單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用淺議

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摘要：單片機作為集成電路芯片在工業(yè)生產(chǎn)和電子設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，且在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的功能。筆者概述了單片機與嵌入式系統(tǒng)，探討了單片機在嵌入式系統(tǒng)中的設(shè)計應(yīng)用，指出單片機可以發(fā)揮電機控制、網(wǎng)絡(luò)測試等功能，是嵌入式系統(tǒng)中的重要組成部分。應(yīng)用結(jié)果表明：單片機在嵌入式系統(tǒng)之中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，相關(guān)人員需要進一步加強技術(shù)研究，提高單片機的集成能力，推廣其在不同領(lǐng)域中的實踐應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：單片機；嵌入式系統(tǒng)；電機控制；網(wǎng)絡(luò)測試

隨著嵌入式系統(tǒng)數(shù)量及需求的不斷增加，其所生產(chǎn)的電子產(chǎn)品越來越受大眾的歡迎。此外，單片機在嵌入式系統(tǒng)中同樣發(fā)揮著不可替代的作用，其具備強大的集成功能，可以將其視為小型的微型計算機系統(tǒng)。自20世紀80年代開始，單片機集成技術(shù)越來越完善，其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益廣泛，起到測試、控制等強大功能。

1單片機與嵌入式系統(tǒng)概述

1.1單片機

單片機是具備邏輯功能的集成芯片，又被稱之為單片微控制器，其具備計算機的相應(yīng)功能，相比較計算機而言，其僅僅缺少I/O設(shè)備。單片機產(chǎn)生于20世紀80年代初，20世紀90年代逐漸普及，其生產(chǎn)和集成技術(shù)應(yīng)用也日益廣泛，集成能力更強。單片機在系統(tǒng)之中應(yīng)用依靠其擴展功能，可以靈活地應(yīng)用在多個領(lǐng)域之中。芯片技術(shù)的完善為其功能應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，其存在SOC層和SPI接口，通過接口可以與其他系統(tǒng)連接在一起，是一種具備可擴展性的嵌入式系統(tǒng)[1]。

1.2嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是指將對象體系作為目標，嵌入式計算機作為核心嵌入到系統(tǒng)之中。該系統(tǒng)應(yīng)用具備一定的控制、監(jiān)視、輔助控制等功能，該系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以軟件和硬件系統(tǒng)為載體，實現(xiàn)相應(yīng)的功能?？紤]到嵌入式系統(tǒng)在不同領(lǐng)域中的實踐應(yīng)用，對其技術(shù)應(yīng)用特征進行分析，其具備體積小、容量小、實時性等特點。考慮到嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，其可以在智能儀表、智能裝置中應(yīng)用，以節(jié)省大量的空間，將控制模塊安裝在系統(tǒng)之中，可以以小體積發(fā)揮相應(yīng)的控制功能。儲存容量小是指嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計應(yīng)用過程中應(yīng)用ROM模塊，將FLASH作為儲存器應(yīng)用，其在此間發(fā)揮著儲存介質(zhì)的功能，但該類儲存器應(yīng)用成本比較高，因此，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用儲存容量也盡可能地比較小，程序進程也比較小，這是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的主要特征之一。嵌入式系統(tǒng)的實時性特點是指其在應(yīng)用過程中具有時間特性，以嵌入性系統(tǒng)為根本的應(yīng)用程序?qū)崟r性要求比較高。如果在應(yīng)用過程中應(yīng)用系統(tǒng)超過了系統(tǒng)特定的時間限制，則計算機程序所輸出的結(jié)果也會存在明顯的差別，應(yīng)用程序系統(tǒng)在應(yīng)用過程中也會出現(xiàn)問題[2]。

1.3單片機在嵌入式系統(tǒng)中的功能

嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用過程中存在可擴展性，其可擴展設(shè)備大致分為三個部分，其中單片機是核心部分，結(jié)合系統(tǒng)中的CPU裝置和外圍硬件設(shè)備，共同實現(xiàn)對程序的控制功能。在具體應(yīng)用過程中，CPU裝置會與系統(tǒng)的外圍裝置經(jīng)由SPI口進行連接，實現(xiàn)CPU與單片機之間的數(shù)據(jù)信息交換?；跀?shù)據(jù)信息模塊實現(xiàn)兩者間的信息傳輸，單片機在系統(tǒng)之中的應(yīng)用可以經(jīng)過I/O口等接口實現(xiàn)功能性拓展，在與外圍硬件系統(tǒng)的共同作用下，實現(xiàn)功能性轉(zhuǎn)化[3]。外圍的硬件設(shè)備具備數(shù)據(jù)采集和信息采集等強大功能，通過系統(tǒng)的SPI總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)功能應(yīng)用基于上述數(shù)據(jù)傳輸過程實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能和監(jiān)測功能，為了保障其功能符合應(yīng)用需求，需要明確系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在上述結(jié)構(gòu)之中，SPI接口屬于外設(shè)接口，通過該接口進行嵌入連接其數(shù)據(jù)傳輸速度比較快[4]。比較I2C主線數(shù)據(jù)傳輸速度而言，傳輸效率更高。因此，在應(yīng)用該系統(tǒng)結(jié)果過程中應(yīng)基于CPU裝置實現(xiàn)多個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)連接，以數(shù)據(jù)傳輸為目標進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。該系統(tǒng)應(yīng)用期間受SPI接口模式所影響，如果在主從模式下對其進行應(yīng)用，則需要輔助應(yīng)用主設(shè)備和多個從設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。在此設(shè)計理念中，可以從外圍界面系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間的點對點通信[5]?；诖?，根據(jù)其功能需要將SPI總線與單片機進行融合，提高單片機的集成功能。但在實際應(yīng)用過程中，可能由于應(yīng)用差異導(dǎo)致程序出現(xiàn)混亂，根據(jù)簽訂的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)調(diào)調(diào)整外圍設(shè)備，可以使得嵌入式系統(tǒng)功能更加完善。為了降低系統(tǒng)在應(yīng)用過程中的成本，設(shè)置MCU分擔系統(tǒng)應(yīng)用過程中的信息處理壓力，預(yù)處理采集的信息，提高系統(tǒng)的響應(yīng)效果[6]。

2單片機在嵌入式系統(tǒng)中的設(shè)計應(yīng)用

2.1驅(qū)動程序設(shè)計

將單片機應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)之中，對其結(jié)構(gòu)進行綜合設(shè)計。本次設(shè)計應(yīng)用選擇以Linux系統(tǒng)為基礎(chǔ)的驅(qū)動程序，在該系統(tǒng)上設(shè)置外部文件，也就是系統(tǒng)所連接的設(shè)備。指令執(zhí)行需要在外部設(shè)備上進行，通過軟件程序的開發(fā)設(shè)置虛擬系統(tǒng)。設(shè)備驅(qū)動程序應(yīng)用是連接用戶與設(shè)備的重要接口，也是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與功能轉(zhuǎn)化的重要內(nèi)容。系統(tǒng)在運行過程中受到驅(qū)動程序的保護，在實現(xiàn)控制、測試的過程中，確保硬件設(shè)備可以為程序應(yīng)用提供保障。數(shù)據(jù)的讀入、寫入等也基于驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)資源和空間的釋放，為系統(tǒng)的核心層和物理層之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)於己玫幕A(chǔ)。設(shè)計嵌入式系統(tǒng)，CPU裝置在本地系統(tǒng)中以串行的方式進行端口連接。單片機的I/O接口與外圍設(shè)備之間通過擴展連接的方式實現(xiàn)程序的相應(yīng)功能。在驅(qū)動程序應(yīng)用期間，硬件系統(tǒng)會根據(jù)接口連接差異賦予其不同的功能，當用戶基于程序軟件訪問系統(tǒng)之后，接口可以發(fā)揮數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，實現(xiàn)對操作指令數(shù)據(jù)的讀入，完成指令任務(wù)。以串行的方式將多個結(jié)構(gòu)連接在一起，驅(qū)動程序會傳遞用戶的請求，經(jīng)過串行端口實現(xiàn)硬件功能的定義。

2.2協(xié)議與擴展功能設(shè)計

單片機在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用與SPI協(xié)議完成數(shù)據(jù)通信，應(yīng)用AD轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對通信信號的處理。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用雙全工通信模式，在系統(tǒng)的芯片位置設(shè)置數(shù)據(jù)通信線路。通信模塊基于SCK的控制應(yīng)用，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部的雙向移位寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交互。但該線路接口會占用4條線路，設(shè)計人員需要考慮到對電源的限制性設(shè)計，通過適當減少電路接口的方式，使得整個系統(tǒng)通信功能具有科學性[7]。單片機集成功能應(yīng)用也比較復(fù)雜，由于系統(tǒng)中的CPU無法直接實現(xiàn)任務(wù)指令執(zhí)行工作。需要經(jīng)過通信協(xié)議的簽訂完成數(shù)據(jù)傳輸，SPI總線基于虛擬通道協(xié)議的簽訂，驅(qū)動數(shù)據(jù)包進行速率優(yōu)化，發(fā)揮優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，在此過程中發(fā)揮糾錯的作用。為了確保通信數(shù)據(jù)包與單片機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，虛擬通道建立通過擴展性功能的應(yīng)用對數(shù)據(jù)格式進行優(yōu)化，通過代碼寫入實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的分析，并對數(shù)據(jù)包進行相應(yīng)的封裝處理。硬件驅(qū)動程序設(shè)計應(yīng)用基于強大的數(shù)據(jù)處理功能與擴展性功能實現(xiàn)對外設(shè)裝置指令的響應(yīng)。借助虛擬通道可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化設(shè)計，調(diào)用指令。單片機即將串行端口的連接設(shè)備集成到系統(tǒng)之中，外圍端口與本地端口發(fā)揮對程序內(nèi)核的封裝作用，為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)。連接本地端口的程序執(zhí)行硬件任務(wù)，虛擬通道連接的程序則不執(zhí)行此任務(wù)，通過外圍控制器可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳輸、接收[8]。本文設(shè)計MCU嵌入式系統(tǒng)，基于單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)控制和指令控制功能。在工業(yè)領(lǐng)域中，該系統(tǒng)的應(yīng)用比較廣泛，且應(yīng)用成本比較低，能源消耗量也比較小，后期維護也比較簡單。該系統(tǒng)應(yīng)用符合人性化的設(shè)計理念，但市場上的嵌入式系統(tǒng)的功能存在差異，網(wǎng)絡(luò)通信機接口數(shù)量端口功能不同，但基于此網(wǎng)絡(luò)控制端口的設(shè)計應(yīng)用，可以滿足其他的通信協(xié)議要求。

3單片機在嵌入式系統(tǒng)中的實踐應(yīng)用

3.1單片機在嵌入式系統(tǒng)中的功能應(yīng)用

3.1.1電機控制系統(tǒng)應(yīng)用。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用過程中，基于單片機的功能應(yīng)用可以實現(xiàn)對電機的科學控制，其在此間執(zhí)行著管理工作，可以實現(xiàn)對功能模塊的調(diào)度?；趯Σ僮飨到y(tǒng)和操作平臺的優(yōu)化設(shè)計，融合控制軟件實現(xiàn)對程序平臺的優(yōu)化，在具體應(yīng)用過程之中，需要嚴格按照以下順序?qū)ζ溥M行應(yīng)用：圖1嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖首先，在應(yīng)用過程中，操作人員需要明確系統(tǒng)的任務(wù)量，預(yù)處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。其次，基于對驅(qū)動數(shù)據(jù)的寫入和輸出，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的過濾，經(jīng)過通道將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)之中，為測量工作的應(yīng)用提高安全保障。在該過程中，數(shù)據(jù)的輸出在數(shù)據(jù)預(yù)處理完成之后進行，保障數(shù)據(jù)輸出的可靠性。最后，電機系統(tǒng)的控制實施過程是關(guān)鍵，需要合理地劃分各個模塊之間的責任。3.1.2網(wǎng)絡(luò)測試應(yīng)用。單片機在嵌入式系統(tǒng)之中的應(yīng)用逐漸成為技術(shù)研究的重要內(nèi)容，通過網(wǎng)絡(luò)測試的方法可以了解到系統(tǒng)應(yīng)用的主要內(nèi)容。通過虛擬系統(tǒng)的建立，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制，按照設(shè)定的指令可以實時儲存或者上傳數(shù)據(jù)信息。操作人員在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)測試的過程中，MCU系統(tǒng)可以發(fā)揮接口識別功能，分辨網(wǎng)絡(luò)用戶連接方式。同時，系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件發(fā)揮測控功能。分析應(yīng)用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性，單片機在嵌入式系統(tǒng)之中可以發(fā)揮對IP地址的儲存以及識別作用。網(wǎng)絡(luò)測試功能的應(yīng)用可以利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)實現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)核區(qū)域并不存在串行端口，其網(wǎng)絡(luò)控制模塊并不存在。但在系統(tǒng)編碼和解碼的過程中，內(nèi)核模塊可以發(fā)揮相應(yīng)的控制功能。終端系統(tǒng)在輸入或者輸出數(shù)據(jù)期間，其原理與單片機嵌入系統(tǒng)運行原理具有一致性。終端系統(tǒng)對其進行控制，需要嚴格檢查端口接口控制網(wǎng)絡(luò)的科學性，其是否與數(shù)據(jù)通信接口連接緊密。在科學的連接基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實現(xiàn)異步串行通信功能，確保系統(tǒng)在該范圍內(nèi)可以有序運行[9-11]。3.1.3多媒體控制系統(tǒng)應(yīng)用。多媒體控制系統(tǒng)在當代被廣泛應(yīng)用，其可以應(yīng)用到辦公、教學等領(lǐng)域之中。基于單片機的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用將多個系統(tǒng)集成在模塊之中。計算機設(shè)備作為其操作應(yīng)用的基礎(chǔ)內(nèi)容，可以發(fā)揮演化、展示的作用。將其與其他可視化裝置連接在一起，包括錄像機、終端設(shè)備以及其他具備遙控功能的設(shè)備，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)展示等功能。系統(tǒng)具備中央控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對多個模塊之間的流暢轉(zhuǎn)化，音頻、視頻以及圖片等內(nèi)容的轉(zhuǎn)化過程比較優(yōu)質(zhì)。分析應(yīng)用原理，系統(tǒng)融合了通信技術(shù)、集成技術(shù)，將外圍控制設(shè)備與系統(tǒng)組合連接在一起，明確每個設(shè)備的最終操作過程以及方式，可以實現(xiàn)對多媒體內(nèi)容的集中控制。其應(yīng)用方式大致可以分為兩種，第一種是指在應(yīng)用過程中基于軟件控制，第二種是通過硬件連接方式的電路控制。第一種方式使得系統(tǒng)內(nèi)容更加豐富，軟件界面可優(yōu)化設(shè)計，比較美觀。但硬件電路控制系統(tǒng)在操作上更加便捷[12]。

3.2單片機在嵌入式系統(tǒng)其他領(lǐng)域中的實踐應(yīng)用

除上述功能中將單片機應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)外，在其他領(lǐng)域中其也可以發(fā)揮相應(yīng)的功能。如節(jié)能功能、語音設(shè)備控制、預(yù)警裝置和醫(yī)療設(shè)備等，均可以基于單片機實現(xiàn)對嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。例如，小米手環(huán)、智能手表等應(yīng)用單片機嵌入系統(tǒng)，實現(xiàn)人體健康數(shù)據(jù)的智能化收集。由于連接設(shè)備在應(yīng)用過程中長期處于負載的狀態(tài)，能源消耗量比較大。但應(yīng)用單片機嵌入式系統(tǒng)，可以控制信息的上報情況，當連接設(shè)備信息未進行上報期間，則設(shè)備在系統(tǒng)的控制下處于低能耗狀態(tài)，起到了一定的節(jié)能控制作用。在語音設(shè)備中，單片機嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用可以實現(xiàn)人機語音交互功能，通過對單片機的編程，賦予其一定的邏輯控制功能，識別和處理一些語音內(nèi)容。目前，其在導(dǎo)航中應(yīng)用比較廣泛，在智能終端中也得到了廣泛的應(yīng)用。除此之外，其在預(yù)警裝置中的應(yīng)用也具有適應(yīng)性，如比較常見的智能報警系統(tǒng)、火災(zāi)報警器等，均應(yīng)用單片機實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的科學采集，經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)模塊之中。由于單片機具有良好的集成效果，在醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用可以實現(xiàn)對病人身體特征以及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，在后臺終端激進型系統(tǒng)交互，當病人的生理體征發(fā)生異常時，系統(tǒng)會自動報警。基于單片機的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與智能技術(shù)結(jié)合，可以發(fā)揮強大的功能[13]。

4結(jié)論

綜上所述，單片機在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用實現(xiàn)電機控制和網(wǎng)絡(luò)測試等功能，設(shè)計和制造人員將其應(yīng)用到節(jié)能控制、語音設(shè)備、預(yù)警系統(tǒng)以及醫(yī)療系統(tǒng)之中，其體積比較小，控制精度較強，使用壽命較長，在工業(yè)領(lǐng)域深受歡迎?；趩纹瑱C在嵌入式系統(tǒng)之中的應(yīng)用優(yōu)勢，相關(guān)人員需要進一步加強技術(shù)研究，不斷提高單片機的集成能力，推廣其在不同領(lǐng)域中的實踐應(yīng)用。

作者:呂穎利 孫應(yīng)芳 單位:濟源職業(yè)技術(shù)學