（机械电子工程专业论文）嵌入式pcb钻床数控系统的研究和开发.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统是一种以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适 应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。随着计算机 软硬件技术的迅速发展，嵌入式系统技术日趋成熟和完善，其可靠性高、性能强、 成本低、功耗小等优点促使其在工业控制、交通管理、环境检测、数控系统等众 多领域中获得了广泛的应用。同时，刷电路板是现代电子产品中必不可少的，随 着印刷电路技术的发展，对其制造工艺和制造设备提出了更高的要求。机械加工 是印刷电路板制造工艺中重要的环节。 本文结合开发项目“基于嵌入式p c b 钻床数控系统的研究与开发”，在深入研 究嵌入式系统技术的基础上选择具体的硬件平台和软件平台进行钻床嵌入式数控 系统的研发，硬件结构以高性能低功耗的3 2 位a r m 嵌入式处理器l p c 2 2 1 0 为核 心，配以系统所需的外围模块；软件系统以源码公开的u c o s i i 实时嵌入式操作 系统为核心，开发系统所需的应用软件，将u c o s i i 实时嵌入式操作系统扩展为 一个完整、实用的铣床嵌入式数控系统。该系统不仅具有可靠性高、稳定性好、 功能强的优点，而且具有良好的可移植性和可裁剪性，便于根据实际需求进行功 能的扩展和裁剪。 关键词：嵌入式系统，数控系统，p c b ， u c o s i i ，钻床 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c k e m b e d d e ds y s t e mi sak i n do fs p e c i a la p p l i c a t i o n o r i e n t e dc o m p u t e rs y s t e m i ti s b a s e do n c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dc a r lm e e tt h es t r i c t r e q u i r e m e n to ff u n c t i o n ， r e l i a b i l i t y , c o s t ，v o l u m e ，a n dp o w e rc o n s u m p t i o nb ya d j u s t i n gi t sh a r d w a r ea n d s o f t w a r e w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fh a r d w a r et e c h n o l o g ya n ds o f t w a r et e c h n o l o g yo f t h ec o m p u t e r , e m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g yi sg e t t i n gm o r er e l i a b l ea n dp e r f e c ts t e pb y s t e p a tp r e s e n t ，e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nw i d e l yn s e di nm a n yf i e l d ss u c ha s i n d u s t r i a lc o n t r o l ，t r a f f i c c o n t r o l ，a n de t c ，b e c a u s e o fi t s h i g hr e l i a b i l i t y , h i 曲 p e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n ds oo n ，t h es a r n et i m eo f , p r i n t e dc i r c u i t b o a r d ( p c b ) i sf i l la b s o l u t e l yn e c e s s a r yp a r to fm o d e me l e c t r o n i cp r o d u c t s ，谢t ht h e d e v e l o p m e n to fp c bt e c h n o l o g y , f u r t h e rn e e d sr r ep u tf o r w a r dt oi t sm a n u f a c t u r i n g p r o c e s sa n de q u i p m e n t a st h es p e c i a le q u i p m e n to fp c bm e c h a n i c a lp r o c e s s i n gw h i c h i sa ni m p o r t a n tp r o c e d u r eo f p c bm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 。 c o m b i n e d 哇t h t h e p r o j e c t r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f e m b e d d e d n c s y s t e mu s e d o hap c bd r i l l ，a n db a s e do ni n - d e p t hs t u d yo nt e c h n o l o g yo fe m b e d d e ds y s t e m ，t h i s d i s s e r t a t i o nc h o o s e ss p e c i f i cp l a t f o r mo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r et or e s e a r c ha n dd e v e l o p t h ee m b e d d e dn cs y s t e mo fm i l l i n gm a c h i n e - t h ek e r n e lo fh a r d w a r ei st h e 3 ，2 _ b i t e m b e d d e dc p ul p c 2 2 1 0w i t hc h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲p e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o n a n di ti sa l s oe q u i p p e dw i t ht h er e q u i r e dp e r i p h e r a lm o d u l e st oe x t e n d i t s e l ft oo n ew h o l eh a r d w a r es y s t e m t h es o f t w a r ei sb a s e do nu c t o s - i ir e a l - t i m e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，a n dt h er e q u i r e da p p l i c a t i o ns o f t w a r en e e d st ob e d e v e l o p e ds o a s t ot u r nu c o s i ir e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi n t oo n e p r a c t i c a le m b e d d e dn cs y s t e mo fd r i l lm a c h i n e ，w h i c hn o to n l yh a sv i r t u e so fh i g h r e l i a b i l i t y , h i g hp e r f o r m a n c e ，b u ta l s oc a nb et r a n s p l a n t e da n dt r i m m e ds ow e l l a st o m o d i f yf u n c t i o nc o n v e n i e n t l ya c c o r d i n gt os y s t e mr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：e m b e d e ds y s t e m ，n cs y s t e m ，p c b ，u c o s - i i ，d r i l l e r l i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保留并向国家 有关部r j 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可 以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口。在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名= 江嚣密 d f 年月g 日 指导教师签名 舟| 。乩日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月曰 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 印刷电路板( p c b ) 是现代电子设备、电子仪器和电子计算机中必不可少的部 分，印刷电路板的制造质量直接影响到电子仪器设备的可靠性和稳定性，甚至成 为其成败的关键，同时它也影响到电子仪器、设备的成本和产品的市场竞争力。 在印刷电路板的制造过程中，机械加工是不可缺少的一个环节，比如印制电路板 的外形和各种用途的孔( 引线孔、中继孔、机械安装孔、定位孔等) 都是通过机械加 工完成的。目前，印制电路板的机械；0 n - r 方法可根据其加工工具、设备和加工手 段分为手工加工、手工仿形加工和数控加工。其中数控加工是当前最为常用的机 械加工方法。采用数控加工就需要数控设备，这些设备包括数控钻床、数控铣床 和数控冲床。而在印制电路板生产制造公司里普遍的采用数控钻床来完成对印制 电路板孔的加工。因此，数控钻床对印制电路板生产和制作具有重要的意义。 1 1 1 机床数控系统简述 数控技术是一门由机械学、电子学、控制论、计算机科学四大基础学科发展 起来的- n 综合性新型学科。而数控机床( n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l s ) 目p 是采用 了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。因此，数控技术是数控机 床的关键技术。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术，对国民 经济的发展起着重要的作用。 数控机床具体的来讲是一种采用计算机进行数字处理来实现高效控制、自动 加工的机床，它根据按1 s 0 指定的代码格式编写的加工程序，发出各种控制指令， 实现要求的机械加工，自动完成加工任务。按照数控系统的功能水平，数控系统 可分为经济型、普及型和高档型。 ( 1 ) 经济型数控系统。仅能满足一般精度要求的加工，加工形状较为简单的直 线、斜线、圆弧以及带螺纹类的零件；微机系统为单板机或者单片机系统，具有 数码显示或c r t 字符显示功能；机床进给由步进电机实现开环驱动，控制的轴数和 联动轴数为3 轴或3 轴以下；进给分辨率为l o g m ，快速进给速度可达lo m m i n 。这类 机床结构一般比较简单，精度中等，价格较为低廉，常见的有经济型数控线切割 机床、数控钻床、数控车床、数控铣床及数控磨床等。 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 普及型数控系统。功能较多，以实用为主，除了具有一般数控系统的功能 以外，还具有定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等：采用的微机系统 为1 6 为或者3 2 位微处理器，具有r s 2 3 2 c 通讯接口：机床的进给多用交流或者直流 伺服驱动，实现4 轴或4 轴以下的联动控制：进给分辨率为1 1 t m ，快速进给速度为 1 0 2 0 r r d m i n ；输入输出的控制通过可编程控制器来实现，大大增强系统的可靠性 和控制的灵活性。这类数控机床的品种极多，几乎覆盖了各种机床类型，且价格 适中。 f 3 ) 高档型数控系统。能够加工复杂形状的工件，工序集中、自动化程度高、 功能强、具有高度柔性；微机系统为3 2 位以上的微处理器；机床进给采用交流伺 服驱动，实现5 轴联动控制或多个联动单元同时控制；最小进给分辨率为0 1 t a m ， 最大快速移动速度达至j j l 0 0 m r a i n 或更高；具有三维图形显示功能和友好的图形用 户界面；具有丰富的刀具管理功能、宽调速主轴系统、多功能智能化监控系统和 面向用户的宏程序功能；具有很强的智能工艺数据库和智能诊断功能，实现加工 条件的自动设定：具有计算机的联网和通信功能。这类系统功能齐全。价格昂贵， 常见的有具有5 轴联动控制的数控机床、五面加工中心、车削中心等。【l t 2 矗4 】 1 1 2 数控机床发展概况 我国数控机床的发展一直受国家经济发展状况、数控技术发展水平和国家扶 持政策等因素所影响。总体上来看，我国数控机床的发展经历了三个阶段。 ( 1 ) 初始发展阶段( 1 9 5 8 1 9 7 9 年) ，我国数控机床发展十分缓慢，特别是受到电 子技术发展以及国产数控系统可靠性差的瓶颈制约，使我国的数控机床未能形成 产业。在此期间，我国共生产数控机床4 1 8 0 台，其中以5 0 6 0 为线切割数控机 床。 ( 2 ) 1 9 7 9 年以后，在开放政策的指导下，国家大力支持机床行业，通过引进技 术与自主创新相结合发展我国的数控机床产业，促进我国数控机床产业化生产， 突破瓶颈，带动其他相关产业的发展。在“六五”、“七五”、“八五”三个五年计 划期间，我国有8 0 余家企业通过许可证贸易、合作生产、购买样机、来料加工或 合资生产等方式，先后从日本、德国、美国十多个国家引进与数控机床生产及应 用有关的数控系统、伺服系统、机床电器和各种附件及测量技术，促进了我国数 控机床业的发展和技术水平的提高，但在引进技术中也存在一些问题。从整个行 业的技术引进状况来看，引进散件组装的技术多，而引进设计、开发技术较少： 江苏大学硕士学位论文 数控主机引进较多，数控配套产品项目较少；引进许可证贸易的多，合资生产的 少；引进“大路”技术多，高水平技术少，有些产品和技术甚至是淘汰的。为了 促使我国数控机床产业更快发展，我国在引迸技术、消化吸收和国产化的同时， 开展科技攻关和技术开发，使我国数控机床和数控系统初步具备了自行开发的能 力，品种和产量均有较大增长，例如“八五”攻关完成后，数控系统的品种满足 率从“七五”末的4 0 提高到“八五”末的7 0 。通过上述几个五年计划的技术改 造，我国数控机床初步形成了产业体系，有了一定数量的数控主机厂、数控系统 及数控配套产品生产厂。 ( 3 ) 1 9 9 2 年以来，随着我国市场体系的逐步建立和完善，国民经济的快速发展 拉动了数控机床产业的迅速发展。经过“九五”，数控车床和加工中心的产业化生 产基地己初步形成，所生产的普及型数控机床在性价比方面己具有相当的市场竞 争力，只是在可靠性方面还比不上国外同类产品。在中、高档数控机床方面，与 国外一些先进产品相比，在功能、性能、可靠性等方面仍存在较大差距。 目前，国内自行开发的机床数控系统大多是基于p c b a s e 或者基于单片机的 控制系统，没有自主知识版权的系统开发平台，关键检测元件的速度和精度均达 不到高档数控的要求。在这些关键技术方面存在的缺陷与不足直接影响到整个控 制系统的技术水平与可靠性，致使难以与国外产品竞争。目前，国内生产的中档 数控产品中有相当部分是采用国外的控制系统，如日本f a n u c 公司的i m a t e ， o i m - c ，2 1 i m b ，德国s i m e n s 公司的8 0 2 c e ，8 0 2 d ，8 1 0 d 。至于高档数控机床几 乎全部是进口的。国外中高档数控机床主流产品的控制器采用自主开发的操作系 统，具有功能强、性能好、稳定性好、可靠性高等突出优点，但由于它在结构上 封闭式的，用户几乎无法进行修改或进行二次开发，因而难以适应用户的特殊要 求和迸行系统集成。 随着我国经济的发展，我国机床需求旺盛，市场巨大。2 0 0 3 年机床消费额达 6 7 3 亿美元，己超过美国，成为全球最大的机床消费国。其中数控机床己成为机床 消费的主流。预计2 0 1 0 年我国数控机床消费额将达n 6 0 亿美元，台数将超过1 0 万 台。国家第十个五年计划强调大力发展国产数控机床，这是我国的产业政策。如 果中高档数控机床的关键技术、高价位的部件都掌握在国外厂商手中，必将牵制 我国制造业的发展。我国不仅要成为制造业大国，更重要的是要成为制造业强国， 为此必须强化数控系统关键技术方面的自主开发能力，拥有自主知识版权的中高 江苏大学硕士学位论文 档数控系统。发展国产中高档数控机床是必经之路，这样才能打造好国产品牌， 让其在国内外激烈竞争中增强竞争力，抢占市场，替代进口。【5 “1 1 1 3p o b 钻床数控系统现状 钻孔是p c b 加工过程的一个重要环节，目的是在p c b 上形成各种盲孔f b l i n d v i a ) 、埋孑l c o u r i e dv i a ) 和通孑l ( t h r o u g hv i a ) ，用来安装元件或者形成通路，通常钻孔 的费用占p c b f l ；t j 板费用的3 0 到4 0 。随着国内p c b 产业的快速发展，对p c b , i 工 专用设备的需求也随之增加，因此市场前景十分看好。目前p c b 钻孔的主要设备是 专用数控钻床，以下是该设备的国内技术现状”1 ： 在机床台面方面：为了使机床有足够的稳定性、刚性，避免振动许多厂商都 采用大理石作为床身的材料，某些日本的厂商采用钢材做床身，由于钢材在不同 的温度下的变形比大理石大，不稳定，厂商会在软件中采用补偿来消除变形造成 的精度损失。目前大多数进口高档机床采用都是天然大理石、人造大理石或花岗 岩作为床身，而国内的产品以铸铁床身为主。 在主轴的转速和稳定性方面：目前采用的转轴有两种，一种为滚动轴承转速 最高8 万转，另一种为空气轴承转速最高可达1 2 万转。高的主轴转速可以提高钻孔 的效率，但对主轴的散热、除尘和钻头的质量有较高要求。主轴的转速根据不同 的孔径和基板材料可以自动调节，一般采用变频器提供1 2 1 6 级调速。 在台面的定位精度和重复定位精度方面：定位精度和重复定位精度是p c b 钻床 的关键指标，一般进口机床达g k j 士5 i _ t a ：3 9 ，中低档产品为士1 0 p ：l ：6 p 。 在x 、y 、z 轴的进给速率方面：进给速率目前一般的用丝杠步进电机，速度 为2 5 米每分钟，而新的产品己采用伺服电机，高的进给速度可提高产能2 0 到4 0 ，z 轴的进给速率受到钻头和所钻材料的影响，对生产效率影响不是很大。 在台面的移动及固定装置方面：台面的移动承载主要以导轨为主，也有以气 浮作为台面移动的承载。台面固定线路板的装置一般为气动夹头，该夹头设计对 以后设备的更换有重要影响，般要求不易磨损，因该处磨损时设备中磨损最严 重的地方之一。一旦磨损更换及调试要简便，包括对于机床定位精度的调试。目 前有许多国外厂商提供自动装夹装置。 在刀具管理系统方面：目前机床刀具较少有的只有8 个刀具夹，中低档的机 床不具备自动换刀功能。 在操作系统方面：目前国内的中低档p c b 钻床一般采用d o s 操作系统，采用单 4 江苏大学硕士学位论文 _ ，。_ - _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ 一 片机控制步进电机的形式。进口的许多机床已采用通用的w i n d o w sn t 操作系统， 提供比较友好的人机界面。 在驱动系统方面：大部分p c b 钻床采用工控机加运动控制卡。这样无形加大 了p c b 钻床的成本。 1 2 课题的来源与设计目标 1 2 1 课题来源 本课题来源于江苏大学和某p c b 数控钻床厂的联合开发项目“嵌入式p c b 钻床 数控系统的研究和开发”。该厂的市场调查表明，现阶段我国除了少数p c b 生产企 业外，大多数企业生产的p c b 板子中占8 0 9 0 的是线宽5 - 8 m i i ( 0 。1 3 一o 。2 0 m m ) 、 孔径0 3 唧以上的板子，而这类板子也是多数企业盈利所在。同时，加工这类板 子设备就是数控钻床。由此可以看出p c b 数控钻床还是有很大的市场潜力。 t2 2 设计目标 采用常规数控系统或者运动控制器加工控机开发p c b 钻床的控制系统成本高， 而嵌入式系统构建的控制系统相对而言成本低，但功能并没有随着成本降低而降 低。故而，本课题基于嵌入式系统来开发数控系统。 鉴于上述的状况和市场需要，本设计的指标如下： 基于嵌入式系统来构建数控系统。 三坐标四伺服轴( 其中为双z 轴，即主轴迸给要求双驱动轴同步迸给以提 高生产效率) 。 钻孔频率3 0 0 次分钟；丝杠螺距6 m m 。定位精度重复定位精度5 3 弘。 主轴采用气浮轴承，最高转速1 2 5 0 0 0 转分钟，1 6 级速度调节，由四路开 关量控制。 自动更换钻头，共设1 2 把钻头，刀库位置任意设置，钻孔直径0 2 6 5 m m 。 机器的基础件包括底脚、床身、横梁、工作台、左右底板全部是“泰山青”， 或“济南青”花岗岩。 采用交流伺服电机。 提供友好的人机界面，进而降低数控系统的操作难度和减轻操作人员劳动 江苏大学硕士学位论文 片机控制步进电机的形式。进口的许多机床已采用通用雕j w i n d o w sn t 操作系统， 提供比较友好的人机界面。 在驱动系统方面：大部分p c b 钻床采用工控机加运动控制卡。这样无形加大 了p c b 钻床的成本。 1 2 课题的来源与设计目标 1 2 1 课题来源 本课题来源于江苏大学和某p c b 数控钻床厂的联合开发项目“嵌入式p c b 钻床 数控系统的研究和开发”。该厂的市场调查表明，现阶段我国除了少数p c b 生产企 业外，大多数企业生产的p c b 板子中占8 0 9 0 的是线宽5 8 m i l ( 0 1 3 0 2 0 n a n ) 、 孔径0 3 m 以上的板子，而这类板子也是多数企业盈利所在。同时，加工这类板 子设备就是数控钻床。由此可以看出p c b 数控钻床还是有很大的市场潜力。 122 设计目标 采用常规数控系统或者运动控制器加工控机开发p c b 钻床的控制系统成本高， 而嵌入式系统构建的控制系统相对而言成本低，但功能并没有随着成本降低而降 低。故丽，本课题基于嵌入式系统来开发数控系统。 鉴于上述的状况和市场需要，本设计的指标如下： 基于嵌入式系统来构建数控系统。 三坐标四伺服轴( 其中为双z 轴，即主轴进给要求双驱动轴同步进给以提 高生产效率) 。 钻孔频率3 0 0 次分钟；丝杠螺距6 m m 。定位精度重复定位精度5 3 主轴采用气浮轴承，最高转速1 2 5 0 0 0 转分钟，1 6 级速度调节。由四路开 关量控制。 自动更换钻头，共设1 2 把钻头，刀库位置任意设置，钻孔直径0 2 6 5 m 。 机器的基础件包括底脚、床身、横梁、工作台、左右底板全部是“泰山青”， 或“济南青”花岗岩。 采用交流伺服电机。 提供友好的人机界面，进而降低数控系统的操作难度和减轻操作人员劳动 提供友好的人机界面，进而降低数控系统的操作难度和减轻操作人员劳动 江苏大学硕士学位论文 _ ，。_ - _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ 一 片机控制步进电机的形式。进口的许多机床已采用通用的w i n d o w sn t 操作系统， 提供比较友好的人机界面。 在驱动系统方面：大部分p c b 钻床采用工控机加运动控制卡。这样无形加大 了p c b 钻床的成本。 1 2 课题的来源与设计目标 1 2 1 课题来源 本课题来源于江苏大学和某p c b 数控钻床厂的联合开发项目“嵌入式p c b 钻床 数控系统的研究和开发”。该厂的市场调查表明，现阶段我国除了少数p c b 生产企 业外，大多数企业生产的p c b 板子中占8 0 9 0 的是线宽5 - 8 m i i ( 0 。1 3 一o 。2 0 m m ) 、 孔径0 3 唧以上的板子，而这类板子也是多数企业盈利所在。同时，加工这类板 子设备就是数控钻床。由此可以看出p c b 数控钻床还是有很大的市场潜力。 t2 2 设计目标 采用常规数控系统或者运动控制器加工控机开发p c b 钻床的控制系统成本高， 而嵌入式系统构建的控制系统相对而言成本低，但功能并没有随着成本降低而降 低。故而，本课题基于嵌入式系统来开发数控系统。 鉴于上述的状况和市场需要，本设计的指标如下： 基于嵌入式系统来构建数控系统。 三坐标四伺服轴( 其中为双z 轴，即主轴迸给要求双驱动轴同步迸给以提 高生产效率) 。 钻孔频率3 0 0 次分钟；丝杠螺距6 m m 。定位精度重复定位精度5 3 弘。 主轴采用气浮轴承，最高转速1 2 5 0 0 0 转分钟，1 6 级速度调节，由四路开 关量控制。 自动更换钻头，共设1 2 把钻头，刀库位置任意设置，钻孔直径0 2 6 5 m m 。 机器的基础件包括底脚、床身、横梁、工作台、左右底板全部是“泰山青”， 或“济南青”花岗岩。 采用交流伺服电机。 提供友好的人机界面，进而降低数控系统的操作难度和减轻操作人员劳动 江苏大学硕士学位论文 强度。 提供外部状态检测：主轴气体浮动轴承气压检测，主轴液压冷却状态检测， 换刀气压检测，主轴电源检测，断钻检测。 1 3 论文的主要工作和内容安排 第= 章嵌入式熏统控术 粪金额辫裂翰疆粥韪拦黔 第三章p c b 钻床结构与功雌设计 p c 8 盏控l 占柬结拇 殳 功能设计，上盟机与鼓控蕞境遇讯她 叟计 等四擎基于l p c 2 2 1 0 曲嵌入式藏控钻束前群平台 葬雾豁翘费粉鑫鳓磊搿望笛瞿嚣辖 曩罾啦。7 淮丑 蟊 襞￥；8 誊出丑其在蠡 第五章基于u c o s - u 的p c 晴用钻床蠡控蕞坑软件的开发 裂嘉篇黜主端域髀潜； | ；! 耋星嚣髅 计_ 醍实现人机界面，电机控制功能和板面墒鼻功蜷的实现 第 章苴培置晨望 全文总结，工作晨望 图1 1 论文的框架图 江苏大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统技术 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1嵌入式系统的定义及构成要素 嵌入式系统作为计算机的一种应用形式，是指嵌入在宿主设备中的微处理机 系统，它所强调的要点是辅助它所在的宿主设备去实现对被控对象的控制和管理 等功能。1 目前国内一个普遍被认同的定义是：嵌入式系统被定义为一种以应用为中 心，以计算机为基础，软硬件可剪裁，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗 严格要求的专用计算机系统【9 l 。在我们认识上，有广义和狭义之分。从广义上讲， 凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。从狭义上讲，嵌入式 系统强调是那些使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统，具有 特定功能，用于特定场合的专用计算机系统。嵌入式系统的三个基本要素：嵌入 性、专用性与计算机系统。 ( 1 ) 嵌入性。嵌入式系统需要嵌入到对象系统中，实现对被控对象的智能化控 制，因此其必须满足对象系统的环境要求，如物理环境( 小型) 、电气，气氛环境( 可 靠) 、成本( 价廉) 等要求； ( 2 ) 专用性。嵌入式系统专用性很强，软件和硬件紧密结合，通常进行系统的 移植时根据产品的具体情况不断修改系统的应用软件和硬件配置资源，因此嵌入 式系统必须具有软硬件的可裁剪性，满足被控对象的最小软、硬件配置等要求； ( 3 ) 计算机系统。嵌入式系统作为能够满足对象系统控制要求的计算机系统， 其必须配置有与对象系统相适应的接口电路。嵌入式系统由硬件和软件两大部分 组成，其中硬件包括嵌入式处理器和外围硬件设备，软件包括嵌入式操作系统及 用户应用软件“o “3 。 因此：嵌入式系统的核心= 嵌入式处理器+ 嵌入式操作系统+ 应用程序 2 1 2 嵌入式系统的特点 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，因而它是一个技术密集、资金密集、适用面广、不断创 新的知识集成系统。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比，具有以下特点： r 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。嵌入式处理器与通用型 处理器最大的不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，因而 江苏大学硕士学位论文 其功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用 要求的严格制约。不同目的、不同档次的嵌入式c p u 差别很大。体系结构从c i s c 到r i s c 和c o m p a c t r i s c ；位数从8 位到6 4 位；处理能力从0 1 m i p s 到2 0 0 0 m i p s 等待。而且很多微处理器为适应特定的应用目的把一些硬件( 如r a m ，r o m ) 和 硬件接口集成到芯片内部，从而有利于该类应用系统硬件设计的快速化和小型化。 ( 2 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计。量体裁农、去除冗余，力 争在同样的硅片面积上实现更高的性能：同时针对用户的具体需求，对芯片配置 进行裁剪和添加，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。所以嵌 入式系统要针对用户的具体需求，在外围硬件设计上只留下那些必不可少的部分， 所使用器件的性能也只须刚好满足应用的需要即可，甚至根据用户的特殊需要， 设计不同的系统以面向的不同的用户。以求达到毫无冗余、结构紧凑、最低成本、 最小体积。 ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代和具体产品同步 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。嵌入式系统的 应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长，和通用计算机软件不同，其很少发生 突然性跳跃，具有良好的可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。嵌入式处理器 的发展也体现出稳定性，一个体系的有效生命一般可达8 1 0 年以上。 ( 4 ) 软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的 软件般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 f 5 ) 嵌入式操作系统是实时多任务操作系统。简单的嵌入式系统可以不使用操 作系统，主程序使用一个消息控制环来调度各个任务。但复杂的嵌入式系统应该 使用操作系统，这样能将应用程序中的多个任务清晰便利地组织起来。而嵌入式 的操作系统多数为实时多任务操作系统( r e a lt i m eo p c r a t i n gs y s t e m ) ，它之所以 能满足高实时性要求是因为它支持基于某种调度算法的c p u 抢占。而且它是可裁 剪、可配置的，以提高运行速度，减小所需存贮器。 ( 6 ) 应用软件对硬件依软性强。由于嵌入式系统的专用性，所以运行其上的应 用软件也是专用于完成某应用的，所以其开发和使用都具备特定性。 f 7 1 嵌入式系统的开发需要开发工具和环境。嵌入式系统本身不具备自主开发 能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境包括基于通用 计算机上的软硬件设备，软件开发所需的r t o s 平台以及用于辅助系统调试和诊 断的逻辑分析仪、信号示波器等。【l 2 1 ”“叫 8 江苏大学硕士学位论文 2 1 3 嵌入式系统的发展 从2 0 世纪7 0 年代单片机的出现到当今高性能低功耗的嵌入式处理器的大规 模应用，嵌入式系统经历了软件和硬件逐渐发展与成熟的历程。其发展大致经历 四个阶段： 9 。1 2 1 4 j ( 1 ) 第一阶段是以8 位单片机为核心的嵌入式系统，它具有开发监测、伺服、 通信、指示等设备的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统 中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行控制。这一阶段系 统的主要特点是；系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几 乎没有用户接口。由于其使用简单、价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍， 但是己经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等 领域的需求。 ( 2 ) 第二阶段是以高性能的1 6 位、3 2 位或更高位的嵌入式c p u 为基础、以简 单操作系统为核心的嵌入式系统。其主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱； 系统开销小，效率高：操作系统达到一定的兼容性和扩展性：应用软件较专业化。 ( 3 ) 第三阶段是以具有较完善的嵌入式操作系统为特征的嵌入式系统。其主要 特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作 系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、 多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；有大量的应用程序接口a p i ， 开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。 ( 4 ) 第四阶段是在第三阶段的基础上增强并完善i n t e m e t 功能的嵌入式系统。 这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但 随着i n t e m e t 的迅速发展以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密 切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表嵌入式系统的未来。 2 2 嵌入式系统的结构“1 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有3 个部分，如图2 1 所示。 嵌入式应用程序 嵌入式 操作系统 硬件平台 应用程序 与操作系统的接口 操作系绕 与硬件的接口 图2 1嵌入式系统的基本结构 9 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 硬件环境 硬件环境是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，包括处理器、 存储器、外设及i o 端口等。不同应用通常有不同的硬件环境，硬件平台的多样性 是嵌入式系统的个主要特点。 ( 2 ) 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统完成嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能。具有内核较 精简、可配置、与高层应用紧密关联等特点，并且具有相对不变性。 ( 3 ) 嵌入式应用程序 嵌入式应用程序运行于操作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功 能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。 如何简洁有效地使嵌入式系统能够应用于各种不同的应用环境，是嵌入式系 统发展中所必须解决的关键问题。经过不断的发展，原先嵌入式系统的3 层结构逐 步演化成为一种4 层结构。如图2 2 所示，这个新增加的中间层次口q 硬件抽象层，有 时也叫板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k e t ，b s p ) ，是一个介于硬件与软件之间的 中间层次。硬件抽象层通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提 供底层的硬件信息，并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。硬件抽象层 的引入大大推动了嵌入式操作系统的通用化。 嵌入式应用程序 嵌入式 操作系统 硬件抽象层 硬件平台 应用程序 与操作系统的接口 操作系统 与硬件抽象层的接口 硬件抽象层 与硬件的接口 图2 2 引入硬件抽象层以后的嵌入式系统结构 22 1 嵌入式系统的核心硬件 嵌入式系统的核心硬件是各种类型的嵌入式处理器。嵌入式处理器一般具备 以下4 个特点： 1 7 , 1 8 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 2 1 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构己模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保 护功能，同时也有利于软件诊断。 江苏大学硕士学位论文 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式 微处理器。 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动通信设备 中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，需要功耗只有m w 甚至uw 级。 目前，各种4 、8 、1 6 和3 2 位的处理器在嵌入式系统中都有广泛应用。据不 完全统计，全世界嵌入式处理器的品种已有上千种之多。根据其发展现状，嵌入 式处理器可以分成下面几类：1 9 】 ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器采用“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于环境 比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一 样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面的要求较通用的标准微处理器 高。根据实际嵌入式应用要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只 保留和嵌入式应用有关的主板功能，这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。和 工业控制计算机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、 可靠性高的优点，但在其电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等 器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。由嵌入式微处理器及其存 储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构成一个通常所说的单板机系统。嵌 入式处理器目前主要有a n a l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、 a r m 系列等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i e r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c 嵌入式微控制器又称单片机，其中我们最为熟悉的是8 0 5 1 和6 8 h 结构的产品。 它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内 核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了r o m e p r o m 、r a m 、总线、 总线逻辑、定时计数器、看门狗、i 0 、串行口、脉宽调制输出、刖d 、d a 、f l a s h r a m 、e e p r o m 等各种必要功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的 设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种 衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及 功能的设置。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个系 统的功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积 大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。由于嵌入式微控制器目 前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的，而且上述诸多优点 决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰 江苏大学硕士学位论文 富，适合于控制，因此称为微控制器。通常，嵌入式微处理器可分为通用和半通 用两类，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 一2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、 c 1 6 6 1 6 7 、6 8 3 0 0 等。而比较有代表性的半通用系列，如支持u s b 接口的m c u 8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ；支持1 2 c 、c a n 总线、l c d 等的众多专用m c u 和兼容 系列。目前m c u 约占嵌入式系统市场份额的7 0 。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i s t a ls i g n a lp r o c e s s o r , e d s p ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的复杂 度可能是o ( n m ) 的，甚至是n p 的，一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。 由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编 译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面，d s p 算法 正大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能， 过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两类：( 1 ) d s p 处理器经过单片 化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 ( 3 5 0 0 0 等属于此范畴；( 2 ) 在通用单片机或s o ck 9 增力i d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s 2 9 6 s r l l n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 。另外，在有关智能方面的应用中，也需要嵌入式d p s 处理器，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密 算法的键盘，a d s l 按入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法 一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是d s p 处理器的优势所在。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t i 的t m s 3 2 0 系列和 m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列、移动 通信的c 5 0 0 0