对工业应用中嵌入式系统设计的比较
摘要 ：本文介绍了一个关于嵌入式系统设计和应用的调查。 讨论并比较了几种嵌入式系统平台，包括微控制器，微处理器，现场可编程门阵列，数字信号处理器和专用集成电路。 介绍了一个基于嵌入式系统的工业应用的调查。 还介绍了特定于此类系统开发的实际设计决策示例。 精心挑选的三个设计案例研究案例包括：强调执行器控制的风洞工业控制，强调多个子系统集成和同步的移动机器人导航系统，以及在小型微控制器系统上优化计算密集型控制系统的实施。
关键词：嵌入式系统
Ⅰ.引言
嵌入式系统在日常生活中随处可见，从电气商品和电器，到非线性补偿机制，复杂的自动化系统和自适应控制系统。与计算机平台相比，嵌入式系统通常具有更低的计算能力和非常有限的内存大小。但是，为了解决特定的实时任务，上述缺点转而成为优点：嵌入式系统的成本更低，设计也更容易。更简单的设计反映在硬件和软件上。固定设计或只有有限的硬件变体允许使用简化的操作系统（OS），从而实现可预测的实时操作，甚至不需要任何正式的操作系统即可直接实现应用程序。本文的结构如下。第二部分详细介绍了嵌入式系统实现的四个主要平台，包括微控制器和微处理器，现场可编程门阵列（FPGAs），数字信号处理器和专用集成电路。第三部分介绍了最近被接受的概述关于嵌入式系统各种应用主题的论文。第四节给出了几个应用的例子作为嵌入式系统设计的例子。
II.对嵌入式系统平台的描述
嵌入式系统通常被定义为以硬件实现的软件，以实现指定的实时功能。 通常使用的软核处理硬件包括微控制器，微处理器，FPGAS，数字信号处理器（DSPs）和专用集成电路（ASICs），其中每个都有其自己的属性。
A.微控制器和微处理器
多年来，由于其可编程功能，微控制器和微处理器被认为是实现嵌入式系统的唯一有效方式。微处理器的硬件体系结构在给定的子类中是固定的和通用的，这使平台成本较低。它们能够执行通常存储在永久只读存储器（ROM）或最近在片上FLASH存储器中的基本指令序列。
微控制器（MCU）通常用存储器和一些数字和模拟外设与一个芯片上的处理器内核集成在一起制造。为了降低制造成本和操作能力，一些微控制器被设计为使用非常短的字长，例如四位字。它们的随机存取存储器（RAM）非常少，运行频率为千赫兹。而且，这些微控制器能够保持部分功能，而在等待事件或中断时提醒其电路被暂停。
另一方面，微控制器可以使用32位甚至64位字进行操作，时钟频率为百兆赫，具有足够的计算能力来执行DSP的功能。然而，几乎在所有情况下，内部ROM和最小数量的RAM，一些可编程间隔定时器，数字输入输出电路和某些形式的串行通信接口都集成在芯片中，而外部存储器总线可能会被忽略设计。
微处理器是作为中央处理单元的单芯片实现开发的。早期的嵌入式系统利用了它们。然而，随着更先进和高效的制造技术的发展，微处理器的主要应用仍然是计算技术。在许多嵌入式系统应用中，微处理器被已经讨论过的微控制器所取代。先进的微处理器设计包括在一个芯片上的多个CPU（多核），由于在微处理器芯片外部使用RAM而引起的延迟引起的RAM存储器高速缓存，以及用于实现虚拟存储器寻址的一些硬件支持。
B.现场可编程门阵列（FPGAS）
FPGA是基于使用I / O块周边（IOB）周围的定制逻辑块（LB）阵列的思想开发的，它可以任意组合（图1）。
FPGA具有高运算速度，重新配置能力，大量组件和支持协议的优点。在嵌入式系统中，FPGA有两种使用方式：直接在数字逻辑中实现所需的功能，或者实现微处理器的架构 - 所谓的软核处理器，以及所需的微控制器外设。随着FPGA价格大幅降低，后一种情况在近几年变得非常流行，并可能与微控制器竞争。使用FPGA还可以轻松设计额外的定制硬件加速器，从而在硬件中实现一些耗时的计算。 Ro-driguez-Andina等人对FPGA和功能进行了深入的研究和设计工具[1]。 Monmasson等人介绍了一个非常紧凑的最先进的教程，演示了基于卡尔曼滤波器的交流驱动控制器设计中硬件和软件的平衡使用[2]。在[3]中，Monmasson和Cirstea提供了各种基于FPGA的工业控制器设计中使用的设计技术概述。此外，在FPGA上进行部分重新编程的能力导致实际实现可重构计算的旧思想[4]，[5]。
另一个原因是FPGA技术非常有价值。它可以替代遗留系统中的失效数字组件[6]-[8]。许多工业控制系统的设计预计其组件的使用寿命约为25年，而目前使用组件的平均设计寿命周期仅为2年[9]。这样就不可能更换这样的故障部件，除非采取特殊的步骤，例如堆积它们。另一种更昂贵且耗时的选择是重新设计和更换整个子系统。
C.数字信号处理器（DSP）
数字信号处理器（DSP）被设计为具有嵌入式乘法器和DSP模块，可以执行复杂的算术运算，因此易于实现高级编程。 与微控制器相比，DSP的主要优势之一是可实现单周期乘法和累加操作。 此外，DSP具有并行处理能力和集成存储器模块，大大提高了处理速度。 一些称为数字信号控制器（DSC）的DSP架构针对控制应用进行了优化，并包含面向控制的外设，如PWM发生器，看门狗定时器和快速响应中断。 但是，与FPGA相比，DSP需要更高的成本。 通常，由于计算限制，当使用微控制器不可能时，DSP应用于图像和音频信号处理。 他们在工业中的主要应用类型是电机控制器。
D.专用集成电路
作为嵌入式系统的另一种竞争型实现平台，专用集成电路（ASIC）具有高质量性能，低功耗和低成本等优点。 为了加速设计过程，ASIC由所谓的标准单元组成。 多年来，设计工具得到了改进，同时最大的复杂性和功能性得到提高 目前的设计可能包括标准单元，如多达32位的处理器，ROM，RAM，EEPROM，闪存和其他大型复杂模块。 已经讨论过的FPGA通常用于快速原型制作[10]，并将其替换为低数量生产的技术。 由于较高的初始工程成本[10]，ASIC的使用仅适用于制造高数量和长序列。
除了硬件中嵌入式系统之外，“嵌入式”概念也随着几种技术的融合而延伸。
III. 嵌入式系统应用概述
本文介绍了嵌入式系统在工业领域的各种应用的调查。 最近关于IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS上关于这个主题的出版物被研究并分为以下几组。
A.非线性补偿
Cotton等人在用于非线性补偿的微控制器中植入任意连接的神经网络[11]。
B.自动化系统
Idirin等人在安全完整性等级4的微处理器上实施软件投票系统[12]。
DouKas等人对嵌入式框架进行了精彩的研究，在实时Linux环境下构建工业控制和自动化系统的组件和基于模型的工程范例。 以机器人手臂为例说明了所提出的框架的功能，并提出了实验结果[13]。
C.自适应控制系统
Spinka等人引入用于小型无人机设计的可重构控制系统[14]。
Monmasson和Cirstea建议使用基于FPGA的控制器，使用各种优化技术（如A和/或流水线）设计，以便在微秒级范围内实现控制算法执行的非常低的延迟，而在纯编程解决方案中则无法实现[3]。
Onat等人提出基于模型的预测网络控制系统（MBPNCS），通过补偿通信网络中的随机延迟和数据丢失来提高控制稳定性[15]。
Suetake等人开发一种用于感应电机电压频率调速的紧凑型嵌入式模糊推理系统[16]。
Calabrese等人提出了一种用于陶瓷制造的嵌入式多值控制算法[17]。
Silva等人使用一种新的矩阵模型来实现可重构逻辑控制器（RLCs）来描述Petri网（PNs）[18]。
D.图像和音频处理
Belbachir等人开发一个高速嵌入式视觉识别和分类系统，使用神经形态双线视觉传感器和信号处理技术[19]。
Weber等人开发一个可配置的系统来执行用于实时超声波成像的频率不同的目标检测[20]。
Cheng等人开发一个使用硬件 - 软件协处理的自动语音识别系统[21]。
E.互联网服务
Peacute;rez等人引入一个Web服务芯片（WSoC）系统，以在专用集成电路中运行特定的Web服务，旨在实现更具成本效益和零管理的面向服务的架构网络设备[22]。
Sziebig等人开发用于远程学习的多媒体教育系统[23]。
F.通信系统
Baronti等人在高速和容错车载网络[24]中展示了硬件构建模块的设计和验证，包括FlexRay收发器和带有相关接口的SpaceWire路由器。
Guo等人使用高斯牛顿算法和粒子群优化[25]引入具有优化定位的无线传感器网络。
Barranco等人开发具有增强型故障处理机制的创新型CAN兼容星型拓扑[26]。
智能嵌入式网络传感器是关键基础设施（如监控和数据采集（SCADA）），核电站和智能电网系统的弹性和安全控制系统的重要组成部分。这些嵌入式系统经常采用基于异常的网络安全网络传感器的学习算法及其硬件实现。这里的学习算法是专门开发的，以符合低成本嵌入式网络安全网络传感器的有限计算要求[27]，[28]。
G.系统诊断和噪声/故障分析
基于微控制器，Kim等人设计一个平滑预测冗余系统并基于其微控制器实现评估容错能力[29]。
Peacute;rez等人开发嵌入智能传感器设备中的新型网络入侵检测系统，旨在减少大量管理任务[30]。
Miranda等人讨论在FPGA嵌入式系统中实现组件的适用性，以应对微处理器的过时问题[31]。
Li等人实施信号硬件在环（HIL）仿真以估计与混合动力储能系统[32]耦合的风力发电机发电机的性能。奥多涅斯等人。开发嵌入式频率响应分析仪，以监测和测量不同的电化学 -
在燃料电池（FC）内发生ical过程[33]。
H.机器人平台
支持移动机器人遥控操作的嵌入式系统的各种应用可以在工业自动化，货物处理或运输，核废料处理或爆炸物处理中找到。一些应用程序解决了移动机器人的神经网络触觉遥控操作，如自组织模糊自适应映射[34]。这种嵌入式系统为操作员提供了改进的深度判断和增强的障碍感知。
最近，嵌入式分散控制机制的多机器人系统已经被深入研究。实施例的范围从多机器人系统[35]，其中，每个移动机器人保持着一个EM-层状控制器与控制低水平的任务，例如形成保持和避障内置群行为的单操作者手动控制。这种多机器人系统还可以用于多种目标优化，用于指导高风险环境中的机器人，如化学品泄漏或放射性环境[36]。
嵌入式系统经常用于智能交通系统（ITS），监视，调度，规划或工业自动化。实例包括来自嵌入式无线位置传感器，如在[37]的时空抽样，实现了一套最显著地方的在线识别和提取与提供原样sessment动态在线风险。这种运输应用还需要用于目标跟踪的嵌入式传感器，最近将这一想法从GPS坐标扩展到无线网络三角测量[38]。
机器人应用程序经常使用基于计算智能的嵌入式系统来控制执行器，无论是机器人手还是更复杂的并行机器人结构都可以使用[39] - [41]。在这里，从数据采集，与用户界面的通信，执行器的控制等各种任务都是基于模糊，神经或进化技术的嵌入式系统处理的。
I.电路设计
黄等人讨论了一种可编程片上系统（SoC）设计方法，以将多个异构SoC设计项目集成在单个芯片中，旨在降低总体硅原型成本[42]。
穆尼奥斯等人采用硬件描述语言和高级综合设计工具[43]，实现具有强脉冲噪声能力的自适应滤波器。
奥利维拉等人提出了一种嵌入了高级实时处理器体系结构多线程（ARPA-MT）的时间有效的同时多线程（SMT）处理器[44]。
J.教育平台
Baese等人对微处理器设计和开发工具与基于ADL的两个教学模块之间的关系提供了深入的了解。开发URUSC模型和教育RISC过程模型[45]。
Cardoso提供了一种使用VHDL，逻辑和物理综合工具以及FPGA教授非可编程应用特定架构设计的方法。该方法回答了微型项目，这些微型项目类似于学生在现实生活中可能面临的关于应用特定架构设计的典型问题[46]。
Hercog等人基于商用软件和定制内部开发的硬件，提供快速控制原型（RCP）系统。该RCP系统成功结合了着名的仿真程序MATLAB和定制的基于DSP的浮点电机控制器，适用于教育过程以及电机控制研究[47]。
易卜拉欣描述了使用低成本微控制器作为处理单元的数字滤波器的设计。它旨在教授学生数字滤波器的基本硬件和软件实现。 FIR和IIR型滤波器都可以很容易地通过系统实现[48]。
Farias等人介绍了一种使用TrueTime和Easy Java Simulations构建嵌入式控制系统虚拟实验室的新方法。这两种工具的结合构成了一种强大而简单的方法，用于创建有效的实时控制系统的教学模拟[49]。
IV.案例研究嵌入式系统设计实例
以下三个案例研究说明了将微控制器用作较大工业系统组件的示例。案例研究仅限于微控制器，因为FPGA的样本使用最近已在其他地方被覆盖[1]，[3]。选定的案例研究说明了微控制器作为自治组件的使用（第IV-A节），以及作为使用高级通信的组件的更大系统的一部分（第IV-B节）。最后，在IV-C节中介绍了一个在资源有限的平台上实现控制算法的详细示例。
A.本地反馈控制器
布拉德利大学亚音速风洞，如图2所示，是一个开环感应隧道，其试验段高28厘米，宽36厘米，长60厘米。通过一个50马力的旋转风扇，从周围的房间通过测试部分抽取空气。风扇将空气排出室外，有助于在测试部分保持恒定的运行状态。使用位于风扇上游的风门来调节风速。由于风洞是一种感应式
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