單片機與嵌入式系統應用探討

呂穎利 ， 孫應芳

（濟源職業技術學院，河南 濟源 459000）

隨著嵌入式系統數量及需求的不斷增加，其所生產的電子產品越來越受大眾的歡迎。此外，單片機在嵌入式系統中同樣發揮著不可替代的作用，其具備強大的集成功能，可以將其視為小型的微型計算機系統。自20世紀80年代開始，單片機集成技術越來越完善，其在嵌入式系統中的應用也日益廣泛，起到測試、控制等強大功能。

1 單片機與嵌入式系統概述

1.1 單片機

單片機是具備邏輯功能的集成芯片，又被稱之為單片微控制器，其具備計算機的相應功能，相比較計算機而言，其僅僅缺少I/O設備。單片機產生于20世紀80年代初，20世紀90年代逐漸普及，其生產和集成技術應用也日益廣泛，集成能力更強。單片機在系統之中應用依靠其擴展功能，可以靈活地應用在多個領域之中。芯片技術的完善為其功能應用奠定了良好的基礎，其存在SOC層和SPI接口，通過接口可以與其他系統連接在一起，是一種具備可擴展性的嵌入式系統[1]。

1.2 嵌入式系統

嵌入式系統是指將對象體系作為目標，嵌入式計算機作為核心嵌入到系統之中。該系統應用具備一定的控制、監視、輔助控制等功能，該系統以應用為中心，以軟件和硬件系統為載體，實現相應的功能。考慮到嵌入式系統在不同領域中的實踐應用，對其技術應用特征進行分析，其具備體積小、容量小、實時性等特點。考慮到嵌入式系統在工業領域中的應用，其可以在智能儀表、智能裝置中應用，以節省大量的空間，將控制模塊安裝在系統之中，可以以小體積發揮相應的控制功能。儲存容量小是指嵌入式系統在設計應用過程中應用ROM模塊，將FLASH作為儲存器應用，其在此間發揮著儲存介質的功能，但該類儲存器應用成本比較高，因此，嵌入式系統應用儲存容量也盡可能地比較小，程序進程也比較小，這是嵌入式系統應用的主要特征之一。嵌入式系統的實時性特點是指其在應用過程中具有時間特性，以嵌入性系統為根本的應用程序對實時性要求比較高。如果在應用過程中應用系統超過了系統特定的時間限制，則計算機程序所輸出的結果也會存在明顯的差別，應用程序系統在應用過程中也會出現問題[2]。

1.3 單片機在嵌入式系統中的功能

嵌入式系統在應用過程中存在可擴展性，其可擴展設備大致分為三個部分，其中單片機是核心部分，結合系統中的CPU裝置和外圍硬件設備，共同實現對程序的控制功能。在具體應用過程中，CPU裝置會與系統的外圍裝置經由SPI口進行連接，實現CPU與單片機之間的數據信息交換?；跀祿畔⒛K實現兩者間的信息傳輸，單片機在系統之中的應用可以經過I/O口等接口實現功能性拓展，在與外圍硬件系統的共同作用下，實現功能性轉化[3]。外圍的硬件設備具備數據采集和信息采集等強大功能，通過系統的SPI總線實現數據處理。系統功能應用基于上述數據傳輸過程實現相應的控制功能和監測功能，為了保障其功能符合應用需求，需要明確系統功能結構，嵌入式系統結構如圖1所示。

圖1 嵌入式系統結構圖

在上述結構之中，SPI接口屬于外設接口，通過該接口進行嵌入連接其數據傳輸速度比較快[4]。比較I2C主線數據傳輸速度而言，傳輸效率更高。因此，在應用該系統結果過程中應基于CPU裝置實現多個外圍設備的數據連接，以數據傳輸為目標進行結構設計。該系統應用期間受SPI接口模式所影響，如果在主從模式下對其進行應用，則需要輔助應用主設備和多個從設備實現數據傳輸功能。在此設計理念中，可以從外圍界面系統實現各節點之間的點對點通信[5]。基于此，根據其功能需要將SPI總線與單片機進行融合，提高單片機的集成功能。但在實際應用過程中，可能由于應用差異導致程序出現混亂，根據簽訂的數據傳輸協調調整外圍設備，可以使得嵌入式系統功能更加完善。為了降低系統在應用過程中的成本，設置MCU分擔系統應用過程中的信息處理壓力，預處理采集的信息，提高系統的響應效果[6]。

2 單片機在嵌入式系統中的設計應用

2.1 驅動程序設計

將單片機應用到嵌入式系統之中，對其結構進行綜合設計。本次設計應用選擇以Linux系統為基礎的驅動程序，在該系統上設置外部文件，也就是系統所連接的設備。指令執行需要在外部設備上進行，通過軟件程序的開發設置虛擬系統。設備驅動程序應用是連接用戶與設備的重要接口，也是實現數據傳輸與功能轉化的重要內容。系統在運行過程中受到驅動程序的保護，在實現控制、測試的過程中，確保硬件設備可以為程序應用提供保障。數據的讀入、寫入等也基于驅動程序實現資源和空間的釋放，為系統的核心層和物理層之間進行數據傳輸奠定良好的基礎。

設計嵌入式系統，CPU裝置在本地系統中以串行的方式進行端口連接。單片機的I/O接口與外圍設備之間通過擴展連接的方式實現程序的相應功能。在驅動程序應用期間，硬件系統會根據接口連接差異賦予其不同的功能，當用戶基于程序軟件訪問系統之后，接口可以發揮數據傳輸的功能，實現對操作指令數據的讀入，完成指令任務。以串行的方式將多個結構連接在一起，驅動程序會傳遞用戶的請求，經過串行端口實現硬件功能的定義。

2.2 協議與擴展功能設計

單片機在嵌入式系統中的應用與SPI協議完成數據通信，應用AD轉換器實現對通信信號的處理。系統設計應用雙全工通信模式，在系統的芯片位置設置數據通信線路。通信模塊基于SCK的控制應用，結合系統內部的雙向移位寄存器實現數據之間的交互。但該線路接口會占用4條線路，設計人員需要考慮到對電源的限制性設計，通過適當減少電路接口的方式，使得整個系統通信功能具有科學性[7]。

單片機集成功能應用也比較復雜，由于系統中的CPU無法直接實現任務指令執行工作。需要經過通信協議的簽訂完成數據傳輸，SPI總線基于虛擬通道協議的簽訂，驅動數據包進行速率優化，發揮優化數據傳輸的功能，在此過程中發揮糾錯的作用。為了確保通信數據包與單片機之間數據傳輸的穩定性，虛擬通道建立通過擴展性功能的應用對數據格式進行優化，通過代碼寫入實現對數據包的分析，并對數據包進行相應的封裝處理。

硬件驅動程序設計應用基于強大的數據處理功能與擴展性功能實現對外設裝置指令的響應。借助虛擬通道可以實現對數據傳輸的優化設計，調用指令。單片機即將串行端口的連接設備集成到系統之中，外圍端口與本地端口發揮對程序內核的封裝作用，為用戶提供相應的服務。連接本地端口的程序執行硬件任務，虛擬通道連接的程序則不執行此任務，通過外圍控制器可以實現對數據的傳輸、接收[8]。

本文設計MCU嵌入式系統，基于單片機實現數據控制和指令控制功能。在工業領域中，該系統的應用比較廣泛，且應用成本比較低，能源消耗量也比較小，后期維護也比較簡單。該系統應用符合人性化的設計理念，但市場上的嵌入式系統的功能存在差異，網絡通信機接口數量端口功能不同，但基于此網絡控制端口的設計應用，可以滿足其他的通信協議要求。

3 單片機在嵌入式系統中的實踐應用

3.1 單片機在嵌入式系統中的功能應用

3.1.1 電機控制系統應用

在嵌入式系統設計應用過程中，基于單片機的功能應用可以實現對電機的科學控制，其在此間執行著管理工作，可以實現對功能模塊的調度?；趯Σ僮飨到y和操作平臺的優化設計，融合控制軟件實現對程序平臺的優化，在具體應用過程之中，需要嚴格按照以下順序對其進行應用：

首先，在應用過程中，操作人員需要明確系統的任務量，預處理相應的數據。其次，基于對驅動數據的寫入和輸出，實現對數據的過濾，經過通道將數據傳輸至系統之中，為測量工作的應用提高安全保障。在該過程中，數據的輸出在數據預處理完成之后進行，保障數據輸出的可靠性。最后，電機系統的控制實施過程是關鍵，需要合理地劃分各個模塊之間的責任。

3.1.2 網絡測試應用

單片機在嵌入式系統之中的應用逐漸成為技術研究的重要內容，通過網絡測試的方法可以了解到系統應用的主要內容。通過虛擬系統的建立，經過網絡數據傳輸系統，實現對設備的遠程控制，按照設定的指令可以實時儲存或者上傳數據信息。操作人員在應用網絡測試的過程中，MCU系統可以發揮接口識別功能，分辨網絡用戶連接方式。同時，系統中的應用軟件發揮測控功能。分析應用的內部結構關聯性，單片機在嵌入式系統之中可以發揮對IP地址的儲存以及識別作用。網絡測試功能的應用可以利用網絡系統和通信系統實現，系統內核區域并不存在串行端口，其網絡控制模塊并不存在。但在系統編碼和解碼的過程中，內核模塊可以發揮相應的控制功能。終端系統在輸入或者輸出數據期間，其原理與單片機嵌入系統運行原理具有一致性。終端系統對其進行控制，需要嚴格檢查端口接口控制網絡的科學性，其是否與數據通信接口連接緊密。在科學的連接基礎上，網絡系統可以實現異步串行通信功能，確保系統在該范圍內可以有序運行[9-11]。

3.1.3 多媒體控制系統應用

多媒體控制系統在當代被廣泛應用，其可以應用到辦公、教學等領域之中。基于單片機的嵌入式系統設計應用將多個系統集成在模塊之中。計算機設備作為其操作應用的基礎內容，可以發揮演化、展示的作用。將其與其他可視化裝置連接在一起，包括錄像機、終端設備以及其他具備遙控功能的設備，實現了數據傳輸和數據展示等功能。系統具備中央控制系統，可以實現對多個模塊之間的流暢轉化，音頻、視頻以及圖片等內容的轉化過程比較優質。分析應用原理，系統融合了通信技術、集成技術，將外圍控制設備與系統組合連接在一起，明確每個設備的最終操作過程以及方式，可以實現對多媒體內容的集中控制。其應用方式大致可以分為兩種，第一種是指在應用過程中基于軟件控制，第二種是通過硬件連接方式的電路控制。第一種方式使得系統內容更加豐富，軟件界面可優化設計，比較美觀。但硬件電路控制系統在操作上更加便捷[12]。

3.2 單片機在嵌入式系統其他領域中的實踐應用

除上述功能中將單片機應用到嵌入式系統外，在其他領域中其也可以發揮相應的功能。如節能功能、語音設備控制、預警裝置和醫療設備等，均可以基于單片機實現對嵌入式系統的應用。例如，小米手環、智能手表等應用單片機嵌入系統，實現人體健康數據的智能化收集。由于連接設備在應用過程中長期處于負載的狀態，能源消耗量比較大。但應用單片機嵌入式系統，可以控制信息的上報情況，當連接設備信息未進行上報期間，則設備在系統的控制下處于低能耗狀態，起到了一定的節能控制作用。在語音設備中，單片機嵌入式系統應用可以實現人機語音交互功能，通過對單片機的編程，賦予其一定的邏輯控制功能，識別和處理一些語音內容。目前，其在導航中應用比較廣泛，在智能終端中也得到了廣泛的應用。除此之外，其在預警裝置中的應用也具有適應性，如比較常見的智能報警系統、火災報警器等，均應用單片機實現對現場數據的科學采集，經由通信網絡將數據傳輸至系統模塊之中。由于單片機具有良好的集成效果，在醫療領域中應用可以實現對病人身體特征以及相關數據的采集，在后臺終端激進型系統交互，當病人的生理體征發生異常時，系統會自動報警?；趩纹瑱C的嵌入式系統應用與智能技術結合，可以發揮強大的功能[13]。

4 結論

綜上所述，單片機在嵌入式系統中的應用實現電機控制和網絡測試等功能，設計和制造人員將其應用到節能控制、語音設備、預警系統以及醫療系統之中，其體積比較小，控制精度較強，使用壽命較長，在工業領域深受歡迎。基于單片機在嵌入式系統之中的應用優勢，相關人員需要進一步加強技術研究，不斷提高單片機的集成能力，推廣其在不同領域中的實踐應用。