淺談嵌入式系統應用

沈銳

摘要：文章主要針對嵌入式系統在各領域中的應用進行淺談，簡單的介紹了嵌入式的各處理器的特點和用處，以及嵌入式在各領域中對不同軟硬件的應用，并對嵌入式系統在工業和生活方面的影響進行7分析。

關鍵詞：嵌入式系統 應用 處理器 硬件 軟件

引言

隨著如今計算機的發展，單片機技術逐漸走向成熟，嵌入式系統也隨之有了質的飛躍。在這個智能領先的時代，隨處可見的智能工具都有著嵌入式系統的身影，嵌入式系統已成為了我們生活最重要的一部分應用。比如電子產品方面的數碼相機，掌上游戲機等，汽車電子領域的導航定位系統，以及軍工方面的航空技術等，這些都是嵌入式系統應用的領域。

根據IEEE（電氣和電子工程協會）的定義，嵌入式系統是一個控制、監視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置，它的核心是由一個或幾個預先已編程的微處理機和單片機組成的專用計算機系統。雖然它的存儲容量不是特別大，但是它體積小，實時性強，而且成本較低，所以才能廣泛應用于各個領域。

1嵌入式系統中的處理器

嵌入式系統的核心部件是嵌入式處理器，可以說嵌入式處理器就是嵌入式系統的“心臟”，它不僅可以完成多任務，還有較短的中斷響應時間，使內部的代碼和實時內核的執行時間減少到最低限度，并且還具有較強的存儲區保護功能。一般可根據處理器的用途將嵌入式處理器分為四類：

1.1嵌入式微控制器（MCU）

MCU是將計算機系統集成到一塊芯片上，它的典型代表就是單片機。在許多的嵌入式系統應用中，會根據產品的應用需求，對功能的設置和外設的配置進行必要的修改和裁剪，從而使得一個系列的單片機具有多種不同的衍生產品，這樣不僅可以使應用系統的體積大大減小，功能和成本也大幅度下降。

1.2嵌入式微處理器（MPU）

MPU是由計算機的CPU發展而來，因為嵌入式系統一般應用于比較惡劣的環境中，所以MPU在工作溫度、電磁兼容性等方面都比標準微處理器好。和工業控制計算機相比，MPU組成的系統具有體積小、重量輕、可靠性高、成本低的優點，但相對于嵌入式微控制器來說，嵌入式微處理器的可靠性沒有嵌入式控制器好，保密性也較差。

1.3嵌入式數字信號處理器（DSP）

DSP是專門用于信號處理方面的處理器，它的系統結構和指令算法進行了特殊的設計，具有很高的編譯效率和指令執行速度。嵌入式DPS處理器主要應用于有智能邏輯的產品，比如，帶有解密算法的鍵盤，虛擬現實顯示，實時語音壓解系統等。這類的產品的智能化算法一般都比較大，特別向量運算、指針線性尋址等運算，這也是DSP處理器的優勢所在。

1.4嵌入片上系統（soc）

soc是追求產品系統最大包容的集成器件，它實現了軟硬件的無縫結合，可以直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊。它的優點在于用戶不用再像傳統的系統設計一樣，繪制和焊接龐大的電路板，只需使用精確的語言，綜合時序設計直接在器件庫中調用處理器標準，然后通過仿真之后，完成設計。

2嵌入式系統的應用

2.1智能家居監控系統

智能家居監控系統具體指的用戶無論是在室內還是室外，都可以通過智能手機發送數據，來控制家中的各種家具，最主要的應用是對屋內用戶的生活環境和安全進行監控，若是家中出現火災情況，那么系統將會自動感應到環境的變化，從而自動的向用戶手機進行撥打電話和發送短信，若是家中有老人，則可以通過手機實時的查看老人的情況。

此系統主要是利用樹莓派處理器和其他軟硬件的相互配合實現的，樹莓派處理器是一臺基于Linux系統的小型計算機，可以進行復雜的數據處理運算和多設備控制，它雖然只有信用卡大小，但是它可以實現很多的功能，比如文字處理、玩游戲、看視頻、放音頻等，可以說是“麻雀雖小，五臟俱全”。

在家居監控系統中，樹莓派在硬件設備上，它不僅連接了監控設備，還連接了溫濕度傳感器、煙霧傳感器等，并配合51單片機自帶的AD/DA轉換功能，將傳感器的數字量轉換成模擬量，再通過GSM通過單片機的串口通信撥打指定的號碼。在軟件方面主要應用Java對手機上的APP進行程序設計。

2.2嵌入式系統在工業污染物監測中的應用

由于生活的需要，建立了越來越多的工廠，隨之造成的環境污染也日益嚴重，于是對污染物檢測的系統要求也越來越高。嵌入式系統在此應用中主要是為了實現對工業現場污染物現場數據的采集、處理、上傳等功能，進而為上位機提供可靠及時的污染物數據。

為實現以上功能，檢測系統在硬件設計方面，主要采用的是通主控芯片來連接和控制不同類型的傳感器、現場機、上位機和傳輸網絡等硬件設備。通過用不同的傳感器采集各種污染物的數據，再用現場機對數據進行處理、匯總，然后通過網絡和檢測設備進行數據傳輸。在軟件方面的主要設計是監測系統的參數設置、數據采集、數據處理和數據的傳輸。其中的數據采集主要采用的是Modbus協議，：MocPous協議是一種公開通用的串行通信協議，常用于連接工業電子設備，在此系統中，此協議主要是用來控制系統與傳感器的串口數據通信。

2.3嵌入式系統傳感器應用

傳感器是一種監測裝置，主要功能是采集、控制、處理電子信息，將非電信號轉換成電信號。其在嵌入式系統的硬件電路設計上主要采用的是反射型光電傳感器設計，由于芯片大部分都是黑色，黑色具有較強的吸光效果，而紅外光對常見光的干擾具有較強的抵抗能力，所以傳感器一般采用的是紅外發射管發出的光照。

在本應用中的系統軟件設計主要就是對微控制器的的編碼，在以上幾個應用中都有提到過嵌入式系統的軟件設計，它的功能就是通過軟件編程，選擇單片機的端口和引腳，以實現軟硬件的無縫銜接。

2.4基于嵌入式系統的人臉檢測算法研究

隨著計算機科學的發展，人臉技術逐漸受到大大眾的關注和歡迎。 在此應用中最復雜核心的是軟件編程方面，因為要通過機器識別各種人臉的區別并認證需要通過復雜的算法和指令才能配合硬件完成。

這里主要采用AdaBoost人臉識檢測算法的原理，對人臉進行識別，此方法是固定一個窗口大小，然后將窗口分割成一個個大小一致的小窗口，再去除人臉的背景區域，然后對每一個小的區域進行數據對比，從而實現識別功能。為實現這一原理，在計算機編碼之前我們就要先對代碼中的算法進行研究和計算，主要的算法有協方差矩陣對角化、矩陣相乘和向量內積等方法。

現在已有軟件在使用此應用，雖然帶給了我們很大的便利，但是使用的人并不多，畢竟現如今的攝影技術發展的發展已經比較前衛，若是有人用照片冒充別人進行面部識別，也是一個很大的安全問題。

3總結

現如今嵌入式系統應用廣泛，無論是以前的電子產品還是現在的各種智能工具，這些都離不開嵌入式系統應用，嵌入式已經成為我們生活的一部分，它不僅提高了我們的生活水平，使我們的生活質量有了質的飛躍，還帶動了其他行業的科技水平和發展，我相信嵌入式行業不管是在以前、現在還是將來，它的潛力和發展空間都是不可估量的。

本文雖然提到很多嵌入式系統的應用，但是都僅是淺談嵌入式系統在各工業生產的貢獻以及對我們生活的影響，并未對其進行專業的深度探討和研究，若是想要深入了解以上應用，可參考參考文獻。

參考文獻

[1]朱鑫鑫，黃森，冀逢銳.單片機技術在嵌入式系統擴展中的應用[J]，電子技術與軟件工程，2019（08）：236.

[2]沈華，嵌入式系統的中嵌入式處理器的分類與選型[J].數字技術與應用，2013（06）：78+81.

[3]劉艷艷.基于嵌入式的智能家居監控系統[J]，電子世捍，2017（24）：112113.

[4]黃浩然，謝其國.嵌入式系統在工業污染物監測中的設計與應用[J].電腦知識與技術，2019，15（OS）：238—239.

[5]何安迪，基于嵌入式系統的傳感器應用試驗設計[J].微型電腦應用，2019，35（02）：59—62.

[6]方仲秋，基于嵌入式系統的人臉檢測算法研究[J].無線互聯科技，2017（24）：47—48.