嵌入式測控系統(tǒng) 概述

1、嵌入式控制系統(tǒng)主講老師：趙偉自動控制系導航研究中心辦公電話：02584892304網(wǎng)頁：1所需基礎(chǔ)課程：數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)微機原理單片機原理計算機接口技術(shù)C語言程序設(shè)計電子CAD技術(shù)：Protel電路設(shè)計嵌入式控制系統(tǒng)2132何謂嵌入式系統(tǒng)未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)簡介3 嵌入式技術(shù)無處不在處理文檔、進行工作管理和生產(chǎn)控制的計算機各種使用嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品，如：MP3、PDA、手機、智能玩具，網(wǎng)絡家電、智能家電、車載電子設(shè)備等在工業(yè)和服務領(lǐng)域中，大量嵌入式技術(shù)也已經(jīng)應用于工業(yè)控制、數(shù)控機床、智能工具、工業(yè)機器人、服務機器人等各個行業(yè)，正在逐漸改變著傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和服

2、務方式0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)4國際芯片市場來看據(jù)統(tǒng)計每年只有10-20%的計算機芯片是為臺式PC或膝上電腦而設(shè)計的。 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計制造的CPU每年大概有10-20億片。每年又有1萬個新的嵌入式系統(tǒng)計劃產(chǎn)生，而且越來越多的系統(tǒng)需要復雜的嵌入式操作系統(tǒng)。如：手持設(shè)備市場。2000年的全球產(chǎn)銷量為1290萬部，而到2004時為6340萬部。0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)5中國信息家電市場2001年達到500億 700億元，2004年達到3500億 5000億元。國內(nèi)現(xiàn)有8000萬有線電視網(wǎng)用戶、3億多臺彩色電視機和7000多萬臺VCDDVD機。業(yè)內(nèi)分析，未來10年是國內(nèi)機頂盒生產(chǎn)的黃金時期，10年總量可望

3、達到11.5億臺，總產(chǎn)值在6001500億元人民幣之間。僅此一項，嵌入式軟件開發(fā)商每年獲得的授權(quán)收入即可達到1015億元。0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)6嵌入式技術(shù)將成為后PC時代的主宰嵌入式技術(shù)成為當前微電子技術(shù)與計算機技術(shù)中的一個重要分支。 使計算機的分類從以前的巨型機、大型機、小型機、微機之分變?yōu)榱送ㄓ糜嬎銠C和嵌入式系統(tǒng)之分。嵌入式的應用更是涉及金融、航天、電信、網(wǎng)絡、信息家電、醫(yī)療、工業(yè)控制、軍事等各個領(lǐng)域，以致一些學者斷言嵌入式技術(shù)將成為后PC時代的主宰。0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)7后PC時代產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)8什么是嵌入式系統(tǒng)根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：嵌

4、入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置”（原文為devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)9簡單地講嵌入性：嵌入到對象體系中，有對象環(huán)境要求專用性：軟、硬件按對象要求裁減計算機：實現(xiàn)對象的智能化功能就是嵌入到對象體中的專用計算機系統(tǒng)三要素：嵌入、專用、計算機嵌入式系統(tǒng)的特點:由三要素引出0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)10廣義地說一個嵌入式系統(tǒng)就是一個具有特定功能或用途的計算機軟硬件集合體。即以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)

5、、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng) 。嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的最高形式片上系統(tǒng)（SOC） 0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)11嵌入式處理器的分類和現(xiàn)狀微控制器（MCU）數(shù)字信號處理器（DSP）片上系統(tǒng)（SOC）可編程片上系統(tǒng)（SOPC）0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)12MCU嵌入式微控制器的典型代表是單片機這種位的電子器件,目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)13MCU處理

6、能力非常有限MCU微控制器，總線寬度一般為4位、8位或16位，處理速度有限，一般在幾個MIPS，進行一些復雜的應用很困難，運行操作系統(tǒng)就更難。MIPS：Million Instructions Per Second0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)14DSPDSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)計，在數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應用。DSP是運算密集處理器，一般用在快速執(zhí)行算法，做控制比較困難。為了追求高執(zhí)行效率，不適合運行操作系統(tǒng)，核心代碼使用匯編。0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)15SOCSOC（片上系統(tǒng)）是IC設(shè)計的發(fā)展趨勢。采用SOC

7、設(shè)計技術(shù)，可以大幅度地提高系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)的面積和功耗，降低系統(tǒng)成本，極大地提高系統(tǒng)的性能價格比。SOC芯片已經(jīng)成為提高移動通信、網(wǎng)絡、信息家電、高速計算、多媒體應用及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)16SOPC 用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPC?？删幊唐舷到y(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)17嵌入式技術(shù)刺激了許多新的應用需求嵌入式技術(shù)發(fā)展又在不斷刺激新的技

8、術(shù)產(chǎn)生 信息家電、醫(yī)療電子病歷、微小型智能武器消費電子嵌入式應用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡設(shè)備工業(yè)軍事國防電子商務網(wǎng)絡0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)18工業(yè)控制 工業(yè)設(shè)備是機電產(chǎn)品中最大一類過去在工業(yè)過程控制、數(shù)字機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測、石油化工系統(tǒng)等方面，大部分低端型設(shè)備主要采用是位單片機。 隨著技術(shù)發(fā)展，目前許多設(shè)備除了進行實時控制，還須將設(shè)備狀態(tài)，傳感器的信息等在顯示屏上實時顯示。0.0 何謂嵌入式系統(tǒng)19嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域20信息家電信息家電將成為嵌入式系統(tǒng)最大的應用領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域只有按鈕、開關(guān)的電器顯然已經(jīng)不能滿足人們的

9、日常需求。具有用戶界面，能遠程控制，智能管理的電器是未來的發(fā)展趨勢，如冰箱、空調(diào)等的網(wǎng)絡化、智能化等。21嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域22消費類電子智能玩具、手持通訊的核心嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域23智能玩具與機器人嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域24交通管理、環(huán)境監(jiān)測交通管理在車輛導航、流量控制、信息監(jiān)測與汽車服務方面，目前GPS設(shè)備已經(jīng)從尖端產(chǎn)品進入了普通百姓的家庭嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域水文資料實時監(jiān)測，防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、堤壩安全，地震監(jiān)測網(wǎng)，實時氣象信息網(wǎng)，水源和空氣污染監(jiān)測。加油站、停車場管理25嵌入式Internet應用嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域26汽車電子嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域27軍事國防領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應用

10、領(lǐng)域28航天領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域29Any Time,Any Where, Any Medium, Any Content未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢30嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的知識硬件軟件硬件：軟件3：7軟件開發(fā)的特點：必須了解硬件、最好精通短小精悍實時性好操作系統(tǒng)（RTOS）31 1.1 測控系統(tǒng)的任務在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中， 對于每一個工業(yè)過程， 人們都需要通過各種方法獲取能反映事物客觀變化或?qū)ο筮\動屬性的各種數(shù)據(jù)， 記錄下來進行分析處理， 并根據(jù)所獲得的信息采取措施， 支配客觀事物或?qū)ο蟮倪\動過程， 以保證生產(chǎn)過程按人們的愿望進行。 這個過程分為兩個部分： 一個是對生產(chǎn)過程狀況的了解， 就是檢測過程

11、； 一個是對生產(chǎn)過程的改變， 就是控制過程。 完成檢測任務的系統(tǒng)稱為測量系統(tǒng)， 用于控制過程的系統(tǒng)稱為控制系統(tǒng)。 測量的目的在于控制，因此， 很多情況下在一個系統(tǒng)中， 測量與控制是同時存在的， 這就是所謂的測控系統(tǒng)。 0.1 測控系統(tǒng)的任務32目前，測控系統(tǒng)在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、 國防、 航天航空等領(lǐng)域得到了廣泛應用。 測控系統(tǒng)按照任務的不同， 可以分為以下三類： （1）測量系統(tǒng)： 單純以測量為目的， 主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與分析處理。 （2）控制系統(tǒng)： 單純以控制為目的， 控制被控對象達到預期的目的。 （3）測控系統(tǒng)： 能同時完成測量與控制任務。 0.1 測控系統(tǒng)的任務331.2測控系統(tǒng)的發(fā)展測試技術(shù)從

12、古代就出現(xiàn)了， 隨著科學技術(shù)的不斷進步， 尤其是近代， 微電子技術(shù)和計算機技術(shù)飛速發(fā)展， 測控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和設(shè)計上隨之有了突飛猛進的發(fā)展。 20世紀30年代到40年代， 當時的工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模還很小， 主要是單機生產(chǎn)， 批量也小， 測控儀表采用基地式儀表， 即采用安裝在設(shè)備上的單體儀表，儀表與儀表之間不能進行信息傳遞。 0.2 測控系統(tǒng)的發(fā)展3420世紀50年代到60年代， 出現(xiàn)了單元組合式儀表與檢測裝置。 生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后輸出的模擬信號統(tǒng)一送往控制室，再由各類儀表測量顯示， 實現(xiàn)集中監(jiān)測、 集中操作與控制。0.2 測控系統(tǒng)的發(fā)展3520世紀70年代， 生產(chǎn)過程逐步向自動化方向發(fā)展

13、， 特別是計算機的出現(xiàn)，使工業(yè)自動化進入到一個嶄新的階段， 出現(xiàn)了以計算機為核心的測控系統(tǒng)。 計算機測控系統(tǒng)可以將工業(yè)現(xiàn)場的各種參數(shù)進行采集、 集中分析與處理， 完成過程控制任務。 20世紀70年代后， 隨著微處理器技術(shù)及嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展和應用， 測控系統(tǒng)逐步向小型化、 智能化、 便攜式、 系統(tǒng)化方向發(fā)展， 出現(xiàn)了GPIB儀器、智能儀器、 智能傳感器、 VXI儀器等， 大大增強了系統(tǒng)的通用性與可擴展性。特別是計算機網(wǎng)絡技術(shù)的出現(xiàn)， 使測控系統(tǒng)正朝著網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)的方向發(fā)展。 0.2 測控系統(tǒng)的發(fā)展361.3嵌入式測控系統(tǒng)的基本組成在生產(chǎn)過程中， 被測參量分為非電量與電量。 常見的非電量參數(shù)

14、有位移、 液位、 壓力、 轉(zhuǎn)速、 扭矩、 流量、 溫度等； 常見的電量參數(shù)有電壓、 電流、 電阻、 電容、 電感等。 盡管非電量參數(shù)種類繁多， 但都可以通過各種類型的傳感器將非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出。 0.3 測控系統(tǒng)的基本組成37從時域的角度來看， 電量又分為模擬量和數(shù)字量兩種。 模擬量是隨時間變化的量， 模擬信號用計算機進行采集時需要設(shè)計模擬輸入通道， 利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再由計算機接收。 有些傳感器的輸出信號直接為脈沖信號， 可以利用計數(shù)器對脈沖個數(shù)進行計數(shù)， 計數(shù)結(jié)果再送入計算機。工業(yè)生產(chǎn)過程中使用的執(zhí)行機構(gòu)， 其控制信號大部分接收的都是模擬量，因此， 系統(tǒng)必須設(shè)計模擬

15、輸出通道， 將計算機輸出的數(shù)字量控制信號經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器后變?yōu)槟M量輸出， 再去控制執(zhí)行機構(gòu)動作。 0.3 測控系統(tǒng)的基本組成38另一類信號稱為開關(guān)量信號， 控制面板上安裝的啟動按鈕、 停止按鈕、 電機正轉(zhuǎn)按鈕、 電機反轉(zhuǎn)按鈕以及生產(chǎn)設(shè)備上安裝的位置檢測開關(guān)等都屬于開關(guān)量輸入信號， 這類信號的狀態(tài)要通過測控系統(tǒng)中設(shè)計的開關(guān)量輸入通道送入計算機， 經(jīng)計算機的判別后， 發(fā)出控制命令。 系統(tǒng)中狀態(tài)指示燈的亮滅， 報警器的啟停， 繼電器、 接觸器的開閉和電磁閥的通斷等控制， 在計算機測控系統(tǒng)中是通過設(shè)置的開關(guān)量輸出通道來實現(xiàn)控制的。 由上述可見， 計算機測控系統(tǒng)由模擬量輸入通道、 模擬量輸出通道、 計

16、數(shù)通道、 開關(guān)量輸入通道和開關(guān)量輸出通道等部分組成， 如圖1-1所示。0.3 測控系統(tǒng)的基本組成39圖1-1計算機測控系統(tǒng)的基本組成0.3 測控系統(tǒng)的基本組成40 第 一 章 計算機串行通信接口技術(shù)（10學時） 特點：連線簡潔、通信距離遠1.1 異步串行通訊（2學時）1.2 SPI 接口（1學時） 1.3 I2C 總線與2 線接口（1學時） 1.4 USB 總線（1學時） 1.5 CAN 總線（1學時） 1.6 長距離通信問題（1學時） 1.7 開機握手與波特率自動同步（1學時） 1.8 實例（2學時）411 什么是異步串行通訊 異步串行通信是指不使用同步時鐘信號進行通信的方案要求：收發(fā)雙方使

17、用相同的位速率(即波特率：每秒傳送的數(shù)據(jù)位數(shù))優(yōu)點：減少連線（至少可以減少1條時鐘同步線）1.1 異步串行通訊421.1.1 異步串行通信硬件 異步串行通信種類：RS-232(A、B、C，A、B 已不用)20mA 電流環(huán)RS-422/RS485RS-232 C：三線通信（收、發(fā)、地）5-9位數(shù)據(jù)低位在前，高低在后，逐位發(fā)送負邏輯1.1 異步串行通訊431.1.1 異步串行通信硬件 標準異步通訊邏輯標準波特率：300,600,1200,2400,4800,9600,19200,38400bps PC 機最高支持115.2k 的波特率1.1 異步串行通訊441.1.1 異步串行通信硬件 RS-232C 規(guī)定：當信號電平為-3V-15V 時，為邏輯1，稱SPACE 狀態(tài)當信號電平為+3V+15V時，為邏輯0，稱MARK 狀態(tài)-3V+3V 的信號為無效信號。所以RS-232C 是負邏輯。 RS-232C信號電平與TTL 信號電平的轉(zhuǎn)換通過專用器件完成，常用的有1488/1489、MAX232 等。1.1 異步串行通訊451.1.1 異步串行通信硬件 多路異步串行信號的擴展：TL16C5541.1 異步串行通訊461.1.2 異步串行通信的直接連接1.1 異步串行通訊471.1.2 異步串