嵌入式控制系统应用领域及发展趋势

嵌入式控制系统应用领域及发展趋势

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摘要：从20世纪70年代单片机的出现到今天各式各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近50年的发展历史，它为自动化控制开辟了广阔的发展空间。由于嵌入式系统具有功能强大、开发方便的优点，目前已经得到广泛的应用，同时，随着信息化时代的到来，用户对嵌入式生产厂商提出了更高的要求，嵌入式控制系统将会有更大的发展。本文主要就嵌入式控制系统的一些应用领域做简单的说明，并介绍其发展趋势。

1嵌入式系统的介绍

1.1定义：根据英国电器工程师协会（U.K. Institution of Electrical Engineer）的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。

1.2系统结构：嵌入式系统有硬件和软件两大部分组成。

a.硬件包括微处理器、存储器、外部设备和I/O口、图形控制器等；

b.软件部分包括操作系统，和应用程序。

1.3特点：系统内核小、系统精简、高实时性和高可靠性、智能化和网络化、专用性强、需要有专用的开发工具和环境等。

2嵌入式控制系统应用领域

嵌入式系统以其组网灵活﹑可靠性高﹑抗干扰能力强﹑低功耗和网络容量大等特点在计算机控制领域发挥着显著的作用。嵌入式控制器体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，使其应用深入到各个领域，包括：工业控制、交通管理、信息家电、消费类电子产品及家庭智能管理系统、POS网络及电子商务、农业及环境工程监测、机器人领域、军事国防领域等。

2.1.工业控制

在工业控制领域中，嵌入式系统主要应用于各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化设备等系统中。随着工业控制对性能和智能化的要求不断提高，基于嵌入式芯片的工业自动化设备已经获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用在如工业过程控制、数铣机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工等系统中。另外，在工业控制器和设备控制器方面采用的嵌入式处理器往往采用16位以上的处理器，各种MCU、ARM、MIPS、DSP、FPGA、68000系列的处理器在控制器中占据核心地位。这些处理器提供丰富的接口总线资源，可以事先数据采集，数据处理，通信及显示。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。

2.2.交通管理

智能交通系统(ITS)主要由交通信息采集、交通状况监视、交通控制、信息发布和通信5大子系统组成。各种信息都是ITS的运行基础，而以嵌入式为主的交通管理系统就像人体内的神经系统一样在ITS中起着至关重要的作用。嵌入式系统应用在测速雷达(返回数字式速度值)、运输车队遥控指挥系统、车辆导航系统等方面，在这些应用系统中能对交通数据进行获取、存储、管理、传输、分析和显示，以提供交通管理者或决策者对交通状况现状进行决策和研究。在智能交通的各类管理系统中，一般都要求系统能够在无人值守的状态下24小时不间断运行，对产品工作的稳定性要求很高，更不允许出现死机的现象，嵌入式产品的工作稳定特性正好适应其在这方面的严格的要求。

例子：在智能交通系统中当车辆闯红灯时，地感线圈感应到车辆信号，检测器被触发，并给嵌入式系统发出一个信号，由信号灯控制器发出“红灯”信号同时也给计算机发出另一信号，两者同时具备时，嵌入式系统给摄像机发出一个控制信号。照相机动作，拍摄违章车辆图像。车辆经过检测线圈时，嵌入式系统检测车速，同时记录闯红灯时间。由于嵌入式系统处理器运行速度高，他能满足高速处理图像数据的要求。嵌入式系统可以根据数字化后的车辆灰度图像，对车辆颜色进行提取和识别，对车牌类型进行分类，对车辆字符进行识别。车辆字符识别系统包括图像二值转换，图像差分、滤波与平滑，车牌定位与旋转，字符切割，字符识别，车牌颜色提取与识别和车牌分类等功能模块。违章车辆速度和颜色、闯红灯时间、违章车辆类型和经过识别的车牌字符等信息，由嵌入式系统以数据信号形式发送给无线接入装置。无线接入装置把这些数据传给lnternet，Internet再把这些数据传给交通管理系统数据中心。交通管理系统可以及时得到违章车辆信息，从而更好地对交通系统进行管理，更好地保证交通管理系统正常运作。

2.3.信息家电、消费类电子产品及家庭智能管理系统

家电行业是嵌入式应用的另一大行业，具有用户界面、能远程控制、智能管理的电器是未来的趋势。据IDG发布的统计数据表明，未来信息家电将会增长五到十倍。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。而我们日常生活中必不可少的消费类电子产品则是各种嵌入式控制系统的天下，手机、MP3、录影机、平板电脑等，这些电子产品的核心部分就是嵌入式系统。例如：自从2005年，消费者已不再仅仅满足于用手机打打语音电话、发发文本短信，对移动多媒体通信、娱乐和联网的要求已隐然成为一种新的消费趋向。消费者希望手机能下载和播放MP3音乐及MPEG-4电影、高速浏览互联网、拍摄和显示高清晰度照片、收发多媒体邮件、玩互动多媒体游戏、在全球不同移动网中漫游、打可视电话，甚至希望在手机平台上收看实时卫星或地面DTV节目，这几大促进了嵌入式系统在这方面的发展。另外，在家庭智能管理系统方面，水、电、煤气表的远程自动抄表，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，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。

2.4.POS网络及电子商务

公共交通无接触智能卡(Contactless Smartcard, 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。

2.5.农业及环境工程监测

农业方面如：温度、湿度和二氧化碳浓度是影响棚栽农作物生长的3 大要素。为了实现农业大棚中这3 种要素数据的远程实时采集,引入了当前嵌入式应用中较为成熟的ARM9 微处理器和Linux 嵌入式操作系统技术, 采用温度传感器PH100TMPA、湿度传感器HM1500 和二氧化碳浓度传感器NAP221A ,设计一种基于TCP/ IP 协议的嵌入式远程实时数据采集系统方案，这样就可以实时获得大棚温度、湿度和二氧化碳浓度等数据。另外，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。

2.6.机器人领域

机器人技术的发展从来就是雨嵌入式系统的发展紧密联系在一起的。近年来，由于嵌入式处理器的发展，机器人从硬件到软件都呈现了新的发展趋势。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