1、嵌入式发展前景及定义与发展简史嵌入式系统的定义与发展简史一、现代计算机的技术发展史始于微型机时代的嵌入式应用电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代，微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房；基于高速数值解算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。例如，将微型计算机经电气加固、机械加固，并配置各种外围接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态
2、监测系统。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计算机系统。因此，嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。现代计算机技术的两大分支由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制
4、件通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致20世纪末、21世纪初，计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从286、386、486到奔腾系列；操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。因此，现代计算机技术
5、发展的两大分支的里程碑意义在于：它不仅形成了计算机发展的专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。二、嵌入式系统的定义与特点如果我们了解了嵌入式（计算机）系统的由来与发展，对嵌入式系统就不会产生过多的误解，而能历史地、本质地、普遍适用地定义嵌入式系统。嵌入式系统的定义按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。嵌入性”、专用性”与计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素
8、统发展。因此，可以把定义中的专用计算机系统引伸成，满足对象系统要求的计算机应用系统。三、嵌入式系统的独立发展道路单片机开创了嵌入式系统独立发展道路嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。在探索单片机的发展道路时，有过两种模式，即“濮式”与创新模式”“濮式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式，它将通用计算机系统中的基本单元进行裁剪后，集成在一个芯片上，构成单片微型计算机；创新模式”则完全按嵌入式应用要
9、求设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总线方式、管理模式等。Intel公司的MCS-48、MCS-51就是按照创新模式发展起来的单片形态的嵌入式系统（单片微型计算机）。MCS-51是在MCS-48探索基础上，进行全面完善的嵌入式系统。历史证明，创新模式”是嵌入式系统独立发展的正确道路，MCS-51的体系结构也因此成为单片嵌入式系统的典型结构体系。单片机的技术发展史单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。创新模
11、，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。四、嵌入式系统的两种应用模式嵌入式系统的嵌入式应用特点，决定了它的多学科交叉特点。作为计算机的内含，要求计算机领域人员介入其体系结构、软件技术、工程应用方面的研究。然而，了解对象系统的控制要求，实现系统控制模式
13、嵌入式系统领域，但随着后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，为计算机专业人士介入嵌入式系统应用开辟了广阔天地。计算机专业人士的介入，形成的计算机应用模式带有明显的计算机的工程应用特点，即基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用。两种应用模式的并存与互补由于嵌入式系统最大、最广、最底层的应用是传统电子技术领域的智能化改造，因此，以通晓对象专业的电子技术队伍为主，用最少的嵌入式系统软、硬件开销，以8位机为主，带有浓重的电子系统设计色彩的电子系统应用模式会长期存在下去。另外，计算机专业人士会愈来愈多地介入嵌入式系统应用，但囿于对象
14、专业知识的隔阂，其应用领域会集中在网络、通信、多媒体、商务电子等方面，不可能替代原来电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面的嵌入式应用。因此，客观存在的两种应用模式会长期并存下去，在不同的领域中相互补充。电子系统设计模式应从计算机应用设计模式中，学习计算机工程方法和嵌入式系统软件技术；计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中，了解嵌入式系统应用的电路系统特性、基本的外围电路设计方法和对象系统的基本要求等。嵌入式系统应用的高低端由于嵌入式系统有过很长的一段单片机的独立发展道路，大多是基于8位单片机，实现最底层的嵌入式系统应用，带有明显的电子系统设计模式特点。大多数从事单片机应用开发人员，都是
15、对象系统领域中的电子系统工程师，加之单片机的出现，立即脱离了计算机专业领域，以智能化”器件身份进入电子系统领域，没有带入嵌入式系统”概念。因此，不少从事单片机应用的人，不了解单片机与嵌入式系统的关系，在谈到嵌入式系统”领域时，往往理解成计算机专业领域的，基于32位嵌入式处理器，从事网络、通信、多媒体等的应用。这样，单片机”与嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的名词。但由于单片机”是典型的、独立发展起来的嵌入式系统，从学科建设的角度出发，应该把它统一成嵌入式系统”考虑到原来单片机的电子系统底层应用特点，可以把嵌入式系统应用分成高端与低端，把原来的单片机应用理解成嵌入式系统的低端应用，含
16、义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合。1.1引言目前红外技术作为一种高技术，它与激光技术并驾齐驱，在军事上占有举足轻重的地位。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段。在70年代以后，军事红外技术又逐步向民用部门转化。红外加热和干燥技术广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门。红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术。标志红外技术最新成就的红外热成像技术，它与雷达、电视一起构成当代三大传感系统，尤其是焦平面列阵技术的采用，将使它发展成可与眼睛相媲美的凝视系统。1.2红
17、外简介1.2.1红外线概述1672年，牛顿使用分光棱镜把太阳光（白光）分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光，证实了太阳光（白光）是由各种颜色的光复合而成。1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，偶然发现放在光带红光外的一支温度计，比其他色光温度的指示数值高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布：太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的热线”这种看不见的热线”位于红色光外侧，叫做红外线。这种红外线，又称红外辐射，是指波长为0.781000m的电磁波。其中波长为0.781.5呵的部分称为近红外，波长为1.51
18、0（m的部分称为中红外，波长为101000m的部分称为远红外线。而波长为2.01000口的部分，也称为热红外线。红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它在电磁波连续频谱中的位臵是处于无线电波与可见光之间的区域。这种红外线辐射是，基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大；反之，辐射的能量愈小。1.2.2红外线特性红外线具有热效应：生物体中的偶极子和自由电荷在电磁场的作用下，有按电磁场方向排列的趋势。在此过程中，引发分子，原子无规则运动加剧而产生热。当红外辐射有足够强度
19、时，即超过了生物体的散热能力，就会使被照射机体局部温度升高，这是红外线的热效应。理论分析和实验研究表明，不仅太阳光中有红外线，而且任何温度高与绝对零度的物体（如人体等）都在不停地辐射红外线。就是冰和雪，因为它们的温度也源源高与绝对零度，所以也在不断的辐射红外线。因此，红外线的最大特点是普遍存在于自然界中。也就是说，任何“热”的物体虽然不发光但都能辐射红外线。因此红外线又称为热辐射线简称热辐射。红外线和可见光相比的另一个特点是，色彩丰富多样，。由于可见光的最长波长是最短波长的1倍(780nm380nm),所以也叫作一个倍频程。而红外线的最长波长是最短波长的10倍，即具有10个倍频程。因此，如果可
20、见光能表现为7种颜色，则红外线便可能表现70种颜色，显示了丰富的色彩。红外线是一种电磁辐射，具有与可见光相似的特性，服从反射和折射定律，也有干涉、衍射和偏振等现象；同时，它又具有粒子性，即它可以光量子的形式发射和吸收。此外，红外线还有一些与可见光不一样的独有特性：红外线对人的眼睛不敏感，所以必须用对红外线敏感的红外探测器才能接收到；红外线的光量子能量比可见光的小，例如10卩m波长的红外光子的能量大约是可见光光子能量的1/20;红外线的热效应比可见光要强得多；红外线更易被物质所吸收，但对于薄雾来说，长波红外线更容易通过。1.2.3红外技术的发展19世纪：研究天文星体的红外辐射，应用红外光谱进行物
22、能探测水下40m深处的潜艇。在海湾战争中，红外技术，特别是热成像技术在军事上的作用和威力得到充分显示。第2章红外探测技术2.1红外探测器2.1.1物理学的进展与红外探测器红外辐射与物质(材料)相互作用产生各种效应。100多年来，从经典物理到20世纪开创的近代物理，特别是量子力学、半导体物理等学科的创立，到现代的介观物理、低维结构物理等等，有许多而且越来越多可用于红外探测的物理现象和效应。2.1.1.1热探测器：热辐射引起材料温度变化产生可度量的输出。有多种热效应可用于红外探测器。热胀冷缩效应的液态的水银温度计、气态的高莱池(Golaycell);温差电(Seebeck)效应。可做成热电偶和热电
23、堆，主要用于测量仪器。共振频率对温度的敏感可制作石英共振器非致冷红外成像阵列。材料的电阻或介电常数的热敏效应-辐射引起温升改变材料电阻用以探测热辐射-测辐射热计(Bolometer):半导体有高的温度系数而应用最多，常称热敏电阻。利用转变温度附近电阻巨变的超导探测器引起重视。如果室温度超导成为现实，将是21世纪最引人注目的探测器。热释电效应：快速温度变化使晶体自发极化强度改变，表面电荷发生变化，可作成热释电探测器。热探测器一般不需致冷(超导除外)而易于使用、维护，可靠性好；光谱响应与波长无关，为无选择性探测器；制备工艺相对简易，成本较低。但灵敏度低，响应速度慢。热探测器性能限制的主要因素是热绝
24、缘的设计问题。2.1.1.2光电探测器：红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子(电子或空穴)，引起电学性能变化。因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。为了达到最佳性能，一般都需要在低温下工作。光电探测器可分为：光导型：又称光敏电阻。入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。截止波长由杂质电离能决定。量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。光伏型：主要是p-n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子
25、在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差。外电路就有电压或电流信号。与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40%;不需要外加偏臵电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。光发射Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，典型的有PtSi/Si结构,形成Schottky势垒，红外光子透过Si层为PtSi吸收，电子获得能量跃上Fermi能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。充分利用Si集成技术，便于制作，具有成本低、均匀性好等优势，可做成大规模(1024X1024甚
26、至更大)焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。有严格的低温要求。用这类探测器，国内外已生产出具有像质良好的热像仪。PtSi/Si结构FPA是最早制成的IRFPA(4)量子阱探测器(QWIP):将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。90年代以来发展很快，已有512012、640480规模的QWIPGaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。因为入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高
27、；响应光谱区窄；低温要求苛刻。人们正深入研究努力加以改进，可望与碲镉汞探测器一争高低。2.1.2新技术飞速发展促进红外探测器更新换代60年代以前多为单元探测器扫描成像，但灵敏度低，二维扫描系统结构复杂笨重。增加探测元，例如有N元组成的探测器，灵敏度增加N1/2倍，一个MN阵列，灵敏度增长(MN)1/2倍。元数增加还将简化光机扫描机构，大规模凝视焦平面阵列，不再需要光机扫描，大大简化整机系统。现代探测器技术进入第二、第三代，重要标志之一就是元数大大增加。另一方面是开发同时覆盖两个波段以上的双色和多光谱探测器。所有进展都离不开新技术特别是半导体技术的开发和进步。几项具有里程碑意义的技术有：半导体精
28、密光刻技术使探测器技术由单元向多元线列探测器迅速发展，即后来称为第一代探测器。Si集成电路技术Si读出电路与光敏元大面阵耦合，诞生了所谓第二代的大规模红外焦平面阵列探测器。更进一步有Z平面和灵巧型智能探测器等新品种。此项技术还诱导产生非制冷焦平面阵列，使一度冷落的热探测器重现勃勃生机。先进的薄层材料生长技术分子束外延、金属有机化学汽相淀积和液相外延等技术可重复、精密控制生长大面积高度均匀材料，使制备大规模红外焦平面阵列成为可能。也是量子阱探测器出现的前提。微型制冷技术高性能探测器低温要求驱动微型制冷机的开发，制冷技术又促进了探测器的研制和应用。我国红外探测器研制从1958年开始，至今已40多年
29、。先后研制过PbSPbSeGe:Au、Ge:Hg、InSb、PbSnTeHgCdTePtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和热释电探测器等。随着低维材料出现，纳米电子学、光电一体化等技术日新月异，21世纪红外探测器必有革命性的进展。物理学及材料科学是现代技术发展的主要基础，现代技术飞速发展对物理学研究又有巨大的反作用。4、咼性能红外探测器-碲镉汞探测器1959年，英国Lawson等首先制成可变带隙Hg1xCdxTe固溶体合金，提供了红外探测器设计空前的自由度。碲镉汞有三大优势：1）本征激发、高的吸收系数和高的量子效率（可超过80%）且有高的探测率；2）其最吸引人的特性是改变HgCd配比调
30、节响应波段，可以工作在各个红外光谱区段并获得最佳性能。而且晶格参数几乎恒定不变，对制备复合禁带异质结结构新器件特别重要3）同样的响应波段，工作温度较高，可工作的温度范围也较宽。碲镉汞中，弱Hg-Te键（比Cd-Te键弱约30%），可通过热处理或特定途径形成P或N型，并可完成转型。其电学性质如1载流子浓度低，2少数载流子寿命长，3电子空穴有效质量比大（10.0），电子迁移率高，4介电常数小等有利于探测器性能。第一代碲镉汞探测器主要是多元光导型，美国采用60、120和180元光导探测器作为热像仪通用组件，英国则以70年代中期开发的SPRITE为通用组件。SPRITE是一种三电极光导器件，利用半导体
32、代碲镉汞探测器元数一般无法超过200。大的碲镉汞光敏阵列和Si读出集成电路分别制备并最佳化，然后两者进行电学耦合和机械联结形成混合式焦平面阵列，就是第二代碲镉汞探测器。目前国际上已研制出256&56甚至640M80规模的长波IRFPA中波红外已有用于天文的1024X1024的规模，现阶段典型产品是法国的4N系列288M扫描式FPA国内仍处于研制开发阶段。晶体碲镉汞材料也有鲜明的弱势：1）相图液线和固线分离大，分凝引起径向、纵向组分不均匀；2）高Hg压使大直径晶体生长困难，晶格结构完整性差；3）重复生产成品率低。薄膜材料的困难在于难以获得理想的CdZnTe衬底材料。人们致力于研究替代衬底，如PA
33、CE(ProducibleAlternativetoCdTeforEpitaxy)I(HgCdTdCdTe/宝石)，PACE-ll(HgCdTe/CdTe/GaAs)和PACE山(HgCdTe/CdTe/Si)。日本和法国还报道Ge衬底，目标是与MCT的晶格匹配并有利于与Si读出线路的耦合。优质碲镉汞材料制备困难、均匀性差、器件工艺特殊，成品率低，因而成本高一直是困扰碲镉汞IRFPA的主要障碍。人们始终没有放弃寻找材料的努力，但迄今还没有一种新材料能超过碲镉汞的基本优点。为满足军事应用更高的性能要求，碲镉汞FPA仍然是首选探测器。5、非致冷焦平面阵列(UFPA)红外探测器非制冷焦平面阵列省去了
34、昂贵的低温制冷系统和复杂的扫描装臵，敏感器件以热探测器为主。突破了历来热像仪成本高昂的障碍，使传感器领域发生变革。另外，它的可靠性也大大提高、维护简单、工作寿命延长，因为低温制冷系统和复杂扫描装臵常常是红外系统的故障源。非致冷探测器的灵敏度(D)比低温碲镉汞要小1个量级以上，但是以大的焦平面阵列来弥补，便可和第一代MCTS测器争雄。对许多应用，特别是监视与夜视而言已经足够。广阔的准军事和民用市场更是它施展拳脚的领域。为避免大量投资，把硅集成电路工艺引入低成本、非制冷红外探测器开发生产，制造大型高密度阵列和推进系统集成化的信号处理，即大规模焦平面阵列技术，潜力十分巨大。正因为如此，单元性能较低的
35、热电探测器又重新引人注目，而且可能成为21世纪最具竞争力的探测器之一。目前发展最快、前景看好的有两类UFPA(1)热释电FPA热释电探测器的研究早在60年代和70年代就颇为盛行，有过多种材料，较新型的有钛酸锶钡(BST)陶瓷和钛酸钪铅(PST)等。美国TI公司推出的328240钛酸锶钡(BST)FPA已形成产品，NETD优于0.1K，有多种应用。计划中还有640X180的FPA发展趋势是将铁电材料薄膜淀积于硅片上，制成单片式热释电焦平面，有很高的潜在性能，可望实现1000X1000阵列的优质成像。微测辐射热计(Microbolometer)。它是在ICCMOS硅片上以淀积技术，用Si3N4支撑
36、有高电阻温度系数和高电阻率的热敏电阻材料Vox或aSi，做成微桥结构器件(单片式FPA)。接收热辐射引起温度变化而改变阻值，直流耦合无须斩波器，仅需一半导体制冷器保持其稳定的工作温度。90年代初，由Honeywell公司首先开发，研制成工作在8眄14pm的320X240UFPA并以此制成实用的热像系统，NETD已达到0.1K以下，可望在近期达到0.02K。此类FPA90年代发展神速，成为热点。与热释电UFPA比较，微测辐射热计采用硅集成工艺，制造成本低廉；有好的线性响应和高的动态范围；像元间好的绝缘而有低的串音和图像模糊；低的1/f噪声；以及高的帧速和潜在高灵敏度(理论NET冈达0.01K)。
38、和.-2内的红外辐射通量分别为ii和二，代入公式(1):.：R二R-R(2)公式中所有参数均已知或可以求得，因此可计算：R的值。当0时,由公式即可以求得R2。再由V-IR.T可得目标的平均径向速度。2.2.2单波段被动测距单波段被动测距，是以机载惯导系统提供的载机运动参数和红外探测器对目标辐射的响应信息为基础的。红外探测器对目标辐射信息的响应电压辐度输出为：AoVnJ2“一DF(4)式中：J为目标红外光谱辐射强度；：.为光谱大气透射率；R为目标距离,其他是探测统的性能参数。该方法同样利用了两个假设：在一个采样周期T内J和:恒定不变，于是公式可以写成：vs、K.R2(5)那么在Tn和Tn1两个
39、相邻采样周期内对消了J和：.，得：Rn1=.VS.VS.1Rn(6)再结合载机和目标空间运动的几何关系方程组，联立可迭代求解目标的距离和速度初值，然后根据公式（6）可对目标的后续采样点进行递推求解，这为满足实时解算打下了基础。还可用滤波算法来进行平滑和外推处理，提高精度。通过红外探测器测量目标在两个波段、两个采样时刻上的辐射通量，就可以解算出目标距离和径向速度。2.3红外探测发展前景为了满足红外信息获取技术发展需求，美国等发达国家在频谱波段上积极探索。无缝隙探测”在微波/毫米波、可见光/中波红外/长波红外等波段探测方面取得了很大迸展.2.3.1红外焦平面阵列技术首先在美国、法国等发达国家，基于窄禁带半导体蹄福汞材料的单波段红外焦平面器件技术已经成熟，以288X4元长波和256X256元中波为代表的焦平面器件已基本取代了多元光导线列通用组件.256X256元蹄