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嵌入式微控制器技術的出現給現代工業控制領域帶來了一次新的技術革命。嵌入式微控制器組成的系統，其最明顯的優勢就是可嵌入到任何微型或小型儀器設備中。嵌入式系統在工控領域的應用已越來越受到重視。 一 嵌入式系統定義與應用現狀 對嵌入式系統的一種定義是"嵌入到對象體系中的專用計算機系統"。"嵌入性"、"專用性"與"計算機系統"是嵌入式系統的3個基本要素。嵌入式系統按形態可分為設備級(工控機)、板級(單板、模塊)、芯片級(MCU、SoC)。從定義中不難看出，當前較多使用的單片機設計與工控機設計也是一種典型的嵌入式系統應用。但是這種早期嵌入式系統在性能與價格上均存在一些缺陷。 1. 硬件采用單片機設計，軟件采用匯編語言編寫 采用這種設計方式，硬件成本低，設備體積小。但由于程序采用匯編語言編寫，軟件靈活性、可擴充性、可移植性較差。同時，作為處理器核心的單片機芯片，無法提供高速率運算。隨著工業控制要求的不斷提高，采用這一設計方式，無論在硬件或軟件上都無法滿足要求。 2. 硬件采用工控機，軟件采用VC++編寫 采用工控機作為硬件設備，既能提供處理速度，又適于惡劣的工作環境，物理穩定性好。軟件采用VC++編寫，可實現復雜的軟件功能，模塊化、面向對象化的設計保證了軟件系統的靈活性、可擴充性與可移植性。這種設計能很好地滿足控制系統的要求，但成本過高，體積過大。一般采用工控機的硬件成本是采用單片機成本的10倍以上，而且多為19英寸4U箱體設計，較為笨重。 二 新型嵌入式系統介紹與比較 隨著嵌入式系統的發展，出現了很多新模式、新方法。以下在硬件與操作系統兩方面介紹主流嵌入式開發技術。 1. 硬件 目前較多使用的嵌入式系統硬件有ARM芯片與PC/104主板。 (1)ARM芯片 ARM處理器是一種16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微處理器。目前很流行的當屬ARM7和ARM9兩個系列。隨著人們對系統功能提出了更高要求，ARM7在高端應用中已顯得力不從心，性能更強勁的ARM9處理器逐漸占據了高端產品市場。ARM9系列微處理器具有以下特點：5級整數流水線，指令執行效率更高；支持32位ARM指令集和16位THUMB指令集；支持32位AMBA總線接口；全性能的MMU，支持Windows CE、Linux等主流的嵌入式操作系統；支持數據Cache和指令Cache，具有更高的數據和指令處理指令。 (2)PC/104主板 PC/104是工業嵌入式板卡較多采用的一種規格。采用PC/104規范的主板，再配以微軟操作系統，用戶就可容易地實現編程和擴充標準的外圍設備。這些標準的外圍設備包括視頻接口、存儲設備、鍵盤、網絡接口、串口、并口、數據采集模塊及其他一些特殊設備。另外，結構上的加固型設計使得PC/104系統可應用到強振動及強撞擊等惡劣應用環境。 (3)比較 ARM芯片與PC/104主板相比較，具有功耗低、體積小、價格低的優勢。但ARM嵌入式系統開發中涉及到ARM仿真器與ARM編譯器的使用，編譯后的最終程序需要導入芯片中。對于沒有相關開發經驗的工程師，熟悉ARM芯片開發需要一定時間，設計周期也自然會延長很多。此外，ARM芯片規格較為固定，其各種配置不能靈活改動。 PC/104主板能很好地與Windows系統兼容，其開發過程與普通PC機的開發幾乎沒有差別，可最大程度地降低開發難度、縮短開發周期。其模塊化的配置方式使其成為低成本、高可靠性、能迅速配置成產品的結構化模塊。與ARM芯片相比，功耗高、體積大、價格高是其缺點。 2. 操作系統 目前，嵌入式系統常用的操作系統有VxWorks、Linux、Windows。 (1)VxWorks VxWorks因出現較早、實時性強、內核很小、可靠性較高等，所以在北美應用很廣泛。特別是在通信設備等實時性要求較高的系統中，幾乎非VxWorks莫屬。VxWorks的很多概念和技術都和Linux很類似，主要是用C語言開發。但VxWorks因價格很高，所以一般應用中很少采用這種操作系統。 (2)Linux Linux是一種免費、開源的操作系統，因此其支持軟件多，可用資源豐富。目前應用在嵌入式領域的Linux系統主要有兩類：一類是專為嵌入式設計的已被裁減過的Linux系統，最常用的是uClinux(不帶MMU功能)，目前占較大應用份額，可應用在ARM7上；另一類是應用在ARM9上，將Linux的內核移植在其上，可使用更多的Linux功能。缺點是一般開發人員不太熟悉Linux，開發難度較大。 (3)Windows WinCE推出只有幾年時間，但目前已占據了很大市場份額。由于WinCE開發都是大家熟悉的VC++環境，所以對于一般的開發人員都不會有多大難度，這也是WinCE容易被人們接受的原因。開發環境方便快速，微軟的強大技術支持，使得WinCE開發難度遠低于嵌入式Linux。此外，WinCE與WindowXP及Win2000的同族性，保證了原來在PC機上開發的程序可容易移植到嵌入式系統中。 三 新型嵌入式系統開發的兩種模式 綜合各種技術的特點及嵌入式系統的技術發展現狀，給出兩種設計方案：ARM芯片+uClinux操作系統、PC/104主板+WinCE操作系統。 1. 采用ARM芯片+uClinux操作系統設計 這種開發模式在當前非常盛行。ARM芯片功耗低、體積小、極高性價比。uClinux操作系統是一種開放性、免費操作系統。ARM芯片+uClinux操作系統是將性能與價格極優配置的一種開發模式。 但這種開發模式也有其缺點。首先，對于沒有相關開發經驗的技術人員，熟悉ARM芯片與uClinux操作系統需要時間花費，研發周期與研發費用值得考慮。第二，如果原來已采用工控機方式開發VC++的應用程序，將它移植到uClinux操作系統工作量大。因此，這種 開發模式適于做全新開發時采用。 2. 采用PC-104主板+WinCE操作系統設計 這是極便捷的開發模式。在硬件設計時，與DIY家用電腦一樣，將通信管理機的幾個模塊組裝在一起即可。這幾個模塊分別為：PC/104主板、CF存儲卡、電源、機箱。 PC/104主板可采用各大廠商提供的工控主板。目前主流的廠商有研華、研祥、凌華等。不同主板的差別主要有幾點：CPU速度(較高速度為PentiumIV，主流配置為PentiumIII，也可根據需要選擇更低配置)、SDRAM(32M/64M)、接口種類與數量(串口、網口、USB口等)、尺寸、功耗等，當然相應的其價格也有一定差別。 除此以外，還需配置一塊CF存儲卡，一般為64M/128M/256M，根據需要存儲的數據容量選擇CF卡容量。 電源選擇對于整個設備的穩定性至關重要。選擇電源時，需要確定幾個參數：功率(電源功率在滿足所有配件功耗的基礎上留15～20％裕量)、輸入/輸出電壓規格(輸入一般為AC220V，輸出根據主板的要求為DC5V、DC12V或其他)、過壓保護、過流保護、適用溫度、尺寸等。 機箱一般采用標準19英寸機架式設計，一般為2U高度，也可根據內部配件的尺寸設計為4U高度。在面板上安裝相應的接口插頭、插座、開關按鈕等就完成了整個設備硬件設計。 軟件設計更簡單。由于采用WinCE操作系統，軟件的開發與一般PC機上的開發完全相同。如果原系統采用工控機設計已有成熟可用的軟件程序，只需將該程序安裝在WinCE操作系統下即可。這種模式對于舊系統的升級更新非常適用，避免了重復勞動，也節約了研發成本縮短了開發周期。而且，WinCE操作系統的價格非常低。與Windows2000/WindowsXP操作系統的購買成本比較，幾乎可忽略不計。 從研發角度，PC/104主板+WinCE操作系統模式無疑是極佳的選擇。從生產角度，PC/104主板在價格上不及ARM芯片有競爭力，但是與工控機比較優勢非常明顯，這種模式非常適于舊系統的升級換代。 四 結束語 采用ARM芯片+uClinux操作系統模式，或者PC/104主板+WinCE操作系統模式各有其優缺點。可根據已有舊系統的情況、開發人員情況、開發周期等多方面因素進行選擇。 |
