嵌入式系统在智能家居中的应用 2.docx

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嵌入式系统在智能家居中的应用2

2014届本科毕业论文（设计）

基于嵌入式计算机芯片在重力感应地毯中的应用

姓名：

　李勇　

系别：

计算机与信息技术学院

专业：

计算机科学与技术

学号：

12131010

指导教师：

付涛

2014年3月15日

目录

1课题介绍1

1.1嵌入式计算机芯片在重力感应地毯中的应用1

1.2嵌入式系统的定义2

1.3嵌入式系统的特点2

1.4嵌入式系统的种类2

2嵌入式系统的主要应用3

3嵌入式系统的发展现状和发展趋势3

4人体重力感应发光地毯4

4.1功能说明4

4.2产品控制板图片4

4.3产品图片4

4.4产品图片4

5系统原理设计5

5.1IC工具及应用信息5

5.2IC系统架构5

5.2.1定时模块5

5.2.2输出模块5

5.2.3压敏电阻AD模块5

5.2.4光敏感应AD模块5

5.3部分相关代码5

5.3.1定时模块代码5

5.3.2输出模块代码5

5.3.3压敏电阻AD模块代码6

5.3.4光敏感应AD模块6

参考文献6

致谢6

嵌入式计算机芯片在重力感应地毯中的应用

摘要

目前，在嵌入式系统的应用领域中，很多人对什么是嵌入式系统不太了解。

有些人做了十多年单片机应用，不知道单片机就是一个最典型地嵌入式系统；也有些人在解释什么是嵌入式系统这个问题时，不是从基本的定义出发，而是举例说明了嵌入式系统一些特点，往往不知到说的是什么。

所以，有必要从现代计算发展历史，了解嵌入式系统的来源，从学科建设的角度来探讨嵌入式系统的较为精准的定义。

在许多领域中嵌入式计算机系统被广泛应用，特别是在电子器件中重复完成特定功能，但它不经常被器件的拥有者所识别知道，其实在各种电子器件中都能找到这些嵌入式系统。

现可以实际的例子—嵌入式系统在家居中的应用来说明嵌入式系统在生活的应用。

关键词

嵌入式系统；单片微型的计算机；嵌入式控制器内核；智能家居。

LibraryManagementSystem

Abstract

Atpresent,inthefieldofembeddedsystemapplication,manypeoplehavenotunderstandingwhatisanembeddedsystem.Somepeoplehavemorethan10yearsofmicrocomputerapplication,don'tknowtheMCUisoneofthemosttypicalembeddedsystems;Alsosomepeopleinexplainingwhatisanembeddedsystem,isnotstartingfromthedefinition,itlistssomecharacteristicsoftheembeddedsystem,areoftenconfused.Therefore,itisnecessaryfromthedevelopmenthistoryofmoderncomputing,understandtheoriginoftheembeddedsystem,fromtheAngleofsubjectconstruction,toexplorethedefinitionofembeddedsystemismoreaccurate.-embeddedsystemwithpracticalexamplesintheapplicationofintelligenthouseholdtoillustratetheapplicationofembeddedsysteminlife.

Keywords

Thehigh-speedelectronicsystem;Singlechipmicrocomputer.Thekernel;Intelligenthousehold.

1课题介绍

1.1嵌入式系统在智能家居中的应用

目前，在嵌入式系统的应用领域中，很多人对什么是嵌入式系统不太了解。

有些人做了十多年的单片机应用，还不知道单片机就是一个最典型的嵌入式系统；也有些人在解释什么是嵌入式系统这个问题时，不是从最基本的定义出发，而是举例说明了嵌入式系统的一些特点，往往不知道其要表达的意思。

所以，有必要从现代计算发展历史，了解知道嵌入式系统的来源，从学科的角度来探讨说明嵌入式系统的较为完整正确的定义。

嵌入式系统诞生于微型机的时代，嵌入式系统地嵌入性实质是将一个计算机嵌入到另一个对象体系中去，这些都是认识理解嵌入式系统的基本出发点。

由于嵌入式计算机的系统要嵌入到其他对象体系中，实现的是对对象的智能化的控制，所以，它有与通用的计算机系统不同的技术的要求与技术的发展方向。

智能家居是利用计算机技术，网络通信技术和传感技术等。

依照人体工程学的原理，将我们生活中的各种电子设备有机的结合起来，通过网络化综合智能控制与管理的一种嵌入式系统。

电子、传感和网络技术的不断发展和人们生活质量的提高，家居生活中的电子产品不但种类越来越多，功能更加完善，应用更加普遍，而且越来越智能化，最普遍的家居生活电子产品种类达数百种，实现对如此之多的家居电子产品的综合控制是智能家居发展的必然趋势。

通用地计算机系统的技术要求是高速与海量数值计算；技术的发展方向是总线的速度的无限制提升，存储容量的无限制扩大。

然而嵌入式计算机的系统技术要求是对象的智能化控制能力；技术发展的方向是，与对象系统密切相关的嵌入系统的性能、控制能力与控制的可靠性。

嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。

它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。

在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，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。

它一般由嵌入式微处器、处围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

如果我们了解了嵌入式（计算机）系统的由来与发展，对嵌入式系统就不会产生过多的误解，而能历史地、本质地、普遍适用地定义嵌入式系统。

1.2嵌入式系统的定义

按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：

“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。

“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。

对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。

嵌入式系统是计算机技术、半导体技术、微电子技术、语音图象数据传输技术和传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品。

因此往往是技术密集、投资强度大、高度分散、不断创新的知识密集型系统。

反映当代最新技术的先进水平。

嵌入式系统不仅和一般的PC机上的应用系统不同，就是针对不同的具体应用而设计的嵌入式系统之间差别也很大。

嵌入式系统一般功能单一、简单，且在兼容性方面要求不高，但是在大小，成本方面限制较多。

嵌入式计算机基本上不能算是嵌入式系统。

它仍然是计算机一类，不过是工作条件有所不同而已，因为它还保留了计算机的基本。

1.3嵌入式系统的特点

嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。

不同的嵌入式系统其特点会有所差异。

与“嵌入性”的相关特点：

由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/气氛环境（可靠）、成本（价廉）等要求。

与“专用性”的相关特点：

软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。

与“计算机系统”的相关特点：

嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。

与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。

另外，在理解嵌入式系统定义时，不要与嵌入式设备相混淆。

嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等。

嵌入式系统的重要特征：

1．系统内核小。

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，所以内核较之传统的操作系统要小得多。

比如E公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核？

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，不要求其功能设计及实现上过于复杂，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、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS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及各种逻辑分析仪、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嵌入式系统的种类

按照上述嵌入式系统的定义，只要满足定义中三要素的计算机系统，都可称为嵌入式系统。

嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SoC）。

有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统，因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。

由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行划分。

（1）嵌入式系统的硬件

从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。

据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1000多种，流行体系结构有30多个，其中8051体系占大多数。

生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近100种。

目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64KB到256MB，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS。

近年来嵌入式微处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。

专业分工也越来越明显，出现了专业的IP（IntellectualPropertyCore，知识产权核）供应商，如ARM、MIPS等，他们通过提供优质、高性能的嵌入式微处理器内核，由各个半导体厂商生产面向各个应用领域的芯片。

一般可以将嵌入式处理器分成4类，即嵌入式微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）、嵌入式微控制器（MicroControllerUnit，MCU单片机）、嵌入式DSP处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）和嵌入式片上系统（SystemOnChip，SOC）。

（2）嵌入式系统的软件

嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。

操作系统是连接计算机硬件与应用程序的系统程序。

操作系统有两个基本功能：

使计算机硬件便于使用；高效组织和正确地使用计算机的资源。

操作系统有4个主要任务：

进程管理、进程间通信与同步、内存管理和I/O资源管理。

目前嵌入式系统的软件主要有两大类：

实时系统和分时系统。

实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。

实时操作系统的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务；

其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定的时间内做出正确的响应。

实时操作系统与分时操作系统的区别:

对于分时操作系统，软件的执行在时间上的要求并不严格，时间上的延误或者时序上的错误，一般不会造成灾难性的后果。

而对于实时操作系统，主要任务是对事件进行实时的处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件必须在事件随机发生时，在严格的时限内做出响应（系统的响应时间）。

即使是系统处在尖峰负荷下，也应如此，系统时间响应的超时就意味着致命的失败。

另外，实时操作系统的重要特点是具有系统的可确定性，即系统能对运行的最好和最坏情况做出精确的估计。

Stankovic给出了实时系统的定义:

“实时系统是这样一种系统，即系统执行的正确性不仅取决于计算的逻辑结果，而且还取决于结果的产生时间。

”

实时系统又可以分为“硬实时系统”和“软实时系统”。

硬实时和软实时的区别就在于对外界的事件做出反应的时间。

硬实时系统必须是对事件做出及时的反应，绝对不能错过事件处理的时限。

在硬实时系统中如果出现了这样的情况就意味着巨大的损失和灾难。

比如说航天飞机的控制系统，如果出现故障，后果不堪想象。

软实时系统是指，如果在系统负荷较重的时候，允许发生错过时限的情况而且不会造成太大的危害。

比如液晶屏刷新允许有短暂的延迟。

硬实时系统和软实时系统实现的区别主要是在选择调度算法上。

对于软实时系统，选择基于优先级调度的算法足以满足软实时系统的需求，而且可以提供高速的响应和大的系统吞吐量；

而对硬实时系统来说，需要使用的算法就应该是调度方式简单，反应速度快的实时调度算法

嵌入式系统的分类

按所嵌入的处理器分：

1、单个微处理器cpu、存储器、I\O设备、接口集成在一个芯片中，存储容量小，字长8

位。

这类系统一般由单片嵌入式处理器组成，嵌入式处理器上集成了存储器、I\O设备接口（如A\D

转换器）等，嵌入式处理器加上简单的元件如电源、时钟元件等就可以工作。

单个微处理器这类系统可以在小型设备中（如温度传感器、烟雾和气体探测器及断路器）找到。

这类设备是供应商根据设备的用途来设计的。

常用的嵌入式处理器如Philips的89LPCxxx系列，Motorola的MC68HC05、08系列等。

2、嵌入式处理器可扩展的系统存储器、I\O设备接口可扩充，扩展存储容量较小，字长8位或16位。

这类嵌入式系统使用的处理器根据需要，可以扩展存储器，也可以使用片上的存储器，处理器一般容量在64KB左右，字长为8位或16位。

在处理器上扩充少量的存储器和外部接口，以构成嵌入式系统。

这类系统可在过程控制、信号放大器、位置传感器及阀门传动器等中找到。

3、复杂的嵌入式系统配置丰富的外设接口，存储器、I\O设备接口可扩充，扩展存储容量较大，字长32位。

组成这样的嵌入式系统的嵌入式处理器一般是16位、32位等，用于大规模的应用，由于软件量大，因此需要扩展存储器。

扩展存储器一般在1MB以上，外部设备接口一般仍然集成在处理器上，常用的嵌入式处理器有ARM系列、Motorola公司的PowerPC系列、Coldfire系列等。

这类系统可见于开关装置、控制器、电话交换机、电梯、数据采集系统、医药监视系统、诊断及实时控制系统等。

它们是一个大系统的局部组件，由它们的传感器收集数据并传递给该系统。

这种组件可同计算机一起操作，并可包括某种数据库（如事件数据库）。

4、在制造或过程控制中使用的计算机系统对于这类系统，计算机与仪器、机械及设备相连来控制这些装置的工作。

这类系统包括自动仓储系统和自动发货系统。

在这些系统中，计算机用于总体控制

和监视，而不是对单个设备直接控制。

过程控制系统可与业务系统连接（如根据销售额和库存量来决定订单或产品量），在许多情况下，两个功能独立的子系统可在一个主系统操作下一同运行。

如控制系统和安全系统：

控制子系统控制处理过程，以使系统中的不同设备能正确地操作和相互作用于生产产品；而安全子系统则用来降低那些会影响人身安全或危害环境的误操作风险。

2嵌入式系统的主要应用

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：

工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能系统、POS网络及电子商务、环境工程与自然、机器人。

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协议也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，开发和探试嵌入式系统有着十分重要的意义。

相对于其他的领域，机电产品可以说是嵌入式系统应用最典型最广泛的领域之一。

从最初的单片机以现在的工控机、SOC在种机电产品中均有着巨大的市场。

业设备是机电产品中最大的一类，在目前的工业控制设备中，工控机的使用非常广泛，这些工控机一般采用的是工业级的处理器和各种设备，其中以X86的MPU最多。

家电行业是嵌入式应用的另一大行业，我们传统的电视，电冰箱当然其中也嵌有处理器，但是这些处理器只是在控制方面应用。

而现在只有按钮、开关的电器显然已经不能满足人们的日常需求，具有用户界面，能远程控制，智能管理的电器是未来的发展趋势。

到我们身边。

有些人把嵌入式处理器当作嵌入式系统，但由于嵌入式系统是一个嵌入式计算机系统，因此，只有将嵌入式处理器构成一个计算机系统，并作为嵌入式应用时，这样的计算机系统才可称作嵌入式系统。

嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对象系统要求的外围电路，形成满足对象系统要求的应用系统。

因此，嵌入式系统作为一个专用计算机系统，要不断向计算机应用系统发展。

因此，可以把定义中的专用计算机系统引伸成，满足对象系统要求的计算机应用系统。

响应时间：

是实时系统从识别出一个外部事件到做出响应的时间；

生存时间：

是数据的有效等待时间，数据只有在这段时间内才是有效的；

吞吐量：

是在给定的时间内系统能够处理的事件总数，吞吐量通常比平均响应时间的倒数要小一点。

实时系统根据响应时间可以分为弱实时系统、一般实时系统和强实时系统三种。

弱实时系统在设计时的宗旨是使各个任务运行得越快越好，但没有严格限定某一任务必须在多长时间内完成，弱实时系统更多关注的是程序运行结果的正确与否，以及系统安全性能等其他方面，对任务执行时间的要求相对来讲较为宽松，一般响应时间可以是数十秒或者更长。

一般实时系统是弱实时系统和强实时系统的一种折衷，它的响应时间可以在秒的数量级上，广泛应用于消费电子设备中。

强实时系统则要求各个任务不仅要保证执行过程和结果的正确性，同时还要保证在限定的时间内完成任务，响应时间通常要求在毫秒甚至微秒的数量级上，这对涉及到医疗、安全、军事的软硬件系统来说是至关重要的。

嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。

这条道路就是芯片化道路。

将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。

由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造，因此，以通晓对象专业的电子技术队伍为主，用最少的嵌入式系统软、硬件开销，以8位机为主，带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。

另外，计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用，但囿于对象专业知识的隔阂，其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面，不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。

因此，客观存在的两种应用模式会长期并存下去，在不同的领域中相互补充。

电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中，学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术；计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中，了解嵌入式系统应用的电路系统特性、基本的外围电路设计方法和对象系统的基本要求等。

由于嵌入式系统有过很长的一段单片机的独立发展道路，大多是基于8位单片机，实现最底层的嵌入式系统应用，带有明显的电子系统设计模式特点。

大多数从事单片机应用开发人员，都是对象系统领域中的电子系统工程师，加之单片机的出现，立即脱离了计算机专业领域，以“智能化”器件身份进入电子系统领域，没有带入“嵌入式系统”概念。

因此，不少从事单片机应用的人，不了解单片机与嵌入式系统的关系，在谈到“嵌入式系统”领域时，往往理解成计算机专业领域的，基于32位嵌入式处理器，从事网络、通信、多媒体等的应用。

这样，“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词。

但由于“单片机”是典型的、独立发展起来的嵌入式系统，从学科建设的角度出发，应该把它统一成“嵌入式系统”。

考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点，可以把嵌入式系统应用分成高端与低端，把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用，含义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合。

一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。

执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。

执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如ＳＯＮＹ智能机器狗，上面集成了多个微上控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受种状态信息。

从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。

目前嵌入式系统的软件主要有两大类：

实时系统和分时系统。

其中实时系统又分为两类：

硬实时系统和软实时系统。

实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的，可以来严格的按时序执行功能。

其最大的特征就是程序的执行具有确定性。

在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。

而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。

一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。

比如WindowsCE就是一个多任备置分时系统，而u-II则是典型的实时操作系统。

3嵌入式系统的发展现状和发展趋势

随着信息化，智能化，网络化发展，嵌入式系统技术也将获得广阔发展空间。

美国著名未来学家尼葛洛庞帝99年1月访华时预言，4~5年后嵌入式智能（电脑）工具将是PC和因特网之后最伟大的发明。

我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士98年11月在武汉全国第11次微机学术交流会发表的《计算机的发展与技术》一文中，对未来10年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。

1999年世界电子产品产值已超过12000亿美元，2000年达到13000亿美元。

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，嵌入式系统与对象系统密切相关，其主要技术发展方向是满足嵌入式应用要求，不断扩展对象系统要求的外围电路（如ADC、DAC、PWM、日历时钟