嵌入式微控制器技術(shù)的出現(xiàn)給工業(yè)控制領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命。嵌入式微控制器組成的系統(tǒng)，其最明顯的優(yōu)勢(shì)就是可嵌入到任何微型或小型儀器設(shè)備中。嵌入式系統(tǒng)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越受到重視。

一 嵌入式系統(tǒng)定義與應(yīng)用現(xiàn)狀

對(duì)嵌入式系統(tǒng)的一種定義是"嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)"。"嵌入性"、"專用性"與"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)"是嵌入式系統(tǒng)的3個(gè)基本要素。嵌入式系統(tǒng)按形態(tài)可分為設(shè)備級(jí)(工控機(jī))、板級(jí)(單板、模塊)、芯片級(jí)(MCU、SoC)。從定義中不難看出，當(dāng)前較多使用的設(shè)計(jì)與工控機(jī)設(shè)計(jì)也是一種典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。但是這種早期嵌入式系統(tǒng)在性能與價(jià)格上均存在一些缺陷。

1. 硬件采用設(shè)計(jì)，軟件采用匯編語言編寫

采用這種設(shè)計(jì)方式，硬件成本低，設(shè)備體積小。但由于程序采用匯編語言編寫，軟件靈活性、可擴(kuò)充性、可移植性較差。同時(shí)，作為處理器核心的芯片，無法提供高速率運(yùn)算。隨著工業(yè)控制要求的不斷提高，采用這一設(shè)計(jì)方式，無論在硬件或軟件上都無法滿足要求。

2. 硬件采用工控機(jī)，軟件采用VC++編寫

采用工控機(jī)作為硬件設(shè)備，既能提供處理速度，又適于惡劣的工作環(huán)境，物理穩(wěn)定性好。軟件采用VC++編寫，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軟件功能，模塊化、面向?qū)ο蠡脑O(shè)計(jì)保證了軟件系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)充性與可移植性。這種設(shè)計(jì)能很好地滿足控制系統(tǒng)的要求，但成本過高，體積過大。一般采用工控機(jī)的硬件成本是采用單片機(jī)成本的10倍以上，而且多為19英寸4U箱體設(shè)計(jì)，較為笨重。

二 新型嵌入式系統(tǒng)介紹與比較

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新模式、新方法。以下在硬件與操作系統(tǒng)兩方面介紹主流嵌入式開發(fā)技術(shù)。

1. 硬件

目前較多使用的嵌入式系統(tǒng)硬件有ARM芯片與PC/104主板。

(1)ARM芯片

ARM處理器是一種16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式微處理器。目前很流行的當(dāng)屬和兩個(gè)系列。隨著人們對(duì)系統(tǒng)功能提出了更高要求，在高端應(yīng)用中已顯得力不從心，性能更強(qiáng)勁的處理器逐漸占據(jù)了高端產(chǎn)品市場(chǎng)。系列微處理器具有以下特點(diǎn)：5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高；支持32位ARM指令集和16位THUMB指令集；支持32位AMBA總線接口；全性能的MMU，支持Windows CE、等主流的嵌入式操作系統(tǒng)；支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache，具有更高的數(shù)據(jù)和指令處理指令。

(2)PC/104主板

PC/104是工業(yè)嵌入式板卡較多采用的一種規(guī)格。采用PC/104規(guī)范的主板，再配以微軟操作系統(tǒng)，用戶就可容易地實(shí)現(xiàn)編程和擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)的外圍設(shè)備。這些標(biāo)準(zhǔn)的外圍設(shè)備包括視頻接口、存儲(chǔ)設(shè)備、鍵盤、網(wǎng)絡(luò)接口、串口、并口、數(shù)據(jù)采集模塊及一些特殊設(shè)備。另外，結(jié)構(gòu)上的加固型設(shè)計(jì)使得PC/104系統(tǒng)可應(yīng)用到強(qiáng)振動(dòng)及強(qiáng)撞擊等惡劣應(yīng)用環(huán)境。

(3)比較

ARM芯片與PC/104主板相比較，具有功耗低、體積小、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)。但ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中涉及到ARM仿真器與ARM編譯器的使用，編譯后的最終程序需要導(dǎo)入芯片中。對(duì)于沒有相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的工程師，熟悉ARM芯片開發(fā)需要一間，設(shè)計(jì)周期也自然會(huì)延長(zhǎng)很多。此外，ARM芯片規(guī)格較為固定，其各種配置不能靈活改動(dòng)。

PC/104主板能很好地與Windows系統(tǒng)兼容，其開發(fā)過程與普通PC機(jī)的開發(fā)幾乎沒有差別，可最大程度地降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期。其模塊化的配置方式使其成為低成本、高可靠性、能迅速配置成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化模塊。與ARM芯片相比，功耗高、體積大、價(jià)格高是其缺點(diǎn)。

2. 操作系統(tǒng)

目前，嵌入式系統(tǒng)常用的操作系統(tǒng)有VxWorks、、Windows。

(1)VxWorks

VxWorks因出現(xiàn)較早、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、內(nèi)核很小、可靠性較高等，所以在北美應(yīng)用很廣泛。特別是在通信設(shè)備等實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)中，幾乎非VxWorks莫屬。VxWorks的很多概念和技術(shù)都和很類似，主要是用C語言開發(fā)。但VxWorks因價(jià)格很高，所以一般應(yīng)用中很少采用這種操作系統(tǒng)。

(2)Linux

Linux是一種免費(fèi)、開源的操作系統(tǒng)，因此其支持軟件多，可用資源豐富。目前應(yīng)用在嵌入式領(lǐng)域的Linux系統(tǒng)主要有兩類：一類是專為嵌入式設(shè)計(jì)的已被裁減過的Linux系統(tǒng)，最常用的是uClinux(不帶MMU功能)，目前占較大應(yīng)用份額，可應(yīng)用在上；另一類是應(yīng)用在ARM9上，將Linux的內(nèi)核移植在其上，可使用更多的Linux功能。缺點(diǎn)是一般開發(fā)人員不太熟悉Linux，開發(fā)難度較大。

(3)Windows

WinCE推出只有幾年時(shí)間，但目前已占據(jù)了很大市場(chǎng)份額。由于WinCE開發(fā)都是大家熟悉的VC++環(huán)境，所以對(duì)于一般的開發(fā)人員都不會(huì)有多大難度，這也是WinCE容易被人們接受的原因。開發(fā)環(huán)境方便快速，微軟的強(qiáng)大技術(shù)支持，使得WinCE開發(fā)難度遠(yuǎn)低于嵌入式Linux。此外，WinCE與WindowXP及Win2000的同族性，保證了原來在PC機(jī)上開發(fā)的程序可容易移植到嵌入式系統(tǒng)中。

三 新型嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的兩種模式

各種技術(shù)的特點(diǎn)及嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，給出兩種設(shè)計(jì)方案：ARM芯片+uClinux操作系統(tǒng)、PC/104主板+WinCE操作系統(tǒng)。

1. 采用ARM芯片+uClinux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這種開發(fā)模式在當(dāng)前非常盛行。ARM芯片功耗低、體積小、極高性價(jià)比。uClinux操作系統(tǒng)是一種開放性、免費(fèi)操作系統(tǒng)。ARM芯片+uClinux操作系統(tǒng)是將性能與價(jià)格極優(yōu)配置的一種開發(fā)模式。

但這種開發(fā)模式也有其缺點(diǎn)。首先，對(duì)于沒有相關(guān)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，熟悉ARM芯片與uClinux操作系統(tǒng)需要時(shí)間花費(fèi)，研發(fā)周期與研發(fā)費(fèi)用值得考慮。第二，如果原來已采用工控機(jī)方式開發(fā)VC++的應(yīng)用程序，將它移植到uClinux操作系統(tǒng)工作量大。因此，這種開發(fā)模式適于做全新開發(fā)時(shí)采用。

2. 采用主板+WinCE操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這是極便捷的開發(fā)模式。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，與DIY家用電腦一樣，將通信管理機(jī)的幾個(gè)模塊組裝在一起即可。這幾個(gè)模塊分別為：PC/104主板、CF存儲(chǔ)卡、電源、機(jī)箱。

PC/104主板可采用各大廠商提供的工控主板。目前主流的廠商有研華、研祥、凌華等。不同主板的差別主要有幾點(diǎn)：CPU速度(較高速度為PentiumIV，主流配置為PentiumIII，也可根據(jù)需要選擇更低配置)、(32M/64M)、接口種類與數(shù)量(串口、網(wǎng)口、USB口等)、尺寸、功耗等，當(dāng)然相應(yīng)的其價(jià)格也有一定差別。

除此以外，還需配置一塊CF存儲(chǔ)卡，一般為64M/128M/，根據(jù)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)容量選擇CF卡容量。

電源選擇對(duì)于整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定性至關(guān)重要。選擇電源時(shí)，需要確定幾個(gè)參數(shù)：功率(電源功率在滿足所有功耗的基礎(chǔ)上留15～20％裕量)、輸入/輸出電壓規(guī)格(輸入一般為AC220V，輸出根據(jù)主板的要求為、或)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、適用溫度、尺寸等。

機(jī)箱一般采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)架式設(shè)計(jì)，一般為2U高度，也可根據(jù)內(nèi)部的尺寸設(shè)計(jì)為4U高度。在面板上安裝相應(yīng)的接口插頭、插座、按鈕等就完成了整個(gè)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。由于采用WinCE操作系統(tǒng)，軟件的開發(fā)與一般PC機(jī)上的開發(fā)完全相同。如果原系統(tǒng)采用工控機(jī)設(shè)計(jì)已有成熟可用的軟件程序，只需將該程序安裝在WinCE操作系統(tǒng)下即可。這種模式對(duì)于舊系統(tǒng)的升級(jí)更新非常適用，避免了重復(fù)勞動(dòng)，也節(jié)約了研發(fā)成本縮短了開發(fā)周期。而且，WinCE操作系統(tǒng)的價(jià)格非常低。與Windows2000/WindowsXP操作系統(tǒng)的購買成本比較，幾乎可忽略不計(jì)。

從研發(fā)角度，PC/104主板+WinCE操作系統(tǒng)模式無疑是極佳的選擇。從生產(chǎn)角度，PC/104主板在價(jià)格上不及ARM芯片有競(jìng)爭(zhēng)力，但是與工控機(jī)比較優(yōu)勢(shì)非常明顯，這種模式非常適于舊系統(tǒng)的升級(jí)換代。

四 結(jié)束語

采用ARM芯片+uClinux操作系統(tǒng)模式，或者PC/104主板+WinCE操作系統(tǒng)模式各有其優(yōu)缺點(diǎn)?？筛鶕?jù)已有舊系統(tǒng)的情況、開發(fā)人員情況、開發(fā)周期等多方面因素進(jìn)行選擇。