（检测技术与自动化装置专业论文）自行车机器人的嵌入式控制系统设计.pdf

i 簟 一 工l t 独创性( 或创新性) 声明 j i i it i ri iii iii i ii i iiil 17 5 9 0 5 1 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 姓型1 4i 整 日期：h | ij 一“ 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 。 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：鱼亟! 查日期：垒虚：曼丛 导师签名：砻魄修墨毛卜_ 一日期：堕匕立止丘一 f 吨卜 w 自行车机器人的嵌入式控制系统设计 摘要 自行车机器人是近年来机器人学术界提出的一种全新的智能交通工 具。它具有方便、快捷、灵活性强等特点，发展前途被广泛看好。自行 车机器人动力学特征较为复杂，其两轮纵向布置，与地面无滑动接触，具有 一定的侧向不稳定性，因而有着与众不同的的运动学、动力学模型，具 有极高的学术价值，在控制学上很有挑战性。 本文主要阐述了基于飞利浦公司的a r m 7 产品l p c 2 1 1 0 的自行车机 器人嵌入式控制系统设计方案以及设计过程；文章首先介绍了嵌入式系 统的基本知识，并介绍了本文所采用处理器l p c 2 11 0 的结构和硬件资源； 接下来，本文基于a r m 7 处理器l p c 2 11 0 设计了自行车机器人的控制器 软、硬件部分，并以此处理器为核心构建自行车机器人控制系统；文章 接着设计了自行车机器人系统各部分子系统构成，包括驱动子系统、传 感子系统等，其中着重说明了处理器与m t i 传感器之间的通讯处理过程； 接下来，文章对涉及到的设计的各模块的程序进行了解释说明并给出了 流程图；文章对系统的控制算法进行了初步探索，并提出一种p i d 算法 的解决方案。最后，文章分析了课题研究的成果与不足，并对未来进行 了展望。 关键词：a r m 7m t i 电位计自行车机器人 北京邮电大学硕士论文 ， 吣 p 一 北京邮电大学硕士论文 d e s i g no fe 田e d d e dc o n t r o ls y s t e mf o r t h er ) e r l e ssb i c y c l e a b s t r a c t t h er i d e r l e s sb i c y c l ei sak i n do fn o v e li n t e l l i g e n tt r a n s p o r t t h e r i d e r l e s sb i c y c l ea t t r a c t sm o r e ，a n dm o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sf o rt h e c h a r a c t e ro fc o n v e n i e n ta n df l e x i b l e ，a n dh a sc h e e r f u ld e v e l o p m e mp r o s p e c t s t h ed y n a m i c so fr i d e r l e s sb i c y c l ei s v e r yc o m p l i c a t e dt ok e 印t h et w o w h e e l sa r r a n g e dv e r t i c a l t h e r ei sn o n s l i d i n gc o n t a c tb e t w e e nt h ew h e e la n d t h eg r o u n dw i t h1 a t e r a li n s t a b i l i t y t h e r e f o r e t h es o l u t i o no ft h er i d e r l e s s b i c y c l e sk i n e m a t i c ss i m u l a t i o ni s d i f f e r e n tf r o mo t h e r s t h e r ei sg o o d a c a d e m i cv a l u et od or e s e a r c ho nt h er i d e r l e s sb i c y c l e t h i st h e s i si n t r o d u c e de m b e d d e ds y s t e m sa n dt h ed e s i g np l a no ft h e r i d e r l e s sb i c y c l e ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ep a r ta n dt h es o f t w a r ep a r t t h e n ，t h e t h e s i ss h o w se v e r yf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es y s t e m b a s e do na rm 7s e r i e s m p u ( l p c 2 2 10 ) ，t h es y s t e ma d o p t sp o t e n t i o m e t e ra n dm t lw h i c hi sak i n d o fp r o d u c to fx s e n st om e a s u r et h es y s t e ms t a t eo fr i d e r l e s sb i c y c l e t h ed a t a r e f l e c t i n gt h es y s t e ms t a t ea r et r a n s f e r r e dt oa r m 7 w h i c hw i l ld ot h ed a t a p r o c e s s i n gw o r ku s i n gs o m el 【i n ko fa l g o r i t h m t h er i d e r l e s sb i c y c l ek e e p s b a l a n c ew i t ht h ef o l l o w u pc o n t r o lo ft h ea c t u a t o ra c c o r d i n gt oc o n t r o l a l g o r i t h m k e yw o r d s ：a r m 7m t ir i d e r l e s sb i c y c l e p o t e n t i o m e t e r 北京邮电大学硕士论文 一 ， ， 北京邮电大学硕士论文 目录 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 1 嵌入式系统研究的背景与意义。 1 1 2 自行车机器人研究的背景与意义 1 2 论文的组织结构 1 3 本章小结 第二章嵌入式系统 2 1 嵌入式系统简介 2 1 1 嵌入式系统的定义与分类 2 1 2 嵌入式系统的特点 2 1 3 嵌入式系统的组成 2 2a r m 嵌入式微处理器 2 2 1a r m 嵌入式微处理器简介 2 2 2a r m 嵌入式微处理器分类介绍 2 2 3a r m 嵌入式微处理器体系结构 2 2 3 1 嵌入式体系结构。 2 2 3 2a r m 微处理器体系结构 2 2 3 3a r m 微处理器的存储结构 2 2 3 4a r m 的微处理器的指令结构。 2 3 机器人自行车实验平台 2 3 1 处理器的选型 2 3 2l p c2 2 1 0 微处理器简介 2 3 3l p c2 2 1 0 微处理器的寄存器。 2 3 4l p c2 2 1 0 微处理器的资源。 2 4 本章小结 第三章自行车机器人结构及各子系统 3 1 自行车机器人驱动子系统 3 1 1 直流电机 3 1 2 直流电机驱动器 3 1 2 1 电机驱动芯片l m d l 8 2 0 0 3 1 2 2 基于l m d l 8 2 0 0 的直流电机驱动器。 3 1 3 步进电机 3 1 4 步进电机驱动器 3 2 自行车机器人能源子系统 3 2 1 机器人常用电池 3 2 2 锂离子锂聚合物动力电池 3 3 自行车机器人系统的控制架构 3 3 1 典型机器人控制架构 3 3 2 自行车机器人的控制架构 北京邮电大学硕士论文 3 4 自行车机器人传感器系统6 3 3 4 1 旋转电位计6 4 3 4 2 旋转编码器6 4 3 4 3m t i 传感器6 6 3 4 3 1 姿态航向测量单元6 6 3 4 3 2m t i 传感器介绍6 7 3 5 自行车机器人的车体结构6 9 3 5 1 自行车机器人的前进轮7 0 3 5 2 白行车机器人的车把转动带轮和电位计装置7 0 3 5 3 自行车机器人的电源位置7 1 3 5 4 自行车机器人m t i 传感器安装位置7 1 3 6 自行车机器人各部分接口电路7 2 3 7 本章小结7 3 第四章自行车机器人的程序设计及实验。7 5 4 1 自行车机器人系统程序整体流程7 5 4 2m t i 数据采集系统流程7 7 4 2 1m t i 与上位机的通讯协议7 7 4 2 2m t i 的串口通讯7 8 4 2 3 数据包解析及流程解析7 9 4 3 电位计数据采集流程8 l 4 4 旋转编码器数据采集流程8 2 4 5 步进电机的控制信号8 2 4 6 直流电机的控制信号8 4 4 7 本章小结8 5 第五章自行车机器人的控制算法探索8 7 5 1 自行车机器人的动力学分析8 7 5 1 1 自行车机器人动力学研究发展8 7 5 1 2 自行车机器人动力学方程8 8 5 2 自行车机器人的控制算法9 1 5 2 1p i d 控制算法9 1 5 2 2p i d 算法在自行车机器人控制系统中的应用9 4 5 3 本章小结9 8 第六章总结与展望9 9 6 1 论文研究的成果与创新点9 9 6 2 不足之处与展望。9 9 参考文献1 0 1 附录课题程序总代码1 0 3 致谢1 1 5 攻读学位期间发表的学术论文目录1 1 6 一 ， ， 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 本章从课题的研究背景出发，通过对自行车机器人研究现状的说明和对系统控制 方案的讨论，明确论文的研究内容，并简要介绍了所采用的方法。最后，本章对论文 的结构安排进行了说明。 1 1 课题研究的背景与意义 1 1 1 嵌入式系统研究的背景与意义 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非新近才出现。从2 0 世纪七十年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应 用，嵌入式系统已经有了近3 0 年的发展历史。事实上，嵌入式系统本身是一个外延 极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系 统。根据i e e e ( 国际电机工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅 助装置、机器和设备运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h e o p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，从中可 以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前，国内 对嵌入式系统普遍认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可 裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系 统。嵌入式系统泛指嵌入于宿主设备以辅助宿主设备高质量完成其功能为目地的小巧 而廉价的计算机系统。它是专门面向用户、面向产品、面向应用的，系统可大可小， 位数可多可少，完全由能满足宿主设备的功能要求来决定。单片机、单板机控制系统 以及一些专用的工业控制计算机都可以称作嵌入式系统。 嵌入式系统学科和产业的发展使得设计人员能够从容地面对越来越复杂的应用 需求，通过软件和硬件的模块化设计大大地简化和加快了应用系统的开发。嵌入式计 算机在应用数量上远远超过各种通用计算机，广泛应用于制造工业、过程控制、通讯、 仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等领域。纵观嵌入式 技术的发展，大致经历了四个阶段： 第一阶段是无操作系统的阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统， 同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性 极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直 接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对 北京邮电大学硕士论文 单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用 简便、价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、 需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一 阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率高；一 般配备系统仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界 面不够有好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是通用的嵌入式操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系 统。这一阶段系统的主要特点是：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；操作系统内核精小、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、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具 有大量的应用程序接口，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e r a c t 为标志的嵌入式系统，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 a c t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技 术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m c t 的结合将代表 着嵌入式技术的未来发展趋势。 图1 - 1 嵌入式系统的应用 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统；是一种专用的 计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在 r o m 中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波 炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多 数嵌入式系统都是是由单个程序实现整个控制逻辑。我们可以从几方面来理解嵌入式 系统： ( 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结 合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义，即嵌入 北京邮电大学硕士论文 式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理 的裁减利用。 ( 2 ) 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和各个行业的 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。所以，介入嵌入式系统行业，必须有一个正确的定 位。 ( 3 ) 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、 可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在其上 开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统的核心往 往是一个只有几k 到几十k 微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展或者裁减， 但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出( i o ) 和软件( 多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，这也是嵌入式系统 和w i n d o w s 系统的最大区别) 。 嵌入式系统可以称为后p c 时代和后网络时代的新秀。与传统的通用计算机，数 字产品相比，利用嵌入式技术的产品有其自己的特点： 1 由于嵌入式系统采用的是微处理器，实现相对单一的功能，采用独立的操作 系统，所以往往不需要大量的外围器件。因而在体积上，功耗上有其自身的优势。相 比之下，一个使用w i n d o w sc e 的p d a ，仅靠机内电源就可以使用几天，而任何一台 笔记本仅仅能够支持3 小时左右。 2 嵌入式系统是将计算机技术、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，是- f - j 综合技术学科。由于空间和各种资源相对不足，嵌入式系统 的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上 实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 3 嵌入式系统是一个软硬件高度结合的产物。为了提高执行速度和系统可靠性， 嵌入式系统中的软件一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。片上系统、板上系统的实现，使得以p d a 等为代表的这类产品拥有更加熟 悉的操作界面和操作方式，比着传统的商务通等功能更加完善、实用。 4 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要 求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信 接口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持；由于家用电器相互关联( 如防盗报警、灯光 能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作等要求，新一 代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时 也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编 北京邮电大学硕士论文 程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏览器，如h t m l 、w m l 等。 5 因为嵌入式系统往往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。 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅 度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。自行车机器人 由于自身的空间局限性等特点，控制时使用嵌入式系统协调各部分运作是很合适的。 故本方案采用嵌入式系统设计，采用以飞利浦公司的l p c 2 2 1 0 微处理器作为控制器， 符合设计的整体要求。 1 1 2 自行车机器人研究的背景与意义 自行车机器人是近年来被提出的一种全新的智能、环保型的自动驾驶交通工具， 其体积小、运动灵活、结构简单等特点受到广泛的重视。由于自行车机器人在动力学 和控制方面极具特点，近年来吸引了很多研究者的目光。目前，许多国家都在进行自 行车机器人的研究并取得了许多进展。 国外对自行车的运动理论研究已有上百年历史，但是迄今自行车运动的动力学原 理并未完全阐述清楚。早期研究工作可追溯到w h i p p l e 和u c a r v a l l o 。a p p e l l 著名的经 典力学对自行车运动作了初步分析，之后f k l e i n 和m e t e n u u u 等建立了精确而十冗 长的动力学模型，但是，几乎所有的研究都将驾车人作为固定于车座上的刚体，忽略 了人的主观意志作用，因此所得到的结论与实际相差甚远，而且都没有阐述其控制方 法。n h g e t z 将自行车作为具有对称性特征的非完整的和欠驱动的系统的典型，充 分利用其约束的对称性，推导了自行车的缩减的运动学方程，着重研究了自行车跟踪 任意的车体横滚角轨迹的跟踪控制策略，认为这样就能保证自行车在接近倒地和一般 干扰的情况下保持稳定。g e t z 没有设计另外的机械调节器，也就是说通过控制白行 车的舵手的偏转和驱动后轮来实现跟踪控制的。yt a n a k a 和t m u r a k a m i 和 u m a s h a n k a r 利用模糊逻辑等方法设计了自行车的控制器以保持车体倾斜的稳定性， 他们与g e t z 相似，没有设计另外的机械调节器。 国内在这一领域起步较晚，最早对自行车动力学有较深研究的当属上海交通大学 的刘延柱教授，他在1 9 9 5 年提出要考虑人的控制因素对动力学的影响，并提出单纯 依靠车把就可以实现自行车的稳定控制，同时获得了稳定性条件。2 0 0 5 年北京邮电 大学的廖启征、魏世民、郭磊根据刘延柱教授提出的依靠车把控制的方法，分别以电 位计和速率陀螺检测出自行车的倾斜角度，然后通过控制车把转向来实现对自行车的 侧向平衡控制。此外，河南科技大学的刘延斌、王秀全、张宏敏在2 0 0 8 年提出了一 种基于8 - r h r 型冗余驱动并联机构进行自行车机器人侧向稳定调节的方法。 在系统的设计中，嵌入式系统的控制是需要解决的主要问题。其内容主要包括： 北京邮电大学硕士论文 ( 1 ) 传感器的选择与使用由于需要精确采集自行车机器人的精确实时状态，传 感器的选择与使用非常重要。本方案中采用荷兰x s e n s 公司生产的微型姿态航向参考 系统m t i 。m t i 是一款小型的，地磁增强式的姿态航向参考系统，它内部的低功耗 处理器能够提供低漂移的3 d 方向角，同时可以提供标准化的3 d 加速度，3 d 的陀螺 仪转角和3 d 的地磁场数据。上位机a r m 7 与m t i 的指令与数据传输也是需要在工 作中解决的问题。 ( 2 ) 上传数据的解析与变换传感器与电位计上传的信号都不能直接使用，需要 经过变换与处理才能进行储存和进行接下来的算法处理。其中，传感器的上传数据包 需要进行解析，去除无用数据，提取有用信息；电位计的电压模拟信号需经过a d 转换为数字信号。 ( 3 ) 控制算法寻找到合适的控制算法并编写代码是保持自行车机器人系统的平 衡的最重要因素。因此，合适的控制算法的编写也是本方案的重要工作之一。 1 2 论文的组织结构 依照上述的研究内容和方法，本论文全文将分为以下五个部分： 第一章、绪论：通过分析选题的背景，确定了本课题研究的主要内容，进而介绍 了选取的相应的研究方法。 第二章、嵌入式系统：本章首先对嵌入式系统的相关内容进行了说明，随后介绍 了a r m 系列处理器的知识并对课题的选型进行了说明，进而详细说明 了自行车机器人系统的硬件平台。 第三章、自行车机器人结构及其子系统：本章首先分别对自行车机器人的各模块 进行了介绍，在每部分中对使用的技术、元件详细描述；随后介绍了交 机器人架构的相关内容，最后针对系统需求，选择了适合本课题的一种 架构；本章的末节给出了各接口电路。 第四章、程序设计与试验：本章是自行车机器人系统的重要一环。首先对系统的 整体流程做了说明，接下来分模块介绍程序的设计和流程，并配有流程 图和重要代码段说明。 第五章、系统与控制：本章对系统设计进行了说明，并对课题中的控制方式方法 进行了详细介绍。 第六章、总结与展望：对课题进行了总结分析，提出改进意见，并做出展望。 北京邮电大学硕士论文 l - 3 本章小结 本章首先对本课题所涉及的嵌入式系统研究的的背景与意义进行了简单介绍，并 对课题研究背景与意义进行了介绍，接着对本论文的研究内容和研究方法进行了简要 说明，最后展示了本论文的组织结构安排。 北京邮电大学硕士论文 第二章嵌入式系统 本课题的研究内容是探索一条有效利用嵌入式系统构建新型自行车机器人系统 的方法，因此有必要对课题开展的基础嵌入式系统加以说明。本章内容分为三个 部分：首先是对嵌入式系统的简要介绍，重点在于嵌入式处理器的分类和说明；在此 基础上，本章对a n t i 系列处理器进行详细说明；最后，作为课题研究的重点部分，本 章对课题的硬件平台( 包括各硬件资源) 作了详细介绍。 2 1 嵌入式系统简介 2 1 1 嵌入式系统的定义与分类 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视 或者辅助装置、机器和设备运行的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h e o p e r a t i o no fe q u i p m e n t , m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应用上加以定义的，从中可 以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 目前，国内对嵌入式系统普遍认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基 础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求 的专用计算机系统。 实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有 嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准确的定 义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系统的嵌入式 系统，在本论文中也沿用这一观点。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出( i o ) 和软件。由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，因此我们对其 不加区分，这也是嵌入式系统和w i n d o w s 系统的最大区别。 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进 行划分： 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部 分，而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行体系结构包 括m c u ，m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造 商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领 域的一大趋势，其中从单片机、d s p 到f p g a 有着各式各样的品种，速度越来越快， 北京邮电大学硕士论文 性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到 1 6 m b ，处理速度最快可以达到2 0 0 0m i p s ，封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚不等。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4 个特点： 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心的执行时间减少到最低限度。 2 ) 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已模块化， 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。 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展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的计算和通 信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至uw 级。 根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类： 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以 上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是， 在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功 能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机 相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的 嵌入式处理器类型有a m 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 砌 s t r o n g a r m 系列等。其中a r m s t r o n g , a n n 是专为手持设备开发的嵌入式微处理器， 属于中档的价位。 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从7 0 年代末单片机出现到今天，虽然已 经经过了2 0 多年的历史，但这种8 位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其 广泛的应用。单片机芯片内部集成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 o 、串口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等 各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积 大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的 主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 由于m c u 低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表 性的包括8 0 5 1 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、p 5 1 x a 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 k 系列以及m c u 8 x c 9 3 0 9 31 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ，并且有支持1 2 c 、c a n b u s 、l c d 及众多专用m c u 和 兼容系列。目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。近来a t m e l 出产的a v r 单 北京邮电大学硕士论文 片机由于其集成了f p g a 等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更 高的发展。 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , e d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进 行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、f f t 、谱分析 等各种仪器上d s p 获得了大规模的应用。 d s p 的理论算法在7 0 年代就已经出现，但是由于专门的d s p 处理器还未出现， 所以这种理论算法只能通过m p u 等由分立元件实现。m p u 较低的处理速度无法满足 d s p 的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电 路技术发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。其运算速度比m p u 快了几十倍， 在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进 步与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都 得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到8 0 年代后期，d s p 的 运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。9 0 年代 后，d s p 发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。目前最为广泛 应用的是t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列，另外如i n t e l 的m c s 2 9 6 和s i e m e n s 的 t r i c o r e 也有各自的应用范围。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) s o c 追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之 一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统 的代码模块。而且s o c 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述 语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的 电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中 调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。 由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体 积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 由于s o c 往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的s o c 产品是 p h i l i p s 的s m a r tx a 。少数通用系列如s i e m e n s 的t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m - c o r e ，某些 a r m 系列器件，e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等。预计不久的将来， 一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的s o c 芯片，击退竞争者。 s o c 芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。 从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系统的软件主要有 两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。 实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序执行功能。其最大 北京邮电大学硕士论文 的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实 现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时 系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往 往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在 软件方面通过编程实现时限的管理。比如w i n d o w sc e 就是一个多任务分时系统，而 u c o s i i 则是典型的实时操作系统。 除了上述分类之外，还有许多其他分类方法，比如从应用方面分为工业应用和消 费电子等，在此不一一细述。 2 1 2 嵌入式系统的特点 1 针对性强 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，不可能独立发展。嵌入式处理 器的功耗、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 求的制约。针对用户的具体要求，嵌入式系统的软硬件均可以裁剪和添加，面向的用 户是不一样的，处理体现了其针对性强的特点。 2 实时性强 实时性是嵌入式系统的一个基本要求，很难想象嵌入式系统没有实时性会是什么 样的情况。当然，单纯靠提高嵌入式处理器的计算性能和工作频率来提高嵌入式系统 的实时性是不科学的而应该主要依靠优化嵌入式软件，保证合理的任务调度等手段来 实现。嵌入式系统的实时性分为硬实时和软实时，硬实时规定了任务完成的截止时间， 不能有丝毫的延时，软实时则可以将条件适当放宽一些。 3 高可靠性 如果嵌入式系统经常出现故障，其众多应用场所将会发生许多灾难性的事故，也 会带来非常多的不便。“勇气号”等嵌入式机器人之所以取得很大的成功，一个很重 要的原因就在于它们具有克服了各种复杂恶劣环境的高可靠性。嵌入式的软件要求固 化存储，这样可以提高软件执行的可靠性和速度。 4 系统精简 嵌入式系统的操作系统内核容量非常的精简，目的是更可靠、更快速地执行任务 程序，并且节省存储空间，使系统的复杂程度降低。外围器件也要求精简可靠，以最 大性价比的代价满足客户的需要。 5 嵌入式系统需要开发工具和环境 由于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，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些 工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示 北京邮电大学硕士论文 波器等。在开发时往往会有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发、调试，目标 机作为最后的执行机构。开发时需要主机和目标机不断交互，所以还要有相应的通讯 机制。 一个典型的开发模型如下图所示。 铲嘲餮擘糍髫燃臻饕鬻磺程? ；孵翳谬驾黟多绺臻蟛嬲弼谬够鬻辫鬻戮笏獭镌嬲缀鬻缓鬈鬻棼j 黟穆 “一托，t 。、 j j ：输入j ? 一癣i 孙一v j 。输出一 图2 1 嵌入式开发模型 其中目标机由3 个层次构成：最底层是硬件系统，中间层是实时操作系统，最高 层是应用层任务。实时操作系统起到承上启下的作用，调度多任务良好地工作，并且 管理系统的所有资源。 开发主机也由3 个部分构成：最底层是硬件系统，如我们常用的p c ；中间层为 桌面操作系统，常见的有w i n d o w s 系列、l i n u x 系列等；最高层则是集成开发环境， 包括编辑器、编译器、调试工具、模拟工具等。 开发主机和目标机通过串口或者网口等方式进行通讯，并且具有一定的协议。 2 1 3 嵌入式系统的组成 一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，嵌入式计算机 系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。 执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规 定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于 震动接收状态时打开；也可以很复杂，如s o n y 公司的智能机器狗，上面集成多个 微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。 下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍。 1 ) 硬件层 北京邮电大学硕士论文 硬件层中包含嵌