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嵌入式系統是以應用為中心,以計算機技術為基礎,軟件硬件可裁剪,適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術和具體應用相結合的產物。

近年來,在計算機、互聯網和通信技術高速發展的同時,嵌入式系統開發技術取得迅速發展,嵌入式系統應用范圍也急劇擴大。從小到電子手表、電子體溫計、翻譯機等,大到如冷氣機、電冰箱、電視機,甚至馬路上紅綠燈的控制器、戰斗機中的飛控系統等。嵌入式系統幾乎無處不在:

1 嵌入式系統的特點

與通用計算機系統相比,嵌入式系統有其自身的特點:

(1)嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術以及電子技術與各個行業的具體應用相結合的產物,這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。

(2)嵌入式系統通常是面向用戶、面向產品、面向特定應用的。

(3)嵌入式系統和具體應用相結合,其升級換代也是和具體產品同步進行的。因此嵌入式系統產品一旦進入市場,就具有較長的生命周期。

2 嵌入式系統的發展趨勢

消費家電的智能化,為嵌入式系統的發展展現出美好的市場前景,也對嵌入式系統提出新的發展要求;微電子技術和系統設計方法的進步,使得嵌入式系統的發展呈現出以下趨勢:

(1)隨著嵌入式系統功能的增加,嵌入式系統處理的信息和數據量越來越大,系統對處理的響應時問也要求更嚴格,嵌入式處理器的主頻會越來越高,甚至采用多核的方式來應付日益增長的性能要求。

(2)嵌入式系統在工業領域和某些特殊場合的廣泛應用,要求嵌入式系統具有遠程控制軟件更新和故障診斷的能力。

(3)隨著嵌入式系統在手持設備上的大量應用,手持設備的特點要求嵌入式系統功耗、體積更小,重量更輕。

(4)嵌入式系統將具有更加高速的通信接口,如USB2.0、千兆以太網等。

3 嵌入式系統設計流程

嵌入式系統開發分為軟件開發部分和硬件開發部分。嵌入式系統開發過程一般都采用“宿主機/目標板”開發模式,即利用宿主機(PC機)上豐富的軟硬件資源及良好的開發環境和調試工具來開發目標板上的軟件,然后通過交叉編譯環境生成目標代碼和可執行文件,通過串口FUSB/以太網等方式下載到目標板上,利用交叉調試器在監控程序運行,實時分析,最后,將程序下載固化到目標機上,完成整個開發過程。當前,嵌入式開發已經逐步規范化,在遵循一般工程開發流程的基礎上,嵌入式開發有其自身的一些特點,圖1所示為嵌入式系統開發的一般流程。流程主要包括系統需求分析佞求有嚴格規范的技術要求)、體系結構設計、軟硬件及機械系統設計、系統集成、系統測試、最終產品。具體情況如下:

(1)系統需求分析:確定設計任務和設計目標,并提煉出設計規格說明書,作為正式設計指導和驗收的標準。系統的需求一般分功能性需求和非專題與綜述功能性需求兩方面。功能性需求是系統的基本功能,如輸入輸出信號、操作方式等;非功能需求包括系統性能、成本、功耗、體積、重量等因素。

(2)體系結構設計:描述系統如何實現所述的功能和非功能需求,包括對硬件、軟件和執行裝置的功能劃分,以及系統的軟件、硬件選型等。一個好的體系結構是設計成功與否的關鍵。

(3)硬件/軟件協同設計:基于體系結構,對系統的軟件、硬件進行詳細設計。為了縮短產品開發周期,設計往往是并行的。嵌入式系統設計的工作大部分都集中在軟件設計上,采用面向對象技術、軟件組件技術、模塊化設計是現代軟件工程經常采用的方法。

(4)系統集成:

把系統的軟件、硬件和執行裝置集成在一起,進行調試,發現并改進單元設計過程中的錯誤。

(5)系統測試:對設計好的系統進行測試,看其是否滿足規格說明書中給定的功能要求。

4 嵌入式系統設計面臨的挑戰

要求更高的應用需求推動嵌入式設計從8/16位轉向功能更強大的32位MCU。這種升級給工程師帶來了嚴峻的挑戰,提出了一系列前所未有的全新問題。

(1)轉變觀念,需要熟悉新的開發模式。嵌入式系統應用不再是過去單一的單片機應用模式,而是越來越多樣化,嵌入式系統實現的最高形式是片上系統SoC,而SoC的核心技術是重用和組合IP核構件。從單片機應用設計到片上系統設計及其中間的一系列的變化,從底層大包大攬的設計到利用FPGA和IP模塊進行功能組合PSoC/SOPC設計。

(2)技術門檻提高,需要學習全新的RTOS技術。

(3)選擇合適的開發工具,熟悉新的開發環境。目前從8位升級到32位的一個最大障礙就是開發工具的投入。32位開發工具要比8位開發工具復雜得多,使用的技術門檻要高得多,同時其投資也要高得多。

(4)熟悉硬件/軟件協同設計和驗證技術、設計管理技術。軟/硬件并行設計是嵌入式系統設計的一項關鍵任務。在設計過程中的主要問題,是軟硬件設計的同步與集成。這要求控制一致性與正確性,但隨著技術細節不斷增加,需要消耗大量的時間。目前,業界已經開發Polis、Cosyma及Chinook等多種方法和工具來支持集成式軟硬件的協同設計。目標是提供一種統一的軟硬件開發方法。它支持設計空間探索,并使系統功能可以跨越硬件和軟件平臺復用。團隊開發的最大問題就是設計管理問題。

(5)SoC設計所面臨的巨大的挑戰。SoC已經開始成為新一代應用電子技術的核心,這已成為電子技術的革命標志。過去應用工程師面對的是各種ASIC電路,而現在越來越多所面對的是巨大的IP模塊庫,所有設計工作都是以IP模塊為基礎。SoC設計技術使嵌入式系統設計工程師變成了一個面向應用的電子器件設計工程師。隨著SoC應用的日益普及,在測試程序生成、工程開發、硅片查錯、量產等領域對SoC測試技術提出了越來越高的要求。

[參考文獻]

[1] DSP技術及應用.黃仁欣.2002年出版.

[2] 單片機技術.彭永.2007年12月出版.

[3] 電子感測技術.周南山.2007年出版.

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公交清洗小車；嵌入式系統；超聲波測距；平臺升降控制

0引言

為解決公交車的高效便捷清洗問題，青島理工大學韓旭東教授的團隊設計了一款“垂直滾筒式公交清洗小車”[1]。但在該設計中，僅對機械結構與工作原理做了介紹，缺少相關的控制電路與控制程序的設計，給清洗小車的使用帶來了極大的不便。本文在原產品的基礎上，針對小車與公交車之間距離的控制不準確的問題，設計了超聲波測距系統；針對平臺升降控制不方便的問題，設計了手動/自動雙模平臺升降控制系統。有效地提高了該產品的實用性，完善了該產品的設計。

1超聲波測距系統

1.1設計目的

清洗小車由人力推動并控制方向，但由于路面不平，人力控制精度有限，會使小車與公交車車體間的距離發生改變，距離過近會使滾筒擠壓車體表面，阻礙滾筒旋轉；距離過遠，則會使滾筒毛刷與車體表面間間隙過大，影響清洗效果。需要一套測距系統使小車與公交車車體間的距離始終保持在一個合理范圍之內。

1.2測距方式的選擇

超聲波測距是利用機械波反射來測量距離，適用于短距離測距，原理簡單，成本低，遠距離測量精度較低。公交清洗小車的使用環境比較復雜，對測距系統的精度要求不高，測量的距離在1～2m，且要求結構簡單、成本低廉、性能穩定。根據需要和集中測距方式的特點，本文選擇超聲波測距方式。

1.3超聲波測距原理

超聲波在均勻介質中的傳輸速度為一恒定值，由發生器發射超聲波，在遇到測量目標后反射回來，由接收器接收并記錄由發射到接收經歷的時間，便可以計算出發生器與測量目標之間的距離[2]。公式如下：L=12C•Δt。式中：L為測量距離；C為超聲波在當前介質中的傳輸速度（空氣中常溫下速度為340m/s）；Δt為從發射到接收經歷的時間。

1.4設計內容

本文利用AT89C51單片機、HC-SR04超聲波測距模塊、LED燈組成了一個超聲波測距警報系統。當距離過近時，指示距離過近的紅燈點亮；距離適中時，指示距離適中的綠燈點亮；當距離過遠時，指示距離過遠的紅燈點亮。工作人員可以根據燈光指示調整小車位置，使之與車體表面間的距離保持在一個合理范圍。1.4.1HC-SR04超聲波測距模塊工作原理本文所采用的HC-SR04超聲波測距模塊，具有成本低、體積小、精度高、使用簡單方便等優點，其基本工作原理為：1)采用I/O口TRIG觸發測距，提供至少10μs的高電平信號;2)模塊自動發送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；3)有信號返回，通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間[3]。1.4.2程序控制過程利用AT89C51單片機自帶的定時計數器資源，通過I/O口給超聲波模塊一個發射信號并開始計時，當收到超聲波模塊的反饋信號時，結束計時并計算距離。

2手動/自動雙模平臺升降控制系統

2.1設計目的

現行大多數公交車的高度在3m左右，為能夠確保清洗整個車體表面，原產品采用雙絲杠旋轉驅動平臺升降的設計，并利用直流電動機產生動力。為方便用戶使用，能夠快捷高效操作平臺升降，提高清洗效率，本文設計了一套手動/自動雙模平臺升降控制系統。

2.2設計內容

根據計算，清洗平臺需調整2次高度才可將車體表面清洗完畢，為了方便工作人員操作，本文設計了手動/自動雙?？刂葡到y。該系統采用AT89C51單片機，配合L289直流電動機驅動模塊，通過控制電動機的正反轉實現平臺的升降，設計原理圖見圖4[5]。操作過程為：啟動系統后，在自動模式下，按UP鍵，平臺會上升一個固定高度；按DOWN鍵，平臺會下降一個固定高度。該高度值是為實現最高清洗效率，以3m高的車身為標準，經優化計算得出的最適高度。因為公交車的型號差異，車身高度也各不相同，所以為滿足實際使用要求，我們又設計了手動控制模式。在手動模式下，按住UP鍵，平臺會上升，松開立即停止；按住DOWN鍵，平臺會下降，松開立即停止。為防止工作人員誤操作，本文增加了按鍵防抖動延遲，防止工作人員誤觸按鍵；如果UP和DOWN鍵同時按下，則電動機停轉，直至其中一個按鍵松開。

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引 言

經過近幾年的快速發展,嵌入式系統(Embedded System)已經成為電子信息產業中最具增長力的一個分支。隨著手機、PDA,GPS、機頂盒等新興產品的大量應用,嵌入式系統的市場正在以每年30%的速度遞增(IDC預測),嵌入式系統的設計也成為軟硬件工程師越來越關心的話題。

在嵌入式系統設計中,低功耗設計(Low Power Design)是許多設計人員必須面對的問題。其原因在于嵌入式系統被廣泛應用于便攜式和移動性較強的產品中,而這些產品不是一直都有充足的電源供應,往往是靠電池來供電的;而且大多數嵌入式設備都有體積和質量的約束。另外,系統部件產生的熱量和功耗成比例,為解決散熱問題而采取的冷卻措施進一步增加了系統的功耗。為了得到最好的結果,降低系統的功耗具有下面的優點:

(1) 電池驅動的需要。在強調綠色環保時期,許多電子產品都采用電池供電。對于電池供電系統,延長電池壽命,降低用戶更換電池的周期,提高系統性能與降低系統開銷,甚至能起到保護環境的作用。

(2) 安全的需要。在現場總線領域,本安問題是┮桓霆重要話題。例如FF的本安設備,理論上每個網段可以容納32個設備,而實際應用中考慮到目前的功耗水平,每個網段安裝10個比較合適。因此降低系統功耗是實現本安要求的一個重要途徑。

[JP2](3) 解決電磁干擾。系統功耗越低,電磁輻射能量越小,對其他設備造成的干擾也越小。如果所有的電子產品都能設計成低功耗,那么電磁兼容性設計會變得容易。[JP]

(4) 節能的需要。特別是對電池供電系統,功耗與電壓的平方成正比即:P=V2fC+P┆static,б虼私諛芨為重要。

1 功耗產生的原因

[BT3]1.1 集成電路的功耗

目前的集成電路工藝主要有TTL和CMOS兩大類,無論哪種工藝,只要電路中有電流通過,就會產生功耗。通常,集成電路的功耗主要有4個:

(1) 開關功耗。對電路中的電容充放電而形成,其表達式為:

(2) 靜態功耗和動態功耗。當電路的狀態沒有進行翻轉(保持高電平或低電平)時,電路的功耗屬于靜態功耗,其大小等于電路電壓與流過電流的乘積;動態功耗是電路翻轉時產生的功耗,由于電路翻轉時存在跳變沿,在電路翻轉瞬間,電流比較大,存在較大的動態功耗。目前大多數電路都采用CMOS工藝,靜態功耗很小,可以忽略。起主要作用的是動態功耗,因此從降低動態功耗入手來降低功耗。

(3) 短路功耗。因開關時由電源到地形成的通路造成的,其表達式為:

(4) 漏電功耗。由亞閾值電流和反向偏壓電流造成。目前大多數電路都采用CMOS工藝,故漏電功耗很小,可以忽略。

1.2 電阻的功耗和有源器件的功耗

通常為負載器件和寄生元件產生的功耗。有源開關器件在狀態轉換時,電流和電壓比較大,將引起功率消耗。另外, CMOS電路中最大的功耗來自于內部和外部的電容充放電產生的功耗。

2 硬件低功耗設計

[BT3]2.1 選擇低功耗的器件

選擇低功耗的電子器件可以從根本上降低整個硬件系統的功耗。目前的半導體工藝主要有TTL工藝和CMOS工藝,CMOS工藝具有很低的功耗,在電路設計上盡量選用,使用CMOS系列電路時,其不用的輸入端不要懸空,因為懸空的輸入端可能存在感應信號,它將造成高低電平的轉換。轉換器件的功耗很大,盡量采用輸出為高的原則。

嵌入式處理器是嵌入式系統的硬件核心,消耗大量的功率,因此設計時選用低功耗的處理器;另外,選擇低功耗的通信收發器(對于通信應用系統)、低功耗的訪存部件、低功耗的電路,目前許多通信收發器都設計成節省功耗方式,這樣的器件優先采用。

2.2 選用低功耗的電路形式

完成同樣的功能,電路的實現形式有多種。例如,可以利用分立元件、小規模集成電路,大規模集成電路甚至單片實現。通常,使用的元器件數量越少,系統的功耗越低。因此,盡量使用集成度高的器件,以減少電路中使用元件的個數,減少整機的功耗。

2.3 單電源、低電壓供電

一些模擬電路如運算放大器等,供電方式有正負電源和單電源兩種。雙電源供電可以提供對地輸出的信號。高電源電壓的優點是可以提供大的動態范圍,缺點是功耗大。例如,低功耗集成運算放大器LM324,單電源電壓工作范圍為5~30 V。當電源電壓為15 V時,功耗約為220 mW;當電源電壓為10 V時,功耗約為90 mW;當電源電壓為5 V時,功耗約為15 mW?？梢?低電壓供電對降低器件功耗的作用十分明顯。因此,處理小信號的電路可以降低供電電壓。

2.4 分區/分時供電技術

一個嵌入式系統的所有組成部分并非時刻在工作,基于此,可采用分時/分區的供電技術。原理是利用“開關”控制電源供電單元,在某一部分電路處于休眠狀態時,關閉其供電電源,僅保留工作部分的電源。

2.5 I/O引腳供電

嵌入式處理器的輸出引腳在輸出高電平時,可以提供約20 mA的電流,該引腳可以直接作為某些電路的供電電源使用,如圖2所示。處理器的引腳輸出高電平時,外部器件工作;輸出低電平時,外部器件停止工作。需要注意,該電路需滿足下列要求:外部器件的功耗較低,低于處理器I/O引腳的高電平輸出電流;外部器件的供電電壓范圍較寬。

2.6 電源管理單元設計

處理器全速工作時,功耗最大;待機狀態時,功耗比較小。常見的待機方式有兩種:空閑方式(Idle)和掉電方式(Shut Down)。其中,Idle方式可以通過中斷的發生退出,中斷可以由外部事件供給。掉電方式指的是處理器停止,連中斷也不響應,因此需要進入復位才能退出掉電方式。

為了降低系統的功耗,一旦CPU處于“空轉”,可以使之進入Idle狀態,降低功耗;期間如果發生了外部事件,可以通過事件產生中斷信號,使CPU進入運行狀態。對于Shut Down狀態,只能用復位信號喚醒CPU。

2.7 智能電源設計

既要保證系統具有良好的性能,又能兼顧功耗問題,一個最好的辦法是采用智能電源。在系統中增加適當的智能預測、檢測,根據需要對系統采取不同的供電方式,以求系統的功耗最低。許多膝上型電腦的電源管理采用智能電源,以筆記本電腦為例,在電源管理方面,Intel公司采取Speed Step技術;AMD公司采取Power Now技術;Transmeta公司采取Long Run技術。雖然這三種技術涉及到的具體內容不同,但基本原理是一致的。以采用Speed Step技術的筆記本電腦為例,系統可以根據不同的使用環境對CPU的運行速度進行合理調整。如果系統使用外接電源,CPU將按照正常的主頻率及電壓運行;當檢測到系統為電池供電時,軟件將自動切換CPU的主頻率及電壓至較低狀態運行。

2.8 降低處理器的時鐘頻率

處理器的功耗與時鐘頻率密切相關。以SAMSUNG S3C2410X (32 b ARM 920T內核)為例[8],它提供了四種工作模式:正常模式、空閑模式、休眠模式、關機模式,各種模式的功耗如表1所示。[HJ1][HJ]

由表1可見,CPU在全速運行的時候比在空閑或者休眠的時候消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運行模式遠比空閑、休眠模式少占用時間。在類似PDA的設備中,系統在全速運行的時候遠比空閑的時候少,所以可以通過設置,使CPU盡可能工作在空閑狀態,然后通過相應的中斷喚醒 CPU,恢復到正常工作模式,處理響應的事件,然后再進入空閑模式。因此設計系統時,如果處理能力許可,可盡量降低處理器的時鐘頻率。

另外,可以動態改變處理器的時鐘,以降低系統的總功耗。CPU空閑時,降低時鐘頻率;處于工作狀態時,提高時鐘頻率以全速運行處理事務,實現這一技術的方法。通過將I/O引腳設定為輸出高電平,加入電阻R1,將增加時鐘頻率;將I/O引腳輸出低電平,去掉電阻R1,可降低時鐘頻率,以降低功耗。

2.9 降低持續工作電流

在一些系統中,盡量使系統在狀態轉換時消耗電流,在維持工作時期不消耗電流。例如,IC卡水表、煤氣表、靜態電能表等,在打開和關閉開關時給相應的機構上電,開關開和關狀態通過機械機構或磁場機制保持開關的狀態,而不通過電流保持,可以進一步降低電能的消耗。[JP]

3 軟件低功耗設計

3.1 編譯低功耗優化技術

編譯技術降低系統功耗是基于這樣的事實:對于實現同樣的功能,不同的軟件算法,消耗的時間不同,使用的指令不同,因而消耗的功率也不同。對于使用高級語言,由于是面向問題設計的,很難控制低功耗。但是,如果利用匯編語言開發系統(如對于小型的嵌入式系統開發),可以有意識地選擇消耗時間短的指令和設計消耗功率小的算法來降低系統的功耗。

3.2 硬件軟件化與軟件硬件化

通常的硬件電路一定消耗功率,基于此,可以減少系統的硬件電路,把數據處理功能用軟件實現,如許多儀表中用到的對數放大電路、抗干擾電路,測量系統中用軟件濾波代替硬件濾波器等。

需要考慮,軟件處理需要時間,處理器也需要消耗功率,特別是在處理大量數據的時候,需要高性能的處理器,這可能會消耗大量的功率。因此,系統中某一功能用軟件實現,還是用硬件實現,需要綜合計算后進行設計。3.3 采用快速算法

數字信號處理中的運算,采用如FFT和快速卷積等,可以大量節省運算時間,從而減少功耗;在精度允許的情況下,使用簡單函數代替復雜函數作近似,也是減少功耗的一種方法。

3.4 軟件設計采用中斷驅動技術

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1 嵌入式系統的歷史

20世紀60年代以晶體管、磁芯存儲為基礎的計算機開始用于航空等軍用領域。

20世紀70年代之后，隨著單片機出現，再到今天發展成各式各樣的嵌入式微處理器。這使得汽車、民用電器、工業機械器材及各種通信設施，通過內嵌電子設備來獲得更好的使用性能，這些內嵌的電子設備已經初步具備了嵌入式的特點。

20世紀80年代，計算機程序編寫有了突飛猛進的發展，專業人士開始用更高級更精準的操作系統編程進行實際嵌入式應用，使得他們不但節約開發成本，并且可以獲得極高的開發效率和更短的開發周期。

20世紀90年代，隨著對實時急迫要求及各種應用軟件的出現，導致軟件規模數量不斷上升，嵌入式操作系統已經開始出現新的變化，實時性變得非常突出，從而導致一場嵌入式系統研發的革命。

2 嵌入式系統的定義

國際上通用的嵌入式系統定義是“控制、監視或者輔助機器和設備運行的系統裝置，從而完成既定功能的一種軟件系統”。

在我們國家嵌入式系統概念一般認為是：嵌入式系統是以計算機實際應用為基礎，輔以計算機技術，對實際應用功能、安全可靠性、資本消耗等各種程序為導入要求的專用計算機系統。嵌入式系統一般由微處理器、嵌入式操作系統、硬件設備及客戶應用程序組成。

通常的嵌入式系統有以下幾種：：Linux、uClinux、WinCE、PalmOS、Symbian、eCos、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、INTEGRITY、OSE、C Executive。

3 嵌入式系統的發展現狀

2011年全球嵌入式軟件市場平均增長率為31%，中國嵌入式軟件市場則超過了40%，居世界之首，2012年中國嵌入式軟件產業銷售收入已突破3000億元人民幣，但仍有市場空間。有業內專業咨詢公司預計未來5年，嵌入式軟件產業將繼續保持高速增長態勢，到2015年，產業規模有望達到5000億元人民幣。

在網絡與通信設備、消費電子、數字家電、汽車電子、醫療設備、工業精準控制方面都是嵌入式系統應用的領域，同時嵌入式系統在辦公自動化、金融電子、國防軍事及航空航天等領域也有她的身影，嵌入式軟件均已得到廣泛應用。在應用深度方面，也由最簡單的僅有執行單一功能控制能力的嵌入式系統，發展到幾乎與PC具有一樣的功能，很多復雜的嵌入式系統，由若干個小型嵌入式系統組成。隨著需求的旺盛、技術的進步和市場的成熟，嵌入式設計與應用已成為工業現代化、智能化的必經之路，使嵌入式軟件產業與數字化時代的傳統產業和新興產業的融合趨勢進一步加強。

4 嵌入式系統設計

4.1 硬件設計部分

對于嵌入式系統的硬件設計部分，包含處理器以及I/O 端口等，具體設計包含以下幾個部分。

處理器設計：在嵌入式系統設計中，其核心就是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器設計中，應該具備對實時多任務的響應能力，具有很強的存儲保護功能，具有可擴展性，降低嵌入式微處理器功耗。

總線設計：在總線設計部分，因為總線是進行互連以及傳輸信息、指令、數據的橋梁，因此在設計中應該特別注意，因此在嵌入式系統中，可以采用片內總線與片外總線的方式，確保CPU 與片內部件的連接，也可以確保與外部設備的準確連接。

存儲器設計：在對嵌入式系統的設計中，在嵌入式系統內可以分為高速緩存Cache以及主存、外存三種形式的存儲器，在設計中對這三個存儲器也應該有明確的設計，以便提高系統的運行速度。

I/O端口設計：對于嵌入式系統的I/O設計中，因為嵌入式系統是面向應用的，因此對于輸入/輸出接口設計中，應該具備多任務、多平臺的特點，確保嵌入式系統的適用性。

4.2 軟件設計部分

對于嵌入式系統的軟件設計部分，首先應該清楚嵌入式軟件是嵌入在硬件內的操作系統或者開發工具軟件，是在嵌入式系統設計中的關聯核心，與嵌入式系統是密不可分的，因此對于嵌入式系統的軟件設計中應該具備一定的優勢，嵌入式操作系統中，包括驅動軟件、系統內核以及通信協議、圖形界面、標準化瀏覽器等程序，以滿足嵌入式系統開發設計的需求。

軟件設計中的任務管理：對于嵌入式系統來說，在內核的軟件設計部分，其任務管理中應該具備任務調度、刪除任務、創建任務、掛起任務以及設置任務優先級的功能，以此來實現對嵌入式系統的調度。

內存管理的設計：在嵌入式系統的軟件設計中，對于系統的內存管理中，將會采用靜態內存分配以及動態內存分配的方式進行管理，并且應用虛擬內存技術，為實時用戶提供強大的虛擬存儲管理機制。

通信以及同步互斥機制：對于嵌入式系統的通信，將會采用一定的機制，實現任務間的通信，在優先級的限制性下實現任務的中斷、同步以及互斥的功能。

軟件設計中的中斷管理：中斷設計中，當程序中的中斷發生時，需要對中斷現場進行保存，將其轉到相應的服務程序上，并且在退出中斷后還要恢復中斷。

軟件設計中的時間管理：在嵌入式系統中，具有很高的時效性，這些全是依靠時鐘的作用，因此在軟件設計中提供高精度以及可以設置的時鐘，在嵌入式系統中負責與時間有關的任務管理工作；其中包括對計時、時間片輪轉調度等。

任務擴展功能的設計：在嵌入式系統軟件設計部分，在軟件設計中還需要設置一些任務擴展部分，以此來實現對新任務的創建、切換以及刪除工作，提高嵌入式系統的使用效率。

5 嵌入式系統發展的趨勢

隨著信息時代的到來，嵌入式系統有了快速發展的基礎，也產生了眾多嵌入式產品，為嵌入式系統發展展現了美好的未來，從目前來看，嵌入式系統發展趨勢有以下幾點：

首先，嵌入式系統開發是一項綜合系統工程，包括了幾項或者N項不同系統產品的集合體。嵌入式系統研發廠商不但要提堅實可靠的嵌入式系統軟硬件，還需要提供為嵌入式系統軟硬件服務的開發工具和軟件支持，這是嵌入式系統能良好發展下去的必備條件。

其次，現實社會的高度信息化對嵌入式系統要求越來越高，并且二者依賴性越來越強。這不光表現在互聯網技術的成熟，3G、4G帶寬速度提高，歸根到底是人類知識成幾何級數爆發，這樣的產品使得我們身邊的多媒體產品和遠程智能操控更加便捷，如手機、智能家電（電視、冰箱、空調、微波爐）、智能房屋等功能不再單一，打破了人們對一般產品的慣性思維，導致產品結構更加復雜。

再次，現實生活產品與網絡互聯（虛擬世界）是嵌入式系統發展的必然趨勢。這主要體現在嵌入式設備為了適應高速運行的網絡，通過硬件上不同的網絡通信信息接口來進行各種不同功能有機整合。目前嵌入式處理器大多是內嵌網絡接口，支持TCP/IP協議，同時支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA當中的一種或者幾種，嵌入式系統軟件系統內核還要支持不同網絡模塊版本，以此來實現工作、生活、娛樂三合一式上網要求。

四是精簡嵌入式系統內核，適當降低系統功耗，實現功能成本最大化。在人們的設想中未來的嵌入式產品應該是適用性強、覆蓋面廣、性價比高、價格低廉的一款大眾化產品，這就要求嵌入式系統研發廠商不但減低系統功耗，減少不必要的成本，還要精簡系統內核，求得與系統功能緊密相關的軟硬件設計，運用價值工程原理進行優化組合生產出更多更優秀的嵌入式系統產品。

最后嵌入式系統要為客戶提供更多更理想的多媒體人機界面，完美體現人性化的一面。

之所以嵌入式設備產品能有很好的發展前景，與嵌入式系統方便快捷人性化特點是分不開的。嵌入式系統產品不光與客戶互動，還能虛擬化出現實生活中的場景，讓客戶深入其中，為人們帶來巨大角色互換感覺，同時也對產品的圖像界面、靈活的操制方法及便攜等提出了更高的要求，嵌入式設備的高要求反過來促使軟件設計人員在多媒體（或者M媒體）技術上下大力氣進行編程擴展。如，界面手寫輸入、語音輸入、遠程家電控制、圖像色彩、多合一功能等等都要客戶獲得嶄新的感受，成為人們生活中不可離缺的一部分。

6 流行的嵌入式Linux操作系統介紹

嵌入式linux是將現階段的人們經常使用的Linux操作系統進行修改升級，并讓其在嵌入式計算機系統上運行，保證使用者要求功能的一種操作系統。嵌入式linux特點一是既繼承了互聯網上無限的開放源代碼，二是它的版權費免費（我認為未來一定時期內是免費的，可能是十年吧，但天底下沒有免費的午餐），三是便捷性操控性能優異，更容易軟件移植，四是產品更替速度快，研發周期短，產品上市迅速，極大地發揮人類知識的創造力。五是產品實時性能穩定，安全性好、性價比高。

嵌入式linux速度很快，linux是可以定制的，系統內核最小只有一兩百KB。Linux是免費的OS，在價格上極具競爭力。Linux還有著嵌入式操作系統所需要的很多特色，突出的就是Linux適應于多種CPU和多種硬件平臺，是一個跨平臺的系統。到目前為止，它可以支持二三十種CPU。而且性能穩定，裁剪性很好，開發和使用都很容易。Linux內核的結構在網絡方面是非常完整的，Linux對網絡中最常用的TCP/IP協議有最完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網絡，以及無線網絡，Toker ring、光纖甚至衛星的支持。所以Linux很適于做信息家電的開發，還有使用Linux為的是來開發無線連接產品的開發者越來越多。

嵌入式Linux的應用領域非常廣泛，涵蓋了我們生活工作大部分空間，人們越來越離不開它，它影響著并在一定程度上改變著我們的生活與工作方式。近來研發人員利用嵌入式Linux自身特點，把它應用到嵌入式系統里中，像GNOME，KDE，UTITY等都是很優秀的桌面管理器就是一個典型，并且其背后有著眾多的社團支持，可定制性極強，這點已經在Unix和Linux世界普及開來。

7 結束語

作為新一代IT發展和提升價值鏈高端地位的關鍵技術，可信嵌入式軟件是推動中國高端裝備產業由“中國制造”向“中國創造”轉型升級的關鍵因素。 綜上所述，在今后的嵌入式系統發展中，還將更加趨于低成本、網絡化、智能化、精簡化、效率高以及集成性的發展趨勢，讓嵌入式系統徹底改變人們的生活。

參考文獻：

[1]魏洪興.嵌入式系統設計師教程全國計算機技術與軟件專業技術資格水平考試指定用書.2012，03，01.

[2]余甫煒.對嵌入式系統發展趨勢的思考[J].網絡財富，2010（14）：56-57.

[3]王樹紅.嵌入式系統的現狀及發展趨勢[J].太原大學學報，2011，（34）：45-46.

[4]張曉瑩.計算機嵌入式操作系統初探[J].信息與電腦（理論版），2012（08）：31-32.

篇5

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式計算機系統與通用計算機系統有著本質上的不同，嵌入式計算機系統在很多情況下需要考慮的是為其產品性能，生命周期和商業驅動做優化，而不是努力提高其最大計算吞吐量。對于一個有市場適應能力的嵌入式計算機系統來說，產品的成功與否更重要的是其在性價比上的優勢。

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體產品同步進行，因此嵌入式系統產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。

由于嵌入式計算機系統自身功能和具體應用環境的限制，其在設計技術上會面臨如下兩個方面的挑戰：

1 系統自身發展升級挑戰

應用領域的不斷擴大和用戶要求的逐漸提高推動了嵌入式計算機系統功能的升級，而在升級過程中，嵌入式計算機系統設計技術作為系統開發的核心環節，無法避免的要面對來自整個系統的全面挑戰。

1.1 單片機向多模塊組合轉變

隨著用戶對備選方案數量要求的提高，嵌入式系統從過去單一的單片機應用模式，轉變為能夠提供更多不同層次方案的多樣化模式。通過重用和組合IP核構件技術實現的片上SoC系統，是目前嵌入式系統能夠實現的最高形式。通過利用FPGA和IP模塊進行功能組合PSoC/SOPC設計，徹底改變了過去單片機從底層全權包攬的單一設計局面。

1.2 對設計技術的要求更高

經過幾年發展，目前高端嵌入式系統都是建立在RTOS基礎之上的，所以很多非計算機專業技術人員就要學習全新的RTOS技術。這無疑是一次設計技術的重頭再來，需要設計人員做到從觀念認識到設計技術的一次徹底轉變。

1.3 運用新開發工具進行系統開發

嵌入式設計從8/16位轉向功能更強大的32位MCU，升級之后，開發工具的投入就成為了系統開發過程中最大的障礙。升級之后的開發環境不僅加大了系統投資數目，對其使用的技術有了更高要求，其開發工具較之前也有了更復雜的變化。使用新系統進行開發時，如何正確選擇處理器架構、評估嵌入式操作系統，以及使用陌生的開發工具，都是一個新的挑戰。

1.4 多種技術協同設計

嵌入式系統對軟硬件的協同配合有著超高的要求，所以在設計過程中，軟硬件設計的同步與集成是主要問題。由于技術細節處的不斷增加，控制軟硬件一致性與正確性需要消耗極大的時間。目前業界已經開發Polis、CosYma及Chinook等多種方法和工具來支持集成式軟硬件的協同設計。這使得系統可以跨越硬件和軟件平臺復用，并支持設計空間探索。是一種統一軟硬件的開發方法。

2 應對市場的重點性能挑戰

嵌入式計算機系統設計技術在滿足用戶多樣性需求和自身不斷升級方面的提升與完善是信息技術發展的必然趨勢，但是其最根本的基礎性能提高則是市場判定該系統是否卓越，亙古不變的標準。在設計過程中，基礎性能設計的重點如下：

2.1 操作實時響應

嵌入式計算機系統嵌入到對象系統中的計算機應用系統，嵌入系統在運行時不僅要求得到正確的結果，更要滿足時間交互過程的響應要求。在設計過程中，有時需要要求設計技術按照軟件運行最壞情況下的時間進行預留，因為軟件運行耗費的時間會立刻增加系統響應的時間，致使系統不能滿足嵌入對象系統提出的響應時間?！靶盘柼幚硐到y”、“緊急任務處理系統”就是典型的實時性要求很強的系統。

2.2 嵌入系統安全性

嵌入式計算機系統通常應用于安全性很高的情況下，這就要求設計技術能夠保證系統極高的安全性能和可靠性能。

（1）可靠性能。嵌入式計算機系統的可靠性是衡量其設計技術的重要標準，它要求設計技術滿足增長系統生命周期，拓寬系統適用范圍，減少系統中的錯誤，增加系統的穩定性，甚至要降低嵌入式系統的維護費用。為滿足如上諸多要求，嵌入式系統設計技術應該從工作溫度，抗震動，抗電磁干擾，抗輻射等方面著手進行全面加強。

（2）可用性能。嵌入式計算機系統為達到提供預期的功能要求提高系統的可靠性，在系統設計時，通常需要采用故障避免、故障檢測與故障容錯等設計技術。

（3）安全性能。嵌入式計算機系統的安全性，要求系統的設計技術盡量使系統能夠無錯誤的完成預期功能，同時降低系統的危害程度，安全完成運行任務。

（4）保密性能。保密性能在網絡嵌入式計算機系統中尤為重要。通過現有的保密技術和網絡安全措施基本可以保證數據的安全，但也無法做到完全保證。這就需要我們通過系統的設計技術加入入侵檢測模塊來提升嵌入系統的保密性。使入侵模塊成為整個系統的最后防線，在系統遭受威脅或被攻擊后，通過分析攻擊行為，有效保護系統免受同樣攻擊。

通常在設計時，都是利用技術通過提高嵌入系統的抗入侵能力來提高保密性，在遭到入侵時，嵌入計算機系統能夠進行安全的現場重編程及提供重建保護等。

3 結語

互聯網在日常生活與工作中的作用越來越大，信息技術的發展日益迅速。嵌入式計算機系統作為當今信息技術的核心部分，對我國的各行各業產生了深遠影響。嵌入式計算機系統設計技術，則是嵌入式計算機系統開發的核心環節。更高的應用需求，對嵌入式計算機系統的設計技術提出了更高的要求。與此同時，嵌入式系統本身的升級，也使得嵌入式計算機系統的設計技術面臨更大的挑戰。本文通過以上對嵌入式計算機系統設計技術的幾點分析，主要分析了嵌入式計算機系統的設計技術為更好的適應和滿足市場，而需要面對的諸多挑戰。可以看出，嵌入式計算機系統在市場上的需求日益增大，用戶的要求也在向多樣化和高標準的趨勢發展。這就要求系統的設計技術，一方面要不斷與時俱進熟練掌握新升級技術，來適應市場滿足多樣化需求；另一方面要保證系統基本的實時性與安全性。只有這樣抓牢基礎，不斷提高才能在當今的信息化社會中站穩腳跟，不會被市場淘汰。

參考文獻：

[1]劉洪濤，孫天澤.嵌入式系統技術與設計[J].21世紀高等學校計算機規劃教材，2009，1：12-13.

[2]馮立杰，傅民倉，李文波.多CPU嵌入式系統的設計方法[J].現代電子技術，2006，6：33-34.

篇6

隨著電子信息技術的發展，計算機在不同領域中得到了廣泛的應用，人們根據不同領域的實際需求，針對性的開發了具有相應功能的軟件，從而提高實際的工作效率，但是在計算機出現的早期，受到其體積和性能上的限制，其應用的范圍很小，隨著晶體管和集成電路的出現，計算機的體積和性能得到了極大的提升，從計算機的發展可以看出，每次技術的更新，都是為了減小其體積，同時提高其性能。計算機的出現是革命性的，由于其能夠自行的處理任務，如果應用在實際的工業生產中，就能夠實現生產的自動化，這也是近些年計算機應用發展的方向，但是通過實際的調查發現，計算機在應用的過程中，雖然經過了多年的發展，出現了筆記本電腦，在體積上得到了極大的控制，但是在工業控制領域中，這樣的體積依然很龐大，在這種背景下，人們發明了單片機這種微型計算機，并在工業控制中得到了廣泛的應用。

1 嵌入式架構簡述

1.1 嵌入式架構的概念

嵌入式架構是隨著計算機的發展，逐漸形成的一門學科，現在很多高校中，都開設了這門課程，為社會培養大量的相關人才，學生在畢業后，能夠掌握到充足的嵌入式架構知識，從而能進行計算機系統的設計，我國受到特殊的歷史因素影響，經濟和科技發展的起步較晚，與西方發達國家相比，存在較大的差距，尤其是在電子信息領域。雖然近年來隨著國家的重視，出臺了很多優惠的政策法規，鼓勵和扶持我國相關產業的發展，經過了多年的發展，現在我國嵌入式架構的研究，已經得到了很大的提高，但是通過實際的調查發現，嵌入式架構使用的單片機等設備，目前還都是國外的公司生產的，我國技術人員在完成系統的開發后，都需要采用國外的設備，由于我國一直受到西方國家的技術封鎖，很多先進的設備都無法進口，在很大程度上影響了我國嵌入式架構的發展。對于嵌入式架構的概念，國際電氣和電子工程師協會給出了具體的解釋，是控制、監視等輔助設備工作的系統，目前對于嵌入式架構的理解，主要基于計算機技術，一般情況下，可以把帶有控制程序的處理器，看成是一個嵌入式架構，在不同的時期，人們對于嵌入式架構概念的理解，也存在一定的差異，但是從根本上來說，都是為了更好的使用嵌入式系統。

1.2 嵌入式架構的特點

與傳統的計算機技術相比，嵌入式架構具有鮮明的特點，首先就是體積更小，在嵌入式架構出現的早期，主要是在計算機的基礎上，進行系統的開發，但是隨著相關技術的發展，嵌入式架構自身有了很大的進步，尤其是單片機等微型計算機的出現，使得其應用的范圍更加廣泛，從某種意義上來說，單片機的出現，就是由于嵌入式架構應用的需要。其次嵌入式架構具有控制的特點，隨著電子信息化的發展，很多機械設備都采用了智能芯片，通過這些芯片的使用，可以寫入特定的控制程序，從而達到相應的控制目的，近幾年軟件技術有了很大的發展，尤其是在人工專家模塊出現后，計算機軟件可以實現一定的智能化，在遇到一些問題時，可以通過檢索以前的經驗，對問題自行進行處理，如果將這個技術應用到嵌入式架構中，就可以實現工業生產的自動化控制。從根本上來說，工業的自動化控制技術，就是在單片機等微型計算機的基礎上發展起來的，而單片機的使用，大多都是在嵌入式架構，通過硬件和軟件的針對性設計，可以最大程度的提高單片機應用的效率。

2 單片機系統設計的現狀

2.1 單片機系統設計的發展

單片機的出現，主要是由于實際應用的需要，傳統的計算機受到體積上的限制，雖然在很多領域中得到了應用，但是在實際的工業生產中，要想對生產過程中的每個環節進行控制，必須將所有的環節通過特定的方式連接起來，然后設置一個中央服務器，通過硬件和軟件等方式，對生產進行實時的控制，只有這樣才能夠最大程度提高生產的效率。由此可以看出，單片機系統的發展，可以分成硬件和軟件兩個部分，而這兩個部分都受到計算機技術的影響，尤其是軟件方面，在初期使用機器語言進行編程時，還沒有單片機的出現，而匯編等低級語言使用，單片機程序的編寫，也采用這些低級語言，隨著計算機軟件技術的發展，逐漸的出現了C語言等高級語言，相應的單片機系統設計，也開始使用這些高級語言，極大的提高了軟件編寫的效率。單片機系統硬件的發展，由于其出現和發展都在西方發達國家，而且由于社會和經濟的體制不同，這些國家對我國一直存在技術上的封鎖，因此我國很難接觸到先進的單片機系統知識，在很大程度上影響了我國單片機技術的發展，目前使用的單片機設備，都是國外公司生產的，而且一些最新的單片機，對我國還存在進口的限制。

2.2 單片機系統設計中存在的問題

單片機從出現開始，到現在已經使用了多年，在應用的過程中，其自身的理論在不斷的完善，通過單片機系統的使用，可以輕松的實現工業生產的自動化，進而提高生產的效率，正是由于單片機系統的這個特點，使得每個企業都希望能夠通過這樣的方式，來提高自身的生產效率，但是在實際應用的過程中，不同公司加工的產品不同，生產設備也存在一定的差異，如果使用同樣的單片機系統，顯然無法最大程度的提高生產效率。因此現在單片機系統的使用，都會根據實際的需求，對單片機系統的功能，進行針對性的設計，但是通過實際的調查發現，目前單片機系統設計中，還存在著一些問題，使得設計的系統不是很完善，在實際使用的過程中，經常會出現一些漏洞，影響產品的加工效率，由于單片機系統設計可以分成軟件和硬件兩個部分，因此對系統設計存在的問題，也可以從這兩個方面進行分析。首先就是硬件性能不合格，在設計完實際的電路后，對各個元器件的性能，都有具體的要求，如果這些器件的性能達不到相應的指標，那么電路顯然就無法正常的運行，其次就是軟件設計的不完善，由于軟件自身的特殊性，無法編寫出完美的程序，程序自身越復雜，存在的漏洞也就越多，如果在程序編寫完成之后，沒有經過科學的測試，那么在應用時，就可能會出現問題。

3 基于嵌入式架構的單片機系統設計分析

3.1 基于嵌入式架構的單片機系統硬件設計

在單片機出現的早期，由于還沒有形成嵌入式架構的概念，因此在實際的系統設計中，而且單片機系統的使用，都是對現有的生產線進行改進，通過在生產設備上增加一些線路，然后用單片機對其進行控制，在這種模式下，硬件設備的選擇，主要是根據環境來進行，對硬件設備的體積要求比較嚴格。隨著硬件設備的發展，現在生產單片機的公司有很多，可以實現同樣功能的元器件有很多，而自動化技術的出現，使得生產線在設計的過程中，會根據控制的需求，進行相應的變化，這種單片機系統使用方式上的轉變，極大的促進了其應用的發展，為了達到更高的控制效率，人們將單片機放到生產線的每個環節中，然后將這些單片機連接到一個服務器上，就能夠實現對生產的全面控制?，F在單片機系統設計中，首先進行的就是硬件上的設計，通常情況下，會根據生產的實際情況，對控制的功能進行需求分析，單片機系統硬件的設計，會和生產線的硬件設計同步進行，如果控制系統的硬件出現問題，可以根據需要，對生產線進行一定的修改。

3.2 基于嵌入式架構的單片機系統軟件設計

嵌入式系統與傳統的應用方式相比，最明顯的特點就是多了輔助設備，如以往應用計算機的過程中，都是計算機的單獨使用，人們直接利用計算機來處理一些問題，或者利用計算機來控制某些設備的工作，沒有任何的輔助設備，而嵌入式架構下，需要借助單片機等設備，如一條生產線通常包括多個加工工藝，如果采用計算機的統一控制，就無法實現對每個環節的單獨控制，而利用單片機系統，在每個加工環節中，都嵌入一個單片機，然后將這些單片機連接到一個計算機服務器中，就可以實現局部的控制。而要想完成這個過程，就要通過相應的軟件功能，對于同樣的單片機系統，如果根據實際應用的需要，設計不同的程序，能夠實現不同的控制功能，由此可以看出，軟件設計是單片機系統工作的核心。

4 結束語

作為以計算機為基礎的技術，嵌入式架構的發展，很大程度上受到計算機技術的影響，如在計算機剛出現時，由于其性能比較，甚至還不如現在的電子計算器，因此實際的應用很少，只是在實驗室中進行科研使用，但是人們從計算機的特點能夠看出，隨著技術的進步，將來計算機一定會得到普及應用。在這種背景下，很多專家和學者對計算機進行了研究，通過大量的實踐，極大的推動了計算機的發展，于是計算機越來越多的用來處理實際問題，為了提高控制的效率，人們對程序進行了完善，經過全文的分析可以知道，嵌入式架構和單片機的出現，都是由于實際應用的需要，而單片機在實際應用的過程中，還存在很多問題，如果能夠采用嵌入式架構，那么就能夠極大的提高單片機系統的使用效果。

參考文獻：

[1] 金玉濤，馬軍勇.基于80C52的三相可控整流電路觸發脈沖的實現[J].河南教育學院學報：自然科學版，2007（3）：37-39.

[2] 何兵.基于MCS-51單片機的步進電機正反轉控制實現[J].瀘州職業技術學院學報，2008（1）：56-59.

篇7

基于嵌入式Linux遠程監控系統，在一定程度上充分結合Internet網絡的廣泛性及其應用性，同時融合了嵌入式系統具有明顯的容易移植的特性，且在實用性方面具有很廣闊的應用開發前景，也是遠程監控系統方面的發展方向。通過該系統，用戶可以直接通過Internet瀏覽器對現場的設備進行遠程監控，操作安全可靠。ARM 處理器具有更高的穩定性， 且資源占用少、系統集成度高、硬件干擾少， 能較好地應用于所需的控制，嵌入式Linux系統是使用源代碼公開的、免費的操作系統，且為微控制系統的開發提供了良好的任務管理平臺和底層驅動平臺， 也為上層軟件模塊的管理提供了有力的保證。

1 遠程監控系統總體設計

遠程監控系統匯集了多項技術，在結構和功能上要設計合理，利用現有資源去實現各個功能和模塊，根據整個系統的功能和要求，來選擇一個合理的總體設計方案。遠程監控系統的功能設計按照以下主要環節展開，對圖像和溫度數據的采集和相關處理，當客戶端有申請響應時，根據響應，傳送給客戶相關的數據信息。本系統的總體功能方案如圖1所示。

2 系統硬件組成

嵌入式設備在嵌入式系統硬件系統中也是不可或缺的一個部分，除了核心控制部件以外，還有其它不可或缺的部件用于完成數據測量、調試和對調試結果進行顯示等，包括傳感器、電子部件、機械部件等，都可以算作嵌入式設備。目前常用的嵌入式設備按照功能可分為存儲設備、通信設備以及顯示設備三類。本系統采用的三星公司的S3C2410，主頻可達203MHz。它的硬件功能主要有：64M字節的SDRAM，是由兩片K4S561632組成，主要工作在32位模式下；64M字節的NAND Flash，采用K9F1208，可以兼容16M，32M或者128M字節；10M以太網接口，采用CS8900Q3，帶有傳輸和連接指示燈；2個USB HOST接口，符合USB1.1；還有SD卡接口等。其硬件框圖如圖2所示。

3 系統軟件組成

3.1 交叉編譯環境搭建

在一般的計算機系統之中，都有足夠的系統資源，能夠方便的對其進行編譯和調試，但是在Linux系統之中，其內核資源相對來說并不完整，它并沒有相關的交叉編譯工具，由此，本系統的開發環境是Red Hat Linux版本操作系統，使用的內核版本是Linux2.6，交叉編譯工具鏈3.3.2，其安裝步驟如下：

1）在本系統使用的相關目錄下建立名的arm的目錄

[root@localhost zyx]#mkdir arm

2）使用復制命令，將cross-3.3.2.tar.bz2復制到arm目錄下

[root@localhost zyx]#cp cross-3.3.2.tar.bz2 /arm

3）使用tar命令，對工具鏈進行解壓

[root@localhost zyx]#tar zxvf arm/cross-3.3.2.tar.bz2

這樣在arm目錄下生成一個工具鏈文件夾

4）對環境變量進行編寫和修改

在該路徑下，使用編輯命令 vi /etc/profile ，在此文件中找到：pathmunge/usr/local/sbin一行，在它下面增加環境變量設置如下：pathmunge/usr/local/arm/3.3.2/bin，這樣交叉編譯工具鏈搭建成功。

3.2 配置移植嵌入式Linux內核

因為嵌入式系統的硬件環境各不相同，而嵌入式Linux操作系統并不為特定的處理器設計，所以需要針對不同的嵌入式系統硬件平臺對Linux操作系統進行定制和裁剪，修改操作系統內核中與硬件相關的代碼，使其在特定的CPU上運行起來。該文使用的內核源代碼是三星公司為s3c2410微處理器的內核源碼，版本是linux-2.6.8.1.tar.bz2。

1）解壓linux-2.6.8.1.tar.bz2到目錄/arm下

[root@localhost zyx]#tar zxvf linux-2.6.8.1.tar.bz2

將生成linux-2.6.8.1目錄

2）修改交叉編譯器

內核目錄下Makefile文件記錄著內核各個模塊組織關系及變異關系。修改交叉編譯器：

ARCH=arm

CROSS_COMPILE=arm-linux-

3）執行make menuconfig內核配置命令，進入Linux內核配置界面，即對內核進行選擇配置剪裁。

3.3 Bootloader簡介及移植

在嵌入式系統的操作系統中，內核在運行之前，也同樣要運行一段啟動程序，就是BootLoader，運行此程序可以對整個硬件設備進行初始化，為內核系統的調用提供一個最佳的系統工作環境，使系統工作在最佳狀態。目標板上電之后或者復位之后，首先執行引導程序（Bootloader），來初始化內存等硬件，之后把壓縮的映像加載到內存之中，最后在跳轉到內存映像入口來執行。Bootloader的功能決定了在引導Linux系統時，必須要使用Bootloader，除非修改了linux內核。

常見的公開源代碼的bootloade：有U-BOOT， GRUB， VIVI， LILO等，其中vivi是韓國mizi公司為ARMS處理器專門設計bootloader。因此，我們將vivi移植到S3C2410就相對比較簡單。主要是根據具體的板級硬件通過修改vivi/arch/s3c2410/smdk.c文件設置NAND Flash分區。然后再運行make clean，make menuconfig， make命令，將會得到vivi的二進制文件。連接pc機的并口和目標板上的JTAG口，用SJF2410工具將vivi的二進制文件燒寫到NAND FLASH中。

4 結論

基于嵌入式Linux遠程監控系統，在一定程度上充分結合了Internet網絡的廣泛性及其應用性，同時融合了嵌入式系統具有明顯的容易移植的特性，且在實用性方面具有很廣闊的應用開發前景，也是遠程監控系統方面的發展方向。本系統采用嵌入式Linux操作系統，結合相關的軟硬件技術，實現遠程系統監控，且監控系統在功能上基本完善，達到整個系統設計的基本要求。

參考文獻：

[1] 徐士強.基于ARM9的嵌入式Linux系統的研究與應用[D].南京：南京郵電大學，2012.

[2] 鄒穎婷，李紹榮.ARM9上的嵌入式Linux系統移植[J].自動化技術與應用，2009（06）：43-45.

[3] 冷玉林，鐘將.基于ARM的嵌入式Linux系統構建[J].計算機系統應用，2010（11）：23-26.

[4] 吳才章.基于ARM的圖像采集與顯示系統設計[J].自動化技術與應用，2010（3）：118-122.

[5] 李曉光，吉榮廷，張立峰.基于嵌入式Linux和ARM9的視頻采集系統[J].電子測量技術，2009（2）： 102-104.

[6] 高強，鄭曉慶，陳敏.嵌入式Linux的家用無線遠程監控系統[J].自動化與儀表，2010（5）：47-51.

[7] 鄧威威，何衍.無操作系統的Web遠程監控系統設計[J].機電工程，2012（4）：490-492.

篇8

1 概述

隨著科學技術的發展,更高速,更可靠,更低成本成為各種技術開發的要求。因此,設計能實現實時視覺圖像采集、視覺圖像處理控制,使其結構更緊湊,甚至完全不需要計算機的介入,提高處理速度,并能有效降低成本的專用機器視覺控制系統,使得該系統具有安裝方便、配置靈活、便于攜帶等突出優點。為此,本課題提出了基于嵌入式機器視覺測控系統的研究,在嵌入式系統上實現實時視覺圖像采集、視覺圖像處理及控制,構成處理速度快,成本低,結構緊湊,不需要計算機介入的專用嵌入式機器視覺測控系統。

2 系統總體設計

2.1 設計方案

目前,用于圖像采集處理系統的嵌入式核心器件一般有FPGA、DSP和ARM芯片,出于成本控制與測控系統性能要求的考慮,這里選用FPGA方案。

FPGA內嵌的NiosII軟核處理器是32位的,主要包括CPU微處理器、I/O中斷、計時器、UART串口及大量通用寄存器。選用FPGA方案的優點在于,在單個芯片上既可以完成圖像采集等復雜邏輯的控制,又可以用內嵌的NiosII處理器完成對圖像的處理和識別,電路設計簡單,成本低。

對于機器視覺測控系統,在選用了嵌入式處理器實現圖像采集的功能之后,需要將視頻圖像進行數字化處理,這里采用標準工業攝像機+視頻圖像數字化模塊的方法實現。標準工業攝像機的輸出信號一般是PAL制式或NTSC制式的模擬信號,信號在進行數字圖像處理前必須經過刀D轉換,即視頻采集。視頻采集是整個系統中的一個重要組成部分,它是對模擬視頻信號實現數字圖像處理的第一個步驟。該方案具有通用性好、成本低的優點。

2.2 總體結構設計

1) 硬件設計

硬件設計包括系統硬件電路的連接和FPGA內部邏輯電路的設計。

FPGA內部邏輯電路的設計是以QuartusII為開發環境,用VHDL語言編程實現圖像采集、SRAM總線切換等模塊的功能,用SOPC Builder配置、產生NiosII軟核處理器及必要的外設(用戶自定義外設用VHDL編程實現),然后一起編譯并下載到FPGA的配置芯片中,再由配置芯片完成對FPGA的上電配置,由此形成硬件邏輯電路的連接,實現圖像采集、處理、存儲、顯示、實時控制等功能模塊。

2) 軟件設計

用SOPC Builder生成NiosII處理器系統的同時,也會生成相應的SDK軟件開發包。在這個軟件包的基礎上,開發者可以利用NiosII IDE,移植嵌入式實時操作系統μc/OS-II,編寫C或者C++程序來完成對圖像的二值化、區域分割、特征提取、模式識別等處理過程,最終實現對目標軌跡的跟蹤,實時控制機器人沿規定軌跡運行。

3 關鍵技術問題探討

3.1 圖像采集CCD模塊設計

圖像信息的獲取就是捕捉待處理目標的圖像信息并將其轉換成適合一體機處理的數字信號,這一過程主要包括圖像捕獲、光電轉換及數字化等幾個步驟。目前圖像信息獲取可以使用CCD、CMOS、CIS等傳感器,其中以CCD的應用最為廣泛。

本設計模塊采用1/3寸逐行掃描型黑白面陣CCD圖像傳感器ICX424AL。ICX424AL有效光敏單元為659×494,靈敏度高、暗電流小,帶有電子快門。由三相垂直脈沖(V1、V2、V3)和兩相水平脈沖(H1、H2)驅動工作,水平驅動時鐘頻率為24.154MHz,驅動電壓5V。曝光之后,每一列成像勢阱中的電荷在脈沖的驅動作用下被移至勢阱旁的垂直寄存器當中,然后垂直驅動脈沖發揮作用,每次脈沖驅動垂直寄存器組中的像素電荷向下移一行,而此時最下面一行的像素電荷則被移動到水平寄存器當中。之后水平驅動脈沖發揮作用,脈沖驅動水平寄存器中的像素的電荷向輸出口移動。被移出像素電荷,經過放大器后形成電壓信號輸出。水平寄存器被移空后,剩余電荷再次向下移一行,在水平驅動脈沖作用下,水平寄存器的電荷再次被依次移出。上述過程一直重復直至所有像素電荷被移出。

ICX424AL的驅動時序由CCD信號處理器AD9929產生。AD9929有一個三線式串行接的串行通信接口,通過該接口可以對AD9929時序發生器的相位寄存器組進行操作,發送配置信息或讀取AD9929的工作狀態。AD9929可直接與CCD傳感器相連接,CCD像素模擬電壓信號在AD9929驅動脈沖的作用下,由CCD_IN引腳輸入到AD9929中,經模擬前端采樣、放大和A/D轉換后,產生8位的數字信號由DOUT[0-11]引腳輸出,這些數字信號即為CCD圖像傳感器捕捉到的待測目標的原始圖像信息。

3.2 圖像實時跟蹤算法設計

由CCD模塊負責采集圖像,那么嵌入式系統必須要有完善的圖像跟蹤算法,才能夠實現智能機器人對目標的跟蹤,傳統的圖像跟蹤算法由于運算量較大而存在實時性較差的問題,因此,有必要對圖像跟蹤算法進行實時性優化設計。

目標圖像跟蹤是一個序列圖像處理、識別和測量過程。在跟蹤過程中,目標可能出現大小、形狀、姿態等變化,加上實際環境中的各種干擾,以及圖像處理最小計量單位的精度問題,相關跟蹤得不到絕對最佳的匹配位置,存在測量誤差。因此,為了保證跟蹤的穩定性,需要對圖像跟蹤模板進行自適應更新。圖像跟蹤模板的更新是目標跟蹤中要解決的重要問題之一,圖像跟蹤模板更新過快或過慢,都有可能丟失所跟蹤的目標。判斷圖像跟蹤模板是否需要更新要根據相關的置信度信號,如果相關匹配的置信度高,就可以根據本幀圖像的匹配點處的坐標來更新圖像跟蹤模板;如果置信度低,則說明匹配不穩定,要沿用以前的匹配圖像跟蹤模板對下一幀進行相關匹配。

相關置信度信號是在分析相關匹配算法的基礎上設計出來的,它是一個非常重要的參數。經過分析可知:若匹配點處的峰值很大,且峰值與其它非匹配點的均值之差越大,則表明跟蹤越可靠。定義幀內相關置信度為:

式中:C0是幀內相關置信度;maxR是當前幀匹配點處的誤差累加次數;R是同一幀內M個依次比maxR小的誤差累加次數的均值,如果maxR和R相差越大,則說明該匹配點越可靠。本算法可根據計算速度的需要對M取值,一般可以取M等于20～100的任何值。若C0大于閾值T0,則認為相關匹配值maxR符合幀內置信度,更新圖像跟蹤模板;否則,相關匹配不可靠,不更新圖像跟蹤模板。閾值T0根據圖像的質量和經驗來確定,這里我們取T0=0.6。

實踐證明,在序列圖像跟蹤過程中,若單純地利用當前圖像的最佳匹配位置處的圖像跟蹤模板作為依據進行下一幀圖像的匹配,則跟蹤結果很容易受某一幀發生突變的圖像的影響而偏離正確位置。因此,本系統采用基于置信度的加權自適應模板修正算法:如果當前幀匹配質量很差,則該幀圖像數據不進行修正;而若當前幀匹配質量很好,則該幀圖像數據進行修正,加權修正算法表示如下式:

上式中,T(i,j,t)為當前幀使用的圖像跟蹤模板,O(i,j,t)為當前幀最佳匹配位置的子圖像,T(i,j,t+1)為預測得到的下一幀圖像坐標,α為加權系數(0≤α≤1),該系數的大小根據幀內相關置信度C0,按照下式計算:

4 結束語

本文在嵌入式系統與機器視覺控制系統的交叉點展開研究,目的是將具有重要意義的機器視覺控制系統應用到具有廣泛基礎的嵌入式系統平臺上,拓展機器視覺的應用范圍。通過對機器視覺控制系統及嵌入式系統設計方案的選擇,并對基于嵌入式機器視覺控制系統的關鍵技術問題展開研究,以此為依據,設計了相應的硬件系統和軟件系統,并將其應用到智能機器人視覺的控制上。

參考文獻:

[1] 王耀南,李樹濤,毛建旭.計算機圖像處理與識別技術[M].北京:高等教育出版社,2001.

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如今嵌入式系統在日常生活中扮演著越來越重要的角色。從消費電子產品到航天工業，從熱門的電子應用（如智能手機和平板電腦等）到相對不起眼的應用（如人造衛星等），嵌入式系統直接或間接地影響人們生活的方方面面。嵌入式系統的巨大潛力使得教育工作者對它的討論從來沒有停止過。世界無數的教育工作者提出了大量新穎和具有創造性的方法和理論，以促進嵌入式系統教育水平的提高，他們大都贊同嵌入式系統具有與實際應用緊密聯系的顯著特點。

嵌入式系統應用在一個廣闊的領域，如簡單的微控制應用、控制系統、分布式嵌入式控制、片上系統、網絡、嵌入式PC、關鍵系統、機器人、計算機設備、無線數據系統和信號處理。同時，一些交叉領域知識對于嵌入式系統設計者也同樣重要，如安全、可靠性、節能、軟件/系統工程、實時計算和人機交互等。

對于想成為合格嵌入式系統設計者的學生來說，他們希望能夠親手接觸這些嵌入式應用，因此設計一個高效的實驗系統非常重要。實驗平臺應該能聯系抽象的理論知識和實際應用，以幫助學生領會嵌入式系統的知識奧秘。

2.嵌入式系統實驗教學的特點

嵌入式系統實驗教學與其他課程實驗教學有兩個方面的不同：軟硬件高度結合、知識和技術更新速度快。嵌入式系統實驗教學的特點如圖1所示。

嵌入式系統實驗教學的第一個特點是軟硬件高度結合。一個完整的嵌入式系統需要在軟硬件基礎之上工作。在嵌入式實驗教學中，任何一個環節的缺失或弱化都是錯誤的。我們過去就犯過這方面的錯誤。嵌入式系統是清華大學計算機科學與技術系大四本科生的一門專業必修課。學生希望在課程結束后對嵌入式系統有一個完整的認識，但是發現在學習完這個僅有2個學分的課程后，依然無法設計出一個軟硬件兼備的完整嵌入式系統。因此，我們讓學生使用開源軟件工具設計諸如鼠標或鍵盤等設備的驅動程序，但是效果并不理想，岡為學生僅僅熟悉了他們所實驗的部分內容，而這些內容只是他們應該掌握內容的一小部分，這不僅是由于實驗任務的限制，還因為學牛無法接觸硬件層面的操作，無法全面領會嵌入式系統。

嵌入式系統實驗教學的另一個特點是嵌入式系統知識和技術更新速度快。在第1節我們曾提到過，緊跟實際應用是嵌入式實驗教學的一個關鍵元素。由于嵌入式系統技術日新月異，嵌入式實驗課程講述的知識和技能以及嵌入式實驗設備和組件都必須不斷發展。我們在對清華大學計算機科學與技術系學生的調查問卷中發現，對傳統嵌入式實驗平臺的主要批評是實驗設備和組件過于陳舊，實驗平臺與當前技術聯系不夠緊密，實驗內容缺乏吸引力。

綜上所述，設計一個高效的嵌入式實驗平臺必須考慮軟硬件結合和嵌入式技術飛速發展這兩個因素。

3.當代學生的特點

除了嵌入式實驗課程本身，學生是不可忽略的另一個關鍵因素。學生是實驗的參與者，他們對實驗的感受影響著實驗課程教學的成敗，但是我們發現傳統的實驗方法令當代學生逐漸失去學習興趣，這主要是因為學生一代一代地不斷發展與進步，而傳統的實驗方法卻多年不變。

文獻[2]指出當代學生與過去的學生有所不同：缺乏鉆研精神、缺乏耐心和依賴于軟件。當代學生的特點如圖2所示。

當代學生的第1個特點是缺乏鉆研精神絕大多數學生成長于用戶至上主義日益流行的社會環境。相對于基礎原理，他們更關注功能；相對于架構，他們更關注表象。簡而言之，當代學生中很少有人理解嵌入式系統的基本原理，另一方面，傳統的實驗平臺專門為演示和驗證書本中講述的原理而設計，因此學生漸漸地無法將實際應用與特別設計的實驗相聯系，產生的問題是如果學生無法預見所學知識的未來應用前景，就會將關注點轉移到其他方面。由此可見，將實驗平臺與時興技術相結合非常重要。

當代學生的第2個特點是缺乏耐心。生活節奏的日益加快和互聯網絡的日益普及，使得當代學生漸漸缺乏耐心。他們習慣在實驗開始后急于見到結果，就好像點擊鼠標后立刻能在屏幕上看見反應，但是在傳統的教學方法中，教學總是從對課程的全面描述分析開始。實踐證明這種描述很必要，它可以幫助學生全面了解課程的知識結構，但是這些內容有時會讓學生退卻，因為學生感覺課程非常抽象與枯燥。鑒于這些問題，新實驗平臺應該在嵌入式系統的第一堂課就引起學生的興趣，同時提供一個吸引人的“結果”。

當代學生的第3個特點是依賴于軟件。嵌入式系統的發展通常被認為是民眾賦予的。在某種程度上，這種發展是電子工程向更智能化發展的結果。然而，電子工程這種不可見的層面，通常被復雜的用戶界面和其他圖標所偽裝，使得大家將其歸功于計算機科學，而不是電子工程。許多大學并沒有意識到這個問題，而將大部分注意力放在嵌入式軟件設計，忽略硬件層次的介紹。這種在嵌入式系統教學中的錯誤關注導致出現“軟件比硬件更加重要”的錯誤認識。為了糾正這個偏見，我們應該重視硬件并將其引入嵌入式系統課程。

總之，為了設計一個高效的實驗平臺，當代學生的特點不容忽視。

4.設計嵌入式實驗平臺的原則

基于上述討論，我們提出嵌入式系統教學實驗平臺的幾項設計原則。

完整性：實驗平臺應該相對完整。學生不但能接觸軟件，而且能操作硬件。這個原則主要解決兩個問題：首先糾正學生偏重于軟件的錯誤；其次在第一節課就能吸引學生，告訴他們課程最后能夠建立一個基本的卻相對完整的系統。

開發性：實驗平臺應該能幫助學生自由地實現創新思想。實驗平臺在軟件和硬件上都應為學生預留足夠數量和種類的接口，使學生能夠以此為基礎構建自己的嵌入式系統。在實踐過程中，越來越多的基于實際應用的嵌入式系統由學生實現，同時學生的創造熱情也被激發出來。

從教學的角度看，實驗平臺應包含以下特點。

可升級性：平臺的軟硬件應該能分別擴展和升級，而無需對整個平臺進行修改。如第2節所述，嵌入式系統技術升級速度快，尤其是硬件設備。為了滿足經常升級的需要，可升級性原則應該被放在關鍵位置。

靈活性：實驗內容應該能根據課程的要求而裁剪，以便于實驗平臺的廣泛推廣。大多數定制的實驗平臺在靈活性上有所欠缺，其實驗內容無法增加或減少，而為了適應課程學時的變化不得不重新設計實驗。

為了達到上述目標，我們提出一個完整的概念模型。目標系統的概念模型如圖3所示。

這個概念模型由3個中間層和2個層組成。中間層包括主系統層、中間通道層和從系統層。層包括應用層和組件層。我們將解釋這個模型如何能實現前面提出的目標。

完整性：把中間3層看作一個整體，這個基本模型由一個典型嵌入式系統中的主要元素組成，從最頂層的應用層到最底層的功能組件層。學生可以接觸完整系統的每一個組件。

開放性：模型的最頂層和最底層向學生開放。實驗平臺的設計者將足夠多的軟硬件接口提供給學生，這些接口必須是完整的和用戶友好的。使用硬件接口，學生能夠通過連接所需的硬件模塊構建一個創新的嵌入式設備；使用軟件接口，學生可以方便地加載硬件模塊所需的軟件資源。

可升級性：實驗平臺設計應該模塊化和層次化，每一層為上一層提供上層接口，為下一層提供下層接口。每一層可獨立地進行擴展和升級，與相鄰層次的接口保持兼容。模型的中間層被設計為3層結構，這個靈感來自于Phidgets的設計，它能為實際設備的實現提供更多可能性。

靈活性：每個層次都能根據課程的重點而被加強或削弱，因此實驗內容可根據課程要求而變化。實驗課可被安排在兩層或更多層之上?；A實驗要求學生建立一個基本的嵌入式系統，而在高級實驗中，學生能深入研究模型中的各個層，以實現創意設計。

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ARM9-Based Embedded System Design

Liu Xiwen

(China Shipbuilding Industry Corporation 715 Institute,Hangzhou310012,China)

Abstract:This paper Tames's AT91SAM9261 processor core,gives the embedded system design,development ideas.Brief description of the embedded operating system development,focusing on analysis of embedded systems development environment set up;Ethernet port,USB interface,UART interface design;embedded systems software development,file system migration.

Keywords:Linux;ARM9;Embedded systems

一、概述

嵌入式系統是一種智能部件內裝于專用設備的高速計算機，它的主要功能是作為一個大型工程系統中的信息處理部件來控制專門的硬件設備。嵌入式計算機系統廣泛地用于辦公自動化、消費、通信、汽車、工業和軍事領域。

嵌入式的典型應用有：過程控制；通訊設備；智能儀器；消費產品；機器人；計算機外設設備：打印機，終端，磁盤驅動器；軍事電子設備和現代武器等。

二、嵌入式操作系統

近十年來，嵌入式系統得到了飛速的發展，嵌入式系統的運行離不開嵌入式操作系統。從支持8位微處理器到16位、32位甚至64位，從支持單一品種的微處理器芯片到支持多品種微處理器芯片，從只有實時內核到除了內核外還提供其他功能模塊如：文件系統TCP/IP網絡系統、GUI圖型系統等。

據嵌入式系統雜志的最新報告，世界各國有四十多家公司，已成功的推出了百余種可供嵌入式應用的實時操作系統，其中幾個著名的操作系統是Mentor公司的VRTX，Integrated System公司（ISI）的pSOS，Wind River公司的Vx Works等，這些操作系統適用于實時、多任務應用環境，而且還具有相應的功能齊全的交叉開發環境。

目前嵌入式實時操作系統及其應用開發環境的發展動向是：

（一）嵌入式實時操作系統正向實時超微內核開放發展

近幾年，國外發展了一種基于微內核思想設計的精巧的嵌入式微內核，即實時超微內核，超微內核是一種非常緊湊的基本內核代碼層，為嵌入式應用提供了可搶占，快而確定的實時服務，在它的基礎上可以靈活地構造各種類型的，與現成系統兼容的，可伸縮的嵌入式實時操作系統。能滿足應用代碼的可重用和可伸縮性（scalability）的需求。Microtec已首先推出了基于實時超微內核的嵌入式實時操作系統VRTXsa，它與VRTX32兼容，并具有更強的功能實時性和可靠性有了很大的改進。

（二）開發環境向開放、集成化的方向發展

由于嵌入式應用軟件的特殊性，往往要求應用程序設計者具有一定的實時操作系統的專門知識，能合理地劃分任務，合理的配置系統以及目標聯機的調試。因此，要設計實現一個高性能的實時應用軟件，需要強有力的交叉開發工具系統的支持，國外十分重視發展與實時操作系統配合的嵌入式應用的集成開發環境，現已發展到第三代，它以客戶服務器的系統結構為基礎，具有運行系統的無關性，連接的無關性的特點。

1993年，MICROTEC推出了世界上最先進的第三代嵌入式集成交叉開發系統Spectra（現稱為VRTX開發系統），該系統可在UNIX及WINDOWSNT上建立起開放的網絡環境的交叉開發平臺，能將多來源的開發工具有機地結成一體對復雜的嵌入式應用開發提供全過程支持。

（三）完整的解決方案

RTOS廠家本身或與其他軟件公司和半導體公司配合為典型應用提供解決方案，如PDA、機頂盒、路由器等。

三、嵌入式系統軟件的開發環境

構建一個復雜的嵌入式系統，僅有硬件是不夠的，我們還需要進行操作系統的移植。我們通常在ARM平臺上構建Windows CE、Linux、PalmOS等操作系統，其中Linux具有開放源代碼的優點?；贏RM的嵌入式系統設計包含以下內容：

1.基于嵌入式處理器的硬件設計；

2.底層軟件平臺搭建；

3.Bootloader的移植；

4.嵌入式Linux操作系統內核的移植；

5.嵌入式Linux操作系統根文件系統的創建；

6.電路板上外設Linux驅動程序的編寫。

由于嵌入式實時應用系統的軟件開發受到時間、空間開銷的限制。常常需要在專門的開發平臺上進行軟件的交叉開發，其交叉開發環境如圖1所示。

圖1.嵌入式系統開發環境

開發平臺稱為宿主機，應用系統稱作目標機，宿主機可以是與目標機相同或不相同的機型。這種不同機型的開發平臺又稱作交叉式開發系統。顯然，在這種獨立的實時軟件開發系統上，應配備完整的實時軟件開發的工具：如高級語言、在線調試器和在線仿真器等。

四、嵌入式系統硬件設計

本文嵌入式系統硬件核心采用32位高性能ARM9處理器，外擴存儲器、USB接口、網口、液晶屏、按鍵等組成。系統整體架構如圖2所示：

圖2.系統硬件整體架構

核心模塊（圖2虛線框內）選用CPU為AT91SAM9261，它是一款以ARM926EJ-S處理器為核心的超低功耗微控制器。該型號專為功耗低、數據吞吐量大的無線手持式應用市場而開發的，其待機電流僅為2.5μA；工作頻率500Hz時，電流消耗則為400μA。在工業級溫度范圍內，處理器性能達到200MIPS時，即使所有外設開啟，其工作電流也僅僅是65mA。

（一）AT91SAM9261的主要特性

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1電子系統的智能化與集群化

我們從電子系統的時代變革中，可以明顯看出電子系統的智能化、集群化趨勢。傳統電子系統，是孤立的泛性產品系統（沒有歸一化內核）；智能電子系統，是歸一化微控制器內核基礎上智能產品系統，并從單個產品走向集群（分布式集群、總線集群、局域網集群）；物聯網電子時代的嵌入式系統，是普遍具有互聯網接入功能的智能電子系統，有緊耦合與松耦合接入兩種狀態。松耦合的智能電子系統是一個獨立的產品系統，通常在網下使用，需要時接入，如手機、桌面電腦、智能家電等；緊耦合的智能電子系統與互聯網構成一個物聯網應用系統，如市政交通管理系統、小區物業安全管理的實時監視電子系統。目前，傳統電子系統基本被淘汰，智能電子系統與物聯網電子系統會長期并存。與3個電子時代相對應的開發環境變遷，是產品開發的平臺化與可靠性設計內容的變遷。傳統電子時代是電子工程師單打獨斗的時代，電子產品的功能性設計、低功耗設計、可靠性設計完全依靠電子工程師的聰明才智，由電子工程師獨立完成。智能電子時代，產品硬件體系設計是電子工程師在微控制器、大規模集成電路的功能模塊基礎上的配置設計；產品的軟件體系設計是集成開發環境、操作系統、計算機工程方法基礎上的應用程序設計。微控制器、集成電路、集成開發環境、操作系統、計算機工程方法等，構成了形形的知識平臺。這些平臺不只是簡單的知識集成，而是具有人工智能、可以代替人類個體腦力勞動的知識力量平臺。例如，原先設計一個數據采集系統時，電子工程師必須了解模擬信號到數字信號的轉換設計的知識與技術，如今，有了A／D轉換芯片，便可省去電子工程師的這部分腦力勞動。又如，沒有實時多任務操作系統時，電子工程師設計嵌入式程序時，必須認真考慮多任務系統程序的實時協調與管理，有了實時多任務操作系統，所有這些任務的協調與管理都由操作系統依靠協議自動實現。因此，智能電子時代的電子產品系統設計，進入到人工智能的平臺化開發時代。與智力替代的平臺開發模式相對應的是可靠性設計內容的變遷。傳統電子系統的可靠性完全依靠電子工程師的精心設計。智能電子時代，電子系統的可靠性、安全性設計進入到智能化、平臺化的設計時代，從而使智能電子系統的可靠性、安全性設計到達最高境界。物聯網電子時代，智能電子系統對互聯網開放，導致互聯網中各種不安全因素對智能電子系統的入侵。因此，物聯網電子系統安全性、可靠性設計的一個重要方法是對入侵窗口的管理設計。

2物聯網系統的安全性架構

物聯網安全體現在一個個具體的物聯網系統中，進行物聯網安全性設計時，應充分了解物聯網系統的安全性架構。

（1）物聯網與物聯網系統

通常，人們用應用層、網絡層、感知層來概括物聯網。應用層描述了物聯網應用中形形的物聯網應用系統，人們通常論及的物聯網都是一個個具體的物聯網系統。早期，人們用應用層、網絡層、感知層來描述物聯網，缺失了控制層，在許多物聯網系統中，控制層是必不可少的內容，我們可以用網絡層、感知層與控制層來構建物聯網系統模型。

（2）物聯網系統模型

圖1是一個由互聯網與嵌入式集群系統構成的物聯網系統最簡模型。嵌入式集群系統通常都是一個嵌入式系統的局域網，互聯網直接服務于物聯網的網絡層與管理層，每個局域網中的嵌入式應用系統都有可能直接與互聯網相連。感知層、控制層由嵌入式系統構成，嵌入式局域網將它們聯接起來，形成嵌入式集群系統。當這個嵌入式集群系統與互聯網相連后，便構成一個具體的物聯網系統。通常，嵌入式集群系統是一個安全、可靠的嵌入式系統局域網。接入互聯網時，會出現新的可靠性、安全性問題，即互聯網惡意入侵產生的安全性問題。在物聯網系統模型中，它體現為一個非安全的入侵界面。

（3）物聯網系統的安全性架構

從圖1的模型可以看出，物聯網系統是本質可靠的嵌入式系統與本質非可靠的互聯網構成的交互系統。嵌入式系統與互聯網可以有多個渠道交互（因為嵌入式系統都有獨立的互聯網接入功能），這些交互渠道都可能會帶來可靠性、安全性問題。在嵌入式系統的高可靠性基礎上，物聯網系統安全性設計的重點是入侵界面的管控與感知層、控制層的安全防護設計。

3物聯網系統的安全性設計原則

物聯網應用系統中，許多安全性問題最終都會反映在嵌入式系統的感知層與控制層上。嵌入式系統的安全性問題是由互聯網的安全性因素引起的。因此，最大限度地減少互聯網對嵌入式系統的入侵渠道，是物聯網應用系統安全性設計的重要原則。物聯網應用系統的安全性設計模型如圖2所示。物聯網系統的安全性設計目標，是要建立一個歸一化的安全性管理界面。所有交互行為都通過歸一化界面進行管理，可以大大減少互聯網的入侵渠道，有利于減少安全漏洞與實現系統安全性的集中管理，防止出現安全患。實現界面安全的防入侵管理是入口的驗證環節設計。密碼驗證是最常使用的一種方法，還有數符密碼與生物特征密碼（指紋、掌紋、人臉、虹膜等）。除此以外，在交互中實時使用的校驗碼也是行之有效的方法。感知層、控制層的安全防護設計也是物聯網系統安全設計的重要一環。感知層能迅速感知系統的應急狀態，并即時啟動系統的應急處理（關閉并進入安全狀態）。2016年3．15晚會，恰逢谷歌“AlphaGo”掀起的人工智能熱潮，央視在會上演示了讓人驚心動魄的智能電子系統的安全漏洞。畫面上演示了不法分子通過手中的設備侵入無人機系統，接管了無人機，而無人機機主無能為力；一位黑客在一戶人家的外面成功入侵該住宅的Wi－Fi，并控制了該家庭的所有智能設備，包括智能洗衣機、烤箱和智能攝像頭，可以讓滾筒洗衣機空轉、讓烤箱的溫度飆升到危險數值甚至引發火災，讓智能攝像頭隨意轉動拍攝，偷窺用戶的室內活動和隱私等。這些都是物聯網時代嵌入式系統的安全隱患。嵌入式系統本身是安全可靠的，因為它是一個是封閉型的本質安全系統。多年來，家庭中的洗衣機、電冰箱、烤箱、微波爐、電視機等智能設備從來沒有出現過上述的安全事故。只有嵌入式應用系統開放后，才會出現安全漏洞。上述安全事故是在智能設備接入Wi－Fi網絡或互聯網后，形成的非安全的入侵渠道所致。物聯網系統中智能硬件的安全漏洞在于對互聯網的開放，這個安全漏洞是可控的。只要減少互聯網接入的通道數量，在這些接入通道中設立可靠的校驗、準入管理環節，就能保證系統安全。

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1嵌入式系統

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機應用系統。一般嵌入式系統是非PC系統，主要由嵌入式微處理器、硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等4個部分組成，用于實現對其它設備的控制、監視或管理等功能。

2相關理論知識

2.1移動計算

移動計算是一種新型技術，使得計算機或其它信息設備，在沒有與固定的物理連接設備相連的情況下，能夠傳輸數據，并且能夠及時準確地與中央信息系統相交互，分擔中央信息系統的計算壓力，在用戶需要的任何時刻都可以得到相應的信息，比傳統的計算環境更為復雜和靈活。它既可以通過無線網絡、智能計算設備可以隨時進入主網絡；也可以在不同地點，將調制解調器和附近的電話相連接，通過電話網進入主網絡；移動用戶還在不同場地使用靜態計算機獲得相應的服務等。因此，根據移動計算所具有的特性，在嵌入式系統設計中移動計算是必不可少的。

2.2嵌入式移動數據庫

由于嵌入式系統本身具有的特點，利用傳統的數據庫技術已不能滿足當前系統的需求，因而，嵌入式數據庫技術這一名詞便應運而生。該技術的核心是移動計算，主要強調其移動性，傳統的PC機要在苛刻的環境下做到良好的移動是很困難的。為了很好地滿足對移動客戶端計算的要求，便將嵌入式數據庫技術應用到數據庫的研究與開參考文獻：

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作者簡介：季玉香(1981—)，女，河北保定人，助教。研究方向：計算機應用技術

隨著信息技術的不斷發展，計算機系統硬件和軟件都得到相應的發展和提升，嵌入式系統的硬件規模和性能得到極大的提升，嵌入式系統軟件的開發和應用具有一定的復雜性和規模性，正是由于其運行環境的特殊性，對其系統的應用和開發的精度要求非常高。只有穩定、可靠的系統，才能保證在嵌入時，不會影響原始系統運行。開發和研究嵌入式自動測試系統，成為當前相關產業發展的重要課題。軟件質量對整個產品的質量起到決定性的作用，繼續我們進一步提升嵌入式領域的自動測試技術水平，以保證產品檢測質量，并提升軟件的可靠性，縮短整個系統的開發周期。

1傳統軟件設計中存在的問題

目前該單位采用傳統的單片機系統進行自動測試和控制操作，其運算能力低下，主要采用傳統的現場數據處理技術。隨著現代作業的不斷變化，已經無法滿足其需求。其主要存在問題包括：

1.1開發平臺不同數據類型結構不統一

網絡程序具有多樣性，開發的平臺也是多種多樣的，包括Windows、Linux等，兩者的平臺不同就會導致處理器存在很大的差異，數據庫的選擇上也會有所不同，這種平臺的差異，數據庫安裝的差異都會導致類型和結構的不統一，比如說Windows可以直接對一個網絡程序進行訪問，但是Linux需要安裝所訪問程序的相關軟件；其次處理器的不同使字的長度存在一定的差異，由于不同的處理器所支持的體系結構不同，從而導致子長不同，形成結構的差異性。這種差異產生的最主要原因是因為控制臺和測試臺在開發的過程中選擇了不同的開發環境，使用了不通的編程語言，環境和語言的差異最終導致了數據類型結構的不同。

1.2數據庫備份及恢復不及時

首先要解決數據源的配制問題，數據源是數據庫信息的主要來源，而自動測試系統的備份和恢復是通過控制臺進行，所以控制臺要合理的配制這些數據源，通過特定的網絡程序實現數據源的有效配置但，但是很多的控制系統都沒有及時的對這些數據源進行配制，實踐的延誤在一定程度上影響了數據的備份，有些控制系統在進行數據源配制時沒要根據規定的程序和方法，導致數據源配制不合理；由于數據庫的儲存量較大，儲存的信息較多，一直到測試結束再對數據庫進行配制很有可能丟失部分數據，尤其是在測試項目較多的時候，沒有在每一個項目測試結束后進行配置很有可能導致項目數據的遺漏，從而影響數據庫的備份和數據庫的恢復。以上問題都是數據庫備不及時，沒有定期定時備份所導致的。

1.3測試報告的設計和生成

測試報告是對測試過程的概述，測試結果的說明和分析，為了真實的反映測試的情況，我們在對測試報告進行設計時要充分的考慮這些問題，包括測試的方法，測試的問題，測試的結果以及最后的分析都要在測試報告中體現。但是目前很多自動測試系統的測試報告都不夠全面，往往只關注了測試的結果，沒有反映測試的問題，也沒有對這些問題進行分析；其次測試報告的種類較多，目前應用最廣泛的文字報告大多基于一定的網絡平臺，比如說WORD、EXCEL等，這些網絡模板的應用雖然有利于測試報告的生成，但是帶來的問題也是不容小覷的，尤其是測試的項目和模塊存在很大的差異，但是在生成報告的時候并沒有考慮這些差異，更多的采用同一種方法進行報告設計和生成。這些報告設計和生成問題都嚴重的影響了測試效果的反映狀況，對發現問題和解決問題產生了很大障礙。

2系統升級與優化設計

該單位為了實現對對象的靜態幾何參數的測試，采用監測系統，使用現代便攜式軌道檢測儀器，極大地降低了工作人員的工作量。其系統設計的優化方案如下：在SoC的設計理念上融合ARM系列的微處理技術，應該嵌入式系統更好的升級系統。ARM核以高性能、低能耗的特點，在系統中配制IC制造廠生產的大量片上外設，進一步提升ARM系列處理器擁有良好的嵌入式功能。系統設計采用ARM7TDMI核處理器S3C44BO，完成自動測試。其主要的核心構成系統包括通信核數據兩個模塊，具體分析如下：

2.1軟件網絡通信設計

通信是網絡設計的重要組成部分，在整個嵌入式模塊自動測試系統中占有非常重要的地位，這種通信功能主要是通過一種網絡編程的接口和網絡中不同的應用程序進行通信，然而這中網絡編程的接口具有一定的特殊性，需要依靠TCP/IP的數據進行套接字的連接，所謂的套接字也就是兩個程序進行通訊連接的一個端點，要想保證網絡通信的正常，我們就需要確保套接字的功能。這種軟件網絡通信的設計使各網絡程序很好的交流，形成一個良好的資源共享平臺，不僅有利于對這些網絡程序進行統一的控制，形成一個良好的控制系統，還對嵌入式模塊測試系統有著進一步的改進和完善，使其更好的發揮測試作用[1-2]。由于網絡通信具有及時性和全面型的特點，自動測試系統需要通過這樣的軟件網絡通信來更好的接收和傳輸信息，自動測試系統軟件網絡通信的設計和開發是一項復雜的工程，由于自動測試系統不能直接的進行通信，需要依靠數據包來達到通訊的需求，這也就給網絡通信設計提出了更高的要求。我們在進行實際的設計和開發的時候要留有一定空間的緩沖區，為通訊的全面性和穩定性提供一定的保障；其次在設計的時候要遵循通信的原則和協議，比如說TCP/IP的協議就是我們在開發時必須遵守的，要堅持這些原則的條件下進行設計和開發，使各網絡程序的功能和性能能夠有效發揮，推動嵌入式模塊自動測試系統的進一步發展。

2.2數據庫設計

數據庫是自動測試系統實現控制和管理職能的主要場所和依據，通過網絡通信，自動測試系統對各網絡程序形成了一個整體控制，整體控制的來源就是這些數據庫的信息，通過數據庫反應的網絡信息可以清楚的了解網絡程序出現問題的環節和地方，為解決這些問題提供一定的參考[4]。其次數據的管理和儲存也是要依靠數據庫來進行的，要想保證數據庫信息的準確性和全面性，自動測試控制系統需要對數據庫直接的操作，比如說我們經常用到的ADO、DAO等，這些就是直接操作數據庫的方式，由于開發的平臺存在很大的差異，那么我們在進行操縱的時候就要根據不同的平臺選擇不同的方法。自動測試所設計的項目包含方方面面的內容，如果所有的項目測試的數據都集中在一張數據表上，不僅會給數據分析和查找帶了麻煩，還會影響整個自動測試系統的功能，這也就要求我們在對數據庫進行設計時要重點考慮這一問題，盡可能的把每一個項目的數據用獨立的數據表來記錄，是表格反映的信息清楚明了；由于嵌入模式不是單一不變的，針對不同的自動測試系統有不同的類型選擇，如果每一種類型的嵌入模式都記錄在同一張表格上，不能很好的將各類型的模式進行分類，不僅降低了工作效率，還影響了自動測試的效果，為了避免這一情況的出現，在對數據庫進行設計時要給不同類型的嵌入模式用不同的表格記錄，更全面的反映信息；同時還要對測試的時間、測試的項目、測試的模式以及測試的人員進行總體記錄，在出現問題是能夠及時的發現問題出現的原因，并且快速的采取解決措施。

3系統嵌入式自動測試優化體會與效果

通過本次實驗研究，筆者總結提出，要保證嵌入式系統自動測試的質量核效率，應該在結構設計時，注意從以下幾個方面考慮：

3.1改善結構的統一性

造成結構不統一最主要的原因是因為控制臺和測試臺不同環境和編程語言的選擇，為了解決這一問題，我們就要更好的發揮網絡通信功能，雙方在制定通信協議時要根據數據包的數據形式和儲存方式進行有效的溝通，減小數據庫之間的差異，改善結構的統一性。

3.2及時的備份和恢復數據庫

數據庫的備份是為了更好的儲存信息，一旦數據受到損壞，就可以利用備份將損壞的數據恢復，但是數據庫的備份和恢復都有一定的條件限制，需要在特定的環境下進行，為了更好的保證數據庫的備份和恢復功能，我們應該對備份和恢復的策略進行更加深入的研究。比如說在測試大型項目或者多個項目時，要在每一個環節結束后都進行備份，不能再全部結束后備份，從而保證數據庫信息的全面性，在數據庫受到損害時也能夠全面的恢復[10-11]。

3.3嚴格控制測試報告的設計和生成

上述中提高設計報告存在不全面問題，這也就要求我們在設計測試報告時包含的內容要全面，包括測試時間、地點、人員，測試方法、步驟、問題以及結果分析，不能只有結果的顯示而沒有過程的探討；其次要根據測試模塊的不同和項目的不同生成不同的測試報告，利用現代化的網絡技術，合理的選擇報告的平臺和生成方式，更好的反映測試效果。通過本次系統的優化設計，該系統能順利完成控制和運算操作，具有12位高性能AD轉換器的MAX197設備，能順利完成傳感器信號的轉換，并成功將數據保存到數據庫中。系統整體運行效率由原來的65%，提升到現在的89%，取得非常理想的實踐效果。

4結束語

綜上所述，隨著嵌入式系統軟件開發實踐的不斷深入，嵌入式在實踐中的應用也越來越廣泛。而隨著產業生產實踐活動的逐漸復雜和多樣化，我們迫切需要一種測試系統軟件的開發和應用，能在軟件開發的單元階段、集成階段以及系統階段等對嵌入式系統軟件進行實時的在線跟蹤式測試與分析，從而全面提高整體系統運行的可靠性。這樣才能保證質量和效率。本文主要針對一種嵌入式自動測試系統軟件的構成、模塊框架以及實踐應用等多方面問題進行分析，證明嵌入式模塊自動化測試系統軟件的開發和應用，具有重要的現實價值和意義，值得我們深入探討。

參考文獻：

[1]于文龍,應朝龍,王巖，等.嵌入式自動測試系統模塊優化配置方法研究[J].宇航計測技術,2008,28(3):48-51.

[2]宋秦,翟正軍.嵌入式模塊自動測試系統軟件設計若干問題的研究[J].測控技術,2010,29(4):67-69.

[3]晏良俊,周茂華.基于PMAC嵌入式多軸控制卡的旋轉變壓器測試系統[J].機床與液壓,2010,38(3):78-80.

[4]陳翔,夏應龍.一種基于嵌入式Internet的自動測試系統[J].福建電腦,2004,(2):53-54,50.

[5]吳福盛.基于虛擬儀器的直放站自動測試系統的設計[D].鎮江：江蘇大學,2007.

[6]余攀峰,周天文.基于嵌入式系統的自動售貨機測試系統[J].工業控制計算機,2011,24(1):43-44,46.