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1、嵌入式系统发展历程和现状及其应用实例分析0 嵌入式系统发展历程和现状及其应用实例分析 嵌入式系统发展历程和现状及其应用实例分析 嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统是先进的计算机技术、 半导体技术、 电子技术以及各种具体应用相结合的产物， 是技术密集、 资金密集、 高度分散、 不断创新的新型集成知识系统。 它起源于微型机时代， 近几年网络、 通信、 多媒体技术的发展为嵌入式系统应用开辟了 广阔的天地， 使嵌入式系统成为继 PC 和 Internet 之后， IT 界新的技术热点。 20 世纪 70 年代发展起来的微型计算机， 由于体积小、 功耗低、 结构简单、可靠性高、 使用方便、 性能价格比高等

2、一系列优点， 得到了 广泛的应用和迅速的普及。 微型机表现出的智能化水平引 起了 控制专业人士的兴趣， 要求将微型机嵌入到一个对象体系中， 实现对象体系的智能化控制。 例如， 将微型计算机经电气加固和机械加固， 并配置各种外围接口 电路， 安装到大型舰船中构成自 动驾驶仪或轮机状态监测系统。 这样一来， 计算机便失去了 原来的形态与通用的计算机功能。 为了 区别原有的通用计算机系统， 把嵌入到对象体系中、 实现对象体系智能化控制的计算机， 称为嵌入式计算机系统。 由此可见， 嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去。 1976 年， Intel 公司推出了 MCS-48 单片

3、机， 这个只有 1KB ROM 和 64B RAM的简单芯片成为世界上第一个单片机， 同时也开创了 将微处理机系统的各种 CPU外的资源（ 如 ROM、 RAM、 定时器、 并行口 、 串行口 及其他各种功能模块） 集成到 CPU 硅片上的时代。 1980 年， Intel 公司对 MCS-48 单片机进行了 全面完善，推出了 8 位 MCS-51 单片机， 并获得巨大成功， 奠定了 嵌入式系统的单片机应用模式。 至今， MCS-51 单片机仍在大量使用。 1984 年， Intel 公司又推出了 16 位8096 系列并将其称之为嵌入式微控制器， 这可能是嵌入式 一词第一次在微处理机领域出现

4、。 此外， 为了 高速、 实时地处理数字信号， 1982 年诞生了 首枚数字信号处理芯片（ DSP） ， DSP 是模拟信号转换成数字信号以后进行高速实时处理的专业处理器， 其处理速度比当时最快的 CPU 还快 10 50 倍。 随着集成电路技术的发展， DSP 芯片的性能不断提高， 目 前已广泛用于通信、 控制、 计算机等领域。 20 世纪 90 年代后， 伴随着网络时代的来临， 网络、 通信、 多媒体技术得以发展， 8/16 位单片机在速度和内存容量上已经很难满足这些领域的应用需求。 而由于集成电路技术的发展， 32 位微处理器价格不断下降， 综合竞争能力已可以和 8/16 位单片机媲美。

5、 32 位微处理器面向嵌入式系统的高端应用， 由于速度快， 资源丰富， 加上应用本身的复杂性、 可靠性要求等， 软件的开发一般会需要操作系统平台支持。 嵌入式系统发展现状 进入 20 世纪 90 年代， 嵌入式技术全面展开， 目 前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。 在通信领域， 数字技术正在全面取代模拟技术。 在广播电视领域， 欧洲的 DVB（ 数字电视广播） 技术已在全球大多数国家推广。 而软件、 集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日 益重要。 所有上述产品中， 都离不开嵌入式系统技术。 在个人领域中， 嵌入式产品将主要是个人商用， 作为个人移动的数据处理和通讯软件。 由于嵌入式设

6、备具有自 然的人机交互界面， GUI 屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。 手写文字输入、 语音拨号上网、 收发电子邮件以及彩色图形、 图像已取得初步成效。 目 前一些先进的 PDA 在显示屏幕上已实现汉字写入、 短消息语音发布， 日 用范围也将日 益广阔。 对于企业专用解决方案， 如物流管理、 条码扫描、 移动信息采集等， 这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。 自 动控制领域， 不仅可以用于 ATM 机， 自 动售货机， 工业控制等专用设备， 和移动通讯设备结合、 GPS、娱乐相结合， 嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。 硬件方面， 不仅有各大公司的微处理器芯片， 还有用于学习和研发

7、的各种配套开发包。 目 前低层系统和硬件平台经过若干年的研究， 已经相对比较成熟， 实现各种功能的芯片应有尽有。 而且巨大的市场需求给我们提供了 学习研发的资金和技术力量。 从软件方面讲， 也有相当部分的成熟软件系统。 国外商品化的嵌入式实时操作系统， 已进入我国市场的有 WindRiver、 Microsoft、 QNX 和 Nuclear 等产品。 我国自 主开发的嵌入式系统软件产品如科银(CoreTek) 公司的嵌入式软件开发平台 DeltaSystem， 中科院推出的 Hopen 嵌入式操作系统。 嵌入式系统的选型原则 硬件平台的选择 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器， 嵌

8、入式开发硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。 在一个系统中使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、 用户 的需求、 成本、 开发的难易程度等因素。 确定了 使用哪种嵌入式处理器内核以后接下来就是综合考虑系 统外围设备的需求情况以选择一款合适的处理器。 下面列出考虑系统外围设备的一些因素： 总线的需求 有没有通用串行接口 是否需要 总线 有没有以太网接口 系统内部是否需要 总线和 总线 音频 连接的 总线 外设接口 系统是否需要 或 转换器 系统是否需要 控制接口 。 另 外， 还要考虑处理器的寻址空间， 有没有片上的 存储器， 处理器是否容易调试和仿真以及调试工具的成本和易用性等

9、相关的信息。 嵌入式操作系统的选择 实时嵌入式系统的种类大体上可分为两种： 商用型和免费型。 商用型的实时操作系统功能稳定、 可靠， 有完善的技术支持和售后服务。 免费型的实时操作系统在价格方面具有优势， 但是不管选用什么样的系统， 都要考虑以下几点： 操作系统的硬件支持； 开发工具的支持程度； 能否满足应用需求。 实例分析： 基于单芯片方案的电子秤系统设计 随着技术的发展， 电子秤电路不断向着更高集成化的方向发展。 CSU1221 是芯海科技公司自 主研发的集成高精度 ADC 的 CMOS 单芯片 MCU， 是国内首创的一款应用于商用电子秤的 SoC 芯片。 电子秤中模数转换电路现在主要有两

10、种实现电路： 由分立元件组成的积分电路和单个模数转换(ADC) 芯片。 CSU1221 芯片技术特性 CSU1221 是一个8 位 CMOS 单芯片 MCU， 内置4K 16 位一次性可编程(OTP) ROM，256B 数据存储器(RAM) ， 有 17 个双向 I/O 口 ， 带有 2 通道 24 位全差分输入或 4通道 24 位单端输入的 -ADC， 工作电压为 2. 4V 3. 6V， 工作电流小于 3mA。 如图 1 所示， CSU1221 内部集成稳压源， 可配置输出四种不同电压值， 为传感器供电， 通过对内部寄存器的操作来打开或关闭稳压源的输出， 此电压同时作为 CSU1221 内

11、部 ADC 的参考电压。 CSU1221 内置 1MHz 时钟振荡器， 内置一个 8位定时器， CPU 周期最快可达到 500KHz， 同时内置蜂鸣器驱动。 CSU1221 有四个中断源： 1 个 ADC 中断、 2 个外部中断、 1 个定时中断。 图 1： CSU1221 芯片功能结构图。 CSU1221 内置 ADC 的输出速率可以配置为 3. 8 488Hz， ADC 前端的低噪声可编程增益放大器(PGA) 可以配置为 1、 64、 128、 256 等四种不同倍率的增益， 以满足各种信号量场合。 在 PGA 为 128 时， ADC 的有效精度达到 17. 5 位。 使用 CSU122

12、1 内置 ADC 与 MCU， 因此 MCU 与 ADC 之间的通讯都在芯片内部完成， 避免外界环境对 ADC 的影响， 可靠性比基于单个 ADC 芯片的应用系统更高，且高集成度带来明显的高性价比优势； CSU1221 内部集成稳压电源， 方便于传感器供电。 使用 CSU1221 设计电子计价秤的功耗比当前主流的单个 ADC 方案更低，提高电池的续航能力。 电子秤系统设计 图 2 是基于 CSU1221 的电子计价秤原理框图。 从图中可看出此系统主要包含电源电路、 主控制芯片、 模拟信号输入、 存储电路、 电压测量电路、 按键扫描，下面将对这些电路的设计进行分析。 电源系统 在 CSU1221

13、 中， 数字电路与模拟电路是分别供电的， 为了 简化电源电路， 两路电源仍用一片稳压电路提供， 两电源之间用滤波电感隔开， 以减少数字电源中因数字电路产生的杂波干扰对模拟电路的影响。 模拟信号输入 传感器输出的模拟差分信号经过两个 LC 滤除器滤除输入模拟信号中的高频干扰信号之后， 再分别输入到 CSU1221 的 AIN0、 AIN1 引 脚。 传感器激励端的电压由 CSU1221 内部 LDO 输出提供， 带负载能力可达到 15mA， 有四种输出电压可选择， 存储电路 由于 CSU1221 内部没有 E2PROM ， 所以必须外部扩展串行接口 的 E2PROM。 图 2： CSU1221

14、应用于电子计价秤的原理框图。 图 3： CSU1221 应用于电子计价秤的电路原理图。 电压测量 在各种电池供电的装置中， 都希望监视电池电压， 以便能够及时对电池进行充电或更换。 CSU1221 有五个模拟输入端， 通过多路器与 ADC 连接，利用空余的模拟输入端分时测量电池电压值唾手可得。 具体接法是： 用电阻网络对电池电压分压， AIN3、 AIN4 作为电压输入端接到采取电阻两端， 通过测量此电阻两端电压， 再根据采样电阻阻值对于电阻网络的比率值计算出 电池的电压值。 测量电压的时机为两个时间： 一是刚开机进行一次电压测量； 二是开机后的电压测量均是在重量稳定一段时间后再进行一次。 每

15、次测量都必须切换 ADC 通道， PGA = 1， AD 速率使用 125Hz 的档位， 这样在测量电压时， AD 值较稳定且耗时很短， 测试结束之后， 必须还原之前的 ADC 设置， 还原后必须丢掉 3 个 AD 值。 图 4： 按键阵列图。 按键扫描 假设按键扫描阵列为 4 6， PT15 、 PT16 、 PT17 、 PT20 、PT21 、 PT22 为回扫线， PT23 、 PT26 、 PT35 、 PT36 为驱动线。 按键阵排列如图 4， 在本例中， 为了 节省元件， 未在驱动线中串联隔离元件， 如果同时按下与同一回扫线(输入口 ) 连接的两个按键， 就会通过两条相关的驱动线

16、造成两个输出端短路。 此时可以使用如下方式法避免： 初始化时， 接通所有上拉电阻，连接按键的各 I/O 口 均设置为输入口 ， 当需要进行按键扫描时， 只需将其需要驱动的那一个 I/O 口 设置为输出口 并输出低电平， 回检读口 后立刻将该 I/O 恢复为输入口 ， 如此反复， 即同一时刻只有一条线为输出口 ， 就不会造成故障。 设计要点及注意事项 CSU1221 内部集成 1MHz 时钟， CPU 的时钟周期可选择为： 62. 5K、 125K、 250K、500KHZ， 选择 500KHz 以缩短每次大循环的运行时间。 为了 提高电子秤的线性， 可增加 ADC 内部运放的偏置电流， 增加

17、100%时为最佳。 使用 CSU1221 直接驱动无源蜂鸣器时， 必须串一个 100 欧的电阻， 避免快速按键时影响 AD 值的跳动。 在每个大循环结束之后， 可以使用 HALT 指令使 CPU处于暂停状态， 直到新的中断(如 AD 中断) 产生才恢复正常， 这样可以降低功耗CSU1221 运行功耗。 由于模拟信号极易受到外界的电磁干扰， 所以实际设计中应注意以下细节： 1) 在 PCB 布板时接口 传感器输入端至 AIN0、 AIN1 的距离尽可能短， 滤波电容的接地端要直接接到铺地铜箔上； 2) 模拟信号的两引 线与铁氧体均平行布线， 滤波电容紧密平行排列。 由于 I2C 的时钟频率比较高

18、， 为了 避免干扰内置的 ADC， 需远离模拟端的 I/O引 脚。 CSU1221 的模拟地 AGND 应与数字 DGND 分开来， 同时回到稳压芯片(HT7130)的地端， 而 HT7130 的地端与电池的地端相连接。 地线连接应遵循下面的原则： 非 CSU1221 模拟地的地线， 不能与 CSU1221 模拟地部分相连， 以避免其它元器件产生的干扰信号流经 CSU1221 模拟地， 影响稳定性。 上电开机后对 CSU1221 进行初始化时， 建议采取如下顺序以提高软件可靠性： a. 上电后， 延迟 30ms； b. 初始化 CSU1221 数字部分； c. 延迟 30ms 后， 初始化 CSU1221 模拟部分； d. 延迟 60ms 后， 初始化所有 RAM。 设计总结 积分电路构成的系统外围电路复杂， 对个别元器件要求高， 存在功耗大、 可靠性不高、 温度性能差的缺点； 而单个 ADC 芯片构成的系统具有高精度、 低功耗、高稳定性的特点， 且外围电路简单有利于生产及维护。 因此， 现在大部分电子秤厂家偏向于使用单个 ADC 的方案。