单片机及嵌入式系统应用

时间：2023-07-21

1 概述

随着我国装备制造业的发展，嵌入式系统已经成为制造业的技术。它被广泛地应用到工业控制、仿真系统、医疗仪器、信息家电、通信设备等众多领域。目前，围绕嵌入式系统展开研究和开发，已经成为计算机软硬件技术发展活跃的方向之一。

嵌入式系统不同于通常纯粹的软件系统或硬件系统，而是软件与硬件通过在一起的，有些功能既可以用软件实现，也可以通过硬件实现。另外，嵌入式系统设计所面临的挑战不仅涉及到计算机软件和硬件，也会涉及到许多非计算机工程中的问题，诸如机械尺寸问题、功耗问题和制造成本问题等。即使是计算机工程方面的问题，大部分系统在实时性、可靠性和多速率等问题方面也都有特别要求。

目前，实现嵌入式系统的硬件方法主要有：定制逻辑（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）和嵌入式微处理器三种。在实际系统实施中，绝大多数系统是采用嵌入式微处理器方式，如单片机、单板机或嵌入式微处理器芯片等。这是因为用微处理器实现嵌入式系统是一种十分有效的方法，它使得在不同价位上设计不同特性的产品系列成为可能，并且能够扩充新特性以满足飞速发展变化的市场需求。

2 嵌入式系统设计面临的问题和解决办法

过去嵌入式系统分析和设计方面的主要问题为：①分析设计没有一个统一的标准；②分析设计方法不统一；③从分析设计到制作和编程没有一个始终一贯的工程化方法，使得产品形成的每一个过程人为因素影响十分严重；④分析设计的成果不能被开发类似项目或产品的重用。以上4个方面的问题成为多年来制约嵌入式系统发展的主要瓶颈，使得大部分从事嵌入式系统应用开发的组织和团体，基本上是采用小组甚至是作坊式的动作模式。这使得开发较复杂或大型系统的工作变得十分困难甚至无法进行，或因为系统需求的不断变化或小组成员的流动导致项目失败。我们知道，人类之间要想达成对任何事件的交流，前提是实现对该事物形态（或表现形式）和行为的标准化，之后才可能实现对该事物形态（或表现形式）和行为的标准化，之后才可能实现对其的存储、处理和交流。嵌入式系统制作过程产品以上4方面问题的主要原因是没有一个对嵌入式系统需求、分析、设计、制作、测试和维护过程的结构特征和行业特征统一的工程化描述方法。目前，面向对象技术正是建立在对真实世界抽象思维的基础上，统一建模语言（UML）为这种思维提供了可视化工具，解决了以上难题。使用UML对嵌入式系统建模，不仅可以使系统分析设计实现标准化，而且完全可以实现系统分析、设计和制作、测试分别由不同的项目成员在统一、一贯的方式下完成，也使得系统分析和设计模型在相似系统中重用成为可能。

3 系统建模

面向对象的嵌入式系统建模同任何软件密集型系统建模一样，从系统中的类建模开始。为了解类的结构，首先对系统工作过程作一个总体陈述。无论是采用问题空间词汇抽象方法还是采用用例（use case）驱动建模方法，目标都是找到系统以类或对象作为构造块的类图。如果采用用例驱动的系统分析方法，该内容也可以用用例视图加以模型规格说明，然后使其作为系统白盒测试依据。由于使用用例视图做的规格说明篇幅比较大，本文仅用文字描述说明这部分内容。

本文所例举的系统为一小型变频调速器系统。对任何一个三相交流电机，在输入单相交流电源的情况下，实现6Hz到[9Hz，50Hz]区间内任一频率的稳步启动运转。系统用户界面包括2位数码显示器、一个运行/停止指示器、电源开/关指示器、6个按钮键盘和电源开关。2位显示器用于显示电机当前正在运转的频率，6个按键分别代表启动、停机、正点动、反点动、频率加和频率减。启动命令使电机从6Hz以每步0.2Hz的步长稳步提升到当前设置频率上后在该频率上稳定运转；正点动命令使电机稳定在6Hz上正向运转；反点动命令时，电机转动频率与正点动上同，但旋转方向相反；频率加命令在电机运转时使电机以1Hz/s的速率增加运转频率和当前预置频率，在电机停止时仅改变预置频率；频率减命令与频率加命令相反；停机命令则无论电机运行在什么状态下，都使电机停止运转。

有2个硬件类Button*和Light*，1个主动类Microcontrollor和3个一般类Convertor、Watchdog和Display。Button*类代表所有按钮;Light*类代表2个发光数码管和1个运行指示灯;主动类Microcontrollor是系统主控模块，完成所有对象的调度和管理；3个一般类为3个功能独立的程序模块。系统实施图。微处理器节点是系统的主控节点，采用Atmel 89C52。其内部8KB Flash ROM和128B RAM资源已能满足系统需要，因此不再增加外部存储器。与其它节点的连接完全通过其本身的串并接口就可完成。按钮节点代表所有按钮，在系统变化时也可以用键盘取代，本例为6个单独机械按钮。显示节点代表系统显示部分，本例为2个数码管和1个表示电同运行状态的发光二极管。运行监控节点具有两部分功能，其一是通过WatchDog技术监视微处理器的运行状况，另一个是监视变换器输出的脉冲宽度。变换器邛树熊设计为专用电路，通过微处理器并行口接受三相正弦脉冲，根据电机功率转换成本相电机线圈所需要的脉冲电压。三相电机节点不属于嵌入式系统本身，但为了说明本嵌入式系统与控制对象关系而布置在同一实施图中。

1 概述

随着我国装备制造业的发展，嵌入式系统已经成为制造业的技术。它被广泛地应用到工业控制、仿真系统、医疗仪器、信息家电、通信设备等众多领域。目前，围绕嵌入式系统展开研究和开发，已经成为计算机软硬件技术发展活跃的方向之一。

嵌入式系统不同于通常纯粹的软件系统或硬件系统，而是软件与硬件通过在一起的，有些功能既可以用软件实现，也可以通过硬件实现。另外，嵌入式系统设计所面临的挑战不仅涉及到计算机软件和硬件，也会涉及到许多非计算机工程中的问题，诸如机械尺寸问题、功耗问题和制造成本问题等。即使是计算机工程方面的问题，大部分系统在实时性、可靠性和多速率等问题方面也都有特别要求。

目前，实现嵌入式系统的硬件方法主要有：定制逻辑（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）和嵌入式微处理器三种。在实际系统实施中，绝大多数系统是采用嵌入式微处理器方式，如单片机、单板机或嵌入式微处理器芯片等。这是因为用微处理器实现嵌入式系统是一种十分有效的方法，它使得在不同价位上设计不同特性的产品系列成为可能，并且能够扩充新特性以满足飞速发展变化的市场需求。

2 嵌入式系统设计面临的问题和解决办法

过去嵌入式系统分析和设计方面的主要问题为：①分析设计没有一个统一的标准；②分析设计方法不统一；③从分析设计到制作和编程没有一个始终一贯的工程化方法，使得产品形成的每一个过程人为因素影响十分严重；④分析设计的成果不能被开发类似项目或产品的重用。以上4个方面的问题成为多年来制约嵌入式系统发展的主要瓶颈，使得大部分从事嵌入式系统应用开发的组织和团体，基本上是采用小组甚至是作坊式的动作模式。这使得开发较复杂或大型系统的工作变得十分困难甚至无法进行，或因为系统需求的不断变化或小组成员的流动导致项目失败。我们知道，人类之间要想达成对任何事件的交流，前提是实现对该事物形态（或表现形式）和行为的标准化，之后才可能实现对该事物形态（或表现形式）和行为的标准化，之后才可能实现对其的存储、处理和交流。嵌入式系统制作过程产品以上4方面问题的主要原因是没有一个对嵌入式系统需求、分析、设计、制作、测试和维护过程的结构特征和行业特征统一的工程化描述方法。目前，面向对象技术正是建立在对真实世界抽象思维的基础上，统一建模语言（UML）为这种思维提供了可视化工具，解决了以上难题。使用UML对嵌入式系统建模，不仅可以使系统分析设计实现标准化，而且完全可以实现系统分析、设计和制作、测试分别由不同的项目成员在统一、一贯的方式下完成，也使得系统分析和设计模型在相似系统中重用成为可能。

3 系统建模

面向对象的嵌入式系统建模同任何软件密集型系统建模一样，从系统中的类建模开始。为了解类的结构，首先对系统工作过程作一个总体陈述。无论是采用问题空间词汇抽象方法还是采用用例（use case）驱动建模方法，目标都是找到系统以类或对象作为构造块的类图。如果采用用例驱动的系统分析方法，该内容也可以用用例视图加以模型规格说明，然后使其作为系统白盒测试依据。由于使用用例视图做的规格说明篇幅比较大，本文仅用文字描述说明这部分内容。

本文所例举的系统为一小型变频调速器系统。对任何一个三相交流电机，在输入单相交流电源的情况下，实现6Hz到[9Hz，50Hz]区间内任一频率的稳步启动运转。系统用户界面包括2位数码显示器、一个运行/停止指示器、电源开/关指示器、6个按钮键盘和电源开关。2位显示器用于显示电机当前正在运转的频率，6个按键分别代表启动、停机、正点动、反点动、频率加和频率减。启动命令使电机从6Hz以每步0.2Hz的步长稳步提升到当前设置频率上后在该频率上稳定运转；正点动命令使电机稳定在6Hz上正向运转；反点动命令时，电机转动频率与正点动上同，但旋转方向相反；频率加命令在电机运转时使电机以1Hz/s的速率增加运转频率和当前预置频率，在电机停止时仅改变预置频率；频率减命令与频率加命令相反；停机命令则无论电机运行在什么状态下，都使电机停止运转。

有2个硬件类Button*和Light*，1个主动类Microcontrollor和3个一般类Convertor、Watchdog和Display。Button*类代表所有按钮;Light*类代表2个发光数码管和1个运行指示灯;主动类Microcontrollor是系统主控模块，完成所有对象的调度和管理；3个一般类为3个功能独立的程序模块。微处理器节点是系统的主控节点，采用Atmel 89C52。其内部8KB Flash ROM和128B RAM资源已能满足系统需要，因此不再增加外部存储器。与其它节点的连接完全通过其本身的串并接口就可完成。按钮节点代表所有按钮，在系统变化时也可以用键盘取代，本例为6个单独机械按钮。显示节点代表系统显示部分，本例为2个数码管和1个表示电同运行状态的发光二极管。运行监控节点具有两部分功能，其一是通过WatchDog技术监视微处理器的运行状况，另一个是监视变换器输出的脉冲宽度。变换器邛树熊设计为专用电路，通过微处理器并行口接受三相正弦脉冲，根据电机功率转换成本相电机线圈所需要的脉冲电压。三相电机节点不属于嵌入式系统本身，但为了说明本嵌入式系统与控制对象关系而布置在同一实施图中

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