Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » Устройства автоматики » Что такое встроенные системы, где они применяются и как разрабатываются
Количество просмотров: 11674
Комментарии к статье: 10


Что такое встроенные системы, где они применяются и как разрабатываются


Встроенная система (Встраиваемая система, Embedded System) - это устройство, содержащее внутри себя компьютер, но не выглядящее как компьютер. Стиральные машины, телевизоры, принтеры, автомобили, роботы - все они управляются каким-то компьютером, а иногда и не одним.

Это компьютерная система, состоящая из надлежащим образом подобранных аппаратных и программных компонентов, часто разработанная для конкретного программного приложения. Встроенная система отвечает за выполнение своих функций и влияет на способ общения с пользователем.

Еще одно определение: Встроенная система - это система аппаратного и программного обеспечения на базе микропроцессора или микроконтроллера, предназначенная для выполнения специальных функций в более крупной механической или электрической системе.

В этой статье представлена ​​информация о различных аспектах современных встроенных систем.

Разработка встраиваемых систем

Что такое встроенная система?

Сегодня сложно представить современное мультимедийное электронное оборудование без возможности свободно выбирать параметры музыки, которую вы слушаете, или изображения, которое вы смотрите. Это возможно благодаря использованию микропроцессоров, управляющих работой этих устройств и размещенных внутри них (отсюда и название: Embedded System).

Компьютерные системы как сложные цифровые системы впервые были использованы для автоматизации вычислительных процессов по определенному алгоритму. Однако автоматизация может касаться не только вычислительных процессов. Следовательно, отправной точкой для разработки встраиваемых систем являются две дисциплины: автоматизация и информатика.

Встраиваемые системы, Embedded Systems

Комбинация методов и инструментов, используемых как в автоматизации, так и в информационных технологиях, позволила достичь совершенно нового качества. Несомненно, основной исходный контент содержится в термине: "Компьютерные системы управления". Они включают анализ и оценку компьютерных систем с точки зрения реализации управления объектами и процессами, а также необходимых требований к программному обеспечению для этих систем.

Развитие компьютерных систем и растущие требования к качеству контроля привели к появлению двух направлений в специализированных решениях для контроля. Это программируемые логические контроллеры (ПЛК) и микроконтроллеры. На основе этих тенденций создаются специализированные системы, которые выполняют все функции управления объектами или процессами и тесно связаны с ними.

Введение во встроенные системы

Встроенная система должна соответствовать определенным требованиям, которые строго определены. Поэтому ее нельзя назвать типичным многофункциональным персональным компьютером.

Каждая встроенная система основана на микропроцессоре (или микроконтроллере), запрограммированном на выполнение ограниченного числа задач или даже только одной задачи.

В зависимости от назначения он может содержать программное обеспечение, предназначенное только для данного устройства (прошивка) или операционная система со специализированным программным обеспечением. Обычно это определяется степенью надежности, которую должна предложить встроенная система.

Как правило, чем менее сложным и специализированным является программное обеспечение, тем надежнее система и позволяет быстрее реагировать на критические события.

Надежность системы можно повысить за счет разделения заданий на более мелкие подсистемы, а также за счет резервирования, которое может заключаться в использовании двух идентичных устройств для одной задачи, одно из которых берет на себя задачи другого в случае его сбоя.

Полезная электроника своими руками, электронные самоделки в Telegram: Практическая электроника на каждый день

Где применяются встроенные системы?

Встроенные системы используются во многих сферах жизни, и область их применения, наряду с техническим прогрессом, постоянно расширяется.

Такие решения можно найти в измерительном оборудовании, в том числе осциллографах, анализаторах спектра, в автомобилях (например, бортовые компьютеры), компьютерном оборудовании (жесткие диски, оптические приводы, маршрутизаторы), в решениях для телекоммуникаций, в так называемых интеллектуальных зданиях, в устройствах, используемых в медицинской диагностике, системах управления полетом, а также, естественно, в станках с ЧПУ, роботах и промышленных машинах и ряде систем управления в автоматизации.

Мобильные телефоны и информационный киоск

Мобильные телефоны, телевизоры, плееры, бытовая техника, термостаты, кондиционеры, банкоматы, информационные киоски, мультимедийные и интерактивные развлекательные системы, игровые приставки, игровые автоматы, принтеры, копировальные аппараты, калькуляторы, спутниковые навигационные системы, светофоры, системы сигнализации для защиты людей и имущества, например, противовзломные, охранные, пожарные - это наиболее характерные примеры встроенных систем.

Сложность этого типа решений очень разнообразна - от простых потребительских систем на основе маломощных микроконтроллеров до многопроцессорных распределенных систем, используемых в робототехнике или на железных дорогах.

Главной особенностью, которая отличает встроенные системы от других компьютерных систем, является, помимо специализированного характера, качество программного обеспечения и используемых аппаратных компонентов.

Встроенная система из-за области ее применения также должна быть полностью протестирована и стабильна - программные ошибки здесь могут иметь катастрофические последствия.

Светофоры

История встроенных систем

Первой современной встроенной вычислительной системой реального времени был компьютер Apollo Guidance Computer, разработанный в 1960-х годах доктором Чарльзом Старком Дрейпером из Массачусетского технологического института для программы Apollo. Управляющий компьютер Apollo был разработан для автоматического сбора данных и выполнения критически важных расчетов для командного модуля Apollo и лунного модуля.

Apollo Guidance Computer

Apollo Guidance Computer

В 1971 году Intel выпустила первый коммерчески доступный микропроцессор - Intel 4004, для которого все еще требовались микросхемы поддержки и внешняя память.

В 1978 году Национальная ассоциация производителей машиностроения выпустила стандарт для программируемых микроконтроллеров, улучшив конструкцию встроенных систем и к началу 1980-х компоненты системы памяти, ввода и вывода были интегрированы в тот же чип, что и процессор, образуя микроконтроллер.

Встроенная система на основе микроконтроллера будет впоследствии включена во все аспекты повседневной жизни потребителей, от устройств чтения кредитных карт и сотовых телефонов до светофоров и термостатов.

Как работает встроенная система?

Встроенные системы управляются микроконтроллерами или процессорами цифровых сигналов (DSP), специализированными интегральными схемами (ASIC), программируемыми логическими матрицами (FPGA). Эти системы обработки интегрированы с компонентами, предназначенными для работы с электрическими и / или механическими интерфейсами.

Инструкции по программированию встроенных систем, называемые микропрограммами, хранятся в постоянном запоминающем устройстве или микросхемах флэш-памяти, работающих с ограниченными аппаратными ресурсами компьютера. Встроенные системы соединяются с внешним миром через периферийные устройства, связывая устройства ввода и вывода.

Микросхема для создания встроенного устройства

Как разрабатываются встроенные системы?

Проектирование и создание встроенных систем не укладывается в существующие рамки стандартных дисциплин, с которыми эти решения связаны. Обязательно требуются знания как электроники, так и информатики. Несомненно, наиболее правильным решением было бы заняться вопросами разработки встраиваемых систем после получения подготовки также в области автоматизации и управления, а также мехатроники и робототехники.

Проектирование встроенной системы включает в себя как разработку специального аппаратного уровня, так и соответствующего программного обеспечения. В последнем можно разделить системную область и область приложения.

Системный уровень создает среду выполнения для встроенного приложения и, в зависимости от области приложения, имеет разную степень сложности. Для простых встроенных систем с закрытой не масштабируемой архитектурой системный уровень не является строго отдельным и не содержит механизмов для поддержки разработки приложений.

Передовые системы для медицины, авиации, телекоммуникаций и робототехники реализованы на основе специальных операционных систем или библиотек, которые содержат механизмы и функции, облегчающие разработку приложений и тестирование системы. Тем не менее, разработчик должен расширить системный уровень специальными драйверами.

Умный чайник

Успех всего проекта во многом зависит от функциональности и удобства использования приложения. Создание встроенной системы требует анализа требований, разработки соответствующей архитектуры и ее сознательной декомпозиции.

Любая ошибка или игнорирование определенных требований на начальных этапах проекта может привести к провалу всего проекта. Плохие дизайнерские решения часто влекут за собой необходимость модификации не только программного, но и аппаратного обеспечения.

В случае систем для критических приложений также существует проблема безопасности, то есть в основном устойчивость системы к сбоям оборудования, электромагнитным помехам и ошибкам реализации.

В случае, если спроектированная система является сложной, например, система управления роботом на производственном предприятии, проект превращается в сложное логистическое мероприятие, требующее координации работы нескольких различных команд инженеров.

Пример встроенных систем

Будущие тенденции встраиваемых систем

Согласно последнему отчету Global Market Insights, рынок встраиваемых систем растет - в настоящее время его стоимость превышает 12 миллиардов долларов США, а, по оценкам, к 2025 году он вырастет до 20 миллиардов долларов США. Согласно прогнозам, растущий спрос на Linux и операционные системы реального времени (ОСРВ) с открытым исходным кодом обеспечит значительный рост рынка встроенного программного обеспечения.

Ожидается, что индустрия встраиваемых систем будет продолжать быстро расти благодаря постоянному развитию искусственного интеллекта (AI), виртуальной реальности (VR) и дополненной реальности (AR), машинного обучения, глубокого обучения и Интернета вещей (IoT).

В основе встроенных систем ближайшего будущего будут лежать такие тенденции, как снижение энергопотребления и повышение безопасности встроенных устройств, а также активное использование облачных технологий, приложений для глубокого обучения и инструментов визуализации данных в режиме реального времени.

Андрей Повный

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Устройства автоматики

Подпишитесь на наш канал в Телеграм "Автоматика и робототехника" (современные технологиии, инновации и будущее автоматизации). Нажмите на ссылку ниже и будьте в центре событий в мире автоматики: Автоматика и робототехника 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Обучение программированию контроллеров: автоматизация технологических проце ...
  • Что такое SCADA
  • Сколько микроконтроллеров в современном автомобиле?
  • Как Factory I/O можно использовать для изучения программирования контроллер ...
  • Основные элементы систем управления освещением, их принципы работы и возмож ...
  • Использование модулей на основе Bluetooth 4.0 BLE для реализации удаленного ...
  • Карьера в автоматизации: перспективы и возможности для успешной профессиона ...
  • Реле, управляемые через интернет
  • Искусственный интеллект в электроэнергетике на практике
  • Автоматизация зданий, датчики в автоматизированных зданиях
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » Устройства автоматики

    Internet of Things, Медицинские технологии, Встраиваемые системы, Андрей Повный – все статьи

      Комментарии:

    #1 написал: Сергей |

    На мой взгляд, разработка встраиваемых систем это один из самых перспективных видов деятельности в будущем. Это очень интересное направление, связанное с современными технологиями!

      Комментарии:

    #2 написал: Павел |

    Отличная статья. На практике работа специалиста встраиваемых систем обычно означает работу над кодом, который выполняется на микроконтроллере, который может взаимодействовать с целым рядом периферийных устройств низкого уровня. Bluetooth, сотовая связь и другие протоколы связи также широко используются в различных встраиваемых системах.

      Комментарии:

    #3 написал: Станислав Дудинский |

    Я думаю стать студентом-электриком, но в моем университете есть еще одна интересная мне инженерная специальность. Я пытаюсь понять, что это. Над чем будет работать инженер по встроенному программному обеспечению? Может ли инженер ли такой инженер сделать программное обеспечение, которое использует ракета SpaceX, чтобы вернуться на Землю или запрограммировать БПЛА на обход препятствий? Какие еще есть примеры?

      Комментарии:

    #4 написал: Кирилл |

    Станислав Дудинский, Инженер-программист встраиваемых систем программирует любой специализированный компьютер (микропроцессор или микроконтроллер). Это компьютер в вашей микроволновой печи, компьютер, считывающий датчики в вашей машине, компьютер в аппарате ЭКГ, компьютер, который управляет источником питания, компьютер, который управляет двигателями в роботе, компьютер в контроллере видеоигры и т. д. Любое программное обеспечение, которое не работает на универсальном компьютере, сервере или мэйнфрейме суперкомпьютера. Обычно это программное обеспечение, которое взаимодействует с аналоговым миром каким-то специализированным, зависящим от приложения способом. Органы управления двигателем, данные датчиков, дисплеи, радиосвязь и все такое. На практике это обычно означает работу над кодом, который выполняется на микропроцессоре или микроконтроллере, который может взаимодействовать с целым рядом периферийных устройств низкого уровня. Bluetooth, сотовая связь и другие протоколы связи также широко используются во встроенных системах.

      Комментарии:

    #5 написал: Vadim |

    К концу 1980-х годов развитие микроэлектроники было так далеко, что наконец появилась возможность обрабатывать сигнал микропроцессором непосредственно на датчике и затем отправлять его в цифровом виде. В этот момент отдельные модули автоматики стали терять значение, и на первый план вышла связь между ними. 

      Комментарии:

    #6 написал: Николай |

    Это небольшие устройства, в которых используются простые микропроцессоры для управления электрическими и механическими функциями. Как правило, им не нужно выполнять сложные вычисления или быть чрезвычайно быстрыми, а также они не должны иметь большие возможности ввода-вывода, и поэтому они могут быть недорогими. Встроенные процессоры помогают управлять самолетами и промышленной автоматикой, они широко распространены в автомобилях, а также в больших и малых бытовых приборах. Один особый тип, цифровой сигнальный процессор (DSP) стал таким же распространенным, как и микропроцессор. DSP используются в беспроводных телефонах, цифровых телефонных и кабельных модемах, а также в некотором стереооборудовании.

      Комментарии:

    #7 написал: Артур |

    Какие языки программирования используются для разработки встроенных систем?

      Комментарии:

    #8 написал: Андрей Повный |

    Цитата: Сергей
    На мой взгляд, разработка встраиваемых систем это один из самых перспективных видов деятельности в будущем. Это очень интересное направление, связанное с современными технологиями!

    Согласен с вашим мнением, разработка встраиваемых систем действительно является одним из самых перспективных направлений. Такие системы используются в различных областях, начиная от автомобилей и бытовых приборов и заканчивая промышленными устройствами и медицинским оборудованием.

    Современные технологии, такие как интернет вещей (IoT) и искусственный интеллект (AI), также создают новые возможности для встраиваемых систем. Например, интеграция IoT-устройств в встраиваемые системы может позволить собирать и анализировать большие объемы данных, что в свою очередь может привести к более эффективному управлению системами.

    Также разработка встраиваемых систем является интересной областью для разработчиков, которые хотят работать над проектами с реальными применениями и видеть результаты своей работы в повседневной жизни.

    Цитата: Павел
    На практике работа специалиста встраиваемых систем обычно означает работу над кодом, который выполняется на микроконтроллере, который может взаимодействовать с целым рядом периферийных устройств низкого уровня. Bluetooth, сотовая связь и другие протоколы связи также широко используются в различных встраиваемых системах.
     

    Да, на практике работа специалиста в области встраиваемых систем часто включает в себя написание кода для микроконтроллеров и взаимодействие с периферийными устройствами низкого уровня. Это может включать в себя работу с датчиками, дисплеями и другими устройствами, которые необходимы для работы встраиваемой системы. Кроме того, встраиваемые системы могут использовать различные протоколы связи, такие как Bluetooth, сотовая связь, Wi-Fi и другие, для передачи данных и управления устройствами. Работа с такими протоколами также может быть частью задач специалиста в области встраиваемых систем. Кроме написания кода, работа специалиста в области встраиваемых систем может включать в себя тестирование и отладку встраиваемых систем, а также работу с железом, например, проектирование и разработку печатных плат для встраиваемых систем.
    Станислав Дудинский

    Инженер по встроенному программному обеспечению занимается проектированием, разработкой и тестированием программного обеспечения, которое встраивается непосредственно в электронные устройства, такие как микроконтроллеры, микропроцессоры, а также другие устройства встраиваемых систем.

    Этот тип инженера может работать над различными проектами, такими как автоматические системы управления производственными процессами, автомобильные системы управления двигателем и электроника, авионика и аэрокосмические системы, робототехника и многое другое.

    Ответ на ваш вопрос о том, может ли инженер по встроенному программному обеспечению создавать программное обеспечение для SpaceX или других космических проектов зависит от того, какой уровень сложности и требований к системе. Космические проекты обычно имеют очень высокие требования к безопасности, надежности и точности, и для создания программного обеспечения, которое соответствует этим требованиям, могут потребоваться специальные знания и навыки.

    Некоторые другие примеры проектов, над которыми может работать инженер по встроенному программному обеспечению, включают системы автоматического управления транспортными средствами, такими как самоуправляемые автомобили и БПЛА, системы управления промышленными роботами, системы мониторинга и контроля окружающей среды, и многое другое.

    Цитата: Артур
    Какие языки программирования используются для разработки встроенных систем?

    Для разработки встроенных систем используются различные языки программирования в зависимости от требований проекта. Некоторые из наиболее распространенных языков программирования для встроенных систем включают C, C++, ассемблер и Ada. Языки программирования, используемые для встроенных систем, часто являются низкоуровневыми и обеспечивают прямой доступ к железу, что позволяет получить максимальную производительность. Однако, в зависимости от требований проекта, также могут использоваться высокоуровневые языки, такие как Python, Java и другие.

      Комментарии:

    #9 написал: Сергей |

    Встроенные системы используются в самых разных областях, включая бытовую технику, автомобильную промышленность, медицинские устройства, аэрокосмическую промышленность и многое другое. Они часто используются для управления сложными процессами или для выполнения критически важных функций, таких как системы управления двигателем автомобиля или медицинские приборы, которые контролируют и поддерживают жизнь пациентов.

    Чтобы разработать встроенную систему, необходимо начать с определения требований к системе. Это включает в себя определение функций, которые система должна выполнять, а также определение аппаратных и программных интерфейсов, которые будут использоваться для взаимодействия с пользователем и другими системами. После определения требований можно приступить к проектированию аппаратной части системы, такой как выбор микроконтроллера или микропроцессора и разработка схемы и печатной платы. Затем разрабатывается программное обеспечение для системы, включая написание кода и тестирование. Наконец, система интегрируется и тестируется как единое целое, чтобы убедиться, что она соответствует требованиям и работает должным образом.

      Комментарии:

    #10 написал: Гость |

    Встроенные системы - это системы, которые предназначены для работы в условиях ограниченного пространства и ресурсов. Они обычно используются в промышленных, медицинских и бытовых устройствах. Встроенные системы могут быть автономными или управляться дистанционно.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.