文章出处：https://www.doczj.com/doc/dd14763955.html,/imu_guide.html
引言
本文是介绍惯性MEMS (微电子机械系统)传感器，尤其是加速度计和陀螺仪，同时介绍IMU（惯性测量单元）的数据融合。
文中使用的是IMU单元是具有6个自由度的加速度计和陀螺仪的组合，通过MCU控制。
文中将会涉及到以下的知识点：
（1）加速度计是测量什么的
（2）陀螺仪是测量什么的
（3）传感器的输出值经过ADC采样，怎么ADC转换的值转换成物理单位（加速度计输出值的单位是g ，陀螺仪输出值的单位是deg/s）
（4）怎么融合加速度计和陀螺仪的值，获得就正确的角度（传感器对水平面的角度）估计。
贯穿全文我会将数学推导减少到最小。如果你懂得正弦，余弦，正切函数，就能理解这篇文章。能够将文章介绍的思想应用到你自己的平台。
本文的说明是在一个示例IMU单元进行的，这个模块包含以下三部分：
LIS331AL ：三轴模拟式加速度计
LPR550AL：两轴精度为500deg/second的陀螺仪。
LY550ALH：单轴陀螺仪（在文中没有用到）
将以上几个芯片联合在一起就能组成一个6个自由度的惯性测量单元。模块如下图所示：
第一部分：加速度计
我们从加速度计开始，来了解这个单元的工作原理。当去了解加速度计的时候，通常我们想象将一个球放在一个立方体的盒子里面，当然你也可以想象将其它的物体放在里面。
如果我们将盒子放在一个没有重力场的地方，也就是没有其它的场影响球的位置，球会漂浮在盒子的中间。可以设想这个盒子在外太空中，远离宇宙中的其他任何物体。如果这样的地方很难找到，我们可以设想一艘宇宙飞船在其轨道环绕着一个行星飞行，飞船里的一切物体都处在一个无重力的环境中。在上面的图片中，我们为每对面建立一个坐标轴（为了能看见盒子的里面，我们将Y+轴移走）。假设每一个面都是压力传感器。如果我们突然向左移动盒子（我们以1g=9.8m/s^2的加速度移动它），球会撞击X-这个面。然后我们测量球对面施加的压力，就会在X轴输出一个-1g的加速度。
请注意，加速度计实际上测量是一个与加速度向量方向相反的一个力，通常称这个力为惯性力。由此我们可以认识到，加速度计是通过测量施加在一个面上的力来间接的测量出加速度（在我们的模型中是一个弹性力，在实际中施加给加速度计的可能是其它力）。这个力是由加速度产生的，但是在接下来的例子中这这个力不是总是由加速度产生。如果我们将我们的模型放在地球上，球会落在Z-轴上，他会向底面施加一个1g的惯性力，如下图所示：
在这种情况下，盒子并没有移动，但是在Z轴仍然能够读出一个-1g的加速度。球给底面施加的压力是由于重力所产生的。理论上这是另外一种力，例如：如果我们设想这个球是金属的，在盒子外面放置一个磁铁可以移动这个球，所以球能够撞击另外一个面。所说的这些仅仅是证明加速度计的本质是测量力，而不是加速度。也就是说由加速度会产生惯性力被加速度计里面的机械装置所测量到。
这个模型不能精确的说明为电子机械系统（MEMS）是怎么被建立的，它通常在解决一些和加速度计有关联的一些问题中很有用。
到此为止我们分析了加速度计在一个轴上的输出，我们可以从一个单轴的加速度计中得到这样的信息。一个三轴加速度计的输出值可以测量三个轴上的惯性力。让我们重新回到盒子的模型，将盒子向右旋转45°。这时球会和Z-、X-这两个轴接触，如下图所示：
0.71这个数字不是任意得到的，它实际上是1/2的平方根的一个近似值。当我们介绍加速度计的另外一个模型是，这将变得很清晰。在之前的模型的我们确定了重力旋转盒子。在最后的两个模型中我们分析了两个不同位置的输出，然而力的向量保持不变。这虽然有助于我们理解加速度计和外力的相互作用关系，如果将加速度计的各个轴固定在一个坐标系中，这便于实际应用中的计算。
请看上面的模型，我保留各个轴的颜色，这有助于我们联系以前的模型。只要设想一下在新模型的各个轴是相互垂直的，就像在盒子模型中的各个面一样。
向量R 是加速度计所需要测量的力向量（它可以是重力或者惯性力或者是二者的结组合）。Rx ，Ry ，Rz 是R 在X ，Y ，Z 轴上的投影。请注意下面的关系：
R^2 = Rx^2 + Ry^2 + Rz^2 (Eq. 1)
这就是基本的立体几何的勾股定理。
之前我们提过1/2的平方根（0.71）不是一个随机的数字。如果我们将各项关系待遇上面的公式，重力为1g ，可以得到：
2222)2/1(0)2/1(1-++-=
只要将1=R ，)2/1(x -=R ，0y =R ，)2/1(z -=R 代入(Eq. 1)中即可。
经过这些准备之后我们已经离真正的加速度计很近了。Rx ，Ry ，Rz 的值和实际加速度计的输出值是呈线性关系的，我们可以利用它们进行各种计算。
到这里我们谈一下加速度计是怎么将信息反馈给我们的。多数加速度计有两种类别：数字的和模拟的。数字式加速度计是通过IIC ，SPI ，或USART 等通信协议传送信息的。模拟式加速度计的输出是在一个范围内的电压值，我们要通过数模转换器将电压信号转换成数字信号。在这里不再赘述ADC 的原理，因为它在不同的平台有不同的方式。有些微控制器有内置的ADC ，有的则需要增添外围的芯片。无论你用哪种ADC ，其转换结果都是一定范围内的数据。例如：一个10位的ADC 输出的范围是0到1023，1023=2^10-1；一个12位的ADC 输出的范围是0到4095，4095=2^12-1。
现在假设我们用一个10位的ADC 模块，下面是加速度计三个轴的输出值：
AdcRx=586
AdcRy=630
AdcRz=561
每个ADC 模块都要有一个参考电压，我们假设我们使用3.3V 的参考电压。我们利用下面的公式来将ADC 的转换结果转换成电压：
V oltsRx = AdcRx * Vref / 1023
注：如果是使用8位的ADC 模块最后的一个数字是255（2^8-1），如果是12位的ADC 最后一位数字则是4095（2^12-1）。
利用该公式我们可以计算出3轴的电压：
V oltsRx = 586 * 3.3V / 1023 =~ 1.89V
V oltsRy = 630 * 3.3V / 1023 =~ 2.03V
V oltsRz = 561 * 3.3V / 1023 =~ 1.81V
每个加速度计都会有一个零重力输出值，我们可以在对应的数据手册中找到。这个值相当于0g 。为了得到一个有符号的电压值，我们要计算电压的偏移值。我们使用的0g 对应的电压值VzeroG=1.65V ，以下是计算偏移电压的过程。
DeltaV oltsRx = 1.89V – 1.65V = 0.24V
DeltaV oltsRy = 2.03V – 1.65V = 0.38V
DeltaV oltsRz = 1.81V – 1.65V = 0.16V
现在我们的加速度计的读数是电压值，而不是加速度，在最后的转换中我们将用到加速度计的灵敏度，通常表示为 mV/g ，我们所用的加速度计的灵敏度是478.5mV/g=0.4785V/g 。灵敏度的值可以在加速度计的数据手册中找到。为了得到所测的力，我们利用下面的公式：
Rx = DeltaV oltsRx / Sensitivity
Rx = 0.24V / 0.4785V/g =~ 0.5g
Ry = 0.38V / 0.4785V/g =~ 0.79g
Rz = 0.16V / 0.4785V/g =~ 0.33g
我们可以将所有的步骤联立成一个公式，这个公式表明怎么利用ADC 的读数用g 来表示：
Rx = (AdcRx * Vref / 1023 – VzeroG) / Sensitivity (Eq.2))
Ry = (AdcRy * Vref / 1023 – VzeroG) / Sensitivity
Rz = (AdcRz * Vref / 1023 – VzeroG) / Sensitivity
现在我们利用这三个部分来定义惯性力向量，如果装置除了受重力作用不受其他的力，我们可以设想重力的向量方向。如果要计算装置与水平面的倾角， 你可以计算这个向量与Z 轴的夹角。如果要计算每个轴的方向，我们可以分离出这样的两个部分：X 、Y 轴的倾角可以通过重力向量与X 、Y 轴的夹角计算出。计算这些角度比想象中的要简单，目前我们已经计算出了Rx ，Ry ，Rz 的值，现在我们回到最后的加速度计模型，并且添加一些标识符：
我们所感兴趣的角度是X 、Y 、Z 三个轴与力向量R 之间的夹角。我们定义这些角度分别表示为：Axr 、Ayr 、Azr 。我们可以从空间直角坐标系中得出：
cos(Axr) = Rx / R
cos(Ayr) = Ry / R
cos(Azr) = Rz / R
由Eq.1可以得到222x Rz Ry R R ++= ，现在我们可以根据arccos()函数来求出角度：
Axr = arccos(Rx/R)
Ayr = arccos(Ry/R)
Azr = arccos(Rz/R)
我们花了很长的时间研究加速度计，仅仅是为了得到这些公式。在我们的应用程序中我们要用到我们推到出的公式。很快我们将要介绍陀螺仪，我们将介绍怎么利用加速度计和陀螺仪结合得到更精确的角度估计。在次之前我们再使用一些标识符：
cosX = cos(Axr) = Rx / R
cosY = cos(Ayr) = Ry / R
cosZ = cos(Azr) = Rz / R
这三组公式我们叫做方向余弦，它们表示和向量R 方向相同的单位向量（向量的长度为1），我们可以证明：
1)(cos )(cos (cosX)222=++Z Y
当我们只需要关注向量的方向的时候而不去计算向量的长度，这个性质很实用。 第二部分：陀螺仪
我们介绍陀螺仪的时候，不再像介绍加速度计那样用盒子的模型，我们直接使用加速度计的第二个模型，我们可以依据下面这个模型来解释陀螺仪：
每个陀螺仪的通道能够测量围绕这个轴的旋转。例如一个2轴的陀螺仪，可以测量围绕X 轴和Y 轴的旋转。为了更好的表这种旋转我们定一些标识符：
Rx — 表示惯性力向量R 在XZ 平面内的投影
Ry — 表示惯性力向量R 在YZ 平面内的投影
在直角坐标系中利用勾股定理可得：222z xz R Rx R +=，222z y yz R R R +=。同时根据Eq.1的结论可得：222y z R Rx R +=，222x yz R R R +=。在文章里我们并不会用到这些公式，但是他们有利于表示模型里面的一些数据关系。我们谈论Z 轴和向量Rxz 、Ryz 之间的角度关系，做出下列定义：
Axz — 表示Rxz （向量R 在XZ 平面上的投影）和Z 轴之间的夹角； Ayz — 表示Ryz （向量R 在YZ 平面上的投影）和Z 轴之间的夹角。 现在我们逐渐清楚陀螺仪是用来测量什么的，陀螺仪是用来测量角度的变化率（角速度），在这里是测量上面我们描述的两个角度的变化率。为了更好的解释我们假设测量的是Y 轴的旋转（Axz 这个角度），设在t0时刻角度为Axz0，在t1时刻测得的角度为Axz1，则角度的变化率可以表示为：
RateAxz=(Axz1-Axz0)/(t1-t0)
如果我们将角度的单位选为度，时间的单位选为秒，则这个数值的单位为 deg/s 这就是陀螺仪所测量的量。
实际上陀螺仪（除非是特别的数字式陀螺仪）很难输出一个以deg/s 为单位的数值。和加速度计一样，得到的是一个ADC 转换值，我们要将其转换成以deg/s 为单位的数值。在此介绍将陀螺仪的ADC 值转换成以deg/s 的数值的公式（我们仍然假设用10位精度的ADC 模块，如果利用8位精度的ADC 要将1023替换成255，12位精度的ADC 将1023替换成4095就可以了）。
RateAxz=(AdcGyroXZ*Vref/1023-VzeroRate)/Sensitivity Eq.3
RateAyz=(AdcGyroYZ*Vref/1023-VzeroRate)/Sensitivity
AdcGyroXZ,，AdcGyroYZ 是经过ADC 转换得来的数字，它们分别表示向量R 的旋转在XZ ，YZ 面上的投影，也就是说等价于围绕X 轴和Y 轴旋转的变化量。
Vref 是ADC 模块的参考电压，我们任然使用3.3V 。
VzeroRate 是陀螺仪没有旋转时的输出电压。假设这个电压是1.23V （这个数值可以在对应陀螺仪的数据手册里面找到，但是我们不要完全的按照手册上的数值，这个值在芯片焊接的过程中会有所改变。因此我们要里用电压表通过实验测出实际的值）
Sensitivity 陀螺仪的灵敏读，用mV/(deg/s)表示，通常我们写成mV/deg/s 。 表示每当转速增加1 deg/s 的时候陀螺仪的输出会增加多少毫伏。我们设使用的陀螺仪的灵敏度为2 mV/deg/s 或0.002 V/deg/s 。
举例：如果经过ADC 转换器陀螺仪传回来的数据为:
AdcGyroXZ=571
AdcGyroYZ=323
则可以通过上面的公式和芯片数据手册上面提供的数据得出计算：
RateAxz = (571 * 3.3V / 1023 – 1.23V) / ( 0.002V/deg/s) =~ 306 deg/s
RateAyz = (323 * 3.3V / 1023 – 1.23V) / ( 0.002V/deg/s) =~ -94 deg/s
上面的数据表明，设备绕着Y 轴（或者说XZ 平面）以306 deg/s 的速度旋转和设备绕着X 轴（或者说YZ ）以-94 deg/s 的速度旋转。值得注意的是这里的
符号表示旋转的方向是和我们规定的正方向是相反的。一份好的陀螺仪数据手册会给出旋转的正方向。否则我们则需要通过实验来测的方向，即测出哪一个引脚上的电压在增加。最好的方法是通过示波器来测量，当旋转停止的时候陀螺仪的输出电压立马会回到零点的电压值。如果使用万用表的话，读书的变化是滞后的不能实时测量陀螺仪的输出。将在旋转中测得的电压值与零点的电压值比较，如果测量的值比零点电压值大，则此时的旋转方向为正，否则反之。
第三部分：加速度计和陀螺仪的结合
要联合惯性测量单元，既融合加速度计和陀螺仪需要统一它们的坐标系。最简单的方法是选取加速度计的坐标系作为参考坐标系。大多数加速度计的芯片手册都会标明将X，Y，Z轴与芯片的位置对应。例如下图所示：
下一步：
（1）确认陀螺仪的输出值和上面讨论的RateAxz，RateAyz一致。
（2）对于加速度计关于陀螺仪的的位置，判断取得的值是否需要取相反数。
不能去假设陀螺仪的X，Y轴，需要参考加速度计的坐标系去确定，最好的方法是通过实验测试。这里举一个简单的例子确定陀螺仪的哪一路输出是RateAxz：
首先将传感器放在水平的位置。这时加速度计的X轴和Y轴的输出都是0g 时的电压（1.65V）；然后围绕Y轴旋转传感器，也就是我转动传感器的XZ面，所以加速度计的X轴和Y轴的输出会改变，而Y轴的输出保持不变。将传感器以一个恒定的速度旋转，注意陀螺仪的哪路输出发生改变，则陀螺仪的另一路输出恒定。在传感器围绕Y轴旋转（XZ面旋转）的过程中，陀螺仪的输出在改变，则说明输入的AdcGyroXZ（ADC转换的数值）是来自我们计算出的RateAxz。最后是确定旋转的方向。由于陀螺仪的物理位置与加速度计的物理位置摆放的关系，在有些情况下我们需要将测得的RateAyz取相反数。
重复一次上面所描述的测试，将模块围绕Y轴旋转，这是监测加速度计的X轴输出（在我们模型中AdcRx值）。如果AdcRx增加（从水平位置的第一个90°旋转），这时陀螺仪的输出AdcGyroXZ会减小。这是犹犹如我们测量的是重力向量，当模块向一个方向旋转的时候，重力向量是朝着相反的方向旋转的（在我们使用的坐标系中）。否则需要使用一个转换系数RateAxz，如下所示：RateAxz = InvertAxz * (AdcGyroXZ * Vref / 1023 – VzeroRate) / Sensitivity
式中的InvertAxz 取值为+1或-1。
将模块围绕着X轴旋转，通过同样的测试可以测出RateAyz。
RateAyz = InvertAyz * (AdcGyroYZ * Vref / 1023 – VzeroRate) / Sensitivity
通过测试，在我们使用的Acc_Gyro模块中有以下结果：
输出引脚GX4输出值为RateAxz；InvertAxz = 1 。
输出引脚GY4输出值为RateAyz；InvertAyz = 1 。
到此为止，已经设置好我们的IMU模块了，我们可以计算出正确的Axr, Ayr, Azr（在Part1加速度计中定义的）和RateAxz, RateAyz（在Part2陀螺仪中定义的）。接下来分析加速度计和陀螺仪输出数值之间的关系，以此能正确的估计模块相对于水平的倾角信息。
或许有人会问，我们已经能够从加速度计中获得角度信息：Axr, Ayr, Azr。为什么还需要同时使用陀螺仪的数据。理由很简单，加速度计输出的信息不是完全正确的。这是因为加速度计是测量惯性力的，这可以由重力产生的（当然理想情况仅仅由重力产生），但是这也有可能有其它的加速度所产生的。即使当加速度计处在一个相对稳定的状态，但是它仍然对一些机械振动之类的噪声很敏感。这正是为什么在大多数IMU系统中使用陀螺仪来修正加速度计的误差的原因。
但是陀螺仪也会有也会受到噪声的干扰，然而它是测量旋转的的。陀螺仪对于线性的机械运动的敏感度会小很多，但这对加速度计的干扰很大。但是陀螺仪也会有自身的干扰，比如漂移（当旋转停止时数据不能回到原始值）。不过通过陀螺仪和加速度计值的互补我们可以正确的估计角度。这比单独的使用加速度计要精确很多。
下面将介绍一种算法，这是从卡尔曼滤波算法中收到启发的。但它在嵌入式设备中使用起来更为简单。先让我们了解一下我们的算法是如何工作的。R = [Rx,Ry,Rz]这是重力向量，我们可以推导出其它的值比如：Axr,Ayr,Azr or cosX,cosY,cosZ。为了避免混淆，我们将加速度计测量的结果做如下定义：Racc：这是又加速度计测量出的惯性力，有以下三部分组成（在X,Y,Z轴上的投影）
RxAcc = (AdcRx * Vref / 1023 – VzeroG) / Sensitivity
RyAcc = (AdcRy * Vref / 1023 – VzeroG) / Sensitivity
RzAcc = (AdcRz * Vref / 1023 – VzeroG) / Sensitivity
现在我们获得一组由加速度计经过ADC转换得来的数据，我们这组数据为向量并做一下记法：
Racc = [RxAcc,RyAcc,RzAcc]
由于这组数据是由加速度计获得的，所以可以将其作为我们算法的输入数据。请注意Racc是测量重力的，我们可以保证向量的长度是1g或做如下等效：
再做如下变化换：
Racc(normalized) = [RxAcc/|Racc| , RyAcc/|Racc| , RzAcc/|Racc|].
这可以确保向量Racc的长度始终都是1。
接下来介绍一个新的向量：
Rest = [RxEst,RyEst,RzEst]
这是算法的输出值，这是基于陀螺仪和上一次估计的值所的到的。
在算法中将会做些什么呢：
（1）加速度计告诉我们：“当前的Racc值”
（2）我们说：“好，让我们检验一下”
（3）然后由陀螺仪的值和上一次的Rest值我们可以得到新的修正信息，既输出一个新的向量Rest
下面我们看看它是怎么工作的：开始我们设定：Rest(0) = Racc(0)，要记住Rest和Racc是向量，所以这个等式可以写成三部分：
RxEst(0) = RxAcc(0)
RyEst(0) = RyAcc(0)
RzEst(0) = RzAcc(0)
然后我们没间隔T秒做一次测量，所以我们可以获得新的测量值，如我们上面提到的Racc(1), Racc(2) , Racc(3)等。同时也能在每个时间间隔得到新的估计值Rest(1), Rest(2), Rest(3)等。假设运行到N步的时候，我们有两个有用的值：Rest(n-1)：我们上一步的估计值
Racc(n) ：当前陀螺仪测得的值
之前我们可以计算Rest(n)，我们再介绍一个新的测量值，我们可以从陀螺仪的上一个测量结果中获得。我们称之为Rgyro，这同样是一个向量由三部分组成：
Rgyro = [RxGyro,RyGyro,RzGyro]
我们每次计算向量的一部分，下面从计算RxGyro开始。
在直角坐标系中我们在陀螺仪模型中有以下关系，由Rz和Rxz组成的三角形中：
tan(Axz) = Rx/Rz => Axz = atan2(Rx,Rz)
或许atan2()是我们以前没有使用过的函数，它和atan()相类似，只是它的返回值的范围是(-PI,PI)，而atan()的返回值范围是(-PI/2，PI/2)。它有两个参数。这允许我们将Rx,Rz的值转换成在360°范围内的角度值。
知道了RxEst9(n-1)，和RzEst(n-1)，我们可以得到：
Axz(n-1) = atan2( RxEst(n-1) , RzEst(n-1) )
要知道陀螺仪是测量角度Axz的变化率，所以我么可以估计新的角度Axz(n)：
Axz(n) = Axz(n-1) + RateAxz(n) * T
RateAxz是陀螺仪经过ADC读取的数值，为了得到更精确的值我们可以使用角速度的平均值：
RateAxzAvg = ( RateAxz(n) + RateAxz(n-1) ) / 2
Axz(n) = Axz(n-1) + RateAxzAvg * T
通过同样的方法我们可以得到：
Ayz(n) = Ayz(n-1) + RateAyz(n) * T
现在我们有了Axz(n)和Ayz(n)，我们从哪里出发扣除RxGyro/RyGyro呢？由Eq. 1可以得到向量Rgyro的长度：
因为我们将Racc向量标准化，我们可以假设它的程度为1并且不随这旋转而改变，因此我们可以这样写：
|Rgyro|=1
我们通过一个简短的符号代替他们，进行以下计算：
x =RxGyro , y=RyGyro, z=RzGyro
由以上关系我们可以得出：
将分子分母同时除以可以得到：
因为：，所以：
在根号内部分子分母同时乘以
由、，最后可以得到：
所以有：
同理可以得到：
《嵌入式系统及应用》课程实验 一、实验课程的性质、目的和任务 性质：《嵌入式系统及应用》课程是自动化专业的专业基础课程，本实验课是该课程教学大纲中规定必修的实验教学内容。 目的和任务：通过实验环节来巩固和加深学生对嵌入式系统的理解，使学生掌握MCS51单片机和ARM的基本原理和应用技术。通过熟悉MCS51开发环境和ARM集成开发环境，使学生掌握嵌入式系统开发的一般规律和方法。在集成开发环境下，进行系统功能程序的编写和调试的训练，掌握嵌入式系统软硬件调试的一般方法和系统设计的能力。 二、实验内容、学时分配及基本要求
三、考核及实验报告 （一）考核 本课程实验为非独立设课，实验成绩占课程总成绩的15%，综合评定实验成绩。（二）实验报告 实验报告应包括： 实验名称 实验目的 实验内容与要求 设计思路（如：分析、程序流程图等） 实验步骤 实验代码（含必要注释） 实验结果分析 实验小结（本题调试过程中遇到的问题和解决方法、注意事项、心得体会等）注：综合型实验需写出系统功能、设计过程 实验报告的要求： 实验报告以文本形式递交，实验报告要书写规范、文字简练、语句通顺、图表清晰。 四、主要仪器设备 硬件：微型计算机；嵌入式系统开发平台。 软件：Keil C51；ADT 五、教材及参考书 教材
[1] 高锋．单片微型计算机原理与接口技术（第二版）．北京：科学出版社，2007 [2] 自编．嵌入式系统及应用 参考书 [1] 王田苗．嵌入式系统设计与实例开发．北京：清华大学出版社，2003 [2] 陈赜．ARM9 嵌入式技术及Linux高级实践教程．北京：北京航空航天大学出版社，2005 [3] 李忠民等．ARM嵌入式VxWorks实践教程．北京：北京航空航天大学出版社，2006
1.嵌入式系统的定义：一般都认为嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，可满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功能有严格要求的专用计算机系统。 2.嵌入式系统的特征：（1）通常是面向特定应用的。具有功耗低、体积小和集成度高等特点。（2）硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能满足功能、可靠性和功耗的苛刻要求。（3）实时系统操作支持。（4）嵌入式系统与具体应用有机结合在一起，升级换代也同步进行。（5）为了提高运行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般固化在存储器芯片中。 3.ARM嵌入式微系统的应用：工业控制、网络系统、成像和安全产品、无线通信、消费类电子产品。 4.ARM嵌入式微处理器的特点：（1）体积小、低功耗、低成本、高性能。（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，兼容8位/16位器件。（3）使用单周期指令，指令简洁规整。（4）大量使用寄存器，大多数数据都在寄存器中完成，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。（5）寻址方式简单灵活，执行效率高。（6）固定长度的指令格式。 5.嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、用户软件构成。 2.哈佛体系结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间。 3.嵌入式处理器主要有四种嵌入式微处理器（EMPU）、嵌入式微控制器（MCU）、嵌入式数字信号处理器（DSP）、嵌入式片上系统（SoC) 4.ARM7采用3级流水线结构，采用冯·诺依曼体系结构；ARM9采用5级流水线结构，采用哈佛体系结构。 5.ARM处理器共有37个32bit寄存器，包括31个通用寄存器和6个状
电容式传感器的特点及应用中存在的问题 张文杰 保定天翔集团毛纺织有限责任公司河北保定071000 摘要：本文阐述了电容式传感器有温度稳定性好、结构简单、动态响应好、可以实现非接触测量，具有平均效应的优点，输出阻抗高，负载能力差、寄生电容影的及其缺点，以及在应用中存在的 问题。 关键词：电容、传感器、负载 Abstract:This paper describes the capacitive sensor has good temperature stability,simple structure,good dynamic response,non-contact measurement can be achieved,with the average effect of the advantages of high output impedance, load capacity is poor,and shortcomings of the parasitic capacitance of the film,and Problems in the application. Keywords:capacitors,sensors,load 1.电容式传感器的特点 1）优点 （1）温度稳定性好。电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系统低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有电阻，供电后产生热量：电感式传感器有铜损、磁游和涡流损耗等，易发热产生零漂。 （2）结构简单。电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强车船及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。 （3）动态响应好。电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个10-5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小、很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。 （4）可以实现非接触测量，具有平均效应。例如，非接触测量回转轴的振动或偏心率、小型滚珠轴承的径向间隙等。当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减少工作表面粗糙度等对测量的影响。 电容式传感器除了上上述的优点外，还因其带电极板间的静电引力很小，所以输入和输入能量极小，因而可测极低的压力，以及很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨率高，能敏感0.01μm甚至更小的位移；由于其空气等介质损耗小，采用差动结构连接成电桥式时产生的零残极小，因此允许电路进行高倍率放大，使仪器具有很高的灵敏度。 2）缺点 （1）输出阻抗高，负载能力差。电容式传感器的容量受共电极的几何尺寸等限制，一般只有几pF到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106—108Ω。因此传感器的负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。阻抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响仪器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围的环境如温度、清洁度等。不采用高频供电，可降低传感器输出阻抗，但高频放大、传输远比低频的复杂，且寄生电容影响大，不易保证工作的稳定性。 （2）。电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其寝电容量都很小（几pF到几十pF），而连接传感器和电子线路的引线电缆电容（1—2m导线可达800pF），电子线路的杂散电容，以及传感器内极板与其周围导体构成的“寄生电容”却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容（职电缆电容）常常的随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求。 随着材料、工艺、电子技术，特别是集成技术的发展，使电容式传感器的优点得到发扬，而缺点不断地得到克服。电容式传感器正逐渐成为一种高灵敏度、高精度，在动态、低压及一些特殊测量方面大有发展前途的传感器。 2.应用中存在的问题 1）边缘效应以上分析各种电容式传感器进还忽略了边缘效应的影响。实际上当极板厚度h与极距d之比相对较大时，边缘疚的影响就不能忽略。这时，对极板半径为r的变极距型电容传感器。
Android手机中的智能传 感器及其应用 随着技术的进步，手机已经不再是一个简单的通信工具，而是具有综合功能的便携式电子设备。手机的虚拟功能，比如交互、游戏、都是通过处理器强大的计算能力来实现的，但与现实结合的功能，则是通过传感器来实现。本文介绍了几种手机中常见的传感器的原理和用途。 Android智能手机自推出以来，其内置传感器逐渐增多，传感器所能实现的功能也日益多样化，极大的满足了用户对智能手机功能的需求，从依赖于重力传感器的各种游戏，到依靠距离传感器实现的通话灭屏，再到指南针功能下的电子罗盘等等，小小的一个Android智能手机以各种传感器为依托实现了许多有趣的功能。 1.距离传感器 这个传感器在手机上的应用是当我们打电话时，手机屏幕会自动熄灭，同时触摸屏无效，能够防止误操作。当脸离开屏幕时屏幕灯会自动开启，并且自动解锁,因此距离传感器位于手机屏幕上方。这个对于待机手机较短的智能手机来说是相当实用的,现在很多智能手机都装备的这个传感器。距离传感器和光线传感器位置如图.1
图1.距离和光线传感器 距离传感器原理：红外LED灯发射红外线，被近距离物体反射后，红外探测器通过接收到红外线的强度，并测量光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，测定距离，一般有效距离在10cm内。距离传感器同时拥有发射和接受装置，一般体积较大。 2.光线传感器 光线传感器，也就是感光器，是能够根据周围光亮明暗程度来调节屏幕明暗的装置。光线传感器可以使用光敏三极管作为感光元件，接受外界光线时，会产生强弱不等的电流，从而感知环境光亮度。在光线强的地方手机屏幕会变暗，达到节电并更好观看屏幕的效果，在光线暗的地方自动将屏幕变亮。可以在工具设置中设置自动调节屏幕亮度。这个传感器也主要起到节省手机电力的作用，自动调节屏幕亮度也能起到保护眼睛的作用。光线传感器位置如图1 光线传感器和距离传感器一般都是放在一起的，位于手机正面听筒周围，这样就存在一个问题，手机的额头上开了太多洞或黑色长条不太好看，所以一些厂商为了减少开孔、或者隐藏开孔，将两个传感器集成到一个窗口下，或者使用黑色面板，黑色面板的手机可以轻易隐藏这两个传感器。 3.方向传感器 方向传感器就是陀螺仪，陀螺仪的测量物理量是偏转，倾斜时的转动角度。陀螺仪传感器最早应用于航空、航天和航海等领域。随着陀螺仪传感器成本的下降，现在很多智能手机都集成有陀螺。陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成，一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪就具有了抗拒方向改变的能
嵌入式系统设计与应用 本文由kenneth67贡献 ppt文档可能在W AP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 课程名称：课程名称：嵌入式系统设计与应用 总学时：其中讲课36学时，上机实践环节12 36学时12学时总学时：其中讲课36学时，上机实践环节12学时教材：嵌入式系统设计教程》教材：《嵌入式系统设计教程》电子工业出版社马洪连参考书：参考书：1、《嵌入式系统开发与应用》北航出版社、田泽编著. 嵌入式系统开发与应用》北航出版社、田泽编著. 2、《ARM体系结构与编程》清华大学出版社杜春雷编著ARM体系结构与编程体系结构与编程》嵌入式系统设计与实例开发—ARM ARM与C/OS3、《嵌入式系统设计与实例开发ARM与μC/OS-Ⅱ》清华大学出版社王田苗、魏洪兴编著清华大学出版社王田苗、ARM嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器体系结构》4、《ARM嵌入式微处理器体系结构》北航出版社、马忠梅等著. 北航出版社、马忠梅等著. 张石．ARM嵌入式系统教程嵌入式系统教程》5、张石．《ARM嵌入式系统教程》．机械工业出版2008年社．2008年9月 1 课程内容 绪论：绪论： 1）学习嵌入式系统的意义2）高校人才嵌入式培养情况嵌入式系统设计（实验课）3）嵌入式系统设计（实验课）内容安排 第1章嵌入式系统概况 1.1 嵌入式系统的定义1.2 嵌入式系统的应用领域及发展趋势1.3 嵌入式系统组成简介 第2章嵌入式系统的基本知识 2.1 2.2 2.3 嵌入式系统的硬件基础嵌入式系统的软件基础ARM微处理器的指令系统和程序设计ARM微处理器的指令系统和程序设计 2 第3章 3.1 3.2 3.3 基于ARM架构的嵌入式微处理器基于ARM架构的嵌入式微处理器ARM 概述嵌入式微处理器的组成常用的三种ARM ARM微处理器介绍常用的三种ARM 微处理器介绍 第4章 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 嵌入式系统设计 概述嵌入式系统的硬件设计嵌入式系统接口设计嵌入式系统人机交互设备接口嵌入式系统的总线接口和网络接口设计嵌入式系统中常用的无线通信技术 3 第5章嵌入式系统开发环境与相关开发技术 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 6.1 6.2 6.3 6.4 概述嵌入式系统的开发工具嵌入式系统调试技术嵌入式系统开发经验嵌入式系统的Bootloader Bootloader技术嵌入式系统的Bootloader技术μC/OS-II操作系统概述C/OS-II操作系统概述ADS开发环境ARM ADS开发环境C/OS-II操作系统在ARM系统中的移植操作系统在ARM μC/OS-II操作系统在ARM系统
嵌入式多传感器灯控系统的设计与实现 摘要：随着社会经济水平的发展，物联网技术在现实生活中的智能家居电子产品中得到广泛应用。为了适应信息化时代和方便人民生活，本文使用Qt作为编程工具，以S3C6410作为硬件平台，采集温度和湿度传感器数据，通过TCP的socket通信机制，实现了嵌入式多传感器灯控系统。达到了能够通过嵌入式设备观测温湿度和调节灯光亮度的基本功能。 关键词：嵌入式；灯控；传感器；移动设备 随着科技的发展，目前物联网行业正在兴起，特别是北京、上海、广州等大城市的物联网行业发展速度更快。一些知名家电产品也快速融入了物联网技术。例如海尔智能云电视、云空调、云洗衣机等，实现了用户对家庭家电产品的实时操控。当前，我国已发展了较为完备的敏感元件与传感器产业，产业规模正稳步增长。在物联网网络通信服务业领域，我国物联网行业正保持快速发展势头，应用领域也深入到社会公共安全、能源环保、城市管理等多个领域，未来几年仍将保持快速发展。目前在灯控领域，我国灯控系统功能还比较单一，一般仅具备开关功能，缺少日常维护功能。控制方式也比较落后，还停留在手动、光控、时控等方式上，容易
受人为、季节和天气等因素影响，无法及时修改开关灯时间，容易造成能源浪费。而多传感器灯控系统的应用迎合了社会的发展，将为建设资源节约型社会发挥极大的作用。 1 系统需求分析 嵌入式多传感器灯控系统和正常的照明等区别在于，嵌入式多传感器灯控参与到了网络的环境。不仅能够满足正常的照明需要，还能在硬件端集成一些传感器，利用软件通过网络实现对灯光的亮度正常控制，还能将当前环境温湿度、一氧化碳浓度等信息显示给用户。 系统所需数据需要传感器采集数据，采用modbus数据协议，传输给采集的上位机。上位机通过crc对数据进行校验，错误数据信息，将自动丢弃，而正确的数据通过采用tcp 网络传输协议发送给中转服务器。显示客户端与中转服务器建立连接，接受服务器发来的数据，解析并显示。同时客户端用户可以在正常的网络连接下随时随地对灯光进行控制。 2 系统设计与实现 2.1 总体设计 在整个系统的设计中，其基本网络拓扑图如图1所示。 如图1所示，整个系统分为三大块，传感器数据采集与控制端、服务数据中转端、显示端。其中数据中转服务器接入以太网络，用于数据的采集数据与数据显示的中转。采集端分布在外部环境，通过路由器介入以太网，其所属网络为
手机中的传感器 如今，智能手机在生活中已经是必不可少的了，人人都能使用手机，但我们对手机中的传感器又了解了多少呢？ 手机传感器是手机上通过芯片来感应的元器件，如温度值、亮度值和压力值等。 随着技术的进步，手机已经不再是一个简单的通信工具，而是具有综合功能的便携式电子设备。手机的虚拟功能，比如交互、游戏、都是通过处理器强大的计算能力来实现的，但与现实结合的功能，则是通过传感器来实现。 一、光线传感器 光线感应器也叫做亮度感应器，英文名称为Light-Sensor ，很多平板电脑和手机都配备了该感应器。一般位于手持设备屏幕上方，它能根据手持设备目前所处的光线亮度，自动调节手持设备屏幕亮度，给使用者带来最佳的视觉效果。例如在黑暗的环境下，手持设备屏幕背光灯就会自动变暗，否则很刺眼。 原理：光线感应器是由两个组件即投光器及受光器所组成，利用投光器将光线由透镜将之聚焦，经传输而至受光器之透镜，再至接收感应器，接收感应器将收到之光线讯号转变成电信号，此电信讯号更可进一步作各种不同的开关及控制动作，其基本原理即对投光器受光器间之光线做遮蔽之动作所获得的信号加以运用以完成各种自动化控制。 用途：通常用于调节屏幕自动背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度，使得屏幕看得更清楚，并且不刺眼。也可用于拍照时自动白平衡。还可以配合下面的位移传感器检测手机是否在口袋里防止误触。 二、位移传感器 位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。在生产过程中，位移的测量一般分为测量 实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟 式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型两种。常用位移传感器以模拟 式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。
《嵌入式系统原理与应用》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程代码：230449 课程名称：嵌入式系统原理与应用 英文名称：Principle and Application of Embedded System 课程类别：专业课 学时：72（其中实验32学时） 学分：3.5 适用对象: 计算机科学与技术业 考核方式：考试（平时成绩占总评成绩的30%，期末考试成绩占70%） 先修课程：计算机组成原理、操作系统、编译原理 二、课程简介 嵌入式系统原理与应用是计算机科学技术专业的一门专业课，讲述嵌入式系统的基本理论、原理。本课程是一门既与硬件关系紧密，又与嵌入式操作系统、嵌入式软件关系十分紧密课程。它围绕目前流行的32位ARM处理器和源码开放的Linux操作系统，讲述嵌入式系统的概念，软、硬件组成，开发过程以及嵌入式应用程序开发设计方法。本课程的知识将为学生今后从事嵌入式系统研究与开发打下坚实的基础。The principle of embedded system is an important course of computer science and technology, which introduce the principles and the theory of embedded system.T his curriculum is tied closely with not only hardware but also embedded operating system and embedded software. It introduce the conception of embedded system, components of software and hardware, developing progresses and designing methods of embedded programming which based on the 32bit arm processor and operating system of opened linux.The knowledge of this course would be solid foundation for the student who would be engaged in researching or developing about embedded system. 三、课程性质与教学目的 嵌入式系统原理与应用课程的性质：该课程是计算机科学与技术专业的专业课。 嵌入式系统原理与应用课程的教学目的：通过对基于ARM嵌入式芯片的系统的基本组织结构与工作原理的学习，使学生对计算机系统的硬件部分有一个全面的了解，对嵌入式软件的开发过程有一个清楚的认识，通过对嵌入式操作系统的工作原理的学习，使学生对嵌入式操作系统有一个清晰的认识，提高学生在嵌入式软件设计设计能力及解决实际问题的动手能力，为后续专业课程的学习打下坚实的基础。 四、教学内容及要求 第一章嵌入式系统导论 （一）目的与要求
电容式传感器的应用与发展 前言 电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，由于形式多种多样，传感器电容值相差很大。电容式传感器可分为变面积变化式、变间隙式、变介电常数式三类。变面积变化式一般用于测量角位移或较大的线位移。变间隙式一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。变介电常数式常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。 关键词： 电容式传感器 应用发展 一、电容式传感器的基本工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为 图1.1平行板电容器 ε为电容极板间介质的介电常数, ε=ε0·εr,其中ε0为真空介电常数, εr 为极板间介质相对介电常数; A 为两平行板所覆盖的面积; d 为两平行板之间的距离。 当被测参数变化使得上式中的A ，d 或ε发生变化时, 电容量C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。 d A c ε =
当动极板移动 后，覆盖面积就发生了变化，电容也随之改变，下图为 直线位移型电容式传感器的示意图，其为变面积式的一种。 电容： 电容增量： 测量灵敏度： 图1.2直线位移型 此外，改变板间距d 或者电介质ε，便是变间隙式和变介电常数式电容传感器结构形式，结构形式如下图所示， 图1.3变间隙式 图1.4变间介电常数式 二、电容式传感器在应用中的注意事项 1．克服寄生电容的影响 电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF 到几十pF)，属于小功率、高阻抗器件，因此极易外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且具有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。 2．克服边缘效应的影响 实际上当极板厚度h 与极距d 之比相对较大时，边缘效应的影响就不能忽略；边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。 x ?x ?
课程名称：_嵌入式系统开发_ 考试形式：闭卷考试日期： 2012年月日考试时长：120分钟课程成绩构成：平时 5 %，期中 10 %，实验 25 %，期末 60 % 本试卷试题由__5 _部分构成，共__9___页。 一、判断题（共15分，共 15题，每题1分，正确用“T”表示，错误用“F”表示） 1．优先级位图法是通过牺牲空间赢得时间。（） 2．EDF调度策略可用于调度周期性任务（） 3．在嵌入式操作系统中一般不使用虚拟存储技术，避免页面置换的开销所引起的不确定性。（）4．自陷、异常和中断基本上具有相同的中断服务程序结构。（） 5. 嵌入式多任务系统中，任务间的耦合程度越高，它们之间的通信越少。（） 6．存储器映射编址是指I/O端口的地址与内存地址统一编址，即I/O单元与内存单元在同一地址空间。其优点是可采用丰富的内存操作指令访问I/O单元、无需单独的I/O地址译码电路、无需专用的I/O指令。（） 7．嵌入式系统中，优先级抢占调度可以在任意位置、任意时刻发生。（） 8．当二值信号量用于任务之间同步时，其初始值为1。（） 9．如果一个实时调度算法使得任务充分利用了CPU，则CPU的利用率为100%。（）10．RISC处理器常用高效流水线技术提高处理器的并行性。（） 11．弱实时对系统响应时间有要求，但是如果系统响应时间不能满足，不会导致系统出现致命的错误或崩溃。（） 12．循环轮询系统适合于慢速和非常快速的简单系统。（） 13．单处理器多任务系统无需嵌入式操作系统的支持。（） 14．任务控制块的内容在任务创建时进行初始化，在系统运行过程中不会发生变化。（）15．支持实时特性的DARTS设计方法也采用了面向对象技术。（）
嵌入式系统发展与应用 引言 不论是日常生活中经常使用的家庭自动化产品、家用电器、手提电话、自动柜员机（ATM），还是各行各业的办公设备、现代化医疗设备、航空电子、计算机网络设备、用于工业自动化和监测的可编程逻辑控制器（PLC），甚至是娱乐设备的固定游戏机和便携式游戏机等都属于嵌入式系统。嵌入式系统始于微型机时代的嵌入式应用，通过将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象系统的智能化控制。随着科技的不断发展，在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化。而后，随着后PC时代的到来，网络、通信技术得以发展；同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升，形成了基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用的计算机应用模式。 1嵌入式系统的概念与发展 1.1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等4个部分组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 1.2 嵌入式系统发展 纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段： （1）无操作系统阶段 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现，具有监测、伺服、设备指示等功能通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除内存。这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点，但仅仅只是使用8位的CPU芯片来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈不上系统的概念。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有较高要求的信息家电等场合的需要。 （2）简单操作系统阶段 20世纪80年代，随着微电子工艺水平的提高，Ic制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I／O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一片VLSI中，制造出面向I ／0设计的微控制器，并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的操作系统开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。 （3）实时操作系统阶段 20世纪9O年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的DSP产品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统(RTOS)，并开始成为嵌入式系统的主流。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此时的嵌入式操作系统已经具备了
电容式传感器的应用与发展 系别电子信息与电气工程系 专业自动化 班级 12级自动化卓越班 姓名刘安睿劼汪峰丁玉梦 学号 120503 120503 1205031035 老师储忠 成绩
电容式传感器的应用与发展 摘要：电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。它不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大，应用于压力、位移、液位、料面、成分含量等方面的检测。由于形式多种多样，传感器电容值相差很大。电容式传感器可分为变面积变化式、变间隙式、变介电常数式三类。变面积变化式一般用于测量角位移或较大的线位移。变间隙式一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。变介电常数式常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。这种传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等一系列优点，因此占有很重要的地位。文中主要介绍了电容式传感器的工作原理,应用及发展趋势。 关键词：电容式传感器应用发展
目录 一、电容式传感器的工作原理 (1) 二．电容式传感器的应用行业 (2) 三．电容式传感器的基本方法 (3) 1.普通交流电桥 (3) 2.变压式电桥 (4) 3.双T电桥电路 (4) 4.运算放大器式测量电路 (4) 5.脉冲调制电路 (5) 6.调频电路 (5) 四．电容式传感器在具体工程中的应用 (5) 1.电容式位移传感器 (5) 2.电容式转速传感器 (6) 3.电容式加速度传感器 (6) 4.电容式液位传感器 (6) 5.电容式湿度传感器 (7) 6.电容式测厚仪 (7) 五．电容式传感器的发展趋势 (7) 1.智能化 (7) 2. 微型化 (8) 六、参考文献 (8)
《嵌入式系统与应用》期末考试题A卷 班级：学号：姓名： 一、名词解释：（每题5分） 1、什么是嵌入式系统 答：嵌入试系统以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于对应用系统的功能，可靠性，成本，体积，功耗有严格要求的专用计算机系统。 2、Samba服务器及其功能 答：samba是在Linux/UNIX系统上实现SMB协议的一个免费软件，以实现文件共享和打印机服务共享，工作原理与windows的网上邻居很类似。 3、vi有哪3种工作模式，之间如何切换，其作用分别是什么？答：1.命令行模式：用户在用vi编辑文件时，最初进入的为一般模式。在该模式中可以通过上下移动光标进行“删除字符”或整行删除“等操作，也可以进行”复制“，“粘贴”等操作，但无法编辑文字。 2.插入模式：在该模式下，用户才能进行文字编辑输入，用户可按ESC键回到命令行模式。 3.底行模式：在该模式下，光标位于屏幕的底行。用户可以进行文件保存或退出操作，也可以设置编辑环境，如何找字符串，列出行号等。 4、ARM11的两种工作状态分别是什么？
答：第一种为ARM状态，此时处理器执行32位的字对齐的ARM 指令。 第二种为THUMB状态，此时处理器执行16位的半字符对齐THUMB指令。 二、ARM指令注释：（每题10分） 1、逐行注释并用C语言代码实现以下指令的功能： CMP R0，R1 ；比较指令R0减去R1 ADDHI R0，R0，#1 ；加法指令 ADDLS R1，R1，#1 ；加法指令 C语言代码： 2、逐行注释并用C语言代码实现以下指令的功能： CMP R0，#10 ；比较R0是否为10 CMPNE R1，#20 ；若不为10，比较R1是否为20，如果R0=0，跳过下面这两句 ADDNE R0，R0，R1 ；若R0不为10且R1为1，执行R2=R0+R1，否则继续往下执行 C语言代码：
嵌入式系统及应用习题 第一章操作系统概述 1.什么是嵌入式系统？ 2.简述嵌入式系统的发展过程。 3.嵌入式系统有哪些特点？ 4.嵌入式系统的应用领域有哪些？ 5.举出几个嵌入式系统应用的例子，通过查资料和独立思考，说明这些嵌入式系统产品主要由哪几部分组成，每个组成部分完成什么功能。（提示：数码相机、办公类产品、工业控制类产品的例子等。） 6.通过查阅资料，你认为嵌入式系统的发展趋势如何？ 第二章嵌入式系统基础知识 1.从硬件系统来看，嵌入式系统由哪些部分组成？ 2.从软件系统来看，嵌入式系统由哪几部分组成？ 3.嵌入式处理器的按体系结构分哪几类？ 4.半导体存储器分为哪几种？说明它们的特点及用途。 5. 嵌入式软件体系结构有哪几种类型，优缺点如何？ 6. 嵌入式系统产品开发一般包括哪几个阶段？每一个阶段的主要工作有哪些？ 7.嵌入式系统主要由软件和硬件两大部分组成，其中有的功能可以用软件实现，又可以用硬件实现，那么软件和硬件的划分一般有哪些原则？举出几个同一个功能既可以用软件实现，又可以用硬件实现的例子。 大作业1： 选择一个嵌入式系统产品（如手机、PDA、工业控制产品、智能家用电器等），利用本章学过的知识，假设你是系统的总设计师，那么你认为应该如何运作这个产品的开发，直到把产品从实验室推向市场。 提示：题目较大，嵌入式系统开发包括需求分析、设计、实现、测试等方面。在实现方面，不必把产品开发出来（即不必设计电路图，不必编写程序代码，只需概括地写出软件硬件需要完成的工作即可）。 第三章嵌入式系统平台构建 1.嵌入式系统的硬件有哪几个组成部件？ 2.通用处理器与嵌入式处理器有哪些相同和不同的地方？ 3.常用的嵌入式处理器、控制器、数字信号处理器有哪些？各自有什么特点，通常适用于哪些方面的应用？除了书上介绍的嵌入式处理器之外，你还能提供哪些嵌入式处理器（型号和制造商）？ 4.设计嵌入式系统时，.选择嵌入式处理器需要考虑哪些因素？ 5.嵌入式操作系统有哪些特点，怎样选择嵌入式操作系统？ 6. 举例说明ARM处理器和ucos操作系统的应用。 7. 说明S3C44B0X存储空间的分配。 第四章 ARM嵌入式微处理器体系结构 1. ARM处理器的特点有哪些？ 2. 简述ARM处理器的工作状态。 3. 简述ARM处理器的7种运行模式。
湖南文理学院 课程设计报告 课程名称：嵌入式系统课程设计专业班级：自动化2班 学生姓名：石扬 指导教师：杨民生 完成时间： 报告成绩：
序 基于嵌入式系统的无线传感器网络的应用研究 随着半导体技术、传感器技术、嵌入式技术以及通信技术的飞速发展，具有感知、计算、存储和通信能力的无线传感器网络的应用越来越广泛。无线传感器网络作为一种嵌入式设备能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息，并加以处理。本文提供了一种基于CC2420的无线传感器网络的硬件节点设计方案,通过选择芯片,设计硬件接口,构建了一个完整的无线传感器网络节点。经仿真调试,该节点在试验中应用良好,电路板可以实现两个节点间的通信,能由LED指示发送、接收或应答信息,基本达到了设计要求,在煤矿监控系统的实验中应用良好,能采集精度较高的温度、压力等数据信息,并实现准确的数据交互,实现了传感器网络所需的外形小、集成度高、低功耗,为将来实际应用研究提供了一个实验平台,具有一定的应用价值。
目录 1.设计要求 (2) 2.设计的作用与目的 (2) 3.无线传感器网络应用研究的设计方案 (4) 3.1 体系结构 (4) 3.2 节点结构 (5) 4.系统硬件设计 (5) 4.1 无线传感器网络节点组成及工作流程 (5) 4.2 无线传感器网络节点设计 (6) 4.2.1 处理器模块 (7) 4.2.2 通信模块 (8) 4.2.3 能量供应模块 (11) 5.设计流程 (11) 6．心得体会及建议 (15) 6.1 心得体会 (15) 6.2 建议 (15) 7．参考文献 (16)
1.设计要求 无线传感器网络是集成了传感器、嵌入式系统、网络和无线通信四大技术而形成的一种全新的信息获取和处理技术它是一种新型的无基础设施的无线网络能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息并对其进行处理、传送到需要这些信息的用户。 2.设计的作用与目的 无线传感器网络在环境、健康、家庭和其他商业领域有广阔的应用前景，在军事、空间探索和灾难拯救等特殊领域有其得天独厚的技术优势。以军事应用为例，传感器网络将会成为C41SRT系统不可或缺的一部分。C41SRT系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统．受到了军事发达国家的普遍重视。因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过网关将数据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图。在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至关重要的，通过铺设传感器网络，以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防；当然，也可以直接将传感器节点撤向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息，传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。 在生物和化学战中，利用传感器网络及时、准确地探侧爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达系统相
电容式传感器的应用实例 ——电容式传感器在手机上的应用 制作人：
摘要：随着传感器不断的发展与成熟，电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，在农业、工业等领域的发展作出突出贡献。电容式传感器作为一项前途广阔的新型技术，日益受到人们的重视。 电容式感测技术在手机触摸屏中的应用 引言 电容传感技术投入应用已长达一个世纪，它具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，具有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性。 电容式感测用户界面正作为手机中机械按键的一种实用的创新替代方案脱颖而出。虽然电容式传感器可被视作传统按键的简易替代方案，但该技术不仅仅是半球型开关的一种升级。当手机采用触摸式传感器来实现时，手机制造商在设计中可获得一种令人激动的崭新的外观感觉选择。 利用电容式传感器，手机按键，即键垫（key mat），无需移动式元件就可以实现，这样会形成平顺光滑的接触表面。此外，设计人员还可在机械按键顶端选用电容式感测，轻按会触发电容式传感器，重按则激活机械开关。 整合了这种技术的手机不仅能感测手指的位置，还能感测到手指对按键施加压力的轻重。轻按可能与电话号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打电话。 近年来手机设计中出现的最引人注目的趋势之一是电容式传感器和透明导体的结合。这种透明键垫为设计人员提供了许多具创造性的选择。 手指电容 所有电容式触摸传感系统的核心部分都是一组与电场相互作用的导体。在皮肤下面，人体组织中充满了传导电解质(一种有损电介质)。正是手指的这种导电特性，使得电容式触摸传感成为可能。
浅谈嵌入式系统的发展现状与应用前景 （检测技术与自动化装置卜庆贵2010080111） 1嵌入式系统的定义与特点 1.1定义 嵌入式系统(Embedded System)，就是功能比通用计算机专门化，具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的，合适的运算速度，高可靠性和较低比较成本的专门计算机系统。 英国电机工程师协会的定义为：嵌入式系统为控制、监视或辅助设备，机器甚至工厂运作的装置。它具备了下列特性：通常执行特定功能；以微电脑与周边构成核心，严格的时序与稳定度的要求。全自动操作循环。 我国定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性．成本，体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 1.2 特点 嵌入式系统的主要特点在于系统内核小、专用性强、具有高适时性和高可靠性。根据应用需求对软硬件进行裁剪，在满足用户功能的基础上，最大限度地追求系统的可靠性、成本、体积是嵌入式技术研究的目标；建立相对通用的硬件基础，根据应用需求挂接输入检测和输出控制模块，然后在其上量身定制操作系统，再开发满足具体需求的应用软件，是嵌入式应用系统开发的一般模式。
2嵌入式系统的分类 目前嵌入式系统除了部分为32位处理器外，大量存在的是8位和16位的嵌人式微控制器（blCul）．嵌入式系统是计算机应用的另一种形态，它与通用计算机应用不同在于：嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各装置、产品和系统之间的一种软硬件高度专业化的特定计算机系统。目前根据其发展现状．嵌人式计算机可以分成下面几类： （1）嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中．将微处理器装配在专门设计的电路板上．只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求．嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在上作温度、抗电磁下扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 （2）嵌入式微控制器 嵌人式徽控制器义称单片机。嵌入式徽控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM—PROM、RAM、总线、总线逻辑、定时，计数器、看门狗、I／O、串行口、脉宽调制输出、MD、D／A、RAM、E2PROM 等各种必要功能和外故。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内枝都是一样的．不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配．功能不多不少．从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比．微控制器的最大特点是单片化体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。（3）嵌入式DSP处理嚣 DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计．使其适合于执行DSP
电容式传感器的应用 关键词：电容式传感器、应用 电容式传感器是一种将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器。它结构简单，体积小，分辨率高，具有平均效应，测量精度高，可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，广泛应用在压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分以及石油油品含水量等方面的测量，是一种具有良好发展前景的传感器。 1.1加速度传感器 电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。 加速度传感器主要用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面。当车辆在极度不平的路面行驶时，车辆的扭振可能会通过传动系传到发动机曲轴，造成曲轴转速信号的变化，引起误判失火。对于上述情况，1991年加州法规中规定：“当失火无法与其它作用区分时，当最好的诊断技术和方法在某些特定的条件下无法工作时，失火诊断系统可以不工作”。而到目前为止，大多数研究者都是采用曲轴转速不均匀性诊断失火的方法，所以上述规定是针对发动机在显示低负荷和车辆在不平路面行驶时的情况。加速度传感器的输出就是作为关闭失火诊断的阀值。ECU中定义了一个垂直方向的加速
度极限值，凡是超过这个加速度范围的，就有可能出现失火的误判，这个时候就应该关闭失火诊断功能。 加速度传感器可以检测上下左右的倾角的变化，因此通过前后倾斜手持设备来实现对游戏中物体的前后左右的方向控制，就变得很简单。 用加速度传感器检测手持设备的旋转动作及方向，实现所要显示图像的转正。 GPS系统是通过接收三颗呈120度分布的卫星信号来最终确定物体的方位的。在一些特殊的场合和地貌，如遂道、高楼林立、丛林地带，GPS信号会变弱甚至完全失去，这也就是所谓的死角。而通过加装加速度传感器及以前我们所通用的惯性导航，便可以进行系统死区的测量。对加速度传感器进行一次积分，就变成了单位时间里的速度变化量，从而测出在死区内物体的移动。 1.2电容式位移传感器 电容式位移传感器主要用于解决下述各种测量问题：压电微位移、振动台，电子显微镜微调，天文望远镜镜片微调，精密微位移测量等。 1.3自动化生产设备上 全自动硬胶囊填充机简要运行流程如下:首先空壳硬胶囊由料斗灌入设备，装在料斗里的硬胶囊随着机器的运转，逐个进入料斗下方顺序装置的顺序叉内，经过胶囊导槽和拨叉的作用使胶囊调头，机器每动作一次，释放一排胶囊进人模块孔内，并使其体（长度较长的半