您好,欢迎来到硕远科技网站!

行业动态

当前位置:网站首页 > 行业动态 > 正文

无风扇工控机 嵌入式控制系统工程设计——第1章(概述)

blog 2020-09-30 14 0

  嵌入式控制系统工程设计——第1章(概述)_电子/电路_工程科技_专业资料。对嵌入式系统(控制系统)有初步认识,掌握嵌入式系统设计需要考虑的问题,掌握嵌入式系统设计的一般方法和步骤,为开发嵌入式(控制)系统打下一定的基础。希望对大家有用。

  教学安排: ? ? ? ? 课程名称:嵌入式控制系统工程设计 课程编号:5230126 课程属性:学科基础选修 学 时:16 学时(1~4周) ? ? 课堂教学:16学时 实验学时: 0学时 ? 学 分: 1 学分 参考书: 1.嵌入式控制系统开发及应用实例 闫保中、许兆新等编著 ,哈尔滨工业大学出版社, 2012.8 2.嵌入式控制系统应用设计 ,章亚明 著 北京邮电大学出版社, 2010.8 3.嵌入式控制系统 的设计,张海涛 编著, 科学出版社,2012.4 成绩评定方法 大作业 1.2万字 ? 平时出勤 ? 计算机系统的三大领域 ? 服务器市场 功能强 ? 利润最大的市场 ? 可用性强 ? 可扩展性 ? ? 桌面市场 ? 最广阔的市场 ? 嵌入式市场 ? 潜力最大的市场 本课程的目标 能使大家: ? ? ? ? 对嵌入式系统(控制系统)有初步认识 掌握嵌入式系统设计需要考虑的问题 掌握嵌入式系统设计的一般方法和步骤 为开发嵌入式(控制)系统打下一定的基础 课程内容 ? ? ? ? ? ? ? ? 第一章 嵌入式系统概述 第二章 嵌入式系统的处理器 第三章 嵌入式系统的开发设计与仿真 第四章 嵌入式控制系统的外设与I/O设计 第五章 嵌入式控制系统的网络通讯设计 第六章 嵌入式操作系统简介 第七章 嵌入式控制系统的软件设计 第八章 嵌入式控制系统的工程设计 第一章 嵌入式系统概述 ? 嵌入式系统: 以应用为中心,以计算机技术为基础,软 件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠 性、成本、体积、功耗诸方面严格要求的专 用计算机系统。 什么是嵌入式系统: 1. 来自IEEE的定义 “Embedded system is devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants”. ——IEEE ? 上述定义主要从应用上加以定义。 可以看出:嵌入式系统是软硬件的综合体, 还可以涵盖机械等附属装置。 2.微机学会的定义 嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系 统,可分为系统级、板级、片级。 ?系统级:各种类型的工控机 ?板级: 各种类型的带CPU的主板、PC104 ?片级: 各种以单片机、DSP、微处理器为 核心的产品 3.一般定义 ? 嵌入式系统是 “以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软 硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统” ? 一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌 入式操作系统以及用户的应用程序等部分组 成,用于实现对其他设备的控制、监视或管 理等功能。 什么是嵌入式系统:(广义上) ? 嵌入式系统是一种应用系统,它至少包含一 个可编程的计算机(通常是某种形式的微控 制器、微处理器或数字信号处理芯片(DSP) 等)且(有时)使用该系统的人一般并未意 识到该系统是基于计算机的。 自动控制系统的进展: 1. 机械式控制系统——由机械动作代替人工操作 2. 模拟式控制系统——经模拟电路运算得出控制量 3. 计算机控制系统——由计算机计算控制量,并集 中控制多个环节 4. 分布式控制系统——多台计算机分散控制多个环 节,各计算机之间通过信号传递工作状态 5. 现场总线控制系统——各控制计算机通过串行数 据总线传递工作状态信息 嵌入式控制系统 嵌入式控制系统是将计算机芯片嵌入仪 器、仪表或电气设备的内部,使用计算机 监视或控制设备的运行状态。 借助计算机的快速信息处理能力,利 用计算机进行自动控制可以比人工操作控 制的速度更快,精度更高,完成许多人力 操控无法进行的过程控制。 或者:“用于监视或控制的嵌入式系统。 嵌入式控制系统? 具有监视或 给定 控制功能的 嵌入式系统。 数字量 模拟量 控制器 被控对象 输出 反馈 输入信号 控制器 硬件 软件 输出信号 通信/网络 人机界面 数字量 模拟量 嵌入式系统无处不在 智能玩具与机器人 嵌入式Internet应用 嵌入式应用——汽车电子 汽车电子产品(18个嵌入式控制模块)——CAN 总线汽车的CAN 总线网络 嵌入式技术应用——工业控制 ? 工业方面:机床、冶金、电子、交通、 航空航天等行业技术升级的重要基础 基于Win CE的移动机器人平台 基于VXworks的火星探路者 2004年“勇气号”再次登陆火 星 嵌入式系统应用示例—— 嵌入式工控机 VMIVME-7050实物图 嵌于ARM的嵌入式控制器 特点: ? 32位ARM微处理器 ? LCD、键盘交互 ? USB、RS232接口 ? 嵌入式RTOS ? 开放式API 网络伺服驱动单元 特点: ? RS485网络接口 ? TMS320 F240DSP ? 高精度位置速度控制 ? 可编程I/O口 嵌入式工程机械智能监控器 液晶屏显示 LED闪烁 系统主函数 Main 系统主任务 Main_Task 键盘扫描 串行口扫描 嵌入式机器人控制系统 键盘 LCD显示 仿真器 键盘接口 直 连 PC 通 讯 端 口 RS-232 USB 显示接口 JTAG接口 CAN接口 以太网接口 Internet or 现场总线位ARM处理器 通讯总线接口 高速串行通讯总线 可扩展 网络 伺服 驱动 单元 网络 伺服 驱动 单元 网络 伺服 驱动 单元 被控对象 其他机电装置 嵌入式技术的发展历史 ? ? ? ? 无操作系统的单片机阶段 以微控制器为基础、以简单操作系统为 核心的嵌入式系统阶段 以通用的嵌入式操作系统和系统级芯片 为标志的嵌入式系统阶段 面向Internet的应用阶段 无操作系统的单片机阶段 ? 嵌入式系统大部分应用于一些专业性极强的 工业控制系统中,没有操作系统的支持 ? 主要特点:系统结构和功能都相对单一,处 理效率较低,存储容量小,几乎没有用户接 口。也是从这个阶段起,嵌入式技术与通用 计算机技术走上了两条不同的道路。 以微控制器为基础、以简单操作系 统为核心的嵌入式系统阶段 ? ? ? 20 世纪 80年代,随着微电子工艺水平的提高, IC制 造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O 接口、串行接口以及RAM、ROM 等部件统统集成到一 片 VLSI中,制造出面向I/O设计的微控制器 嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的“操作 系统”开发嵌入式应用软件,大大缩短了开发周期 、提高了开发效率。 主要特点:出现了大量高可靠、低功耗的嵌入式 CPU (如Power PC 等),各种简单的嵌入式操作系 统开始出现并得到迅速发展。此时的嵌入式操作系 统虽然还比较简单,但已经初步具有了一定的兼容 性和扩展性,内核精巧且效率高,主要用来控制系 统负载以及监控应用程序的运行。 以通用的嵌入式操作系统和系统级芯 片为标志的嵌入式系统阶段 ? ? 20世纪 90年代,发展到IP (Intellectual Property)集成 ,即 SoC( System On Chip)设计技术。 SoC可以有效的降低电子/信息系统产品的开发成本 ,缩短开发周期,提高产品的竞争力,是未来工业界 将采用的最主要的产品开发方式。SoC通常有以下特 征: ? ? ? ? ? ( 1)实现复杂系统功能的VLSI ( 2)采用超深亚微米工艺技术 ( 3)使用一个以上的嵌入式CPU/数字信号处理器(DSP) ( 4)外部可以对芯片进行编程 ( 5)主要采用第三方IP进行设计 嵌入式系统的特点 ? 嵌入式系统与通用型计算机系统相比, 具有如下特点: ? ? ? ? 专用性强。 可裁减性。 实时性与可靠性好。 功耗低。 通用计算机与嵌入式系统对比 特征 形式和类型 ? 通用计算机 ? 嵌入式系统 ? 看得见的计算机。 按其体系结构、运算速度和 结构规模等因素分为大、中 、小型机和微机。 通用处理器、标准总线和外 设。 软件和硬件相对独立。 ? 看不见的计算机。 形式多样,应用领域广 泛,按应用来分。 面向应用的嵌入式微处 理器,总线和外部接口 多集成在处理器内部。 软件与硬件是紧密集成 在一起的。 采用交叉开发方式,开 发平台一般是通用计算 机,运行 平台是嵌入式 系统。 一般不能再编程 组成 ? ? ? ? 开发方式 ? 开发平台和运行平台都是通 用计算机 ? 二次开发性 ? 应用程序可重新编制 ? 二、嵌入式系统的分类 根据不同的分类标准,嵌入式系统有 不同的分类方法。这里根据嵌入式系统的 复杂程度,将嵌入式系统分为4类。 单个微处理器 嵌入式处理器可扩展的系统 复杂的嵌入式系统 在制造或过程控制中使用的计算机系统 ? ? ? ? 1. 基于单个微处理器 ? ? ? 这类系统一般由单片嵌入式处理器组成,嵌入 式处理器上集成了存储器I/O设备、接口设备等 ,嵌入式处理器加上简单的元件如电源、时钟 元件等就可以工作。 单个微处理器这类系统可以在小型设备中(如 温度传感器、烟雾和气体探测器及断路器)找 到。这类设备是供应商根据设备的用途来设计 的。 常用的嵌入式处理器有 51系列、PIC系列、AVR 系列等等。 2.嵌入式处理器可扩展的系统 ? ? 这类嵌入式系统使用的处理器根据需要,可以扩 展存储器,也可以使用片上的存储器,处理器一 般容量在64KB左右,字长为8位或16位。在处理器 上扩充少量的存储器和外部接口,以构成嵌入式 系统。 这类系统可在过程控制、信号放大器、位置传感 器、交直流电机控制器及阀门传动器等中找到。 3.复杂的嵌入式系统 ? ? ? 这样的嵌入式系统的嵌入式处理器一般是16位、 32位等, 用于大规模的应用。嵌入式工控机,由于软件量大,因此需要扩展存储器 。扩展存储器一般在1MB以上,外部设备接口一般仍然集 成在处理器上。 常用的嵌入式处理器有 ARM系列、 Motorola公司的PowerPC 系列、 Coldfire系列等。 这类系统可见于开关装置、无风扇工控机。电话交换机、电梯、数据采集 系统、医药监测系统、诊断及实时控制系统等。它们是一 个大系统的局部组件,由它们的传感器收集数据并传递给 该系统。这种组件可同计算机一起操作,并可包括某种数 据库。 4.在制造或过程控制中使用的 计算机系统 ? ? ? 对于这类系统,计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些 装置的工作。 这类系统包括自动仓储系统和自动发货系统以及大量的工厂 自动化系统。在这些系统中,计算机用于总体控制和监视, 而不是对单个设备直接控制。过程控制系统可与业务系统连 接。 在许多种情况下,多个功能独立的子系统可在一个主系统操 作下一同运行。如控制系统和安全系统:控制子系统控制处 理过程,以便系统中的不同设备能正确地操作和相互作用与 生产产品;而安全子系统则用来降低那些会影响人身安全或 危害环境的误操作风险。 嵌入式系统的分类 ? 按表现形式分:(硬件范畴) ? 芯片级嵌入(含程序或算法的处理器) ? 模块级嵌入(系统中的某个核心模块) ? 系统级嵌入 按实时性要求分:(软件范畴) ? 非实时系统( PDA) ? 软实时系统(消费类产品) ? 硬实时系统(工业和军工系统) ? 实时性 衡量嵌入式实时系统的性能主要有以下性能指标: ? 确定性(Determinism) 确定性要求系统对外部事件的响应时间必须是确 定的和可重复的,不管当时系统内部状态如何, 都是可预测的。该性能指标反映系统对运行情况 的最好和最坏等情况做出精确估计的能力。它是 实时系统最重要的性能指标之一。 响应时间(Response Time) ?是系统从识别一个外部事件到做出响应的时间。 也是最重要的性能指标之一,如果事件不能及时 处理,系统可能就会崩溃。 ? ? 对不同的控制过程有不同的响应时间要求: 对于慢变化过程,具有几分钟甚至更长的响应 时间都可以认为是实时的 ? 对于快速过程,其响应时间可能要求达到毫秒 、微秒、纳秒级甚至更短。 ? 因此,实时性能不能单纯从绝对的响应时间长短 来衡量,应该根据不同的被控对象,在相对意义 上进行评价。 为实现以上实时性能的要求,嵌入式系 统一般采用如下方式 采用高速硬件。如高速处理器、高速 A/D、D/A等 ? 利用嵌入式处理器提供的中断功能 需要嵌入式实时操作系统(RTOS)的支持 ? ? 应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但为 了合理地调度多任务和利用系统资源,系统必须采用 RTOS 开发平台,这样才能保证程序执行的实时性和可 靠性,并减少开发时间,保证软件质量 ? RTOS 通常具有较小的内核,例如,VxWorks的微内核 最小为8K。 ? 应用程序代码量小、执行速度快 嵌入式系统的主流应用 ? 嵌入式产品市场份额的大致分布如下图: 其他 医疗 电信 消费电子 通信 嵌入式系统的主流应用 ? ? ? ? ? ? ? ? 消费电子:如游戏机、洗衣机、微波炉、数字电视和掌上 电脑等 通信:如手机、寻呼机、个人数字助理(PDA)、GPRS 等。 交通:如运输(航空、铁路、公路)系统、燃料服务、航 空管理 等 工业控制:如各种智能测量仪表、数控装置等 医疗:如 CT、磁共振、X射线等 政府行业:如复印机、打印机、传真机等 军事电子:如各种武器控制(火炮控制、导弹控制、智能 炸弹制导引爆装置)等 计算机外设:如键盘、打印机、扫描仪、终端等 特点 ? ? ( 1)嵌入式系统通常是面向特定应用的,嵌入式CPU 与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特 定用户群设计的系统中,它通常都具有低功耗、体积 小、集成度高等特点,能够把通用CPU中许多由板卡 完成的任务集成在芯片内部,从而有利于嵌入式系统 设计趋于小型化,移动能力大大增强,跟网络的耦合 也越来越紧密。 ( 2)大多数嵌入式系统都有实时性要求,在高端应用 中,为满足应用需求、增强可靠性和便于开发,通常 要有实时多任务操作系统的支持。 特点 ? ? ( 3 )嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术 和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。 这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 4 )功耗、成本和可靠性对嵌入式系统具有重要意义 ( 5 )嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,它的 升级换代也是和具体产品同步进行,因此嵌入式系统 产品一旦进入市场,具有较长的生命周期。 ? 特点 ? ? ( 6 )嵌入式系统本身不具备自主开发能力,即使设计 完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修 改的,必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 ( 7 )从某种意义上来说,通用计算机行业的技术是垄 断的。嵌入式系统则不同,嵌入式系统工业是不可垄 断的高度分散的工业,充满了竞争、机遇与创新,没 有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场 ,即便在体系结构上存在着主流。但不相同的应用领 域决定了不可能由少数公司、少数产品垄断全部市场 。因此嵌入式系统领域的产品和技术,必然是高度分 散的,留给各个行业高新技术公司的创新余地很大。 另外,社会上的各个应用领域是不断向前发展的,要 求其中的嵌入式处理器核心也同步发展,这也构成了 推动嵌入式工业发展的强大动力。 嵌入式系统的特点 ? 多样性 ? 嵌入式系统的应用多种多样,已经广泛应用到 社会的各个领域。 嵌入式设备的类型也日趋多样化,有多种处理 器和外围设备的支持。 ? ? 专用紧凑 ? 嵌入式系统很多是面向特定应用的,用途比较 固定,功耗和软硬件配置也有明显的约束,并 且通常情况下需要注意系统的成本。 嵌入式系统的组成 ? 嵌入式系统一般由嵌入式 硬件和软件组成 硬件以微处理器为核心集 成存储器和系统专用的输 入/输出设备 软件包括:初始化代码及 驱动、嵌入式操作系统和 应用程序等,这些软件有 机地结合在一起,形成系 统特定的一体化软件。 ? ? 手机的大概组成 DSP 微处理器 RAM 键盘 声音设备 Bus ROM or Flash 无线电 信号 发射与接收 LCD 部件 其他外设 微波炉 嵌入式处理器 CPU ROM RAM BUS 输入接口 输出接口 输入键 开门 马达 磁电管 喇叭 风扇 灯具 数码相机 Digital camera chip CCD A2D lens JPEG codec CCD preprocessor Pixel coprocessor D2A Microprocessor Multiplier/Accum DMA controller Display ctrl Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl A Digital Camera 嵌入式系统的学习方法 ? 学习嵌入式要从个人的知识背景和 现实条件出发,订立合适的阶段目标, 在允许的条件下多动手多思考。 嵌入式系统的学习内容 1.基础知识的学习 硬件知识:典型嵌入式处理器的体系结构及常用 接口电路 软件知识:掌握C及汇编语言程序设计 2.嵌入式系统开发平台和开发环境的熟悉 3.嵌入式操作系统的学习 4.硬件设计 :各种嵌入式芯片和存储器等电路器件、 Protel等电路设计软件,电路板焊接制作等。 5.仿真与调试 硬件开发 ? 条件:各种嵌入式芯片、存储器等电路 器件,protel等电路设计软件,电路板制 作等。

相关推荐

  • 第一章 嵌入式系统概论 嵌入式工控机

    第一章 嵌入式系统概论 嵌入式工控机

      第一章嵌入式系统概论主要内容1.1引言1.2嵌入式系统的定义1.3嵌入式系统的体系结构1.4嵌入式系统的特点1.5嵌入式系统的发展历史及趋势1.6嵌入式系统的应用第一章嵌入式系统概论1.1...

    2020-09-30 10 0

  • 嵌入式工控机关于 嵌入式项目开发 结果1

    嵌入式工控机关于 嵌入式项目开发 结果1

      我司专业嵌入式单片机开发、工业电子产品方案开发、电子产品设计、加工、测试、售后等一条龙服务。嵌入式工控机,  YAH203是一款高性能的10/100M嵌入式网络音频模块,采用ARM+DSP构架,能接收网络...

    2020-09-30 13 0

  • 无风扇工控机 第一章--嵌入式系统概论

    无风扇工控机 第一章--嵌入式系统概论

      第一章嵌入式系统概论主要内容1.1引言1.2嵌入式系统的定义1.3嵌入式系统的体系结构1.4嵌入式系统的特点1.5嵌入式系统的发展历史及趋势1.6嵌入式系统的应用第一章嵌入式系统概论引言从幼苗茁壮成长到...

    2020-09-30 14 0

  • 嵌入式 嵌入式工控机第二次课

    嵌入式 嵌入式工控机第二次课

      嵌入式第二次课_工学_高等教育_教育专区。嵌入式处理系统应用技术中国空间技术研究院神舟学院2012年1联系方法主讲教师:程子敬地电址:话:研究员助教:李富航天软件园4-501航天软...

    2020-09-30 15 0

  • 基于嵌入式微处理器EP9315的二次开发技术无风扇工控机

    基于嵌入式微处理器EP9315的二次开发技术无风扇工控机

      嵌入式系统已成为IT行业研发热点,但基于嵌入式系统的二次开发应用却存在很多难点,难以真正地将嵌入式系统投入到实际应用中。武汉中科院岩土力学所智能仪器室对基于ARM9的嵌入式系统进行二次开发,采用ARM9微处理器取代原有的51...

    2020-09-30 16 0

  • 嵌入式工控机与传统工控机之间的不同 嵌入式工控机

    嵌入式工控机与传统工控机之间的不同 嵌入式工控机

      嵌入式工控机与传统工控机之间的不同_互联网_IT/计算机_专业资料。嵌入式工控机与传统工控机之间的不同近年来嵌入式工控机迅速成熟,应用范围越来越广泛,在一定程度上,在某些领域,传统的工控机已经被新型的嵌入式控机所替代。无...

    2020-09-03 12 0

本文暂时没有评论,来添加一个吧(●'◡'●)

欢迎 发表评论: