嵌入式微控制器技术的出现给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命。嵌入式微控制器组成的系统，其最明显的优势就是可嵌入到任何微型或小型仪器设备中。嵌入式系统在工控领域的应用已越来越受到重视。
一 嵌入式系统定义与应用现状
对嵌入式系统的一种定义是“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的3个基本要素。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SoC）。从定义中不难看出，当前较多使用的单片机设计与工控机设计也是一种典型的嵌入式系统应用。但是这种早期嵌入式系统在性能与价格上均存在一些缺陷。
1. 硬件采用单片机设计，软件采用汇编语言编写
采用这种设计方式，硬件成本低，设备体积小。但由于程序采用汇编语言编写，软件灵活性、可扩充性、可移植性较差。同时，作为处理器核心的单片机芯片，无法提供高速率运算。随着工业控制要求的不断提高，采用这一设计方式，无论在硬件或软件上都无法满足要求。
2. 硬件采用工控机，软件采用VC++编写
采用工控机作为硬件设备，既能提供处理速度，又适于恶劣的工作环境，物理稳定性好。软件采用VC++编写，可实现复杂的软件功能，模块化、面向对象化的设计保证了软件系统的灵活性、可扩充性与可移植性。这种设计能很好地满足控制系统的要求，但成本过高，体积过大。一般采用工控机的硬件成本是采用单片机成本的10倍以上，而且多为19英寸4U箱体设计，较为笨重。
二 新型嵌入式系统介绍与比较
随着嵌入式系统的发展，出现了很多新模式、新方法。以下在硬件与操作系统两方面介绍主流嵌入式开发技术。
1. 硬件
目前较多使用的嵌入式系统硬件有ARM芯片与PC/104主板。
（1）ARM芯片
ARM处理器是一种16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器。目前很流行的当属ARM7和ARM9两个系列。随着人们对系统功能提出了更高要求，ARM7在高端应用中已显得力不从心，性能更强劲的ARM9处理器逐渐占据了高端产品市场。ARM9系列微处理器具有以下特点：5级整数流水线，指令执行效率更高；支持32位ARM指令集和16位THUMB指令集；支持32位AMBA总线接口；全性能的MMU，支持Windows CE、Linux等主流的嵌入式操作系统；支持数据Cache和指令Cache，具有更高的数据和指令处理指令。
（2）PC/104主板
PC/104是工业嵌入式板卡较多采用的一种规格。采用PC/104规范的主板，再配以微软操作系统，用户就可容易地实现编程和扩充标准的外围设备。这些标准的外围设备包括视频接口、存储设备、键盘、网络接口、串口、并口、数据采集模块及其他一些特殊设备。另外，结构上的加固型设计使得PC/104系统可应用到强振动及强撞击等恶劣应用环境。
（3）比较
ARM芯片与PC/104主板相比较，具有功耗低、体积小、价格低的优势。但ARM嵌入式系统开发中涉及到ARM仿真器与ARM编译器的使用，编译后的最终程序需要导入芯片中。对于没有相关开发经验的工程师，熟悉ARM芯片开发需要一定时间，设计周期也自然会延长很多。此外，ARM芯片规格较为固定，其各种配置不能灵活改动。
PC/104主板能很好地与Windows系统兼容，其开发过程与普通PC机的开发几乎没有差别，可最大程度地降低开发难度、缩短开发周期。其模块化的配置方式使其成为低成本、高可靠性、能迅速配置成产品的结构化模块。与ARM芯片相比，功耗高、体积大、价格高是其缺点。
2. 操作系统
目前，嵌入式系统常用的操作系统有VxWorks、Linux、Windows。
（1）VxWorks
VxWorks因出现较早、实时性强、内核很小、可靠性较高等，所以在北美应用很广泛。特别是在通信设备等实时性要求较高的系统中，几乎非VxWorks莫属。VxWorks的很多概念和技术都和Linux很类似，主要是用C语言开发。但VxWorks因价格很高，所以一般应用中很少采用这种操作系统。
（2）Linux
Linux是一种免费、开源的操作系统，因此其支持软件多，可用资源丰富。目前应用在嵌入式领域的Linux系统主要有两类：一类是专为嵌入式设计的已被裁减过的Linux系统，最常用的是uClinux（不带MMU功能），目前占较大应用份额，可应用在ARM7上；另一类是应用在ARM9上，将Linux的内核移植在其上，可使用更多的Linux功能。缺点是一般开发人员不太熟悉Linux，开发难度较大。
（3）Windows
WinCE推出只有几年时间，但目前已占据了很大市场份额。由于WinCE开发都是大家熟悉的VC++环境，所以对于一般的开发人员都不会有多大难度，这也是WinCE容易被人们接受的原因。开发环境方便快速，微软的强大技术支持，使得WinCE开发难度远低于嵌入式Linux。此外，WinCE与WindowXP及Win2000的同族性，保证了原来在PC机上开发的程序可容易移植到嵌入式系统中。
三 新型嵌入式系统开发的两种模式
综合各种技术的特点及嵌入式系统的技术发展现状，给出两种设计方案：ARM芯片+uClinux操作系统、PC/104主板+WinCE操作系统。
1. 采用ARM芯片+uClinux操作系统设计
这种开发模式在当前非常盛行。ARM芯片功耗低、体积小、极高性价比。uClinux操作系统是一种开放性、免费操作系统。ARM芯片+uClinux操作系统是将性能与价格极优配置的一种开发模式。
但这种开发模式也有其缺点。首先，对于没有相关开发经验的技术人员，熟悉ARM芯片与uClinux操作系统需要时间花费，研发周期与研发费用值得考虑。第二，如果原来已采用工控机方式开发VC++的应用程序，将它移植到uClinux操作系统工作量大。因此，这种
开发模式适于做全新开发时采用。
2. 采用PC-104主板+WinCE操作系统设计
这是极便捷的开发模式。在硬件设计时，与DIY家用电脑一样，将通信管理机的几个模块组装在一起即可。这几个模块分别为：PC/104主板、CF存储卡、电源、机箱。
PC/104主板可采用各大厂商提供的工控主板。目前主流的厂商有研华、研祥、凌华等。不同主板的差别主要有几点：CPU速度（较高速度为PentiumIV，主流配置为PentiumIII，也可根据需要选择更低配置）、SDRAM（32M/64M）、接口种类与数量（串口、网口、USB口等）、尺寸、功耗等，当然相应的其价格也有一定差别。
除此以外，还需配置一块CF存储卡，一般为64M/128M/256M，根据需要存储的数据容量选择CF卡容量。
电源选择对于整个设备的稳定性至关重要。选择电源时，需要确定几个参数：功率（电源功率在满足所有配件功耗的基础上留15～20％裕量）、输入/输出电压规格（输入一般为AC220V，输出根据主板的要求为DC5V、DC12V或其他）、过压保护、过流保护、适用温度、尺寸等。
机箱一般采用标准19英寸机架式设计，一般为2U高度，也可根据内部配件的尺寸设计为4U高度。在面板上安装相应的接口插头、插座、开关按钮等就完成了整个设备硬件设计。
软件设计更简单。由于采用WinCE操作系统，软件的开发与一般PC机上的开发完全相同。如果原系统采用工控机设计已有成熟可用的软件程序，只需将该程序安装在WinCE操作系统下即可。这种模式对于旧系统的升级更新非常适用，避免了重复劳动，也节约了研发成本缩短了开发周期。而且，WinCE操作系统的价格非常低。与Windows2000/WindowsXP操作系统的购买成本比较，几乎可忽略不计。
从研发角度，PC/104主板+WinCE操作系统模式无疑是极佳的选择。从生产角度，PC/104主板在价格上不及ARM芯片有竞争力，但是与工控机比较优势非常明显，这种模式非常适于旧系统的升级换代。
四 结束语
采用ARM芯片+uClinux操作系统模式，或者PC/104主板+WinCE操作系统模式各有其优缺点。可根据已有旧系统的情况、开发人员情况、开发周期等多方面因素进行选择。
嵌入式微控制器技术的出现给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命。嵌入式微控制器组成的系统，其最明显的优势就是可嵌入到任何微型或小型仪器设备中。嵌入式系统在工控领域的应用已越来越受到重视。
一 嵌入式系统定义与应用现状
对嵌入式系统的一种定义是“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的3个基本要素。嵌入式系统按形态可分为设备级（工控机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、SoC）。从定义中不难看出，当前较多使用的单片机设计与工控机设计也是一种典型的嵌入式系统应用。但是这种早期嵌入式系统在性能与价格上均存在一些缺陷。
1. 硬件采用单片机设计，软件采用汇编语言编写
采用这种设计方式，硬件成本低，设备体积小。但由于程序采用汇编语言编写，软件灵活性、可扩充性、可移植性较差。同时，作为处理器核心的单片机芯片，无法提供高速率运算。随着工业控制要求的不断提高，采用这一设计方式，无论在硬件或软件上都无法满足要求。
2. 硬件采用工控机，软件采用VC++编写
采用工控机作为硬件设备，既能提供处理速度，又适于恶劣的工作环境，物理稳定性好。软件采用VC++编写，可实现复杂的软件功能，模块化、面向对象化的设计保证了软件系统的灵活性、可扩充性与可移植性。这种设计能很好地满足控制系统的要求，但成本过高，体积过大。一般采用工控机的硬件成本是采用单片机成本的10倍以上，而且多为19英寸4U箱体设计，较为笨重。
二 新型嵌入式系统介绍与比较
随着嵌入式系统的发展，出现了很多新模式、新方法。以下在硬件与操作系统两方面介绍主流嵌入式开发技术。
1. 硬件
目前较多使用的嵌入式系统硬件有ARM芯片与PC/104主板。
（1）ARM芯片
ARM处理器是一种16/32位的高性能、低成本、低功耗的嵌入式RISC微处理器。目前很流行的当属ARM7和ARM9两个系列。随着人们对系统功能提出了更高要求，ARM7在高端应用中已显得力不从心，性能更强劲的ARM9处理器逐渐占据了高端产品市场。ARM9系列微处理器具有以下特点：5级整数流水线，指令执行效率更高；支持32位ARM指令集和16位THUMB指令集；支持32位AMBA总线接口；全性能的MMU，支持Windows CE、Linux等主流的嵌入式操作系统；支持数据Cache和指令Cache，具有更高的数据和指令处理指令。
（2）PC/104主板
PC/104是工业嵌入式板卡较多采用的一种规格。采用PC/104规范的主板，再配以微软操作系统，用户就可容易地实现编程和扩充标准的外围设备。这些标准的外围设备包括视频接口、存储设备、键盘、网络接口、串口、并口、数据采集模块及其他一些特殊设备。另外，结构上的加固型设计使得PC/104系统可应用到强振动及强撞击等恶劣应用环境。
（3）比较
ARM芯片与PC/104主板相比较，具有功耗低、体积小、价格低的优势。但ARM嵌入式系统开发中涉及到ARM仿真器与ARM编译器的使用，编译后的最终程序需要导入芯片中。对于没有相关开发经验的工程师，熟悉ARM芯片开发需要一定时间，设计周期也自然会延长很多。此外，ARM芯片规格较为固定，其各种配置不能灵活改动。
PC/104主板能很好地与Windows系统兼容，其开发过程与普通PC机的开发几乎没有差别，可最大程度地降低开发难度、缩短开发周期。其模块化的配置方式使其成为低成本、高可靠性、能迅速配置成产品的结构化模块。与ARM芯片相比，功耗高、体积大、价格高是其缺点。
2. 操作系统
目前，嵌入式系统常用的操作系统有VxWorks、Linux、Windows。
（1）VxWorks
VxWorks因出现较早、实时性强、内核很小、可靠性较高等，所以在北美应用很广泛。特别是在通信设备等实时性要求较高的系统中，几乎非VxWorks莫属。VxWorks的很多概念和技术都和Linux很类似，主要是用C语言开发。但VxWorks因价格很高，所以一般应用中很少采用这种操作系统。
（2）Linux
Linux是一种免费、开源的操作系统，因此其支持软件多，可用资源丰富。目前应用在嵌入式领域的Linux系统主要有两类：一类是专为嵌入式设计的已被裁减过的Linux系统，最常用的是uClinux（不带MMU功能），目前占较大应用份额，可应用在ARM7上；另一类是应用在ARM9上，将Linux的内核移植在其上，可使用更多的Linux功能。缺点是一般开发人员不太熟悉Linux，开发难度较大。
（3）Windows
WinCE推出只有几年时间，但目前已占据了很大市场份额。由于WinCE开发都是大家熟悉的VC++环境，所以对于一般的开发人员都不会有多大难度，这也是WinCE容易被人们接受的原因。开发环境方便快速，微软的强大技术支持，使得WinCE开发难度远低于嵌入式Linux。此外，WinCE与WindowXP及Win2000的同族性，保证了原来在PC机上开发的程序可容易移植到嵌入式系统中。
三 新型嵌入式系统开发的两种模式
综合各种技术的特点及嵌入式系统的技术发展现状，给出两种设计方案：ARM芯片+uClinux操作系统、PC/104主板+WinCE操作系统。
1. 采用ARM芯片+uClinux操作系统设计
这种开发模式在当前非常盛行。ARM芯片功耗低、体积小、极高性价比。uClinux操作系统是一种开放性、免费操作系统。ARM芯片+uClinux操作系统是将性能与价格极优配置的一种开发模式。
但这种开发模式也有其缺点。首先，对于没有相关开发经验的技术人员，熟悉ARM芯片与uClinux操作系统需要时间花费，研发周期与研发费用值得考虑。第二，如果原来已采用工控机方式开发VC++的应用程序，将它移植到uClinux操作系统工作量大。因此，这种
开发模式适于做全新开发时采用。
2. 采用PC-104主板+WinCE操作系统设计
这是极便捷的开发模式。在硬件设计时，与DIY家用电脑一样，将通信管理机的几个模块组装在一起即可。这几个模块分别为：PC/104主板、CF存储卡、电源、机箱。
PC/104主板可采用各大厂商提供的工控主板。目前主流的厂商有研华、研祥、凌华等。不同主板的差别主要有几点：CPU速度（较高速度为PentiumIV，主流配置为PentiumIII，也可根据需要选择更低配置）、SDRAM（32M/64M）、接口种类与数量（串口、网口、USB口等）、尺寸、功耗等，当然相应的其价格也有一定差别。
除此以外，还需配置一块CF存储卡，一般为64M/128M/256M，根据需要存储的数据容量选择CF卡容量。
电源选择对于整个设备的稳定性至关重要。选择电源时，需要确定几个参数：功率（电源功率在满足所有配件功耗的基础上留15～20％裕量）、输入/输出电压规格（输入一般为AC220V，输出根据主板的要求为DC5V、DC12V或其他）、过压保护、过流保护、适用温度、尺寸等。
机箱一般采用标准19英寸机架式设计，一般为2U高度，也可根据内部配件的尺寸设计为4U高度。在面板上安装相应的接口插头、插座、开关按钮等就完成了整个设备硬件设计。
软件设计更简单。由于采用WinCE操作系统，软件的开发与一般PC机上的开发完全相同。如果原系统采用工控机设计已有成熟可用的软件程序，只需将该程序安装在WinCE操作系统下即可。这种模式对于旧系统的升级更新非常适用，避免了重复劳动，也节约了研发成本缩短了开发周期。而且，WinCE操作系统的价格非常低。与Windows2000/WindowsXP操作系统的购买成本比较，几乎可忽略不计。
从研发角度，PC/104主板+WinCE操作系统模式无疑是极佳的选择。从生产角度，PC/104主板在价格上不及ARM芯片有竞争力，但是与工控机比较优势非常明显，这种模式非常适于旧系统的升级换代。
四 结束语
采用ARM芯片+uClinux操作系统模式，或者PC/104主板+WinCE操作系统模式各有其优缺点。可根据已有旧系统的情况、开发人员情况、开发周期等多方面因素进行选择。
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