嵌入式系統的主要應用

嵌入式系統是一種包括硬件和軟件的完整的計算機系統，它的定義是：“嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可剪裁，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積和功耗有嚴格要求的專用計算機系統。”嵌入式系統所用的計算機是嵌入到被控對象中的專用微處理器，但是功能比通用計算機專門化，具有通用計算機所不能具備的針對某個方面特別設計的、合適的運算速度、高可靠性和較低比較成本的專用計算機系統。

嵌入式系統的應用前景是非常廣泛的，人們將會無時無處不接觸到嵌入式產品，從家里的洗衣機、電冰箱，到作為交通工具的自行車、小汽車，到辦公室里的遠程會議系統等等。在家中、辦公室、公共場所，人們可能會使用數十片甚至更多這樣的嵌入式無線電芯片，將一些電子信息設備甚至電氣設備構成無線網絡；在車上、旅途中，人們利用這樣的嵌入式無線電芯片可以實現遠程辦公、遠程遙控，真正實現把網絡隨身攜帶。其應用領域可以包括：

1．交通管理：在車輛導航、流量控制、信息監測與汽車服務方面，嵌入式系統技術已經獲得了廣泛的應用，內嵌GPS模塊，GSM模塊的移動定位終端已經在各種運輸行業獲得了成功的使用。目前GPS設備已經從尖端產品進入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時隨地找到你的位置。

2．家庭智能管理系統：水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統，其中嵌有的專用控制芯片將代替傳統的人工檢查，并實現更高，更準確和更安全的性能。

3. POS網絡及電子商務：公共交通無接觸智能卡發行系統，公共電話卡發行系統，自動售貨機，各種智能ATM終端將全面走入人們的生活。

4. 環境工程與自然：水文資料實時監測，防洪體系及水土質量監測、堤壩安全，地震監測網，實時氣象信息網，水源和空氣污染監測。在很多環境惡劣，地況復雜的地區，嵌入式系統將實現無人監測。

5. 機器人：嵌入式芯片的發展將使機器人在微型化，高智能方面優勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業領域和服務領域獲得更廣泛的應用。

6. 工業控制： 相對于其他的領域，機電產品可以說是嵌入式系統應用最典型最廣泛的領域之一。從最初的單片機到現在的工控機、SOC在各種機電產品中均有著巨大的市場。 工業設備是機電產品中最大的一類，在目前的工業控制設備中，工控機的使用非常廣泛，這些工控機一般采用的是工業級的處理器和各種設備，其中以X86的MPU最多。工控的要求往往較高，需要各種各樣的設備接口，除了進行實時控制，還須將設備狀態，傳感器的信息等在顯示屏上實時顯示。這些要求8位的單片機是無法滿足的，以前多數使用16位的處理器，隨著處理器快速的發展，目前32位、64位的處理器逐漸替代了16位處理器，進一步提升了系統性能。采用PC104總線的系統，體積小，穩定可靠，受到了很多用戶的青睞。不過這些工控機采用的往往是DOS或者Windows系統，雖然具有嵌入式的特點，卻不能稱作純粹的嵌入式系統。另外在工業控制器和設備控制器方面，則是各種嵌入式處理器的天下。這些控制器往往采用16位以上的處理器，各種MCU，Arm、Mips、68K系列的處理器在控制器中占據核心地位。這些處理器上提供了豐富的接口總線資源，可以通過它們實現數據采集，數據處理，通訊以及顯示（顯示一般是連接LED或者LCD）。最近飛利浦和ARM共同推出32位RISC嵌入式控制器，適用于工業控制，采用最先進的0.18微米CMOS嵌入式閃存處理技術，操作電壓可以低至1.2伏，它還能降低25%到30%的制造成本，在工業領域中對最終用戶而言是一套極具成本效益的解決方案。美國TERN工業控制器基于Am188/186ES、i386EX、NEC V25、Am586（Elan SC520），采用了SUPERTASK實時多任務內核，可應用于便攜設備、無線控制設備、數據采集設備、工業控制與工業自動化設備以及其它需要控制處理的設備。

7. 家電行業是嵌入式應用的另一大行業。 現在只有按鈕、開關的電器顯然已經不能滿足人們的日常需求，具有用戶界面，能遠程控制，智能管理的電器是未來的發展趨勢。據IDG發布的統計數據表明，未來信息家電將會成長五至十倍。中國的傳統家電廠商向信息家電過渡時，首先面臨的挑戰是核心操作系統軟件開發工作。硬件方面，進行智能信息控制并不是很高的要求，目前絕大多數嵌入式處理器都可以滿足硬件要求，真正的難點是如何使軟件操作系統容量小、穩定性高且易于開發。Linux核心可以起到很好的橋梁作用，作為一個跨平臺的操作系統，它可以支持二三十種CPU ，而目前已有眾多家電業的芯片都開始做Linux的平臺移植工作。1999年就登錄中國的微軟“維納斯”計劃給了國人一個數字家庭的概念，引導各大家電廠商紛紛投入到這場革命中來，雖然最終未能獲得成功，卻使信息家電深入人心。如今各大廠商仍然在努力推出適用于新一代家電應用的芯片，英特爾公司已專為信息家電業研發了名為StrongARM的ARM CPU系列，這一系列CPU本身不象X86CPU需要整合不同的芯片組，它在一顆芯片中可以包括你所需要的各項功能，即硬件系統實現了SOC的概念。美商網虎公司已將全球最小的嵌入式操作系統——QUARK成功移植到StrongARM系列芯片上，這是第一次把Linux、圖形界面和一些程序進行完整移植（QUARK的內核只有143K），它將為信息家電提供功能強大的核心操作系統。相信在不久的將來，數字智能家庭必將來到我們身邊。

這些應用中，可以著重于在控制方面的應用。就遠程家電控制而言，除了開發出支持TCP/IP的嵌入式系統之外，家電產品控制協議也需要制訂和統一，這需要家電生產廠家來做。同樣的道理，所有基于網絡的遠程控制器件都需要與嵌入式系統之間實現接口，然后再由嵌入式系統來控制并通過網絡實現控制。所以，開發和探討嵌入式系統有著十分重要的意義。

嵌入式系統技術具有非常廣闊的應用前景，其應用領域可以包括：

１．工業控制：

基于嵌入式芯片的工業自動化設備將獲得長足的發展，目前已經有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在應用中，網絡化是提高生產效率和產品質量、減少人力資源主要途徑，如工業過程控制、數字機床、電力系統、電網安全、電網設備監測、石油化工系統。就傳統的工業控制產品而言，低端型采用的往往是８位單片機。但是隨著技術的發展，32位、64位的處理器逐漸成為工業控制設備的核心，在未來幾年內必將獲得長足的發展。

２．交通管理：

?在車輛導航、流量控制、信息監測與汽車服務方面，嵌入式系統技術已經獲得了廣泛的應用，內嵌GPS模塊，GSM模塊的移動定位終端已經在各種運輸行業獲得了成功的使用。目前GPS設備已經從尖端產品進入了普通百姓的家庭，只需要幾千元，就可以隨時隨地找到你的位置。

３．信息家電：

這將稱為嵌入式系統最大的應用領域，冰箱、空調等的網絡化、智能化將引領人們的生活步入一個嶄新的空間。即使你不在家里，也可以通過電話線、網絡進行遠程控制。在這些設備中，嵌入式系統將大有用武之地。

４．家庭智能管理系統：

水、電、煤氣表的遠程自動抄表，安全防火、防盜系統，其中嵌有的專用控制芯片將代替傳統的人工檢查，并實現更高，更準確和更安全的性能。目前在服務領域，如遠程點菜器等已經體現了嵌入式系統的優勢。

５．POS網絡及電子商務：

公共交通無接觸智能卡（Contactless Smartcard， CSC）發行系統，公共電話卡發行系統，自動售貨機，各種智能ATM終端將全面走入人們的生活，到時手持一卡就可以行遍天下。

６．環境工程與自然：

水文資料實時監測，防洪體系及水土質量監測、堤壩安全，地震監測網，實時氣象信息網，水源和空氣污染監測。在很多環境惡劣，地況復雜的地區，嵌入式系統將實現無人監測。 ７．機器人：

嵌入式芯片的發展將使機器人在微型化，高智能方面優勢更加明顯，同時會大幅度降低機器人的價格，使其在工業領域和服務領域獲得更廣泛的應用。

這些應用中，可以著重于在控制方面的應用。就遠程家電控制而言，除了開發出支持TCP/IP的嵌入式系統之外，家電產品控制協議也需要制訂和統一，這需要家電生產廠家來做。同樣的道理，所有基于網絡的遠程控制器件都需要與嵌入式系統之間實現接口，然后再由嵌入式系統來控制并通過網絡實現控制。所以，開發和探討嵌入式系統有著十分重要的意義。

嵌入式系統在機電產品方面的應用

相對于其他的領域，機電產品可以說是嵌入式系統應用最典型最廣泛的領域之一。從最初的單片機到現在的工控機、SOC在各種機電產品中均有著巨大的市場。

工業設備是機電產品中最大的一類，在目前的工業控制設備中，工控機的使用非常廣泛，這些工控機一般采用的是工業級的處理器和各種設備，其中以X86的MPU最多。工控的要求往往較高，需要各種各樣的設備接口，除了進行實時控制，還須將設備狀態，傳感器的信息等在顯示屏上實時顯示。這些要求8位的單片機是無法滿足的，以前多數使用16位的處理器，隨著處理器快速的發展，目前32位、64位的處理器逐漸替代了16位處理器，進一步提升了系統性能。采用PC104總線的系統，體積小，穩定可靠，受到了很多用戶的青睞。不過這些工控機采用的往往是DOS或者Windows系統，雖然具有嵌入式的特點，卻不能稱作純粹的嵌入式系統。另外在工業控制器和設備控制器方面，則是各種嵌入式處理器的天下。這些控制器往往采用16位以上的處理器，各種MCU，Arm、Mips、68K系列的處理器在控制器中占據核心地位。這些處理器上提供了豐富的接口總線資源，可以通過它們實現數據采集，數據處理，通訊以及顯示（顯示一般是連接LED或者LCD）。最近飛利浦和ARM共同推出32位RISC嵌入式控制器，適用于工業控制，采用最先進的0.18微米CMOS嵌入式閃存處理技術，操作電壓可以低至1.2伏，它還能降低25%到30%的制造成本，在工業領域中對最終用戶而言是一套極具成本效益的解決方案。美國TERN工業控制器基于Am188/186ES、i386EX、NEC V25、Am586（Elan SC520），采用了SUPERTASK實時多任務內核，可應用于便攜設備、無線控制設備、數據采集設備、工業控制與工業自動化設備以及其它需要控制處理的設備。

家電行業是嵌入式應用的另一大行業，我們傳統的電視，電冰箱當然其中也嵌有處理器，但是這些處理器只是在控制方面應用。而現在只有按鈕、開關的電器顯然已經不能滿足人們的日常需求，具有用戶界面，能遠程控制，智能管理的電器是未來的發展趨勢。據IDG發布的統計數據表明，未來信息家電將會成長五至十倍。中國的傳統家電廠商向信息家電過渡時，首先面臨的挑戰是核心操作系統軟件開發工作。硬件方面，進行智能信息控制并不是很高的要求，目前絕大多數嵌入式處理器都可以滿足硬件要求，真正的難點是如何使軟件操作系統容量小、穩定性高且易于開發。Linux核心可以起到很好的橋梁作用，作為一個跨平臺的操作系統，它可以支持二三十種CPU ，而目前已有眾多家電業的芯片都開始做Linux的平臺移植工作。1999年就登錄中國的微軟“維納斯”計劃給了國人一個數字家庭的概念，引導各大家電廠商紛紛投入到這場革命中來，雖然最終未能獲得成功，卻使信息家電深入人心。如今各大廠商仍然在努力推出適用于新一代家電應用的芯片，英特爾公司已專為信息家電業研發了名為StrongARM的ARM CPU系列，這一系列CPU本身不象X86CPU需要整合不同的芯片組，它在一顆芯片中可以包括你所需要的各項功能，即硬件系統實現了SOC的概念。美商網虎公司已將全球最小的嵌入式操作系統——QUARK成功移植到StrongARM系列芯片上，這是第一次把Linux、圖形界面和一些程序進行完整移植（QUARK的內核只有143K），它將為信息家電提供功能強大的核心操作系統。相信在不久的將來，數字智能家庭必將來到我們身邊。

機器人技術的發展從來就是與嵌入式系統的發展緊密聯系在一起的。最早的機器人技術是50年代MIT提出的數控技術，當時使用的還遠未達到芯片水平，只是簡單的與非門邏輯電路。之后由于處理器和智能控制理論的發展緩慢從50年代到70年代初期，機器人技術一直未能獲得充分的發展。70年代中期之后，由于智能理論的發展和MCU出現，機器人逐漸成為研究熱點，并且獲得了長足的發展。近來由于嵌入式處理器的高度發展，機器人從硬件到軟件也呈現了新的發展趨勢。例如火星車就是一個典型例子，這個價值10億美金的技術高密集移動機器人，采用的是美國風河公司的Vxworks嵌入式操作系統，可以在不與地球聯系的情況下自主工作。1997年美國發射的“索杰納”火星車帶有機械手，可以采集火星上的各種地況，并且通過攝像頭把火星上的圖像發回地面指揮中心。這臺火星車在火星上自主工作了3個月，充分體現了Vxworks系統的高可靠性。以索尼的機器狗為代表的智能機器寵物，可以僅僅使用8位的AVR，51單片機或者16位的DSP來控制舵機，進行圖像處理，就能制造出那些人見人愛的玩具，讓我們不能不驚嘆嵌入式處理器強大的功能。近來32位處理器，Windows CE等32位嵌入式操作系統的盛行，使得操控一個機器人只需要在手持PDA上獲取遠程機器人的信息，并且通過無線通訊控制機器人的運行，與傳統的采用工控機相比，要輕巧便捷的多。隨著嵌入式控制器越來越微型化、功能化，微型機器人、特種機器人等也將獲得更大的發展機遇。