模块化思想在嵌入式系统设计中的应用

2023.08.18

金子程

摘要：文章主要分析了模块化设计特点及理念，结合嵌入式系统技术需求及特点，研究模块化思想在嵌入式系统设计中的应用。

关键词：模块化；嵌入式；系统设计

模块化设计理念是新的思维方式及工作模式，在分析产品构成的时候，能够优化结构，重组、分解系统，可以一定程度上解决复杂的设计问题，明确条理，简化问题，在建筑、电子、机械等领域已经开始广泛应用模块化设计理念。

1 模块化嵌入式系统设计的优势

1.1 提高了系统设计可靠性

设计嵌入式系统的时候合理应用模块化理念，可以明确划分模块功能，分析系统中整合模块的方式，在刚开始设计的时候，需要切实了解产品性能，防止设计中出现错误。

1.2 缩短了设计周期

在设计嵌入式系统的过程中，开发基础是硬件和软件模块化，以达到提高整体效率的目的，保证可以更加合理地完善和改进性能，开发过程中避免重新设计不同产品，降低操作人员重复劳动的可能性。

1.3 降低了制造成本

设计模块化系统的时候，存在通用性功能部件，设计嵌入式系统的时候，在不同系统中设计不同功能的模块化电路，达到降低成本的目的。

1.4 便于设备的调试和维修

在维修、调试定位模块的时候，需要提高调试速度。在设计冗余产品的时候，需要相对独立的模块，出现个别故障不会在一定程度上影响整体性能，提高产品可靠性。

1.5 提高了抗干扰性

嵌入式系统的应用工业产品中，存在相对比较差的工作环境，对电磁波十分敏感，由于在不同电平情况下应用内部功能器件，隔离设计单独模块电磁屏蔽，可以达到提高系统抗干扰能力的目的。

2 系统模块划分原则

2.1 特殊模块

设计独立模块的时候，可以十分方便地进行换代或者升级产品，特殊性促使在不同系统中很难移植应用。

2.2 通用模块

设计嵌入式系统的时候，一般都需要硬件和软件集成模块。蓝牙模块不仅可以进行无线独立通讯，还可以经过少量更改功能和结构就能够应用在不同系统中，如PDA、手机等

2.3 接口模块

设计传统机械系统的时候，需要利用硬件物理配合来达到连接模块的目的，嵌入式系统的应用，可以利用电气接口来达到连接硬件的目的，通讯功能利用软件来实现。

3 模块化设计思想在打标机中的应用

气动打标机系统主要包括很多领域的知识，如软件、电气、机械等，大部分都是应用在工业产品标识中，由二维运动平台及打标头构成打标机系统。气压方向通过电磁阀来控制，促使打标头具备缩针和出针运动，利用步进电机分别控制X，Y方向的工作平台。工作过程中，打标头利用工作平台移动到符合情况的打标处，工件表面被打标头冲击，存在一定的打标效果。通过2种不同的方式来设计构造系统，模块化设计和整体化设计。模块化设计打标机系统基本方案为：

第一，对整个过程进行整体分析。打标机最重要的作用就是依据字库运动轨迹，打标头可以形成字形点，然后利用电磁阀控制出针，从而出现字形。所以，系统可以分为通讯连接部分、电机控制部分、打标头部分。

第二，依据设计模块的性能指标和特点，对立开发系统。通过电磁阀上下位机接口和信号口，上下位中合理应用RS232连接通讯，片间数据共享和传递指令应用12C或SPI实现。

设计电机控制模块的时候，应该单独设计控制CPU的电机。主控机CPU发出的数据目标位置通过片间接口模块来进行点对点控制。也就是模块CPU可以完成加减运动、脉冲指令等控制，在制定主控机CPU位置的时候需要利用电机控制。所以，控制电机模块属于黑匣子，具备完整的功能和公开的连接口，不需要分析内部实际情况，就可以点对点方式合理控制不同的系统，具备一定的通用性。总之，应用模块化设计理念时，需要明确单元工作，整体增加可行性的设计方式。依据两方向中相似的控制需求，集成电机模块可以降低负担，从而提高控制性能，并且，应用模块化设计理念，可以为进一步开发、升级产品提供平台。

4 模块化嵌入式设计的发展趋势

现阶段，制造行业发展的基本趋势就是模块化设计。依据目前机电一体化设计的实际需求及设计嵌入式系统的根本特点，在以后设计产品的过程中，开始越来越多地应用具备硬件和软件判断、分析、控制功能的智能化模块。主要体现在：（1）紧密结合模块化制造和模块化设计。（2）软件、机械、电子等分立模块逐渐被机电一体集成模块取代。（3）改变制造方式。为了提高质量，降低库存，模块化制造和设计方式逐渐取缔传统大批量生产方式，依据实际情况合理设计多规格、多配置的模块。（4）结合创新设计和1/4设计方式，设计新产品的时候，模块化制造和设计能提供良好的环境，为进一步研究模块化设计提供依据和保障。

5 结语

综上所述，嵌入式系统中应用模块化设计理念，为嵌入式系统提供现代、全新的设计方式，是个性设计和快速设计的根本形式。模块化设计方式是一种系统模块组合和划分的基本过程，能够符合设计的根本需求。