本文介紹了嵌入式系統(tǒng)及其特點(diǎn)，討論了嵌入式微處理器、軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的選擇。以stewart平臺(tái)伺服控制器為例介紹了嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)對(duì)典型信號(hào)的跟蹤結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的。 引言 美國(guó)著名未來(lái)學(xué)家尼葛洛龐帝1999年1月訪華時(shí)預(yù)言，4～5年后嵌入式智能(電腦)工具將是pc和因特網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明。事實(shí)正如尼葛洛龐帝先生所預(yù)料的那樣，嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用已成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，國(guó)際上大牌公司如intel、microsoft(微軟)等紛紛投入巨資，分別推出了具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基于xsale框架結(jié)構(gòu)的嵌入式硬件平臺(tái)和windows ce 4.0軟件平臺(tái)，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展注入了強(qiáng)大的活力。今天，嵌入式系統(tǒng)已滲透到日常生活的方方面面，帶來(lái)的工業(yè)年產(chǎn)值已超過(guò)1萬(wàn)億美元，在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，而機(jī)電控制是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用，采用嵌入式的機(jī)器人、sony 機(jī)器狗及1997年美國(guó)發(fā)射的“索納杰”火星車就是經(jīng)典的實(shí)例。就嵌入式系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)所采用的主流軟件平臺(tái)、硬件平臺(tái)作詳細(xì)的介紹，并通過(guò)stewart平臺(tái)專用伺服控制器的設(shè)計(jì)，介紹了嵌入式技術(shù)在機(jī)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及具體實(shí)現(xiàn)。? 1 嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)具有微內(nèi)核、系統(tǒng)精簡(jiǎn)、高實(shí)時(shí)性、專用性強(qiáng)等特點(diǎn),因此非常適合應(yīng)用于機(jī)電控制系統(tǒng)。有別于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)由嵌入式微處理器/微控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出(i/o)和軟件組成,這里的軟件是指基于rtos開(kāi)發(fā)的且和rtos密切結(jié)合的應(yīng)用軟件。這種操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件緊密結(jié)合為一體正是嵌入式系統(tǒng)和基于windows應(yīng)用系統(tǒng)的主要差別所在,也是其可靠性和實(shí)時(shí)性的重要保證。? 2 嵌入式微處理器 目前有許多款嵌入式微處理器，如intel公司的strongarm、xscale，atmel的at91系列，ibm的powerpc，motorola的68k，三星的s3c4x系列等，其中基于英國(guó)arm公司的arm內(nèi)核的嵌入式微處理器是目前的主流。arm是典型的32位risc芯片——不論是在pda、stb、dvd等消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，還是在機(jī)電、gps、航空、勘探、測(cè)量等軍方產(chǎn)品中都得到了廣泛的應(yīng)用。越來(lái)越多的芯片廠商早已看好arm的前景，如intel、ns、ateml、samsung、philips、nec、cirruslogic等全球著名公司都有相應(yīng)的基于arm處理器的產(chǎn)品。arm處理器的主要特點(diǎn)是：小體積、低功耗、低成本、高性能、16/32位雙指令集、全球眾多的合作伙伴。事實(shí)上arm已成為嵌入式解決方案的risc標(biāo)準(zhǔn)，成為業(yè)界的龍頭。 文中采用atmel的at91x40[2]，設(shè)計(jì)了用于stewart平臺(tái)的伺服控制器。at91系列微控制器是基于arm7tdmi嵌入式微處理器的16/32位控制器，用高密度的16位指令實(shí)現(xiàn)了高效的32位risc結(jié)構(gòu)，非常適合實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。atmel公司采用高密度cmos技術(shù)，通過(guò)片上集成arm7tdmi和大量的flash、片內(nèi)ram以及各種外圍功能模塊使其成為強(qiáng)有力的微控制器，為許多需要加強(qiáng)運(yùn)算的嵌入式應(yīng)用提供了高度的靈活性和高性價(jià)比的解決方案。at91x40的主要片上功能：
·帶8kb緩存的arm7tdmi arm thumbcpu核；
·完全可編程的外部總線接口，支持64m尋址空間；
·8優(yōu)先級(jí)、可單獨(dú)屏蔽的向量中斷控制器，4個(gè)外部中斷源；
·3通道16位定時(shí)、計(jì)數(shù)器；
·5個(gè)pwm定時(shí)器及1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；
·可編程的看門狗定時(shí)器；
·兩個(gè)獨(dú)立的usart；
·先進(jìn)的省電特性。? 3 嵌入式rtos的選擇 目前嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)rtos分為兩類：商用型和免費(fèi)型。其中商用型典型的rtos有：windows ce 4.0(適合于消費(fèi)類電子產(chǎn)品)；vxwork(適合于網(wǎng)絡(luò)、交換設(shè)備等)；palm os(適合于pad產(chǎn)品)。免費(fèi)型rtos有l(wèi)inux(包括ulinux和rt-linux)和μc/osii。綜合考慮，這里選擇μc/osii作為本系統(tǒng)的rtos。 μc/osii(即μc/os的最新版)主要特點(diǎn)如下：
(1)公開(kāi)源碼：是為數(shù)不多的公開(kāi)源碼的rtos,給二次開(kāi)發(fā)和移植提供了可能；
(2)可移植性強(qiáng)：μc/osii絕大多數(shù)源碼用ansi c編寫，少量用匯編語(yǔ)言編寫，具有較強(qiáng)的移植性；
(3)可固化：微小內(nèi)核，可以和應(yīng)用程序一起固化到flashrom中；
(4)可裁剪：通過(guò)條件編譯即可實(shí)現(xiàn)裁剪，十分方便；
(5)占先式：是實(shí)時(shí)性的重要保證；
(6)多任務(wù)：多達(dá)64個(gè)任務(wù)管理，可以滿足大多數(shù)控制任務(wù)；
(7)可確定性：全部的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)執(zhí)行的時(shí)間是可知的；
(8)系統(tǒng)服務(wù)：提供眾多的系統(tǒng)服務(wù)，如：消息隊(duì)列、信號(hào)量、內(nèi)存管理等。
(9)中斷管理：多達(dá)255層的中斷管理。
(10)穩(wěn)定性和可靠性：自1992年以來(lái)已經(jīng)有好幾百個(gè)商業(yè)應(yīng)用。其中nationaloptronics公司成功將μc/os用于三軸運(yùn)動(dòng)控制卡中，該三軸運(yùn)動(dòng)控