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盘点嵌入式系统的主要应用领域

www.cechina.cn2018.02.03阅读 13906

  嵌入式系统的主要应用
  嵌入式系统是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统,它的定义是:“嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可剪裁,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。”嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器,但是功能比通用计算机专门化,具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。
  嵌入式系统的应用前景是非常广泛的,人们将会无时无处不接触到嵌入式产品,从家里的洗衣机、电冰箱,到作为交通工具的自行车、小汽车,到办公室里的远程会议系统等等。在家中、办公室、公共场所,人们可能会使用数十片甚至更多这样的嵌入式无线电芯片,将一些电子信息设备甚至电气设备构成无线网络;在车上、旅途中,人们利用这样的嵌入式无线电芯片可以实现远程办公远程遥控,真正实现把网络随身携带。其应用领域可以包括:
  1.交通管理:在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面,嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用控制工程网版权所有,内嵌GPS模块,GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭,只需要几千元,就可以随时随地找到你的位置。
  2.家庭智能管理系统:水、电、煤气表的远程自动抄表控制工程网版权所有,安全防火、防盗系统,其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查控制工程网版权所有,并实现更高,更准确和更安全的性能。
  3.POS网络及电子商务:公共交通无接触智能卡发行系统,公共电话卡发行系统,自动售货机,各种智能ATM终端将全面走入人们的生活。
  4.环境工程与自然:水文资料实时监测,防洪体系及水土质量监测、堤坝安全,地震监测网,实时气象信息网,水源和空气污染监测。在很多环境恶劣,地况复杂的地区,嵌入式系统将实现无人监测。
  5.机器人:嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化,高智能方面优势更加明显,同时会大幅度降低机器人的价格,使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。
  6.工业控制: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。从最初的单片机到现在的工控机、SOC在各种机电产品中均有着巨大的市场。工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。工控的要求往往较高,需要各种各样的设备接口,除了进行实时控制,还须将设备状态,传感器的信息等在显示屏上实时显示。这些要求8位的单片机是无法满足的,以前多数使用16位的处理器,随着处理器快速的发展,目前32位、64位的处理器逐渐替代了16位处理器,进一步提升了系统性能。采用PC104总线的系统,体积小,稳定可靠,受到了很多用户的青睐。不过这些工控机采用的往往是DOS或者Windows系统,虽然具有嵌入式的特点,却不能称作纯粹的嵌入式系统。另外在工业控制器和设备控制器方面,则是各种嵌入式处理器的天下。这些控制器往往采用16位以上的处理器,各种MCU,Arm、Mips、68K系列的处理器在控制器中占据核心地位。这些处理器上提供了丰富的接口总线资源www.cechina.cn,可以通过它们实现数据采集,数据处理,通讯以及显示(显示一般是连接LED或者LCD)。最近飞利浦和ARM共同推出32位RISC嵌入式控制器,适用于工业控制,采用最先进的0.18微米CMOS嵌入式闪存处理技术,操作电压可以低至1.2伏,它还能降低25%到30%的制造成本,在工业领域中对最终用户而言是一套极具成本效益的解决方案。美国TERN工业控制器基于Am188/186ES、i386EX、NECV25、Am586(ElanSC520),采用了SUPERTASK实时多任务内核,可应用于便携设备、无线控制设备、数据采集设备、工业控制与工业自动化设备以及其它需要控制处理的设备。
  7.家电行业是嵌入式应用的另一大行业。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。据IDG发布的统计数据表明,未来信息家电将会成长五至十倍。中国的传统家电厂商向信息家电过渡时,首先面临的挑战是核心操作系统软件开发工作。硬件方面,进行智能信息控制并不是很高的要求,目前绝大多数嵌入式处理器都可以满足硬件要求,真正的难点是如何使软件操作系统容量小、稳定性高且易于开发。Linux核心可以起到很好的桥梁作用,作为一个跨平台的操作系统,它可以支持二三十种CPU,而目前已有众多家电业的芯片都开始做Linux的平台移植工作。1999年就登录中国的微软“维纳斯”计划给了国人一个数字家庭的概念,引导各大家电厂商纷纷投入到这场革命中来,虽然最终未能获得成功,却使信息家电深入人心。如今各大厂商仍然在努力推出适用于新一代家电应用的芯片,英特尔公司已专为信息家电业研发了名为StrongARM的ARMCPU系列,这一系列CPU本身不象X86CPU需要整合不同的芯片组,它在一颗芯片中可以包括你所需要的各项功能,即硬件系统实现了SOC的概念。美商网虎公司已将全球最小的嵌入式操作系统——QUARK成功移植到StrongARM系列芯片上,这是第一次把Linux、图形界面和一些程序进行完整移植(QUARK的内核只有143K),它将为信息家电提供功能强大的核心操作系统。相信在不久的将来,数字智能家庭必将来到我们身边。
  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的嵌入式系统之外,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器件都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,开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。
  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:
  1.工业控制:
  基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展,目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器在应用中,网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径,如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言,低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展,32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心,在未来几年内必将获得长足的发展。
  2.交通管理:
  在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面,嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用控制工程网版权所有,内嵌GPS模块,GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭,只需要几千元,就可以随时随地找到你的位置。
  3.信息家电:
  这将称为嵌入式系统最大的应用领域,冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里,也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中,嵌入式系统将大有用武之地。
  4.家庭智能管理系统:
  水、电、煤气表的远程自动抄表控制工程网版权所有,安全防火、防盗系统,其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查控制工程网版权所有,并实现更高,更准确和更安全的性能。目前在服务领域,如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。
  5.POS网络及电子商务:
  公共交通无接触智能卡(ContactlessSmartcard,CSC)发行系统,公共电话卡发行系统,自动售货机,各种智能ATM终端将全面走入人们的生活,到时手持一卡就可以行遍天下。
  6.环境工程与自然:
  水文资料实时监测,防洪体系及水土质量监测、堤坝安全,地震监测网,实时气象信息网,水源和空气污染监测。在很多环境恶劣,地况复杂的地区,嵌入式系统将实现无人监测。7.机器人:
  嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化,高智能方面优势更加明显,同时会大幅度降低机器人的价格,使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。
  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的嵌入式系统之外,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器件都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,开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。
  嵌入式系统在机电产品方面的应用
  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。从最初的单片机到现在的工控机、SOC在各种机电产品中均有着巨大的市场。
  工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。工控的要求往往较高,需要各种各样的设备接口,除了进行实时控制,还须将设备状态,传感器的信息等在显示屏上实时显示。这些要求8位的单片机是无法满足的,以前多数使用16位的处理器,随着处理器快速的发展,目前32位、64位的处理器逐渐替代了16位处理器,进一步提升了系统性能。采用PC104总线的系统,体积小,稳定可靠,受到了很多用户的青睐。不过这些工控机采用的往往是DOS或者Windows系统,虽然具有嵌入式的特点,却不能称作纯粹的嵌入式系统。另外在工业控制器和设备控制器方面,则是各种嵌入式处理器的天下。这些控制器往往采用16位以上的处理器,各种MCU,Arm、Mips、68K系列的处理器在控制器中占据核心地位。这些处理器上提供了丰富的接口总线资源www.cechina.cn,可以通过它们实现数据采集,数据处理,通讯以及显示(显示一般是连接LED或者LCD)。最近飞利浦和ARM共同推出32位RISC嵌入式控制器,适用于工业控制,采用最先进的0.18微米CMOS嵌入式闪存处理技术,操作电压可以低至1.2伏,它还能降低25%到30%的制造成本,在工业领域中对最终用户而言是一套极具成本效益的解决方案。美国TERN工业控制器基于Am188/186ES、i386EX、NECV25、Am586(ElanSC520),采用了SUPERTASK实时多任务内核,可应用于便携设备、无线控制设备、数据采集设备、工业控制与工业自动化设备以及其它需要控制处理的设备。


  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。据IDG发布的统计数据表明,未来信息家电将会成长五至十倍。中国的传统家电厂商向信息家电过渡时,首先面临的挑战是核心操作系统软件开发工作。硬件方面,进行智能信息控制并不是很高的要求,目前绝大多数嵌入式处理器都可以满足硬件要求,真正的难点是如何使软件操作系统容量小、稳定性高且易于开发。Linux核心可以起到很好的桥梁作用,作为一个跨平台的操作系统,它可以支持二三十种CPU,而目前已有众多家电业的芯片都开始做Linux的平台移植工作。1999年就登录中国的微软“维纳斯”计划给了国人一个数字家庭的概念,引导各大家电厂商纷纷投入到这场革命中来,虽然最终未能获得成功,却使信息家电深入人心。如今各大厂商仍然在努力推出适用于新一代家电应用的芯片,英特尔公司已专为信息家电业研发了名为StrongARM的ARMCPU系列,这一系列CPU本身不象X86CPU需要整合不同的芯片组,它在一颗芯片中可以包括你所需要的各项功能,即硬件系统实现了SOC的概念。美商网虎公司已将全球最小的嵌入式操作系统——QUARK成功移植到StrongARM系列芯片上,这是第一次把Linux、图形界面和一些程序进行完整移植(QUARK的内核只有143K),它将为信息家电提供功能强大的核心操作系统。相信在不久的将来,数字智能家庭必将来到我们身边。


  机器人技术的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的。最早的机器人技术是50年代MIT提出的数控技术,当时使用的还远未达到芯片水平,只是简单的与非门逻辑电路。之后由于处理器和智能控制理论的发展缓慢从50年代到70年代初期,机器人技术一直未能获得充分的发展。70年代中期之后,由于智能理论的发展和MCU出现,机器人逐渐成为研究热点,并且获得了长足的发展。近来由于嵌入式处理器的高度发展,机器人从硬件到软件也呈现了新的发展趋势。例如火星车就是一个典型例子,这个价值10亿美金的技术高密集移动机器人,采用的是美国风河公司的Vxworks嵌入式操作系统,可以在不与地球联系的情况下自主工作。1997年美国发射的“索杰纳”火星车带有机械手,可以采集火星上的各种地况,并且通过摄像头把火星上的图像发回地面指挥中心。这台火星车在火星上自主工作了3个月,充分体现了Vxworks系统的高可靠性。以索尼的机器狗为代表的智能机器宠物,可以仅仅使用8位的AVR,51单片机或者16位的DSP来控制舵机,进行图像处理,就能制造出那些人见人爱的玩具,让我们不能不惊叹嵌入式处理器强大的功能。近来32位处理器CONTROL ENGINEERING China版权所有,WindowsCE等32位嵌入式操作系统的盛行,使得操控一个机器人只需要在手持PDA上获取远程机器人的信息,并且通过无线通讯控制机器人的运行,与传统的采用工控机相比,要轻巧便捷的多。随着嵌入式控制器越来越微型化、功能化,微型机器人、特种机器人等也将获得更大的发展机遇。

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