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单片机与嵌入式系统应用 09012327谢作为 什么是单片机 嵌入式系统应用概述 嵌入式系统设计面临的问题和解决办法 应用实例 单片机 SCM MCU SoC 单片机是一种集成电路芯片 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU 随机存储器RAM 只读存储器ROM 多种I O口和中断系统 定时器 计数器等功能 可能还包括显示驱动电路 脉宽调制电路 模拟多路转换器 A D转换器等电路 集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统 在工业控制领域广泛应用 2 嵌入式系统应用概述 随着我国装备制造业的发展 嵌入式系统已经成为制造业的核心技术 它被广泛地应用到工业控制 仿真系统 医疗仪器 信息家电 通信设备等众多领域 目前 围绕嵌入式系统展开研究和开发 已经成为计算机软硬件技术发展最活跃的方向之一 嵌入式系统不同于通常纯粹的软件系统或硬件系统 而是软件与硬件通过在一起的 有些功能既可以用软件实现 也可以通过硬件实现 另外 嵌入式系统设计所面临的挑战不仅涉及到计算机软件和硬件 也会涉及到许多非计算机工程中的问题 诸如机械尺寸问题 功耗问题和制造成本问题等 即使是计算机工程方面的问题 大部分系统在实时性 可靠性和多速率等问题方面也都有特别要求 3 目前 实现嵌入式系统的硬件方法主要有 定制逻辑 ASIC 现场可编程门阵列 FPGA 和嵌入式微理器三种 在实际系统实施中 绝大多数系统是采用嵌入式微处理器方式 如单片机 单板机或嵌入式微处理器芯片等 这是因为用微处理器实现嵌入式系统是一种十分有效的方法 它使得在不同价位上设计不同特性的产品系列成为可能 并且能够扩充新特性以满足飞速发展变化的市场需求 4 嵌入式系统设计面临的问题和解决办法 分析设计没有一个统一的标准分析设计方法不统一从分析设计到制作和编程没有一个始终一贯的工程化方法培养良好的面向对象的设计与开发思维以上四个问题使得大部分从事嵌入式系统应用开发的组织和团体 基本上是采用小组甚至是作坊式的动作模式 这使得开发较复杂或大型系统的工作变得十分困难甚至无法进行 5 问题的解决 目前 面向对象技术正是建立在对真实世界抽象思维的基础上 统一建模语言 UML 为这种思维提供了可视化工具 解决了以上难题 使用UML对嵌入式系统建模 不仅可以使系统分析设计实现标准化 而且完全可以实现系统分析 设计和制作 测试分别由不同的项目成员在统一 一贯的方式下完成 也使得系统分析和设计模型在相似系统中重用成为可能 6 单片机及嵌入式系统应用实例 变频调速器系统对任何一个三相交流电机 在输入单相交流电源的情况下 实现6Hz到 9Hz 50Hz 区间内任一频率的稳步启动运转 系统用户界面包括2位数码显示器 一个运行 停止指示器 电源开 关指示器 6个按钮键盘和电源开关 2位显示器用于显示电机当前正在运转的频率 6个按键分别代表启动 停机 正点动 反点动 频率加和频率减 启动命令使电机从6Hz以每步0 2Hz的步长稳步提升到当前设置频率上后在该频率上稳定运转 正点动命令使电机稳定在6Hz上正向运转 反点动命令时 电机转动频率与正点动上同 但旋转方向相反 频率加命令在电机运转时使电机以1Hz s的速率增加运转频率和当前预置频率 在电机停止时仅改变预置频率 频率减命令与频率加命令相反 停机命令则无论电机运行在什么状态下 都使电机停止运转 7 系统类图如图1所示 图中有2个硬件类Button 和Light 1个主动类Microcontrollor和3个一般类Convertor Watchdog和Display Button 类代表所有按钮 Light 类代表2个发光数码管和1个运行指示灯 主动类Microcontrollor是系统主控模块 完成所有对象的调度和管理 3个一般类为3个功能独立的程序模块 图2为系统实施图 微处理器节点是系统的主控节点 采用Atmel89C52 其内部8KBFlashROM和128BRAM资源已能满足系统需要 因此不再增加外部存储器 与其它节点的连接完全通过其本身的串并接口就可完成 按钮节点代表所有按钮 在系统变化时也可以用键盘取代 本例为6个单独机械按钮 显示节点代表系统显示部分 本例为2个数码管和1个表示电同运行状态的发光二极管 运行监控节点具有两部分功能 其一是通过WatchDog技术监视微处理器的运行状况 另一个是监视变换器输出的脉冲宽度 变换器设计为专用电路 通过微处理器并行口接受三相正弦脉冲 根据电机功率转换成本相电机线圈所需要的脉冲电压 三相电机节点不属于嵌入式系统本身 但为了说明本嵌入式系统与控制对象关系而布置在同一实施图中 9 10 11 系统运作流程系统开机上电后 经过初始化处理自动进入到等待状态 在等待状态 Microcontrollor对象根据用户键盘按钮命令 调度相应的操作对象 当用户发出正或反点动命令时 系统进入点动运行态 此时Convertor对象输出6Hz正或反相序三相脉冲 当用户松开正或反点动按钮时 系统返回等待状态 在系统预置频率设定正确的情况下 用户按启动按钮时 系统先进入到启动运行态 在此状态时系统从6Hz开始按每步0 2Hz的步长稳步增加电机运转频率 直到达到预置频率时进入到稳定运行态 在稳定运行态用户可以改变预置频率 步长为1Hz 每次预置频率的改变事件 都会产生从稳定运行态到启动运行态的交替变动 当系统运行出现故障时 进入到故障处理状态处理 完成后