嵌入式系统研究与应用进展

1、. . . . 嵌入式系统研究与应用进展指导老师：专业班级：学号：报告提交日期：目 录1.嵌入式系统简介：31.1嵌入式系统的定义31.2 嵌入式系统的组成31.3 嵌入式系统的特点31.4 嵌入式系统的应用42.嵌入式系统研究与应用举例52.1 一种基于ARM的嵌入式多回路工业温度控制系统52.1.1系统设计52.1.2系统的硬件设计62.1.3 系统的软件设计62.1.4 实验仿真与结果92.1.5 结论102.2 嵌入式无风扇工控机实现智能交通管理102.3 工业机器人嵌入式控制系统的研制112.3.1 系统设计112.3.2 FPGA设计152.3.3 试验与结果162.3.4 结论1

2、73.嵌入式系统未来发展前景：174.参考文献：181.嵌入式系统简介：1.1嵌入式系统的定义根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统（Embedded Systems）是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。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。目前国一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、

3、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。1.2 嵌入式系统的组成由硬件和软件组成硬件部分包括嵌入式处理器（MPU）或微控制器（MCU）以与外围电路。软件部分包括嵌入式操作系统和应用程序。另外为了开发嵌入式系统，开发环境也是必不可少的。这几个部分之间的关系如图1所示。图1 嵌入式系统组成1.3 嵌入式系统的特点这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面：一是芯片技术的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使

4、用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。 从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征： 1系统核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统，核只有5K，而Windows的核？简直没有可比性。 2专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全

5、两个概念。 3系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计与实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 4高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 5嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以与和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时

6、间，保障软件质量。 6嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力，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的，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与各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。1.4 嵌入式系统的应用嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括： 1工业控制： 基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品

7、质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年必将获得长足的发展。 2交通管理： 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。 3信息家电： 这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化

8、将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。 4家庭智能管理系统： 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。 5POS网络与电子商务： 公共交通无接触智能卡(Contactless Smartcard, CSC)发行系统，公共卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。 6环境工程与自然： 水文资料实时监测，防洪体系与水土质

9、量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。 7机器人： 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。 这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。2.嵌

10、入式系统研究与应用举例2.1 一种基于ARM的嵌入式多回路工业温度控制系统2.1.1系统设计本文所设计的基于AT 91RM9200 的嵌入式多路温度测控系统是具备一定的通用性的实时测控系统, 它以高性能ARM9 处理器和各种信号转换芯片为核心进行硬件设计。而软件上则以嵌入式操作系统为核心, 进行应用程序设计。该系统硬、软件设计上具有较强的通用性和可移植性, 改动即可以实现对不同应用系统的支持; 系统能通过串行通信接口经过较小的、以太网接实现数据信息交互传输。系统结构如图2所示。图2系统结构图2.1.2系统的硬件设计主要包括了温度采集单元设计、控制执行单元设计、通讯电路设计、温度显示电路设计和电

11、源模块设计等。系统以AT91RM9200 作为控制系统的核心, 实现对数据进行处理、存储和通讯等功能。扩展了两个32M 的SDRAM 和一个2M的Flash; SDRAM 芯片用于设置程序堆栈和存放各种变量;Flash 芯片用于存放启动代码; USB 接口可接U 盘; RS-232串口用于与PC 机通讯连接, 支持IEEESO2 3 标准的DM9161用于接入Inter net ; 采集单元实现24 个回路的温度数据的采集, 送入ARM 进行运算处理后, 系统控制执行单元采用可控硅PWM 调功方式实现对温度的控制。2.1.3 系统的软件设计本文采用Red Hat Linux 9.0作为软件开发

12、平台, 并确保计算机的网卡驱动、网络通讯配置正常, 配置好GUN 工具链, 再做好Bo ot- Loader 的移植, Linux 的核移植。2.1.3.1 设备驱动程序的开发嵌入式系统之所以能根据具体需要采用不同的硬件设备,主要是因为嵌入式系统有这些特定设备的驱动程序, 我们就应该为这些设备设计开发驱动程序。Linux 设备驱动程序有3 部分组成: 自动配置和初始化子程序, 服务于I/ O 请求的子程序, 中断服务程序。成目标文件。Linux 中模块用C 语言编写, 用gcc 命令编译成* . o 模块, 在命令行里加上- c 的参数和- D _ KERNEL _ DMODULE 参数, 然

13、后用depmo d- a使此模块成为可加载模块。模块用insmod 命令加载, 用rmmod 命令来卸载, 这两个命令调用init _ mo dule ( ) 和cleanup_ module ( ) 函数, 还可以用lsmod 命令来查看所有己加载的模块的状态。2.1.3.2 数据采集模块的设计AT 9lRM9200 分配给SPI 串行通讯接口的地址是0XFFFE0000- 0XFFF3FFFF, 共16k 的空间, 先对SPI 模块的各个寄存器进行初始化, 读取SPI 接收数据寄存器中的数据,根据现场情况, 进行显示, 或者反馈控制, 也可以进行存储,以便需要时观察分析。2.1.3.3 控

14、制算法的选择与设计本文针对被控对象多变性的特点, 采用一种以ASTROM提出的极限环法为基础的算法对PID 参数进行自整定。先对被控过程施加的控制信号u( t) , 使系统在设定温度值附近产生等幅振荡。式中, e( t) 为当前设定温度下的控制作用。取一个周期进行傅立叶展开:对u( t) 取一次谐波, 设系统开环传递函数为G( s) = , 系统稳定后有 , 由叠加原理可得:由于稳定后的温度曲线近似方程为所以, 只要使，则可得再找到曲线一周的最低点y min 与对应的时间t0 , 和最高点y max 与对应的时间点t2 。最高点和最低点之差为2a, 对应的时间差为T/ 2 ,其中根据K c 和

15、T 可得PID 参数分别为P = 0. 6K C ; I = 0. 5T ; D =0. 12T 。自整定过再切换到PID 控制, 应用PID 算法算出PWM 波的输出。2.1.3.4 以太网模块的设计本文采用的是Socket 提供可靠的、面向连接的通信流,并使用TCP 协议, 从而保证了数据传输的正确性。Socket 既是最为通用的一种基于TCP/ 工P 的网络通信编程机接口, 又是在Inter net 上进行应用程序开发最为通用的一种API。2.1.3.5 USB 通道模块的软件设计在系统中, 采用FATI6 文件系统, 这样在系统中采集的数据可以转移到计算机上进行统一管理。FAT 16

16、的分区簇的大小为32kB, 支持的最大分区为2G。在文件系统中, 通过文件名能找到文件存放的起始簇号, 根据文件名找到所在的目录项, 最终可以得到文件扇区号, 然后以文件形式完成读写U盘的操作。Linux API 功能函数控制USB 设备配置的实现。包括读取并解析USB 设备特有的设备描述符; 获取设备的数据传输通道; 发送设备特有的和基本的USB 命令请求包; 与设备进行数据通信; 请求重新配置设备等。2.1.3.6 RS-232 串口模块的软件设计由于串行口为8 位异步通信接口, 一帧信息为10 位: 1位起始位( 0) , 8 位数据位( 低位先) 和1 位停止位( 1) ,T XD1

17、为发送端, RXD1 为接收端。2.1.3.7 基于Qt/ Embedded图形用户界面设计Qt/ Embedded 是Trolltech 公司开发的面向嵌入式系统的Qt 版本, 与X11 版本的Qt 在最大程度上接口兼容, 在GAL层上技术上使用的是FrameBuffer。它是一个多平台的C + +图形用户界面应用程序框架, 它支持所有的UNIX 系统, 其对象容易扩展, 可移植性好, 支持多个GUI 台的交互开发。创建主窗日先要在main. cpp 函数中创建QApplicatio n 类型的对象。QApplicatio n 类管理图形用户界面应用程序的控制流和主要设置, 它包含主事件循环

18、, 在其中窗口系统和其它资源的所有一事件被处理和调度, 它也处理应用程序的初始化和结束,并提供对话管理。对于任何一个使用Qt 图形用户界面应用程序, 都正好存在一个QApplication 对象。然后定义主窗口变量, 并通过QAPPIication 类型的函数调用主窗口变量来启动主窗口。图3主监控界面误差在0.2 度左右, 偏转角的变化趋势满足“车灯随动”的要求, 这些为后续实车动力学控制模型研究和算法设计奠定基础。2.1.4 实验仿真与结果在实验阶段, 本系统用于壁厚5 8 厘米的钢管焊接前后进行的热处理, 目的是消除焊缝周围的应力。试验控制系统结构示意图如图3 所示。整个系统有温度数据采集

19、/ 控制电路板, 可控硅触发板、液晶屏、键盘、热电偶、加热器和被加工钢管构成。图4温控系统试验结构下面将对第一路的长1 米的碳钢管道热处理过程进行试验结果的分析, 该路要求升温速率为200􀀁 / h; 保温温度为650 °C ; 保温时间30 分钟; 降温速率198°C / h。试验共分为升温、降温和保温3 个过程。由图4 可以看出, 在实验开始后的5 8 分钟, 实际温度值仍然保持在环境温度左右。受热体的温度并没有随着设置温度的增加而恒速率上升, 表现出温控系统的时滞特征, 这是由于构件的热容量大, 使得控制系统具有较大的惯性造成的容量延迟, 这同样是温

20、控系统的时滞特征。在试验的9 18 分钟, 实际温度开始逐渐上升, 实际温升速率较快, 直至第19 分钟系统达到稳定,此后, 实际温度以恒速率升温。由在升温段进入保温段的过程中, 系统运行稳定, 几乎没有出现超调。在整个保温阶段, 温度都恒定在设定温度650􀀁 , 很好地满足了技术要求。由上图可见, 在升温和降温阶段基本上达到了升温速率200 °C / h 和降温速率198°C / h 的要求, 较好地满足了技术要求。2.1.5 结论本文根据自适应前照灯系统的功能要求, 开发了基于Freescale 平台的自适应前照灯系统, 采用主从式的机电一体化结构方式

21、, 将其分为AFS 主控模块以与电机驱动模块, 其中AFS 主控模块以S9S08DZ60 作为控制核心, 电机驱动模块以908E625 为核心, 两者之间采用LIN 总线作为通讯链路,并使用基于LM2576 的电源系统为整个系统供电模块。实验结果表明该系统能够满足自适应前照灯系统的控制要求, 系统稳定, 为后续的控制模型研究和算法设计奠定基础。计中，我们学会了自学，学会了学习，我觉得课程设计比考试的作用更大。他使我们在逼迫的情况下，很快的学会了很多东西，如malab软件、Multisim电路仿真软件和课本不做要求的一些容，使我们终身受益。2.2 嵌入式无风扇工控机实现智能交通管理新汉（中国）工

22、控事业部区域经理董磊向记者介绍了地铁自动售检票设备刚刚推出的全方位地铁AFC（自动售检票系统）解决方案的核心无风扇设计嵌入式系统。董磊说，地铁自动售检票设备走过了从RISC 单板机、X86 嵌入式主板+ 机箱，到嵌入式无风扇工控机，再到AFC 无风扇专用机的演变历程。新汉AFC 地铁自动售检票设备ECU 解决方案是由闸机（AG）、储值机（AVM）、半自动售票机（BOM）和售票机（TVM）组成。它不同于采用系统集成方式的传统A F C 的闸机，克服了传统设计的一些缺点，例如通过风扇散热，长时间工作可靠性差；集成模块过多且复杂；自行配置机箱，结构复杂且稳定性差；部线缆繁多，维护不易；缺乏整体性认证

23、等。新一代AFC-NISE 系列无风扇式工控机的优势主要体现在，它完全是针对AFC 地铁行业量身订制的，功能和性能均可满足行业需求。AFC-NISE系列采用了嵌入式无风扇设计，稳定可靠，适合长时间运行；采用高性能低功耗处理器，适用多种Intel Celeron M/Pentium M CPU（板载或SKT 类型），可根据不同应用选用不同的CPU；具备高运算低功耗处理能力，CPU 可升级，对系统进行扩展；多达48路的开关量输入/ 输出可以连接红外传感器等外设传感器，14路的串行端口可连接外设串口装置，如读卡器、触摸屏等设备；配置PCI/PC104扩展、工业级Compact Flash可增强系统的

24、扩展性；建512kB NVRAM，确保计算机突然断电时重要数据不丢失；减少了部线缆和板卡，不仅降低了制造成本，而且使传统风险显著下降，提高了运行可靠性。特别是在结构方面，NISE 系列采用了100% 铝合金无风扇全密闭的机构设计，机箱外壳像一个巨大的散热器可以快速散掉系统热量，确保恶劣苛刻环境下（如高低温、潮湿、多粉尘）系统的稳定运行；整体结构设计坚固耐用，主板I/O 接口的一体化板载设计，无可移动部件，抗冲击，防震动，确保系统可靠运行。此外，NISE 系列支持多种接口，可即插即用；支持多种主流操作系统（Windows OS、Win2000、XPe、Linux）；符合国际标准规CE/FCC 与

25、RoHS 指令，安全可靠，适合国际营销。此外，NISE 系列支持多种接口，可即插即用；支持多种主流操作系统（Windows OS、Win2000、XPe、Linux）；符合国际标准规CE/FCC 与RoHS 指令，安全可靠，适合国际营销。新汉（中国）总经理林宪明表示，新汉电脑成立15 年来，业务已实现了从单一领域增长到多领域增长的跳跃式发展，进入了10倍速增长时代。技术走向也将会按照2000 年2003 年是数字平台技术进化；2003 年2007 年是专用平台进化；2007 年2010 年是行业服务进化的路线发展。同时还要关注能源效率、绿色环保等业界最具挑战性的问题。（丛秋波）图5闸机验票控制

26、系统2.3 工业机器人嵌入式控制系统的研制2.3.1 系统设计机器人控制系统由示教盒和主控制器组成。示教盒采用ARM结构，主控制器采用ARM+FPGA结构。示教盒实现用户与主控制器、用户与机器人之间的相互作用和通信；主控制器接收运动指令后经过译码、插补、逻辑控制、位置控制控制机器人运动。示教盒的软件不需要具有强实时性，因此软件平台采用嵌入式Linux；主控制器需要强实时性，主控制器软件平台采用嵌入式实时操作系统uC/OS-II。示教盒和主控制器之间采用串口/以太网通讯，采用C/S结构，示教盒是客户机，它只是作为终端，不需要本地存储。示教盒通过IRP协议(一种自行定义的，类似于RPC协议)和控制

27、器进行交互。图6机器人控制结构2.3.1.1 示教盒示教盒是系统的人机界面，实现用户与机器人之间的交互，是影响系统安全、质量和效率的基本要素之一。它把用户的指令传递给主控制器，把主控制器的信息呈现给用户，对机器人的运动过程起到监控作用。针对人机界面的特点， 采用M V C 模式设计进行设计。MVC分为：模型（MODEL）、视图（VIEW）和控制（CONTROL）。模型表示系统部处理的逻辑，是对象的在属性，是整个模型的核心；视图负责与外界的交互、是应用程序与外界的接口；控制是视图与模型连接的纽带，控制数据流向。视图直接面向用户，将显示界面与其数据绑定。控制将用户的指令传给控制器，用控制器返回的结

28、果更新数据模型，再用更新了的数据模型去同步视图。采用数据字典提供标准的人机界面和控制器接口。如图7所示，MVC中的模型充当数据字典，数据字典表示主控制器数据服务器和人机界面数据之间的连接。数据字典提供一个简单的命名和绑定机制，便于系统的实现。数据字典即可以是静态的也可以是动态的。静态的数据字典，数据可以通过轮询的方式获得；动态的数据字典必须使用主动进程或线程接收和发送数据。图7示教器和控制器的关系2.3.1.2 主控制器2.3.1.2.1工业机器人的控制需求工业机器人由于构型复杂，从6轴机械手到各种专用机械手，因此对控制系统的需求向模块化、柔性化发展，这促使控制软件具有可扩展性，能够支持各种复

29、杂的应用，并能够支持用户定制，将自己的工艺技术集成到控制系统上，提高系统的效率。因此控制系统必须满足：开放控制：机器人控制系统需要支持各种类型的输入/输出和不同构型，支持如力矩控制、视觉控制、监控、安全控制等越来越多的控制任务，因此系统应该允许功能的增减，使系统更容易集成、扩展。实时性：由于工业机器人越来越多的应用于弧焊、装配、切割等对对轮廓精度要求越来越高的领域，同时对机器人的工作效率要求越来越高，机器人的速度很快，高的加速度和速度需要高的控制循环频率和硬实时的需求。为了能够控制不同的机器人，系统对实时性和通用性有很高的要求。2.3.1.2.2系统结构系统的硬件如图3所示，系统由ARM和FP

30、GA组成。ARM运行系统的核心任务：译码、插补、PLC和位置控制；FPGA负责系统的细插补、模拟量和数字量IO控制、中断/信号的捕获等。图8主控制器硬件结构系统的软件结构如图4所示，系统由应用、中间层和设备层组成。应用层实现了控制系统所有功能；中间层负责控制器部的通信和同步，它提供了统一的面向消息的通信接口，并负责控制器的外部通信。设备层提供了系统硬件和上层软件的接口。采用分层结构可以使用同一的通信和控制接口，因此提高了系统的开放程度。图9. 系统软件结构应用层应用层实现控制系统功能，它由运动控制管理器、运动控制、位置控制和逻辑控制组成。运动控制管理器：管理机器人组，机器人组是由一组完成一个作

31、业的机器人组成。运动管理器与操作方式相连接，机器人操作方式描述行动和状态之间的行为，它包括自动、示教和远程。机器人控制系统可以由一个和多个控制器构成，如弧焊工作单元由一个机器人和变位机控制组成、搬运由一个机器人组成。一个机器人组指定主控制器，主控制器可以由任意一个控制器指定。该组由主控制器的运动管理器协调与管理，其它控制器的运动控制和逻辑控制参与工作，运动管理器不工作。运动控制：生成机器人运动的指令位置，输入的信息可以是机器人程序、手动指令。指令生成分为机器人程序编译、运动学转换和插补。注意这些功能可以不在一个软件模块中实现，这里就把它们分为三个软件模块。插补分为两种：一种是在任务空间完成，经

32、过插补得到的轮廓步长，使用机器人逆解将其分解为各关节的进给量，另一种是在关节空间完成，对手部的运行轨迹要求不高的路径，将其转化为各关节坐标，然后在关节空间中将这些坐标用某种方式拟合，形成光滑的关节轨迹，对其进行插补，形成各关节每个伺服周期的进给量。位置控制：主要是提供信号给伺服，按照给定的位置指令移动控制轴。这里提供两种接口：脉冲型，数字型。数字型是通过Ethercat和伺服驱动连接。逻辑控制：逻辑控制提供传感器和动作器的接口，实现系统的IO控制功能、设置或读取传感器值等功能，它封装了访问硬件的操作。为了实现逻辑控制的可移植性和互换性，使用了一个虚拟功能接口层，它用类似于动态库的函数实现，从操

33、作系统的角度看，该库函数相当于设备驱动程序。中间层为了促进控制系统的开放性，必须采用灵活高效的通信和同步系统。该系统是基于机器人控制应用的中间件，采用面向消息的中间件。中间层简单高效透明地处理机器人控制系统的数据和过程请求。为了满足机器人控制系统的硬实时和开放性需求，中间层采用实时操作系统uC/OS-II，提供了硬实时数据处理机制，如共享存通讯、任务调度和同步。通信使用消息队列和面向连接的协议，模块之间通过在特定的队列中插入消息来进行通信。消息队列由队列管理器进行管理，队列管理器与发送或者接收消息的应用程序直接交互。队列管理器还负责从底层通信网络获取输入的消息，然后将每个消息存储在恰当的输入队

34、列中。队列管理器是通过消息通道相连的，消息通道是发送方与接收方队列管理器之间的一种单向可靠连接。队列的消息通过该通道进行传输。uC/OS-II是嵌入式应用软件的基础和开发平台，它实际上是一段嵌入式目标代码中的程序。系统复位后首先执行，相当于用户的主程序，用户的其他应用程序都建立在RTOS上。通过这种抽象，上层组件都可以通过这个统一的系统集成组件管理进行有效的控制。提供与系统平台无关的、通用的机器人控制算法组件和外部通信组件等封装。设备层一般来说设备层是系统中直接与硬件交互的组件，它分离了系统硬件和上层软件，所有上层软件对硬件的操作必须通过设备层实现。这里的设备层可以划分为两个部分：一部分是为操

35、作系统移植到相应的硬件平台提供最基本的支持，如：系统定时器、系统的中断处理等，通过移植，可以在相应的硬件平台上运行。另一部分是针对硬件平台上外设的支持，如：串口驱动程序，Flash驱动程序，A/D、D/A转换驱动程序等。应用程序通过这些设备层控制相应的硬件。2.3.2 FPGA设计FPGA由部总线接口、复位控制、中断控制、定时器、IO控制和驱动控制器构成。部总线接口模块负责提供FPGA部模块与ARM外部总线的接口；复位控制模块为FPGA部模块提供复位信号；中断控制模块将FPGA部模块产生的中断信号解析，并送至ARM进行处理；定时器模块为驱动控制器模块提供定时信号；IO控制模块用于IO控制、实现

36、系统的IO扩展；驱动控制器模块用于产生、检测电机驱动器的信号，实现细插补功能，以CPU指定的频率向伺服系统发送指定数量的脉冲信号，周期性工作，在周期开始时读数据；整个结构框图如图10所示。图10 FPGA系统框图总线接口模块 CPU通过外部总线与FPGA通信，因此FPGA需要对CPU的总线信号进行分析，然后进行CPU所需要的操作。总线接口模块实现对CPU外部总线的处理，根据地址产生其它各个模块的寄存器读写信号，各个模块再根据这些读写信号进行寄存器数据的改变或者输出。在FPGA部处理PXA270微处理器的外部总线的地址、片选信号、读写信号，通过组合逻辑产生其他各个模块的功能寄存器读/写信号，并且

37、根据产生的信号控制数据总线的读/写。总线接口模块如下图11所示。图11总线接口模块nWE和nOE是PXA270微处理器的写信号和读信号，nwe_i和noe_i是当前时钟周期PXA270微处理器的写信号和读信号的状态，nwe_pre和noe_pre是上一个时钟周期写信号和读信号的状态，nCS是PXA270微处理器的片选信号。复位模块：FPGA上电配置后，FPGA部状态存在不确定性，如果FPGA的部处于不确定状态，IO口的输出也不确定，在CPU对其IO控制逻辑进行访问以前可能有有效的输出，从而造成机器人的运动，这显然是不允许的。因此，需要有一个复位控制模块，使FPGA在配置完成后自动进入复位状态，

38、在这种状态下，所有的输出都是无效的。而且可以通过CPU访问复位模块时，使FPGA进入正常的工作状态。同时，鉴于FPGA的配置方法使其配置信息比较容易被窃取，采用复位模块可以用于知识产权的保护，防止窃取。不同型号FPGA配置所需要的时间不同，因此采用外部复位信号实现起来比较复杂，因此采用FPGA部复位模块。中断模块：FPGA的定时器模块和驱动控制器都会产生中断信号。但是CPU的外部中断口有限，所以采用一个中断控制器，将多个中断信号解析为一个中断信号送往CPU。定时器模块：定时器模块可以产生高精度的时间中断信号，该中断为驱动控制器模块提供准确的时间，配合脉冲数据的缓冲功能，驱动控制器模块可以立刻开

39、始细插补。同时这个中断信号会被发往CPU，CPU接收到该信号后将新的数据写入FPGA。降低了对CPU定时器和实时任务切换的依赖性，提高了脉冲的时间精度。驱动控制器模块：驱动控制器模块是系统里最重要的部分了，它实现细插补功能，同时还要检测和控制一些驱动器的IO信号。目前的电机驱动器已经开始大围的交流化，通常都可以接受脉冲/方向的控制信号。因此，这个模块的主要工作就是要以CPU指定的频率发送指定数量的信号。IO模块：IO模块负责IO信号采集，IO信号控制并为逻辑控制提供IO接口。和逻辑控制一起实现对机床的IO控制。2.3.3 试验与结果采用以上方法开发出的机器人控制系统如图所示，该系统进行了环境试

40、验与静电放电抗干扰试验。同时在在motoman yr-ck的本体上进行了重复定位精度和轨迹精度试验。重复定位精度达到±0.03mm，轨迹精度达到±0.3mm。环境试验主要测试高温存储、高低温运行和振动应力情况下的运行情况。试验结果表明系统满足环境应力要求。同时该系统在静电放电抗干扰试验满足3级要求，试验表明该控制系统运行可靠，可以运行在工业现场。2.3.4 结论采用嵌入式系统实现了机器人控制器，使机器人控制器具有高可靠性，高扩展性和开放性。示教盒和控制器的硬件采用微控制ARM，采用MVC结构便于实现示教盒设计以与与控制器通信。控制器采用分层结构和模块化结构以与各模块之间采用

41、总线相连实现了系统的开放性。控制器采用FPGA实现系统的IO控制和脉冲生成。实现了整个系统，试验验证其可靠性。3.嵌入式系统未来发展前景：信息时代, 数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机, 为嵌入式市场展现了美好的前景, 同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战, 从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势:( 1) 嵌入式开发是一项系统工程, 因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身, 同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。目前很多厂商已经充分考虑到这一点, 在主推系统的同时, 将开发环境也作为重点推广。比如三星在推广Arm7, Arm9芯片的同时还提供开发板和版与支

42、持包( BSP) , 而WindowCE在主推系统时也提供Embedded VC+ + 作为开发工具, 还有Vxworks 的Tonado 开发环境, DeltaOS 的Limda 编译环境等等都是这一趋势的典型体现。当然, 这也是市场竞争的结果。( 2) 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高, 使得以往单一功能的设备如、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一, 结构更加复杂。这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能, 为了满足应用功能的升级, 设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32 位、64 位RISC 芯片或信号处理器DSP 增强处理能力, 同时增加功能接口, 如

43、U SB, 扩展总线类型, 如CAN BUS, 加强对多媒体、图形等的处理, 逐步实施片上系统( SOC) 的概念。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性, 简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期, 如HP。( 3) 网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求, 必然要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足, 而新一代的嵌入式处理器已经开始嵌网络接口, 除了支持T CP/ IP 协议,还有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluet ooth 或IrDA 通信接口中的一种或者几种, 同时也需要提供相应的通信组网协议软件

44、和物理层驱动软件。软件方面系统系统核支持网络模块, 甚至可以在设备上嵌入Web 浏览器, 真正实现随时随地用各种设备上网。( 4) 精简系统核、算法, 降低功耗和软硬件成本。未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备, 为了减低功耗和成本, 需要设计者尽量精简系统核, 只保留和系统功能紧密相关的软硬件, 利用最低的资源实现最适当的功能, 这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法, 优化编译器性能。因此, 既要软件人员有丰富的硬件知识, 又需要发展先进嵌入式软件技术, 如Java、Web 和WAP 等。4.参考文献：（1）ARM9嵌入式系统设计-基于S3C2410与Linux（第二版） 徐英慧 马忠梅 主编 航空航天大学生（2）嵌入式应用技术基础教程（第二版）王宜怀、晓升编著 清华大学.（3）一种基于ARM的嵌入式多回路工业温度控制系统模拟部分（第五版）刚 编著 计算机测量与控制 农业科学研究院 2011，（09）（4）ROSLAK J. Act ive lighting sys tems for improved road safety A .IEEE Intelligent Vehicles Symposium C . 200 4, 6: 682- 685.（5）H ACIDEKIR T, Karaman S, Aks un G. Adapt ive head-