物联网系列专业课程之单片机与嵌入式概述

单片机与嵌入式,中智讯（武汉）科技有限公司,嵌入式系统概述常用嵌入式平台嵌入式开发方法嵌入式常用外设嵌入式开源硬件,嵌入式定义,EmbeddedSystems的定义无论是学界或者业界，都有相当多种说法，应用的范畴更是远超出一般人的想象根据英国电机工程师协会的定义：嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂运作的装置它具备了下列的特性：设计的目的，在于执行特定的功能以微电脑与周边构成核心严格的时序与稳定度要求全自动操作循环嵌入式系统为一种计算机软件与硬件的综合体，特别强调量身定做的原则，基于某一种特殊用途上，针对这项用途开发出截然同的系统，是所谓的客制化(Customized)系统。,嵌入式定义,总结：嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。广义定义：任何一个非计算机的计算系统,嵌入式组成,嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成嵌入式硬件：微处理机(Microprocessor)/微控制器(Microcontroller)内存(Memory)特殊用途之集成电路芯片(ASIC)输入与输出(Input/Output,I/O)接口与输入与输出装置软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。,硬件,应用程序,图形用户接口,通用接口,D/A,文件系统,嵌入式操作系统,HAL/BSP,嵌入式微处理器,软件,A/D,I/O,ROM,SDRAM,人机交互接口,应用层,OS层,驱动层,硬件层,从传统计算机到嵌入式,嵌入式操作系统：Linux,windowsCE,资源有限实时要求：时间确定性成本要求功耗要求开发主要专用工具和特殊方法,桌面操作系统：WindowsXP/7/10,专用微处理器：51，AVR，PIC，MSP，ARM，DSP外围接口电路：IIC、UART、SPI、USB、LCD、MMC,X86处理器,嵌入式与物联网,嵌入式系统概述常用嵌入式平台嵌入式开发方法嵌入式常用外设嵌入式开源硬件,嵌入式平台分类,嵌入式处理器,嵌入式片上系统SoC,嵌入式DSP处理器DSP,嵌入式微控制器MCU,嵌入式微处理器MPU,嵌入式微控制器MCU,嵌入式微控制器一般以一种微处理器的CPU为核心，芯片内部集成ROM/RAM/EPROM、FlashRAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A等各种必要功能和外设。嵌入式微控制器的典型代表是单片机，常见的是C51、AVR、MSP430、PIC、STM32（ARMCortex-M系列）等。微控制器的最大特点是单片化，体积小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合应用于控制领域。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。,常用MCU平台比较,嵌入式微处理器MPU,嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。与计算机处理器不同，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，主要特点如下：功耗低；处理器结构可扩展；调试功能丰富；支持实时多任务及操作系统。目前主要的嵌入式处理器类型有ARMCortex-A系列、PowerPC、MIPS等。,常见的MPU平台及操作系统,嵌入式系统概述常用嵌入式平台嵌入式开发方法嵌入式常用外设嵌入式开源硬件,嵌入式系统设计过程,1,2,3,4,5,6,7,第一阶段：产品定义,第三阶段：硬件与软件划分,第五阶段：详细硬件设计,第二阶段：系统建模,第四阶段：迭代设计与选择,8,5,第五阶段：详细软件设计,第六阶段：硬件与软件集成,第七阶段：系统测试,第八阶段：系统维护与升级,嵌入式硬件设计,嵌入式方案选型设计：性价比先进性软硬件资料嵌入式硬件设计流程：设计：方案论证-原理图-Layout-样板生产调试：硬件检测-软硬件调试生产：N次小批量-批量嵌入式硬件功能调试：电源、时钟复位、JTAG内存、Flash总线、控制器,嵌入式软件设计,宿主机,仿真器,评估板,IDE开发环境,宿主机开发模式PC、IDE开发环境、仿真器、评估板、串口线、网线在线仿真、Trace、LED、Printf,查阅官方例程,掌握官方软件库,工具选型,掌握原理图,阅读数据手册,嵌入式软件设计（Hal层）,硬件层和软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（HardwareAbstractLayer，HAL）或板级支持包（BoardSupportPackage，BSP）该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置等功能,HardwareIndependentSoftware,Applications,I/OSystem,FileSystem,RTOSLibraries,RTOSKernel,TCP/IPStack,HardwareAbstractionLayer:BSP&DeviceDriver,SCSIDriver,FlashDriver,MMUDriver,CacheDriver,SerialDriver,EthernetDriver,DeviceDriver,Hardware,嵌入式系统概述常用嵌入式平台嵌入式开发方法嵌入式常用外设嵌入式开源硬件,嵌入式最小系统与外设,MCU,三轴加速传感器,温湿度、超声波继电器,系统电源模块,小车姿态控制,电机、可调灯,LCD,RFID、指纹识别语音识别,光线感应,烟雾传感器,霍尔磁感应,雨滴传感器,系统时钟,多路ADC,I2C,GPIO,UART,SPI,DAC,PWM,常用接口技术,数字量IOA/DPWM总线接口显示接口,数字量IO,单片机接口系统：键盘输入、显示输出、打印输出、数据采集、伺服系统、数据存储、数据通信等众多功能，皆通过I/O端口实现与MCU的信息交互；某些特定的传感器时序需求，很多都直接使用数字量IO来模拟接入；复用性：部分IO可复用其他功能；驱动能力：不同端口的驱动能力不同。,A/D,A/D转换是把模拟量信号转化成与其大小成比例的数字信号；A/D的主要参数（CC2530）：可选的抽取率，这也设置了分辨率（7到12位）8个独立的输入通道，可接受单端或差分信号参考电压可选为内部单端、外部单端、外部差分或AVDD5产生中断请求转换结束时的DMA触发温度传感器输入电池测量功能,PWM,脉冲宽度调制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。,总线接口-串口,RS-232C总线是由美国电子工业协会EIA于1969年修定的一种串行通信接口标准；一般称为UART，串口；UART模式的操作具有下列特点：8位或者9位负载数据奇校验、偶校验或者无奇偶校验配置起始位和停止位电平配置LSB或者MSB首先传送独立收发中断独立收发DMA触发,总线接口-485,RS-485是一种2线，半双工，多点通信的标准；RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(26)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(26)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接；RS-485的数据最高传输速率为10Mbps；RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好；RS-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。,总线接口-IIC,I2C总线是PHILIPS公司推出的一种串行总线。它是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速设备同步等功能的高性能串行总线，是一种近年来应用较多的串行总线；I2C串行总线只有两根信号线,一根是双向的数据线SDA,一根是时钟线SCL；I2C总线是多主机总线；I2C总线为双向IO总线，通过上拉电阻接正电源。,总线接口-SPI,SPI串行总线是Motorola公司推出的一种串行总线技术；SPI串行总线是一种四线同步串行技术，数据通信从器件选择或片选(CSB)为低时有效。全双工，串行数据同时输入输出，1.05Mbps的最大主机数据传输速率，总线竞争保护；SPI串行总线包含四个信号线：串行数据输入(MOSI)、串行数据输入(MOSI)、串行数据输出(MISO)、串行时钟信号(SCK)、串行片选信号线(SS)。,总线接口-CAN,CAN总线是控制器局域网络(ControllerAreaNetwork,CAN)的简称，CAN总线是由德国BOSCH公司提出，目的是为了解决汽车内部硬件信号线的复杂走线，是国际上应用最广泛的现场总线之一；CAN总线采用差分信号传输，有很强的错误检测能力，通信距离远，因此被用到一些特殊的场合，比如汽车，厂矿等干扰较强的地方；CAN为多主方式工作，网络上任一节均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，不分主从；CAN节点只需通过对报文的标志符进行滤波就可以方便的实现点对点，点对多点及全局广播等几种传送接收方式。,显示接口,嵌入式系统概述常用嵌入式平台嵌入式开发方法嵌入式常用外设嵌入式开源硬件,Arduino-开源硬件,Arduino是一个开放源码电子原型平台，拥有灵活、易用的硬件和软件。Arduino基于单片机/ARM微控制器，可以接收来自各种传感器的输入信号从而做到监测环境的效果，并通过控制光源，电机以及其他驱动器来影响其周围环境Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。硬件低廉，软件免费，入门简单全球最流行的开源硬件,Arduino-开发环境,Arduino各种衍生版本,Arduino周边外设及作品展示,RaspberryPi（树莓派）-卡片电脑,树莓派由英国的慈善组织“RaspberryPi基金会”开发，刚开始为了学生编程而设计。2012年3月，英国剑桥大学埃本阿普顿（EbenEpton）正式发售世界上最小的台式机，又称卡片式电脑，外形只有信用卡大小，却具有电脑的所有基本功能，这就是RaspberryPi，中文译名树莓派。由于开源和丰富的外扩接口而吸引了广大的学生和玩家。,RaspberryPi（树莓派）-卡片电脑,RaspberryPi（树莓派）-操作系统,基于树莓派的各种项目,用树莓派打造一个家庭影院把树莓派配置成无线路由器用树莓派搭建BT下载服务器拿树莓派当FTP文件服务器在树莓派上搭建代码托管服务(SVN)用树莓派当网络收音机播放FM电台在树莓派上搭建LNMP环境，作为网站服务器基于Samba实现NAS系统（网络存储中心）用树莓派实现网络批量自动安装CentOS用树莓派建立家庭媒体中心在树莓派上搭建LAMP服务在树莓派上获取美国天气预报使用MarkdownOnRaspberryPi写博客树莓派制作单双休闹钟用树莓派搭建Git私有服务器用树莓派做VPN路由网关树莓派上使用迅雷远程下载树莓派做下载机，Aria2！,树莓派下搭建shadowsocks服务器空气指数之PM2.5显示器（基于SAKS扩展板）站点宕机指示（基于SAKS扩展板）数字温度计（基于SAKS扩展板）给树莓派安装摄像头模块实现拍照、摄像功能在树莓派上实现文字转语音服务树莓派使用MJPG-Streamer实现网络监控树莓派+温度传感器实现室内温度监控用树莓派实现网站访客LED闪亮提醒树莓派用作FM电台发射器用树莓派改装的智能微博炉树莓派打造超低成本廉价盲文显示器用树莓派打造一个带WIFI的数码照相机用树莓派做个专属iBeacon基站树莓派搭建hadoop集群将树莓派打造成音乐播放服务器红外感应模块+蜂鸣器实现简易报警,mbed-ARM原型平台,mbed是一个面向ARM处理器的原型开发平台