Ch10 第十章 机械电子系统中的微处理器

机械电子工程原理第十章机械电子系统中的微处置器微处置器进展控制和信息处置的优势1〕可存贮、可编程控制。程序是一系列操作的逻辑顺序，而这些任务都是确定的、可反复的，因此用程序实现数学运算、逻辑运算、控制和信号处置是一种理想的方式。2〕数字处置。微处置器中的信息被转换为二进制数据，这使得微处置器不会遭到模拟噪声的干扰，并且可以根据不同的要求采用不同的处置方法。3〕任务速度快。虽然微处置器只能按一定的顺序执行指令，但它运转速度非常快，可以在很短的时间内执行许多操作。2微处置器进展控制和信息处置的优势4〕设计的灵敏性：如今的硬件开展程度使系统设计具有很大的灵敏性，而更重要的是微处置器指令系统的功能越来越丰富，使软件设计具有更大的灵敏性，经过改动程序就可以改动同一个硬件所能实现的功能。5〕集成化：随着超大规模集成电路技术程度的不断提高，可以在同一片硅片上集成许多硬件，甚至可以在一个硅片中集成一个完好的微处置器系统。6〕费用：可接受的费用是微处置器获得运用的一个极为重要的商业要素。310.1嵌入式微处置器系统典型的机械电子系统中常见的一类微处置器系统是嵌入式微处置器系统，简称嵌入式系统。“嵌入〞指的是在机械电子系统中微处置器从属于另一个大得多的消费过程或系统。除了嵌入式实时控制以外，微处置器系统的另一类广泛运用是数据处置。在这类运用场所中，微处置器与外围设备组合成通用计算机系统，如个人计算机和任务站。4微处置器系统在嵌入式实时控制和数据处置运用中的对比5嵌入式系统对存储器的要求存储器指的是能直接被微处置器访问的那部分存储器，而不是指磁带、磁盘等外部存贮介质。在对存储器的要求上，嵌入式系统与通用计算机系统有着艰苦的差别，这主要是由于嵌入式系统通常运转固定的程序，而通用计算机系统那么必需可以反复调用各种各样的不同程序。对永久性存储器来说，信息一旦写入后不会因系统掉电而丧失，这类存储器普通用作ROM；而对非永久性存储器来说，系统掉电后信息即消逝，此类存储器普通用作RAM。在嵌入式系统中，运用程序通常很小，只需少量的ROM。在一些大型的嵌入式系统中〔如通讯控制器〕，那么需求数百KB的ROM〔用于存贮控制程序〕和相当数量的RAM〔用来存贮通讯数据〕6人-机界面和机-机界面计算机系统根本的输入输出设备是键盘和显示单元，而影响系统任务的控制活动主要是人的操作。因此计算机需求一个与操作者协调的人-机界面来提高任务效率。规范键盘通常被以为是低效率的人-机界面，为提高效率导致了鼠标器的运用，可以与可视化窗口与下拉式菜单配合运用。嵌入式系统的主要数据来源是安装在它所控制的机器或设备上的传感器。系统的输出信号驱动执行器以控制机器或设备。因此在嵌入式系统中最根本的界面是一个机-机界面。7实时多义务系统通用计算机系统接受并执行从键盘输入的命令。而嵌入式系统除了接受键入命令以外，也可以运用一种称为实时多义务系统的操作系统，它是由系统外部的中断信号所驱动，从而调用并执行特定的程序来为所要求完成的义务而效力。系统也能够具有内部的调度机制，使它可以控制假设干个独立程序的执行，从而产生一个多义务系统。因此一个实时多义务执行系统提供了一系列效力，在这根底上，才干从相互之间或与外设之间有复杂联络的各项义务中建立起系统。在嵌入式系统中，操作系统和运用程序一同贮留在程序存储器中，而在通用计算机系统中，操作系统和运用程序通常是分别从磁盘装入存储器的。8微处置器的任务性能目的对嵌入式系统来说，一个很重要的性能目的是它的呼应时间。“实时〞一词通常用来描画那些在规定时间内对外部信息做出呼应并实现某种功能的系统。当从传感器收到数据信息后，处置器必需在一定的时间内向执行机构输出控制信号，这种控制系统称为硬实时系统，由于时间界限是系统正常任务的严厉条件。而对通用计算机系统来说，对于操作者输入命令的呼应时间并不是很苛刻的。而当系统到达时间界限时并不会产生灾难性缺点，只是任务性能有所下降的系统被称为软实时系统。9嵌入式系统的开展历史自从1971年Intel公司推出第一款微处置器4004之后，嵌入式系统开场出现。阅历了30多年的开展，嵌入式系统曾经广泛地浸透到各类自动控制和智能设备之中。据统计，嵌入式微处置器占据了微处置器产量的94%。嵌入式系统每年的工业产值曾经超越了1万亿美圆。10嵌入式系统的定义嵌入式系统至今仍没有一致的定义。普通以为，嵌入式系统是指以运用为中心，以计算机技术为根底，软件硬件可配置、可剪裁，顺应于运用系统对功能、可靠性、本钱、体积、功耗严厉要求的公用计算机系统。它主要由嵌入式微处置器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户运用软件等部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常嵌入在主要设备中运转。11嵌入式系统的开展历史阶段根据嵌入式系统软件与硬件的关系，其开展的历程大致可以划分为四个阶段：第一阶段是以单芯片为中心的可编程控制器方式的系统第二阶段是以嵌入式处置器为根底、以简单操作系统为中心的嵌入式系统。第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。第四阶段是以交融网络通讯功能的嵌入式系统。12嵌入式系统的开展趋势目前通用计算机技术的开展的可以分为软、硬件两个方向。与之一样，嵌入式系统的相关技术也在软、硬件两条道路上飞速前行。嵌入式硬件技术的开展嵌入式硬件技术正在沿着三个方向开展：单片机〔SingleChipMicrocomputer,SCM〕数字信号处置器〔DigitalSignalProcessor,DSP〕可编程逻辑器件(ProgrammableLogicalDevice,PLD)13单片机的开展单片机是将中央处置单元(CPU)、ROM、RAM和I/O接口集成到单一芯片上的微型计算机。它具有很强的接口性能，非常适宜于工业控制，因此又叫微控制器(MicroControlUnit,MCU)，也可以构成所谓的片上系统(SystemOnchip,SOC)，实现对各种便携式电子产品的控制。目前单片机的开展出现了功能不断拓展和处置器位数不断提高的趋势。32位的处置器主要有四种典型架构：ARM(Advanced

RISC

Machines)、PowerPC、MIPS和EIA(EmbeddedIntelArchitecture)。其中最流行的是ARM系列处置器，它凭仗着低功耗、高性能、灵敏易用的特点，运用曾经普及工业控制、消费类电子产品、网络及无线通讯设备等各领域，在32位RISC微处置器市场中的占有率到达75%。14数字信号处置器DSP的开展DSP芯片主要运用于高密度、大容量、反复的数据处置领域，例如音频或视频信号的紧缩编码、加密解密、调制解调、频谱分析等处置运算。由于DSP内部存储器采用了不同于普通处置器普林斯顿构造〔冯·诺依曼构造〕的改良的哈佛构造，并拥有多总线和流水线构造，硬件乘法器和公用的运算指令，所以DSP可以进展高速的并行运算。目前DSP曾经广泛地运用于通讯、航空、雷达、家用电器等领域，常见的手机、数字电视、数码相机都离不开DSP。15可编程逻辑器件的开展可编程逻辑器件是电子设计自动化〔ElectronicDesignAutomation,EDA〕的物质根底。所谓电子设计自动化是在EDA的软件平台上，对用硬件描画言语HDL完成的设计文件自动地进展逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑规划布线、逻辑仿真,直至对于特定目的芯片进展适配编译、逻辑映射和编程下载等。设计者只需用HDL言语完成系统功能的描画，借助EDA工具就可得到设计结果，将编译后的代码下载到目的芯片就可在硬件上实现。目前主要的可编程逻辑器件有CPLD和FPGA。EDA技术作为一种现代电子系统开发方式，具有软硬件高度关联、高速高可靠性的优点。16嵌入式软件技术的开展嵌入式软件的开展主要表达在嵌入式运用软件和嵌入式操作系统两个方面。嵌入式系统的运用软件具有固化存储、可靠性和正确性要求高等特点，目前的嵌入式运用软件的开发曾经逐渐转向运用高级言语，例如C和Java。嵌入式系统运用软件的开发手段和工具的改动，一方面使得嵌入式软件的功能更为丰富，另一方面也使开发的复杂程度和风险大大提高。与通用计算机操作系统相比，嵌入式操作系统不单要管理各种硬件资源、处置各种冲突、为各类运用程序提供与硬件无关的系统调用接口，还必需具备通用操作系统不具备的内核体积小、实时性、可裁剪、可移植、高可靠性等特点。1710.2机械电子系统中微处置器的作用一个典型的用于控制的微处置器系统的框图。18运用微处置器系统控制机械手机器人控制器的首要功能是控制机器人手臂的轴。每一个坐标轴都构成一个独立的控制环，称为独立义务模块或程序模块。机器人轴的运动速度、方向的运算和控制算法使CPU的运算量很大。因此，CPU必需具有足够的性能以满足在运用途置方面和实时性方面的要求，因此采用高性能的16位或32位CPU。在许多运用场所中，还采用高速运算的协处置器来提高CPU的运算才干。机器人的手臂与微处置器系统经过各模拟传感器和数字传感器以及不同的执行器衔接起来。19运用微处置器系统控制机械手像机器人这样的系统很少会单独任务，它普通都从属于一个更大的控制系统，这个大控制系统同时控制着相互协作的许多台机器人和控制器。因此本例中的机器人控制器配备有键盘和显示器两个人机界面以及一个用来衔接其它机器人和系统的通讯接口。虽然这些机器人和系统能够位于不同的地点，但通讯网络提供了一个联络手段。经过这个网络，机器人之间可以相互通讯，或与掌管全局的中心计算机通讯。这种类型的系统称为分布式控制系统，其作用主要在于使通讯系统的设计符合实践要求。2010.3嵌入式系统的设计方法无论在机械电子系统中的作用是控制还是信息处置，假设微处置器嵌入的是一个相对较大、较复杂的系统，由于监控变量多，数据量大，计算复杂，显示要求高，那么可以选用PC机。由于PC机具有宽广的硬件支持厂商，而且其软件产品类型多样、种类齐全，软硬件开发环境及有关工具也非常丰富，再加上其良好的用户界面有图形显示功能，因此PC机对于工控领域的吸引力是宏大的。正是在这样的背景下，工业PC机产生了。21工业PC机的局限性规范构造的工业PC机也有许多局限性，主要问题是体积和功耗太大，在许多嵌入式运用场所〔例如航空航天产品、智能仪器仪表、医疗设备、通讯设备、机电一体化产品等〕无法胜任，因此出现了采用基于模块化设计方法的嵌入式系统。22可编程控制器PLC可编程控制器该当说是一种真正的工业控制计算机，它的设计过程是经过广泛地征求各个工业领域对各种现场环境的要求，并把这些要求综合成十几条规范后完成的。可编程控制器的积木化构造使得它在不同的运用场所中显得非常灵敏，在一个根本系统上，根据监控变量数量的要求，可以灵敏地选用模拟通道和数字通道的数量，并可以配置通讯模块，联成工业控制的局域网络。可编程控制器有着非常优良的可靠性，它在工业界的运用中极少出现缺点，即使出现缺点，也有相当一部分是由于接线引起的。但对一些监控变量少、计算量小的机电系统来说，显得价钱偏高。23模块化：一种行之有效的嵌入式系统设计方法长期以来，微型计算机系统设计者常采用下述几种方法设计嵌入式系统：基于模板的设计方法基于模块的设计方法基于芯片的设计方法24基于模板的设计方法于模板的设计方法是指运用市场上销售的总线模板来构本钱人的公用嵌入式系统，这种设计方法能大大缩短产品的开发周期，但设计出来的产品往往本钱高、体积大、灵敏性差。

国内目前较为流行的STD总线工控机和PC总线工控机系统就属于这种设计方法。由于系统需求庞大的机箱或总线底板，因此在许多嵌入式运用场所，其运用遭到限制。25基于模块的设计方法基于模块的嵌入式系统设计，即采用现成的、由厂家提供的模块来设计嵌入式系统。所谓“模块〞是指一种体积较小的多集成块组件，通常在2～10in2的电路板上，安装了许多满足某种特定功能的集成电路和元件。基于模块的设计的优点：不需很高的投资即可获得较高的器件密度降低开发费用增多产品档次，便于晋级换代预先定义的模块的机械电气规范也会大大简化用户模块的设计，减少技术风险。26基于芯片的设计方法基于芯片的设计是指设计全部从芯片开场做起。它能非常有针对性地满足系统的要求，但需破费较多的开发费用、较长的开发时间和冒较大的风险。当然，开发出来的产品体积小、功耗低、本钱也较低。典型的实例是采用单片机〔例如，Intel8051系列、8096系列〕来设计公用的嵌入式系统，这是一种大家比较熟习传统的设计方法。在当今猛烈竞争的市场环境中，这种方法由于周期长，开发费用高，因此有时在时间上不能满足用户的需求，最好能预先开发。27嵌入式系统规范模块─PC/104总线模块PC/104的概念来源于美国AMPRO公司在1987年开发出来的、用于该公司“小板〞系列PC兼容单板计算机的一些扩展模块——“最小模块〞(MiniModule)。由于这些MinModule的体积很小、尺寸规范化(90×96mm)、功耗很低、构造独特，因此，AMPRO公司想象能否能将CPU模块也可以按上述规范来设计。1990年，这些想象成为现实：AMPRO公司推出了第一个CPU模块——CoreModuleXT，接着许多计算机厂商和OEM用户也不断推出了与CoreModule和MiniMoule规范兼容的产品。28PC/104的由来目前MiniMoule系列已有通讯控制、磁盘接口控制、显示控制、网络控制四大类十多种产品，与MiniModule兼容的其它外围模块。为了使“PC/104〞产品进一步普及和运用，以AMPRO公司为首的厂家，已结合了其它七十多个公司，成立了“PC/104〞协会，从而构成较大的气势，在全世界推行嵌入式PC/104模块及其产品。2021年AMPRO公司曾经被AD-link公司收买。29PC/104──IEEE-P996.1IEEE-P996.1是指IBMPC和PC/AT总线规范，它已成微型机现实上的工业规范，PC/104总线只需与之兼容，才干有生命力。PC/104模块正是在电气和机械特性与IEEE-P996.1兼容的根底上，减少了体积空间、降低了功耗，从而满足了嵌入式计算机运用系统的需求。之所以将模块命名为“PC/104〞，是由于其总线之间的互连运用了104个信号线〔一个64引脚衔接器，一个40引脚衔接器〕。因此，“PC/104〞总线完全可以作为IEEE-P996.1规范的扩展。30PC/104与IEEE-P996.1的主要不同点1〕非常小的体积，尺寸仅为90×96mm，可以当作普通元件组件来运用。2〕独特的自层叠式总线，无需机壳、母板或总线板，从而降低了本钱。3〕总线驱动电流仅需6mA，采用低功耗设计和高集成度的元件，模块的典型功耗1～2W。31PC/104总线模块系统

已成为现实上的嵌入式PC机的规范我们以为，采用PC/104总线构造设计的产品，最适宜于嵌入式控制的运用。PC/104模块与IBMPCXT/AT软硬件完全兼容，因此完全可以利用现有的硬件、软件、开发工具、设计知识等资源，为技术人员提供了良好的开发环境。PC/104模块体积小(90×96mm)、功耗低〔采用CMOS器件，无需散热〕、可层叠，完全可以嵌入到各种设备中。中心模块(CPUModule)已有XT、AT、386SDX、