, 只保留和系统功能紧密 相关的软硬件, 利用最低的资源实现最适当 的功能, 这就要求设计者选用最佳的编程模 型和不断改进算法,优化编译器性能。 3.5.提供友好的多媒体人机界面 嵌入式设备能与用户亲密接触, 最重要 的因素就是它能提供非常友好的用户界面。 图像界面,灵活的控制方式,这要求使得嵌 3嵌入式控制系统发展趋势 信息时代, 数字时代使得嵌入式产品获得了 巨大的发展契机, 为嵌入式市场展现了美好 的前景, 同时也对嵌入式生产厂商提出了新 的挑战, 从中我们可以看出未来嵌入式系统 的几大发展趋势: 3.1.嵌入式开发是一项系统工程,因此 要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软 硬件系统本身, 同时还需要提供强大的硬件 开发工具和软件包支持。 目前很多厂商已经充分考虑到这一点, 在主推系统的同时, 将开发环境也作为重点 推广。比如三星在推广 Arm7,Arm9 芯片 3 嵌入式控制系统应用领域及发展趋势 入式软件设计者要在图形界面, 多媒体技术 上花费更多的精力。手写文字输入、语音拨 号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像 都会使使用者获得自由的感受。 将会对嵌入式供应商提出了更高的挑战, 但 这也是一个难得的机遇, 它将会促使嵌入式 控制系统不仅从数量上还有质量上发生质 的改变。 参考文献: 孙鹤旭, 林涛 .嵌入式控制系统.清华大学出 版社,2007; splswsq .嵌入式系统.百度百科; 佚名.嵌入式交通管理系统在智能交通中的 应用.智聪网,2010 4 总结 嵌入式控制系统因其强大的功能以及 高可靠性而被应用在各种领域, 巨大的市场 需求推动着嵌入式系统的迅猛发展。 随着时 代的进步,人们对产品的要求越来越高,这 4

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