崔方錕

摘要：隨著嵌入式系統(tǒng)數(shù)量及需求的不斷增加，其所生產(chǎn)的電子產(chǎn)品越來(lái)越受大眾的歡迎。此外，單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中同樣發(fā)揮著不可替代的作用，其具備強(qiáng)大的集成功能，可以將其視為小型的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，單片機(jī)集成技術(shù)越來(lái)越完善，其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益廣泛，起到測(cè)試、控制等強(qiáng)大功能。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);嵌入式系統(tǒng);電機(jī)控制;網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

引言

電機(jī)控制系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)需要嵌入式單片機(jī)的作用，從硬件和軟件兩個(gè)方面相統(tǒng)一才能夠保證其運(yùn)轉(zhuǎn)效率。從硬件應(yīng)用方面來(lái)看，嵌入式單片機(jī)的使用有利于完善電機(jī)結(jié)構(gòu)，從軟件應(yīng)用方面來(lái)看，嵌入式單片機(jī)是軟件處理信息數(shù)據(jù)的重要組成部分。將嵌入式單片機(jī)應(yīng)用到電機(jī)控制系統(tǒng)能夠有效降低能源消耗，在原有的基礎(chǔ)上優(yōu)化電機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)性能。

1簡(jiǎn)介

嵌入式操作系統(tǒng)就是指非正常通用的子電腦系統(tǒng)，有別于通用計(jì)算機(jī)的非通用電腦功能，但又不能稱之為是非通用電腦計(jì)算機(jī)的外圍硬件控制設(shè)備或通用計(jì)算機(jī)器材。嵌入式操作系統(tǒng)主要是由外圍嵌入式微處理器、外圍應(yīng)用系統(tǒng)具體硬件以及集成控制設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及針對(duì)外圍用戶的具體外圍應(yīng)用程序等部分共同設(shè)計(jì)組成的，是集軟硬件為一體并可同時(shí)獨(dú)立正常運(yùn)行且能系統(tǒng)工作的“器件”。嵌入式操作系統(tǒng)的外圍應(yīng)用軟件包括操作程序具體系統(tǒng)外圍應(yīng)用軟件和外圍應(yīng)用程序具體系統(tǒng)外圍編程。操作程序外圍系統(tǒng)，具有控制外圍應(yīng)用程序的有序的系統(tǒng)編程與外圍系統(tǒng)硬件聯(lián)系的作用，而其外圍應(yīng)用程序系統(tǒng)編程即控制系統(tǒng)能夠正常工作運(yùn)行。

2單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用探討

2.1協(xié)議與擴(kuò)展功能設(shè)計(jì)

單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用與SPI協(xié)議完成數(shù)據(jù)通信，應(yīng)用AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)通信信號(hào)的處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用雙全工通信模式，在系統(tǒng)的芯片位置設(shè)置數(shù)據(jù)通信線路。通信模塊基于SCK的控制應(yīng)用，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部的雙向移位寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交互。但該線路接口會(huì)占用4條線路，設(shè)計(jì)人員需要考慮到對(duì)電源的限制性設(shè)計(jì)，通過(guò)適當(dāng)減少電路接口的方式，使得整個(gè)系統(tǒng)通信功能具有科學(xué)性。單片機(jī)集成功能應(yīng)用也比較復(fù)雜，由于系統(tǒng)中的CPU無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)任務(wù)指令執(zhí)行工作。需要經(jīng)過(guò)通信協(xié)議的簽訂完成數(shù)據(jù)傳輸，SPI總線基于虛擬通道協(xié)議的簽訂，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行速率優(yōu)化，發(fā)揮優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，在此過(guò)程中發(fā)揮糾錯(cuò)的作用。為了確保通信數(shù)據(jù)包與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，虛擬通道建立通過(guò)擴(kuò)展性功能的應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)代碼寫入實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的分析，并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的封裝處理。硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)應(yīng)用基于強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能與擴(kuò)展性功能實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)裝置指令的響應(yīng)。借助虛擬通道可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)用指令。單片機(jī)即將串行端口的連接設(shè)備集成到系統(tǒng)之中，外圍端口與本地端口發(fā)揮對(duì)程序內(nèi)核的封裝作用，為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)。連接本地端口的程序執(zhí)行硬件任務(wù)，虛擬通道連接的程序則不執(zhí)行此任務(wù)，通過(guò)外圍控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸、接收。本文設(shè)計(jì)MCU嵌入式系統(tǒng)，基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制和指令控制功能。在工業(yè)領(lǐng)域中，該系統(tǒng)的應(yīng)用比較廣泛，且應(yīng)用成本比較低，能源消耗量也比較小，后期維護(hù)也比較簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)應(yīng)用符合人性化的設(shè)計(jì)理念，但市場(chǎng)上的嵌入式系統(tǒng)的功能存在差異，網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)接口數(shù)量端口功能不同，但基于此網(wǎng)絡(luò)控制端口的設(shè)計(jì)應(yīng)用，可以滿足其他的通信協(xié)議要求。

2.2優(yōu)化整體的硬件結(jié)構(gòu)

電機(jī)控制系統(tǒng)主要由CPU控制芯片、電子轉(zhuǎn)子位置傳感器和驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)這三部分組成。在運(yùn)行過(guò)程中所用到的原理是：首先，電子轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)實(shí)際位置并將電子轉(zhuǎn)子的位置等相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU控制芯片中，CPU控制芯片進(jìn)一步將這些信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)傳輸，將這些信息呈遞給驅(qū)動(dòng)模塊，之后驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)一步處理這些信息將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)的指令，使電機(jī)運(yùn)行。在完成這一系列的流程之后，CPU控制芯片能夠進(jìn)一步監(jiān)測(cè)運(yùn)行的條件，并調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其能夠達(dá)到合適的運(yùn)行效率。除此之外，CPU控制芯片還可以根據(jù)電子轉(zhuǎn)子位置傳感器所提供的信號(hào)進(jìn)一步分析并計(jì)算出轉(zhuǎn)子實(shí)際運(yùn)行的轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速之間存在的差異，并將這些差異以電信號(hào)的方式傳遞給電機(jī)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

2.3嵌入式系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)用戶在安裝應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)經(jīng)常同時(shí)遇到操作系統(tǒng)卡頓、崩潰等情況。造成這種情況的主要技術(shù)原因是，嵌入式操作系統(tǒng)本身無(wú)法再次且持續(xù)承載龐大的系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息。首先，程序員應(yīng)該確保整個(gè)嵌入式系統(tǒng)軟件運(yùn)行虛擬環(huán)境的安全兼容性，最大限度地提高整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的服務(wù)質(zhì)量。這就需要測(cè)試整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)的荷載運(yùn)行狀況，還要測(cè)試真實(shí)虛擬應(yīng)用環(huán)境場(chǎng)景下整個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行情況，從而進(jìn)一步要求確保安全嵌入式系統(tǒng)性能測(cè)試的科學(xué)性和合理性。除此之外，程序員還應(yīng)及時(shí)模擬系統(tǒng)用戶長(zhǎng)期投入使用后對(duì)其嵌入式操作系統(tǒng)的基本工作運(yùn)行性能情況，并及時(shí)采取各種運(yùn)行測(cè)試。如果兩種性能運(yùn)行測(cè)試檢驗(yàn)結(jié)果之間存在較大差異，那么程序員需要及時(shí)針對(duì)系統(tǒng)干擾源等因素對(duì)其進(jìn)行性能調(diào)整與綜合優(yōu)化，從而保障嵌入式操作系統(tǒng)始終能夠正常運(yùn)行，給系統(tǒng)用戶帶來(lái)更好的使用體驗(yàn)感。

2.4單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)其他領(lǐng)域中的實(shí)踐應(yīng)用

除上述功能中將單片機(jī)應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)外，在其他領(lǐng)域中其也可以發(fā)揮相應(yīng)的功能。如節(jié)能功能、語(yǔ)音設(shè)備控制、預(yù)警裝置和醫(yī)療設(shè)備等，均可以基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。例如，小米手環(huán)、智能手表等應(yīng)用單片機(jī)嵌入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人體健康數(shù)據(jù)的智能化收集。由于連接設(shè)備在應(yīng)用過(guò)程中長(zhǎng)期處于負(fù)載的狀態(tài)，能源消耗量比較大。但應(yīng)用單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)，可以控制信息的上報(bào)情況，當(dāng)連接設(shè)備信息未進(jìn)行上報(bào)期間，則設(shè)備在系統(tǒng)的控制下處于低能耗狀態(tài)，起到了一定的節(jié)能控制作用。在語(yǔ)音設(shè)備中，單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)語(yǔ)音交互功能，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程，賦予其一定的邏輯控制功能，識(shí)別和處理一些語(yǔ)音內(nèi)容。目前，其在導(dǎo)航中應(yīng)用比較廣泛，在智能終端中也得到了廣泛的應(yīng)用。除此之外，其在預(yù)警裝置中的應(yīng)用也具有適應(yīng)性，如比較常見(jiàn)的智能報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警器等，均應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的科學(xué)采集，經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)模塊之中。由于單片機(jī)具有良好的集成效果，在醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病人身體特征以及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，在后臺(tái)終端激進(jìn)型系統(tǒng)交互，當(dāng)病人的生理體征發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警?；趩纹瑱C(jī)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與智能技術(shù)結(jié)合，可以發(fā)揮強(qiáng)大的功能。

結(jié)語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)中影響訪存速度的因素有很多，提高系統(tǒng)的訪存性能是一個(gè)綜合性的問(wèn)題。本文從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)嵌入式系統(tǒng)中影響訪存速度的因素進(jìn)行分析，并提出了改進(jìn)的方向和思路，最后根據(jù)影響因素搭建測(cè)試環(huán)境，驗(yàn)證了各影響因素對(duì)于訪存速度的影響，確保了分析所得結(jié)論和性能提升解決方案的準(zhǔn)確性和有效性。

參考文獻(xiàn)

[1]解詠梅.龍芯2號(hào)片外存儲(chǔ)系統(tǒng)性能分析[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所），2007.

[2]李文青，吳畏，章隆兵，等.處理器訪存子系統(tǒng)關(guān)鍵隊(duì)列的性能建模[J].高技術(shù)通訊，2020，30（7）：655-665.

[3]李文.存儲(chǔ)控制系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院（計(jì)算技術(shù)研究所），2007.

[4]王芹.Cache訪存并發(fā)度解析建模[D].南京：東南大學(xué)，2018.