3.6.6 嵌入式系统的发展趋势
从20世纪90年代开始，嵌入式系统发展越来越迅猛，应用面日益广阔。在信息家电、消费电子领域，嵌入式应用更是无所不在。在嵌入式硬件方面，随着半导体技术的发展，出现了更多适宜嵌入式应用的产品。各种嵌入式处理器已有上千种，有很多产品采用了诸如流水线技术、哈佛结构、多核技术等先进的体系结构，它们可用于一些高端的嵌入式产品中。
在嵌入式软件方面，嵌入式操作系统（RTOS）、集成开发环境、IP构件库、嵌入式网络协议栈、嵌入式移动数据库以及嵌入式应用程序设计等方面都有了很大发展。目前仅RTOS就有上百种之多，VxWorks、WindowsCE、PalmOS、RTI、Linux、PSOS、OS-9等都是非常成功的嵌入式操作系统，它们广泛应用于工业控制、军事电子、信息家电和消费电子等领域。基于Linux开发的各种RTOS也被越来越多地应用于各种嵌入式系统中。
各种集成开发环境被普遍应用于嵌入式系统开发过程中，在五花八门的嵌入式应用中被广泛使用。
随着嵌入式系统的广泛应用，嵌入式系统软硬件开发中的一些制约因素也体现出来，它们对嵌入式系统的开发成本、开发周期以及开发难度都有影响。这些因素主要包括以下一些。
①从事嵌入式系统开发的门槛较高。嵌入式系统开发涉及的知识面广、综合性强、实践性强，学科发展又快，因而学习难度较大，难以在近期形成一个简单明确的知识体系。开发人员需要具备一定的软硬件知识，特别是要了解和掌握目前广泛使用的32位RISC处理器的体系结构，并熟练掌握RTOS及其开发环境和开发工具。
②嵌入式系统设计受成本、功耗和上市时间等众多因素的制约。其设计方法涉及软硬件协同设计、系统级设计、数字系统设计等多个层次。涉及系统需求描述、软硬件功能划分、系统协同仿真、优化、系统综合等多个全新的问题。要求掌握计算机系统结构、操作系统、SoC系统设计、EDA工具等多个领域的知识。
③嵌入式硬件平台（嵌入式处理器）和软件平台RTOS种类繁多，选择、学习和掌握都具有一定的难度，又没有统一的开发标准，使得移植工作难度加大。
④开发环境和开发工具的抽象程度较低，这在很大程度上影响了开发成本和进度，使得产品上市时间推迟。
以信息家电、消费电子、智能控制设备为代表的具有网络特征的嵌入式产品，为后PC时代IT工业带来了广阔的市场前景，同时也给嵌入式系统的发展提出了新的挑战。
总的来说，嵌入式系统将向着更高性能、更小体积、更低功耗、更廉价、无处不在的方向发展。嵌入式系统的设计和实现朝着基于芯片，特别是系统级可编程芯片（SOPC）的方向发展。为了降低研制难度，常采用融微处理器技术、数字信号处理技术、可编程系统级芯片设计和软硬件协同设计技术于一体的嵌入式系统的设计方法。这样可以提高嵌入式系统的开发效率和质量，缩短产品进入市场的周期。
今后，嵌入式系统发展的主要方向为：
①开放式平台架构，易于与其他系统整合；②体积越来越小，性能要求更稳定，成本更低廉；③应用趋向多元化，需要小批量、快速定制化的服务；④嵌入式操作系统从可用型、通用型向可定制型、优化型转变，可定制嵌入式操作系统（Customized Embedded Operating System，CEOS）是嵌入式操作系统的发展趋势；⑤集成开发环境的开放式，抽象程度更高，调试工具方便易用；⑥嵌入式软件开发将是以面向对象技术为基础，采用软件复用、基于组件及集成化计算机辅助软件工程互为协同的开发方法。
3.7 机电一体化接口技术
从物流自动化系统机电结合的本质上讲，机电系统化的本质就是接口技术。随着各种单元技术的发展和完善，子系统之间的接口显得越来越重要。接口技术就是要研究各子系统之间的连接问题，使信息、能量在各子系统之间顺利流动，达到系统整体上的最优化。对接口要求，不仅仅是连接各个子系统，更重要的是通过接口将各子系统的特性和优点有机地融合在一起，扬长避短，从而实现各子系统单独都无法实现的新功能，达到系统最优化。因此，系统性能在很大程度上取决于接口性能。各子系统之间的接口性能成为判断系统整体性能好坏的决定因素。接口技术的研究对象正是机电自动化系统中的各种接口。机电接口包括硬件接口和软件接口两大类。硬件接口主要在子系统之间或人与系统之间建立物理连接，为信息和能量的输入/输出、传递和转换提供物理通道。软件主要是提供系统信息交互、转换、调整的方法和过程，协调和综合机电组成技术，使各子系统集成并融合为一个整体，实现新的功能。接口技术的深入研究对物流自动化系统的发展至关重要。
机电系统的接口根据输入/输出的关系，可以分为人机接口、机电接口、机械接口、电气接口和软件接口（信息接口）。
人机接口是主要解决人与机电系统之间的接口。通过人机接口，可以向系统输入操作指令。系统的运行状态也可以通过输出器件显示出来，便于操作者监视系统的运行状态，控制其运行过程。人机接口是双向互动的。接口硬件包括输入/输出设备，主要有键盘、拨码开关、按钮、触摸屏、LED、LCD显示屏、打印机等。高级人机接口还包括语音识别、指纹识别、虹膜识别、面部识别等。
机电接口主要解决动力源与驱动装置之间的能量转换接口。机电系统中的驱动装置有各种交、直流电动机，液压执行装置，气动执行装置和其他新型执行装置。驱动这些装置需要用到机电接口。
电气接口主要解决控制系统与驱动系统、驱动系统与传感器、传感器与控制系统之间的接口。也就是说，电气接口将传感器输出的信号进行转换，输入到控制系统中，将控制系统输出的数字量信号转换为驱动系统所需要的信号。这些信号的转换都是通过软件进行的。
软件接口主要解决不同总线、不同程序之间的信息格式转换。例如，ISA总线与USB总线的转换、Windows下的设备驱动程序、不同语言之间的混合编程等。
机械接口技术是主要解决执行机构和驱动系统之间的接口。机械接口有零接口和被动接口两种。零接口直接将执行机构和驱动系统连接，不进行能量和运动的变换，例如用联轴器将电动机轴和执行机构直接连接。被动接口要进行能量的转换和运动的变换，例如用滚珠丝杠将直线运动转化为旋转运动或将旋转运动变换为直线运动，用减速器进行减速增矩。
随着机电技术的发展，系统的智能化程度越来越高，系统也变得越来越复杂。不仅系统之间的接口变得复杂，系统内部之间的接口也很复杂。从国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动态来看，机电接口技术将朝着以下方向发展。
①标准化。机电系统的发展趋势之一是模块化。模块化的必然要求是标准化，使不同的模块具有一致的接口规范。接口在保持一致性的前提下，还要保证能量、信息的顺畅流动。
②智能化。智能化是现代机电系统与传统机械自动化的根本区别，也是接口技术发展的主要方向。接口不再简单地进行能量和信息的传递，而是向着信息采集、处理的智能化方向发展。
③微型化。微型化是机电系统发展的趋势之一，它是机械技术和电子技术在纳米尺度上相融合的产物。微型机电系统的构成同普通机电系统有很大的不同，其接口也趋向于微型化。
④人性化。未来的机电系统更加注重与人的关系，接口除了满足技术要求外，还要注重人的心理感受，提高产品与人和环境的友好性，提高产品的可靠性和安全性，将人与系统有机地融合在一起，形成新的光机电一体化系统。
⑤网络化。网络使时间和空间距离缩短，未来的接口技术在网络化方面应有较大的作为。
3.7.1 常用机械接口
机械接口的主要功能是传递能量和运动。因此，它实际上是一种力、速度变换器。
在机电系统中，机械接口主要解决机械系统和电气系统的匹配，包括传递动力、改变运动方向等。根据输入输出参数是否变换和调整，机械接口划分为零接口和被动接口两类。
零接口，如联轴器，其输入输出之间的参数基本没有变化，属于直接连接。被动接口中输出端的参数会发生变化，如精密齿轮系（谐波齿轮）传动，转速和转矩都会发生改变。
1.机械零接口
机械零接口是指直接的输入输出，不进行参数的转换和调整。联轴器就是零接口的典型部件。根据联轴器有无弹性元件，对各种相对位移有无补偿能力，即能否在发生相对位移条件下保持连接功能，以及联轴器的用途等，联轴器可分为刚性联轴器、挠性联轴器和安全联轴器。在动力和运动的传递过程中，联轴器用于连接输入轴和输出轴。但由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化等的影响，被连接的两轴往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移，这就要求设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的性能。
刚性联轴器是由刚性传力件构成，各连接件之间不能相对运动，因此不具备补偿两轴线相对偏移的能力，只适用于被连接的两轴在安装时能严格对中，工作时不产生两轴相对偏移的场合。刚性联轴器无弹性元件，不具备减振和缓冲功能，一般只适宜用于载荷平稳并无冲击振动的工况条件。刚性联轴器包括套筒联轴器、凸缘式联轴器、夹壳联轴器、径向键凸联轴器等。
凸缘式联轴器具有结构简单、工作可靠、装拆方便、刚性好和传递转矩大等优点，是刚性联轴器中最常用的一种联轴器。两个带有凸缘的半联轴器用键分别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连接成一体，以传递运动和转矩。根据连接螺栓与螺栓孔的配合方式，凸缘联轴器又可分为两种类型：一种是连接螺栓采用A级或B级的普通螺栓，依靠半联轴器上的凸肩与凹槽相配合而对中，此时螺栓杆与螺栓孔壁间存在间隙，转矩靠半联轴器接合面的摩擦力矩来传递。这种凸缘加工方便，但装拆时需沿轴向移动。另外一种是连接螺栓为配合螺栓，此时螺栓与螺栓孔为过渡配合，靠螺栓杆承受挤压与剪切应力来传递转矩。凸缘联轴器是刚性联轴器的一种，不能缓冲吸振和补偿安装误差，因此常用于转速不高、载荷平稳的场合。
挠性联轴器，根据有无弹性元件划分为弹性联轴器和无弹性元件联轴器。无弹性元件的挠性联轴器包括齿式联轴器、万向联轴器、链条联轴器、滑块联轴器等。其不仅能传递运动和转矩，还具有不同程度的轴向、径向、角向补偿性能。弹性联轴器，包括各种非金属弹性元件挠性联轴器和金属弹性元件挠性联轴器，能传递运动和转矩，具有不同程度的轴向、径向、角向补偿性能，还具有不同程度的减振、缓冲作用，改善传动系统的工作性能。挠性联轴器能够补偿两轴间某种相对位移，通常用于两轴有位移的场合。弹性联轴器中的弹性元件具有储存能量、弹性滞后性能，能起到缓冲作用。无弹性元件的挠性联轴器只能补偿两轴间的相对位移，没有减振和缓冲能力。
十字滑块联轴器是典型的无弹性元件的挠性联轴器，它由两个半联轴器和一个中间圆盘组成。中间圆盘两端的凸块相互垂直，构成一个“十”字，并分别与两半联轴器的凹槽相嵌合，凸块的中线通过圆盘中心。中间圆盘的凸块在半联轴器的凹槽内滑动，可以补偿两轴的相对位移，因此对凹槽和凸块的工作面的硬度要求较高，并需加润滑剂。转速高时易磨损，且附加载荷大，故只宜用于低速场合。
齿轮联轴器是另一种无弹性元件的挠性联轴器，由两个具有外齿的半联轴器和两个具有内齿的外壳组成，外壳与半联轴器通过内、外齿的相互啮合而连接。轮齿间留有较大的齿侧间隙，外齿轮的齿顶做成球面，球面中心位于轴线上，转矩靠啮合的齿轮传递。
齿轮联轴器能补偿两轴的综合位移，传递较大的转矩，但结构较复杂，制造较困难，在重型机器和起重设备中应用较广。
其他的无弹性元件的挠性联轴器还有万向联轴器等。
有弹性元件的联轴器（弹性联轴器）因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的相对位移，还具有缓冲减振能力。当弹性元件所能储蓄的能量越多，则联轴器的缓冲能力就越强；当弹性元件的弹性滞后性能与弹性变形时零件间的摩擦功越大，则联轴器的减振能力也就越好。因此，目前在频繁启动、受变载荷的高速运转、经常反向和两轴不便于严格对中的地方，这类联轴器应用很广，品种亦越来越多。
制造弹性元件的材料有非金属和金属两种。非金属有橡胶、塑料等，其特点为质量小、价格便宜，有良好的弹性滞后性能，因而减振能力强。金属材料制成的弹性元件（主要为各种弹簧）则强度高、尺寸小、寿命较长。金属弹性联轴器有蛇形弹簧联轴器、膜片联轴器、波纹管联轴器和梅花型无齿隙联轴器等多种。
