单片机与嵌入式系统应用探讨

吕颖利 ， 孙应芳

（济源职业技术学院，河南 济源 459000）

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。

1 单片机与嵌入式系统概述

1.1 单片机

单片机是具备逻辑功能的集成芯片，又被称之为单片微控制器，其具备计算机的相应功能，相比较计算机而言，其仅仅缺少I/O设备。单片机产生于20世纪80年代初，20世纪90年代逐渐普及，其生产和集成技术应用也日益广泛，集成能力更强。单片机在系统之中应用依靠其扩展功能，可以灵活地应用在多个领域之中。芯片技术的完善为其功能应用奠定了良好的基础，其存在SOC层和SPI接口，通过接口可以与其他系统连接在一起，是一种具备可扩展性的嵌入式系统[1]。

1.2 嵌入式系统

嵌入式系统是指将对象体系作为目标，嵌入式计算机作为核心嵌入到系统之中。该系统应用具备一定的控制、监视、辅助控制等功能，该系统以应用为中心，以软件和硬件系统为载体，实现相应的功能。考虑到嵌入式系统在不同领域中的实践应用，对其技术应用特征进行分析，其具备体积小、容量小、实时性等特点。考虑到嵌入式系统在工业领域中的应用，其可以在智能仪表、智能装置中应用，以节省大量的空间，将控制模块安装在系统之中，可以以小体积发挥相应的控制功能。储存容量小是指嵌入式系统在设计应用过程中应用ROM模块，将FLASH作为储存器应用，其在此间发挥着储存介质的功能，但该类储存器应用成本比较高，因此，嵌入式系统应用储存容量也尽可能地比较小，程序进程也比较小，这是嵌入式系统应用的主要特征之一。嵌入式系统的实时性特点是指其在应用过程中具有时间特性，以嵌入性系统为根本的应用程序对实时性要求比较高。如果在应用过程中应用系统超过了系统特定的时间限制，则计算机程序所输出的结果也会存在明显的差别，应用程序系统在应用过程中也会出现问题[2]。

1.3 单片机在嵌入式系统中的功能

嵌入式系统在应用过程中存在可扩展性，其可扩展设备大致分为三个部分，其中单片机是核心部分，结合系统中的CPU装置和外围硬件设备，共同实现对程序的控制功能。在具体应用过程中，CPU装置会与系统的外围装置经由SPI口进行连接，实现CPU与单片机之间的数据信息交换。基于数据信息模块实现两者间的信息传输，单片机在系统之中的应用可以经过I/O口等接口实现功能性拓展，在与外围硬件系统的共同作用下，实现功能性转化[3]。外围的硬件设备具备数据采集和信息采集等强大功能，通过系统的SPI总线实现数据处理。系统功能应用基于上述数据传输过程实现相应的控制功能和监测功能，为了保障其功能符合应用需求，需要明确系统功能结构，嵌入式系统结构如图1所示。

图1 嵌入式系统结构图

在上述结构之中，SPI接口属于外设接口，通过该接口进行嵌入连接其数据传输速度比较快[4]。比较I2C主线数据传输速度而言，传输效率更高。因此，在应用该系统结果过程中应基于CPU装置实现多个外围设备的数据连接，以数据传输为目标进行结构设计。该系统应用期间受SPI接口模式所影响，如果在主从模式下对其进行应用，则需要辅助应用主设备和多个从设备实现数据传输功能。在此设计理念中，可以从外围界面系统实现各节点之间的点对点通信[5]。基于此，根据其功能需要将SPI总线与单片机进行融合，提高单片机的集成功能。但在实际应用过程中，可能由于应用差异导致程序出现混乱，根据签订的数据传输协调调整外围设备，可以使得嵌入式系统功能更加完善。为了降低系统在应用过程中的成本，设置MCU分担系统应用过程中的信息处理压力，预处理采集的信息，提高系统的响应效果[6]。

2 单片机在嵌入式系统中的设计应用

2.1 驱动程序设计

将单片机应用到嵌入式系统之中，对其结构进行综合设计。本次设计应用选择以Linux系统为基础的驱动程序，在该系统上设置外部文件，也就是系统所连接的设备。指令执行需要在外部设备上进行，通过软件程序的开发设置虚拟系统。设备驱动程序应用是连接用户与设备的重要接口，也是实现数据传输与功能转化的重要内容。系统在运行过程中受到驱动程序的保护，在实现控制、测试的过程中，确保硬件设备可以为程序应用提供保障。数据的读入、写入等也基于驱动程序实现资源和空间的释放，为系统的核心层和物理层之间进行数据传输奠定良好的基础。

设计嵌入式系统，CPU装置在本地系统中以串行的方式进行端口连接。单片机的I/O接口与外围设备之间通过扩展连接的方式实现程序的相应功能。在驱动程序应用期间，硬件系统会根据接口连接差异赋予其不同的功能，当用户基于程序软件访问系统之后，接口可以发挥数据传输的功能，实现对操作指令数据的读入，完成指令任务。以串行的方式将多个结构连接在一起，驱动程序会传递用户的请求，经过串行端口实现硬件功能的定义。

2.2 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[7]。

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[8]。

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。

3 单片机在嵌入式系统中的实践应用

3.1 单片机在嵌入式系统中的功能应用

3.1.1 电机控制系统应用

在嵌入式系统设计应用过程中，基于单片机的功能应用可以实现对电机的科学控制，其在此间执行着管理工作，可以实现对功能模块的调度。基于对操作系统和操作平台的优化设计，融合控制软件实现对程序平台的优化，在具体应用过程之中，需要严格按照以下顺序对其进行应用：

首先，在应用过程中，操作人员需要明确系统的任务量，预处理相应的数据。其次，基于对驱动数据的写入和输出，实现对数据的过滤，经过通道将数据传输至系统之中，为测量工作的应用提高安全保障。在该过程中，数据的输出在数据预处理完成之后进行，保障数据输出的可靠性。最后，电机系统的控制实施过程是关键，需要合理地划分各个模块之间的责任。

3.1.2 网络测试应用

单片机在嵌入式系统之中的应用逐渐成为技术研究的重要内容，通过网络测试的方法可以了解到系统应用的主要内容。通过虚拟系统的建立，经过网络数据传输系统，实现对设备的远程控制，按照设定的指令可以实时储存或者上传数据信息。操作人员在应用网络测试的过程中，MCU系统可以发挥接口识别功能，分辨网络用户连接方式。同时，系统中的应用软件发挥测控功能。分析应用的内部结构关联性，单片机在嵌入式系统之中可以发挥对IP地址的储存以及识别作用。网络测试功能的应用可以利用网络系统和通信系统实现，系统内核区域并不存在串行端口，其网络控制模块并不存在。但在系统编码和解码的过程中，内核模块可以发挥相应的控制功能。终端系统在输入或者输出数据期间，其原理与单片机嵌入系统运行原理具有一致性。终端系统对其进行控制，需要严格检查端口接口控制网络的科学性，其是否与数据通信接口连接紧密。在科学的连接基础上，网络系统可以实现异步串行通信功能，确保系统在该范围内可以有序运行[9-11]。

3.1.3 多媒体控制系统应用

多媒体控制系统在当代被广泛应用，其可以应用到办公、教学等领域之中。基于单片机的嵌入式系统设计应用将多个系统集成在模块之中。计算机设备作为其操作应用的基础内容，可以发挥演化、展示的作用。将其与其他可视化装置连接在一起，包括录像机、终端设备以及其他具备遥控功能的设备，实现了数据传输和数据展示等功能。系统具备中央控制系统，可以实现对多个模块之间的流畅转化，音频、视频以及图片等内容的转化过程比较优质。分析应用原理，系统融合了通信技术、集成技术，将外围控制设备与系统组合连接在一起，明确每个设备的最终操作过程以及方式，可以实现对多媒体内容的集中控制。其应用方式大致可以分为两种，第一种是指在应用过程中基于软件控制，第二种是通过硬件连接方式的电路控制。第一种方式使得系统内容更加丰富，软件界面可优化设计，比较美观。但硬件电路控制系统在操作上更加便捷[12]。

3.2 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[13]。

4 结论

综上所述，单片机在嵌入式系统中的应用实现电机控制和网络测试等功能，设计和制造人员将其应用到节能控制、语音设备、预警系统以及医疗系统之中，其体积比较小，控制精度较强，使用寿命较长，在工业领域深受欢迎。基于单片机在嵌入式系统之中的应用优势，相关人员需要进一步加强技术研究，不断提高单片机的集成能力，推广其在不同领域中的实践应用。