单片机与嵌入式系统应用探讨

崔方锟

摘要：随着嵌入式系统数量及需求的不断增加，其所生产的电子产品越来越受大众的欢迎。此外，单片机在嵌入式系统中同样发挥着不可替代的作用，其具备强大的集成功能，可以将其视为小型的微型计算机系统。自20世纪80年代开始，单片机集成技术越来越完善，其在嵌入式系统中的应用也日益广泛，起到测试、控制等强大功能。

关键词：单片机;嵌入式系统;电机控制;网络测试

引言

电机控制系统的高效运转需要嵌入式单片机的作用，从硬件和软件两个方面相统一才能够保证其运转效率。从硬件应用方面来看，嵌入式单片机的使用有利于完善电机结构，从软件应用方面来看，嵌入式单片机是软件处理信息数据的重要组成部分。将嵌入式单片机应用到电机控制系统能够有效降低能源消耗，在原有的基础上优化电机控制系统的相关性能。

1简介

嵌入式操作系统就是指非正常通用的子电脑系统，有别于通用计算机的非通用电脑功能，但又不能称之为是非通用电脑计算机的外围硬件控制设备或通用计算机器材。嵌入式操作系统主要是由外围嵌入式微处理器、外围应用系统具体硬件以及集成控制设备、嵌入式操作系统以及针对外围用户的具体外围应用程序等部分共同设计组成的，是集软硬件为一体并可同时独立正常运行且能系统工作的“器件”。嵌入式操作系统的外围应用软件包括操作程序具体系统外围应用软件和外围应用程序具体系统外围编程。操作程序外围系统，具有控制外围应用程序的有序的系统编程与外围系统硬件联系的作用，而其外围应用程序系统编程即控制系统能够正常工作运行。

2单片机与嵌入式系统应用探讨

2.1协议与扩展功能设计

单片机在嵌入式系统中的应用与SPI协议完成数据通信，应用AD转换器实现对通信信号的处理。系统设计应用双全工通信模式，在系统的芯片位置设置数据通信线路。通信模块基于SCK的控制应用，结合系统内部的双向移位寄存器实现数据之间的交互。但该线路接口会占用4条线路，设计人员需要考虑到对电源的限制性设计，通过适当减少电路接口的方式，使得整个系统通信功能具有科学性。单片机集成功能应用也比较复杂，由于系统中的CPU无法直接实现任务指令执行工作。需要经过通信协议的签订完成数据传输，SPI总线基于虚拟通道协议的签订，驱动数据包进行速率优化，发挥优化数据传输的功能，在此过程中发挥纠错的作用。为了确保通信数据包与单片机之间数据传输的稳定性，虚拟通道建立通过扩展性功能的应用对数据格式进行优化，通过代码写入实现对数据包的分析，并对数据包进行相应的封装处理。硬件驱动程序设计应用基于强大的数据处理功能与扩展性功能实现对外设装置指令的响应。借助虚拟通道可以实现对数据传输的优化设计，调用指令。单片机即将串行端口的连接设备集成到系统之中，外围端口与本地端口发挥对程序内核的封装作用，为用户提供相应的服务。连接本地端口的程序执行硬件任务，虚拟通道连接的程序则不执行此任务，通过外围控制器可以实现对数据的传输、接收。本文设计MCU嵌入式系统，基于单片机实现数据控制和指令控制功能。在工业领域中，该系统的应用比较广泛，且应用成本比较低，能源消耗量也比较小，后期维护也比较简单。该系统应用符合人性化的设计理念，但市场上的嵌入式系统的功能存在差异，网络通信机接口数量端口功能不同，但基于此网络控制端口的设计应用，可以满足其他的通信协议要求。

2.2优化整体的硬件结构

电机控制系统主要由CPU控制芯片、电子转子位置传感器和驱动模块设计这三部分组成。在运行过程中所用到的原理是：首先，电子转子位置传感器检测实际位置并将电子转子的位置等相关数据传输到CPU控制芯片中，CPU控制芯片进一步将这些信息转换成电信号，通过信号传输，将这些信息呈递给驱动模块，之后驱动模块进一步处理这些信息将其转化为一个个的指令，使电机运行。在完成这一系列的流程之后，CPU控制芯片能够进一步监测运行的条件，并调节电机的转速，使其能够达到合适的运行效率。除此之外，CPU控制芯片还可以根据电子转子位置传感器所提供的信号进一步分析并计算出转子实际运行的转速与设定转速之间存在的差异，并将这些差异以电信号的方式传递给电机控制系统，从而实现闭环控制。

2.3嵌入式系统性能测试

系统用户在安装应用嵌入式操作系统运行过程中，可能会经常同时遇到操作系统卡顿、崩溃等情况。造成这种情况的主要技术原因是，嵌入式操作系统本身无法再次且持续承载庞大的系统数据和信息。首先，程序员应该确保整个嵌入式系统软件运行虚拟环境的安全兼容性，最大限度地提高整个嵌入式操作系统软件开发的服务质量。这就需要测试整个嵌入式操作系统的荷载运行状况，还要测试真实虚拟应用环境场景下整个嵌入式操作系统的运行情况，从而进一步要求确保安全嵌入式系统性能测试的科学性和合理性。除此之外，程序员还应及时模拟系统用户长期投入使用后对其嵌入式操作系统的基本工作运行性能情况，并及时采取各种运行测试。如果两种性能运行测试检验结果之间存在较大差异，那么程序员需要及時针对系统干扰源等因素对其进行性能调整与综合优化，从而保障嵌入式操作系统始终能够正常运行，给系统用户带来更好的使用体验感。

2.4单片机在嵌入式系统其他领域中的实践应用

除上述功能中将单片机应用到嵌入式系统外，在其他领域中其也可以发挥相应的功能。如节能功能、语音设备控制、预警装置和医疗设备等，均可以基于单片机实现对嵌入式系统的应用。例如，小米手环、智能手表等应用单片机嵌入系统，实现人体健康数据的智能化收集。由于连接设备在应用过程中长期处于负载的状态，能源消耗量比较大。但应用单片机嵌入式系统，可以控制信息的上报情况，当连接设备信息未进行上报期间，则设备在系统的控制下处于低能耗状态，起到了一定的节能控制作用。在语音设备中，单片机嵌入式系统应用可以实现人机语音交互功能，通过对单片机的编程，赋予其一定的逻辑控制功能，识别和处理一些语音内容。目前，其在导航中应用比较广泛，在智能终端中也得到了广泛的应用。除此之外，其在预警装置中的应用也具有适应性，如比较常见的智能报警系统、火灾报警器等，均应用单片机实现对现场数据的科学采集，经由通信网络将数据传输至系统模块之中。由于单片机具有良好的集成效果，在医疗领域中应用可以实现对病人身体特征以及相关数据的采集，在后台终端激进型系统交互，当病人的生理体征发生异常时，系统会自动报警。基于单片机的嵌入式系统应用与智能技术结合，可以发挥强大的功能。

结语

嵌入式系统中影响访存速度的因素有很多，提高系统的访存性能是一个综合性的问题。本文从硬件和软件两个方面对嵌入式系统中影响访存速度的因素进行分析，并提出了改进的方向和思路，最后根据影响因素搭建测试环境，验证了各影响因素对于访存速度的影响，确保了分析所得结论和性能提升解决方案的准确性和有效性。

参考文献

[1]解咏梅.龙芯2号片外存储系统性能分析[D].北京：中国科学院研究生院（计算技术研究所），2007.

[2]李文青，吴畏，章隆兵，等.处理器访存子系统关键队列的性能建模[J].高技术通讯，2020，30（7）：655-665.

[3]李文.存储控制系统性能优化技术研究[D].北京：中国科学院研究生院（计算技术研究所），2007.

[4]王芹.Cache访存并发度解析建模[D].南京：东南大学，2018.