物联网系列专业课程之单片机与嵌入式概述

1、单片机与嵌入式中智讯（武汉）科技有限公司嵌入式系系统概述述常用嵌入入式平台台嵌入式开开发方法法嵌入式常常用外设设嵌入式开开源硬件件嵌入式定定义EmbeddedSystems的定义无无论是学学界或者者业界，都有相相当多种种说法，应用的的范畴更更是远超超出一般般人的想想象根据英国国电机工工程师协协会的定定义：嵌嵌入式系系统为控制、监监视或辅辅助设备备、机器器或甚至工工厂运作作的装置置它具备了了下列的的特性：设计的目目的，在在于执行行特定的的功能以微电脑脑与周边边构成核核心严格的时时序与稳稳定度要要求全自动操操作循环环嵌入式系系统为一一种计算算机软件件与硬件件的综合合体，特特别强调调量身定做做的原则

2、则，基于于某一种种特殊用用途上，针对这这项用途途开发出出截然同的系系统，是是所谓的的客制化(Customized)系统。嵌入式定定义总结：嵌嵌入式系系统是以以应用为为中心，计算机机技术为为基础，并且软软硬件可可裁剪，适用于于应用系系统对功功能、可可靠性、成本、体积、功耗有有严格要要求的专用计算算机系统统。广义定义义：任何何一个非非计算机机的计算算系统嵌入式组组成嵌入式系系统一般般由嵌入入式硬件件和软件件组成嵌入式硬硬件：微处理机机(Microprocessor)/微控制器器(Microcontroller)内存(Memory)特殊用途途之集成成电路芯芯片(ASIC)输入与输输出(Input/O

3、utput,I/O)接口与输输入与输输出装置置软件包括括：初始始化代码码及驱动动、嵌入入式操作作系统和和应用程程序等，这些软软件有机机地结合合在一起起，形成成系统特特定的一一体化软软件。硬件应用程序序图形用户户接口通用接口口D/A文件系统统嵌入式操操作系统统HAL/BSP嵌入式微处理器器软件A/DI/OROMSDRAM人机交互互接口应用层OS层驱动层硬件层从传统计计算机到到嵌入式式嵌入式操操作系统统：Linux,windowsCE,资源有限限实时要求求：时间间确定性性成本要求求功耗要求求开发主要要专用工工具和特特殊方法法桌面操作作系统：Windows XP/7/10专用微处处理器：51，AVR

4、，PIC，MSP，ARM，DSP外围接口口电路：IIC、UART、SPI、USB、LCD、MMCX86处理器嵌入式与与物联网网ARMEmbedded SolutionIntelligent Hardware / IoTCortex-M SeriesApplication Platform / MobileCortex-A Series全新嵌入式架构：ARM Cortex-A & Cortex-M 万物智能互联全新嵌入式架构：ARM Cortex-A & Cortex-M 双平台让万物智能互联嵌入式系系统概述述常用嵌入入式平台台嵌入式开开发方法法嵌入式常常用外设设嵌入式开开源硬件件嵌入式平平台分

5、类类嵌入式处处理器嵌入式片片上系统统SoC嵌入式DSP处理器DSP嵌入式微微控制器器MCU嵌入式微微处理器器MPU嵌入式微微控制器器MCU嵌入式微微控制器器一般以以一种微微处理器器的CPU为核心，芯片内内部集成成ROM/RAM/EPROM、FlashRAM、总线、总线逻逻辑、定定时/计数器、看门狗狗、I/O、串行口口、脉宽宽调制输输出、A/D、D/A等各种必必要功能能和外设设。嵌入式微微控制器器的典型型代表是是单片机机，常见见的是C51、AVR、MSP430、PIC、STM32（ARMCortex-M系列）等等。微控制器器的最大大特点是是单片化，体积小小，从而而使功耗和和成本下下降、可可靠性提

6、提高。微控制器器的片上外设设资源一般比较较丰富，适合应用用于控制制领域。微控制器器是目前前嵌入式式系统工工业的主主流。常用MCU平台比较较类别架构总线主流型号开发环境说明8051C518位AT89C51/STC89C51Keil简单，纯IO，外设基本靠扩展AVRRISC8位Atmega16aAVR Studio/IAR较高性能，外设丰富PICRISC8位PIC16F873MPLAB指令少，开发简单MSP430RISC16位MSP430F系列CCS/IAR较高性能，外设丰富STM32ARM32位STM32F系列Keil/IARARM Cortex架构，主流MCU，高性能，可运行微操作系统嵌入式微

7、微处理器器MPU嵌入式微微处理器器是由通通用计算算机中的的CPU演变而来来的。与计算机机处理器器不同，在实际际嵌入式式应用中中，只保保留和嵌嵌入式应应用紧密密相关的的功能硬硬件，去去除其他他的冗余余功能部部分，这这样就以以最低的的功耗和和资源实实现嵌入入式应用用的特殊殊要求，主要特特点如下下：功耗低；处理器结结构可扩扩展；调试功能能丰富；支持实时时多任务务及操作作系统。目前主要要的嵌入入式处理理器类型型有ARMCortex-A系列、PowerPC、MIPS等。常见的MPU平台及操操作系统统嵌入式系系统概述述常用嵌入入式平台台嵌入式开开发方法法嵌入式常常用外设设嵌入式开开源硬件件嵌入式系系统设计

8、计过程1234567第一阶段段：产品品定义第三阶段段：硬件件与软件件划分第五阶段段：详细细硬件设设计第二阶段段：系统统建模第四阶段段：迭代代设计与与选择85第五阶段段：详细细软件设设计第六阶段段：硬件件与软件件集成第七阶段段：系统统测试第八阶段段：系统统维护与与升级嵌入式硬硬件设计计嵌入式方方案选型型设计：性价比先进性软硬件资资料嵌入式硬硬件设计计流程：设计：方方案论证证-原理图-Layout-样板生产产调试：硬硬件检测测-软硬件调调试生产：N次小批量量-批量嵌入式硬硬件功能能调试：电源、时时钟复位、JTAG内存、Flash总线、控控制器嵌入式软软件设计计宿主机仿真器评估板IDE开发环境境宿主

9、机开开发模式式PC、IDE开发环境境、仿真真器、评评估板、串口线线、网线线在线仿真真、Trace、LED、Printf查阅官方方例程掌握官方方软件库库工具选型型掌握原理理图阅读数据据手册嵌入式软软件设计计（Hal层）硬件层和和软件层层之间为为中间层层，也称称为硬件件抽象层层（HardwareAbstractLayer，HAL）或板级级支持包包（BoardSupport Package，BSP）该层一般般包含相相关底层层硬件的的初始化化、数据据的输入入/输出操作作和硬件件设备的的配置等等功能HardwareIndependentSoftwareApplicationsI/OSystemFile

10、SystemRTOS LibrariesRTOS KernelTCP/IPStackHardwareAbstractionLayer:BSP &Device DriverSCSI DriverFlashDriverMMUDriverCacheDriverSerialDriverEthernetDriverDeviceDriverHardware嵌入式系系统概述述常用嵌入入式平台台嵌入式开开发方法法嵌入式常常用外设设嵌入式开开源硬件件嵌入式最最小系统统与外设设MCU三轴加速速传感器器温湿度、超声波波继电器系统电源源模块小车姿态态控制电机、可可调灯LCDRFID、指纹识识别语音识别别光线感应应烟雾

11、传感感器霍尔磁感感应雨滴传感感器系统时钟钟多路ADCI2CGPIOUARTSPIDACPWM常用接口口技术数字量IOA/DPWM总线接口口显示接口口数字量IO单片机接接口系统统：键盘输入入、显示示输出、打印输输出、数数据采集集、伺服服系统、数据存存储、数数据通信信等众多功功能，皆皆通过I/O端口实现现与MCU的信息交交互；某些特定定的传感感器时序序需求，很多都都直接使使用数字字量IO来模拟接接入；复用性：部分IO可复用其其他功能能；驱动能力力：不同同端口的的驱动能能力不同同。A/DA/D转换是把把模拟量量信号转转化成与与其大小小成比例例的数字字信号；A/D的主要参参数（CC2530）：可选的抽

12、抽取率，这也设设置了分分辨率（7到12位）8个独立的的输入通通道，可可接受单单端或差差分信号号参考电压压可选为为内部单单端、外外部单端端、外部部差分或或AVDD5产生中断断请求转换结束束时的DMA触发温度传感感器输入入电池测量量功能PWM脉冲宽度度调制(PWM)，是英文文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉脉宽调制制，是利利用微处处理器的的数字输输出来对对模拟电电路进行行控制的的一种非非常有效效的技术术，广泛泛应用在在从测量量、通信信到功率率控制与与变换的的许多领领域中。总线接口口-串口RS-232C总线是由由美国电电子工业业协会EIA于1969年修定的的一种串串行通信信

13、接口标标准；一般称为为UART，串口；UART模式的操操作具有有下列特特点：8位或者9位负载数数据奇校验、偶校验验或者无无奇偶校校验配置起始始位和停停止位电电平配置LSB或者MSB首先传送送独立收发发中断独立收发发DMA触发总线接口口- 485RS-485是一种2线，半双双工，多多点通信信的标准准；RS-485的电气特特性：逻逻辑“1”以两线间间的电压压差为+(26)V表示；逻逻辑“0”以两线间间的电压压差为-(26)V表示。接接口信号号电平比比RS-232-C降低了，就不易易损坏接接口电路路的芯片片，且且该电平平与TTL电平兼容容，可方方便与TTL电路连接接；RS-485的数据最最高传输输速

14、率为为10Mbps；RS-485接口是采采用平衡衡驱动器器和差分分接收器器的组合合，抗共模模干扰能能力增强强，即抗抗噪声干干扰性好好；RS-485最大的通通信距离离约为1219m，最大传传输速率率为10Mbps，传输速速率与传传输距离离成反比比，在100Kb/S的传输速速率下，才可以以达到最最大的通通信距离离，如果果需传输输更长的的距离，需要加加485中继器。总线接口口- IICI2C总线是PHILIPS公司推出出的一种种串行总总线。它它是具备备多主机机系统所所需的包包括总线线裁决和和高低速速设备同同步等功功能的高高性能串串行总线线，是一一种近年年来应用用较多的的串行总总线；I2C串行总线线只

15、有两两根信号号线,一根是双双向的数数据线SDA,一根是时时钟线SCL；I2C总线是多多主机总总线；I2C总线为双双向IO总线，通通过上拉拉电阻接接正电源源。总线接口口- SPISPI串行总线线是Motorola公司推出出的一种种串行总总线技术术；SPI串行总线线是一种种四线同同步串行行技术，数据通通信从器器件选择择或片选选(CSB)为低时有有效。全全双工，串行数数据同时时输入输输出，1.05Mbps的最大主主机数据据传输速速率，总总线竞争争保护；SPI串行总线线包含四四个信号号线：串串行数据据输入(MOSI)、串行数数据输入入(MOSI)、串行数数据输出出(MISO)、串行时时钟信号号(SCK

16、)、串行片片选信号号线(SS)。总线接口口- CANCAN总线是控控制器局局域网络络(ControllerArea Network, CAN)的简称，CAN总线是由由德国BOSCH公司提出出，目的的是为了了解决汽汽车内部部硬件信信号线的的复杂走走线，是是国际上上应用最最广泛的的现场总总线之一一；CAN总线采用用差分信信号传输输，有很很强的错错误检测测能力，通信距距离远，因此被被用到一一些特殊殊的场合合，比如如汽车，厂矿等等干扰较较强的地地方；CAN为多主方方式工作作，网络络上任一一节均可可在任意意时刻主主动向网网络上其其他节点点发送信信息，不不分主从从；CAN节点只需需通过对对报文的的标志符符

17、进行滤滤波就可可以方便便的实现现点对点点，点对对多点及及全局广广播等几几种传送送接收方方式。显示接口口嵌入式系系统概述述常用嵌入入式平台台嵌入式开开发方法法嵌入式常常用外设设嵌入式开开源硬件件Arduino -开源硬件件Arduino是一个开开放源码码电子原原型平台台，拥有有灵活、易用的的硬件和和软件。Arduino基于单片片机/ARM微控制器器，可以以接收来来自各种种传感器器的输入入信号从从而做到到监测环环境的效效果，并并通过控控制光源源，电机机以及其其他驱动动器来影影响其周周围环境境Arduino的硬件原原理图、电路图图、IDE软件及核核心库文文件都是是开源的的，在开开源协议范围围内里可可

18、以任意意修改原原始设计计及相应代码码。硬件低廉廉，软件件免费，入门简简单全球最流流行的开开源硬件件Arduino -开发环境境Arduino各种衍生生版本Arduino周边外设设及作品品展示RaspberryPi（树莓派派）-卡片电脑脑树莓派由由英国的的慈善组组织“RaspberryPi基金会”开发，刚开始始为了学学生编程程而设计计。2012年3月，英国国剑桥大大学埃本本阿普顿（Eben Epton）正式发发售世界界上最小小的台式式机，又又称卡片片式电脑脑，外形形只有信信用卡大大小，却却具有电电脑的所所有基本本功能，这就是是RaspberryPi，中文译译名树莓派。由于开源源和丰富富的外扩扩接

19、口而而吸引了了广大的的学生和和玩家。RaspberryPi（树莓派派）-卡片电脑脑RaspberryPi（树莓派派）-操作系统统基于树莓莓派的各各种项目目用树莓派派打造一一个家庭庭影院把树莓派派配置成成无线路路由器用树莓派派搭建BT下载服务务器拿树莓派派当FTP文件服务务器在树莓派派上搭建建代码托托管服务务(SVN)用树莓派派当网络络收音机机播放FM电台在树莓派派上搭建建LNMP环境，作作为网站站服务器器基于Samba实现NAS系统（网网络存储储中心）用树莓派派实现网网络批量量自动安安装CentOS用树莓派派建立家家庭媒体体中心在树莓派派上搭建建LAMP服务在树莓派派上获取取美国天天气预报报使用MarkdownOnRaspberryPi写博客树莓派制制作单双双休闹钟钟用树莓派派搭建Git私有服务务器用树莓派派做VPN路由网关关树莓派上上使用迅迅雷远程程下载树莓派做做下载机机，Aria2！树莓派下下搭建shadowsocks服务器空气指数数之PM2.5显示器（基于SAKS扩