嵌入式系统硬件_CPS方法

1、西北工业大学计算机学院2013年5月目录3.1 引言例如：一个嵌入式处理器可能集成多种功能。相对而言，通用计算机普遍基于X86架构。通用PC：串口、并口、USB、 Ethernet 等。 嵌入式：上述接口，I2C，Firewire，蓝牙、红外、CAN等。3.1 引言在CPS系统中，尤其是在控制系统中，嵌入式硬件被组织在如下的一个回路中：3.2 输入计算机与外界的信息交换是通过输入/输出(I/O)设备进行的。输入设备：向计算机输入数据。I/O设备通过I/O接口(Interface)电路与处理器相连接。外设与处理器的速度不匹配；不同外设的信号形式、数据格式也各不相同。3.2 输入如图所示，外部设备

2、不能与处理器直接相连，需要通过I/O接口来完成它们之间的速度匹配、信号转换，并完成某些控制功能。从而实现信道上的数据通信通信。Fig. 一个典型的I/O系统结构3.2.1 传感器用途用途：获取必要的外部物理环境信息（物理量），如重量、速率、电流、电压及温度等。方法方法：各种物理效应，如电磁感应、光电效应等。产生产生：信号信号(signals)，通常为连续的模拟量。3.2.1 传感器常见的传感器：常见的传感器：3.2.1 传感器加速度传感器加速度传感器(Acceleration sensors)能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器。原理：质量块由于惯性而导致的位置移动。3.2.1 传感器感雨

3、器感雨器(Rain sensors)多用于汽车雨刷器，可根据雨量自动调节摆动速度。3.2.1 传感器图象传感器图象传感器(Image sensors)图像采集和处理的过程：实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换光电转换设备放大设备3.2.1 传感器图象传感器图象传感器(Image sensors)由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。通常使用：CCD（ Charge-coupled Device ，电荷耦合元件）CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物

4、半导体）3.2.1 传感器图象传感器图象传感器(Image sensors)光电转换电路放大A/D光子电子电压数字信号CMOS芯片可以在每个像素上同时完成这两个步骤芯片可以在每个像素上同时完成这两个步骤由上面两图可看出由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是 CMOS的 电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的CCD，仅由一个（或几个）输出节点统一读出，仅由一个（或几个）输出节点统一读出3.2.1 传感器图象传感器图象传感器(Image sensors)CCD与与CMOS比较比较从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速相机则会采用CMOS芯片。CCDCMOS电路更改

5、方便固定，同一芯片速度慢快噪声好，单一放大器主控差，多元放大器灵敏度好差功耗毫安级，高微安级，低成本高低3.2.1 传感器其他传感器：其他传感器：生物统计传感器生物统计传感器(Biometric sensors)虹膜扫描、指纹识别、脸部识别等。人造眼睛人造眼睛(Artificial eyes)分辨率128*128，葡萄牙：杜贝尔研究所，2003。射频识别射频识别(Radio frequency identification , RFID)RFID电子标签 + RFID阅读器3.2.2 时间离散化数字计算机工作在一个离散的时间域上，因此只能处理离散的数值序列/流。即需要如下转换：连续时域上的信号

6、 离散时域上的信号由此引入了：采样保持电路采样保持电路(sample-and-hold circuits)3.2.2 时间离散化采样保持电路采样保持电路(sample-and-hold circuits)基本的电路由一个时钟控制的晶体管(clocked transistor)和一个电容器组成。开关闭合：电容充电（时间窗）；开关断开：电压保持。丢失了信息吗？可否恢复原始信号？丢失了信息吗？可否恢复原始信号？3.2.2 时间离散化傅里叶级数逼近傅里叶级数逼近：通过累加不同频率(p, f)的正弦函数，可以逼近任意信号（任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示）。例如，可以使用如下的

7、正弦函数的线性组合来逼近一个矩形波：3.2.2 时间离散化矩形波的逼近示例：3.2.2 时间离散化混叠混叠：取样信号被还原成连续信号时产生彼此交叠而失真的现象。设有如下两个信号：两个信号含有相同的低频信号，但包含不同的高频信号。3.2.2 时间离散化混叠示例：混叠示例：若在整数时刻进行采样，则上述两个信号具有相同的采样值，从而无法分辨，如下。因此，若要重建原始信号，则必须了解原始信号的频带和波形等额外特征。3.2.2 时间离散化采样定理采样定理(sampling criterion)频带为F的连续信号f(t)可用一系列离散的采样值f(t1),f(t1t)，f(t12t)，.来表示,只要这些采样

8、点的时间间隔t1/2F，便可根据各采样值完全恢复原来的信号f(t)。3.2.2 时间离散化采样频率采样频率(sampling frequency)fs=1/t奈奎斯特频率奈奎斯特频率(Nyquist frequency)定义：离散信号系统采样频率的一半。只要离散系统的奈奎斯特频率高于被采样信号的最高频率或带宽，就可以避免混叠现象。3.2.2 时间离散化抗混叠滤波器抗混叠滤波器(Anti-aliasing filters)重建信号需要以一个低通滤波器或者带通滤波器将在奈奎斯特频率之上的高频分量全部滤除。抗混叠滤波器放置在采样保持电路的前端。3.2.3 值离散化：A/D转换器A/D转换器的功能转换

9、器的功能：时域到连续值域连续值域映射 时域到离散值域离散值域上的映射A/D转换器的种类转换器的种类：Flash(快速)型逐次比较型(逐次逼近法)积分型压频变换型3.2.3 值离散化：A/D转换器快速性快速性A/D转换器转换器(Flash A/D converter)基于大量比较器的构造3.2.3 值离散化：A/D转换器快速性快速性A/D转换器示例：转换器示例：00:01:10:11:3.2.3 值离散化：A/D转换器性能指标：分辨率性能指标：分辨率(Resolution)A/D转换器的输出位宽（单位：bit）；使得输出值w(t)增加1的电压差（单位：volt）；3.2.3 值离散化：A/D转换

10、器逐次逼近逐次逼近(Successive approximation)型型A/D转换器转换器逐次逼近型ADC由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑组合而成。从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数字值。转换过程实际上是一个二分查找二分查找的过程。3.2.3 值离散化：A/D转换器逐次逼近法逐次逼近法设已知一个电压范围为015V的模拟输入信号和一个2位的数字输出，计算5V的正确编码。则：1）查找范围：Vmax= 15V, Vmin= 0VSAR = 10 V- = (Vmax + Vmin)/2 = 7.5V 5V 02）查找范围：Vmax= 7

11、.5V, Vmin= 0VSAR = 01 V- = (Vmax + Vmin)/2 = 3.75V 5V 1得：5V的编码为：013.2.3 值离散化：A/D转换器A/D转换器的选择：转换器的选择：快速型ADC速度快，时间复杂度O(1)；硬件复杂度高：n位分辨率需要2n-1个比较器；应用：高速摄像；逐次逼近型ADC硬件复杂度低：n位分辨率仅需n bits的寄存器和DAC；速度相对较低：时间复杂度O(n)；应用：高质量音频采集。3.2.3 值离散化：A/D转换器量化噪声量化噪声(quantization noise)定义：量化过程中产生的失真。原因：量化过程中对模拟信号对应量的“截断”。显然，

12、可以通过提高ADC的分辨率Q来降低量化噪声。3.2.3 值离散化：A/D转换器信噪比信噪比(signal-to-noise ratio , SNR)通过信噪比可以衡量ADC的量化噪声水平。单位：分贝。例如，16-bit CD音频信噪比：20log(216) = 96 dB; 24-bit CD SNR = 144dB.P = U2/R3.5 通信通信系统的基本组成有三要素：信源信源、信宿信宿和信道信道(广义广义/狭义狭义)。信道信道(Channel)：通信双方以传输介质传输介质(Media)为基础的传输信息的通道。狭义信道广义信道3.5.1 通信需求CPS系统中，对通信的需求来自系统中的不同方

13、面，相互包含，相互制约。实时性；效率；合适的带宽和通信时延；事件驱动的通信支持；鲁棒性；容错性；可维护性，可诊断性；保密。重试？3.5.2 鲁棒性鲁棒性鲁棒性：一个系统即使面临着内部结构或外部环境的改变时,也能够维持其功能的能力。内部结构的改变：某链路阻塞、某设备故障；外部环境的改变：温度、电磁干扰。采用多套相同的分系统来实现同一功能。例：第三代战机的四余度电传飞控系统，四余度设计可避免“二次故障”。在相同的技术规范条件下 ,每套冗余采用不同的软硬件设计、产品甚至设计人员等，以克服系统中的共性故障。例：民用飞机，如波音7773.5.2 鲁棒性保证系统鲁棒性的措施保证系统鲁棒性的措施余度设计余度

14、设计（冗余设计）：根据余度设计的对象：多余度控制器(控制计算机)；多余度传感器；多余度执行部件；根据余度配置方式：相似余度技术；非相似余度技术；解析余度技术；功能冗余。余度技术余度技术是指具有多余的资源。当系统中的一部分出现故障时, 可以由冗余的部分顶替故障的部分工作 , 以保证系统在规定的时间内正常地完成规定的功能。引入解析信号(利用物理模型中变量间的解析关系)作为解析余度来替代部分硬件余度。例：美国F-8验证机双物理余度+单解析余度的三余度故障检测表决机制。系统中不同部件在功能上有重叠,其中某些部件的部分或全部功能可由系统中别的部件的功能来代替。例：多操纵面的飞行控制系统，保证飞机某个通道

15、出现故障时, 仍然可控。3.5.2 鲁棒性保证电气鲁棒性的措施保证电气鲁棒性的措施差分信号差分信号单端信号单端信号(Single-ended signaling)使用单根导线传输数字信号；参考共同的地电势（地线）；优点优点：结构简单、成本低；缺点缺点：抗干扰能力差；地一致性；地线电压波动。3.5.2 鲁棒性保证电气鲁棒性的措施保证电气鲁棒性的措施差分信号差分信号差分信号差分信号(Differential signaling)使用两根导线传输数字信号；利用两个等值反相的电压的电平差来表示二进制数据；逻辑值仅依赖于两根导线间电压的极性；优点优点：抗干扰能力强、无共同地线、吞吐量大；缺点缺点：结构稍

16、复杂、成本高。3.5.3 实时性实时性：实时性：指一个任务从到达到执行完毕的这段响应时间小于其截止期限(deadline)的执行保障。实时系统：实时系统：实时系统指系统的计算正确性不仅取决于计算的逻辑正确性，还取决于产生结果的时间。如果未满足系统的时间约束，则认为系统失效Donal Gillies。分类分类：软实时软实时：只能提供统计意义上的实时；硬实时硬实时：能够在指定的期限完成实时任务（即便在最坏的处理负载下也能如此）。3.5.3 实时性计算机内部通信计算机内部通信按连接方式分类：点对点通信点对点通信优点优点：容易保证通信的实时性；缺点缺点：当具有多个通信设备时连接复杂、接口电路复杂；共享

17、总线共享总线基于优先权的仲裁基于优先权的仲裁分类：分类：菊花链仲裁、优先权仲裁器；不足：不足：较差的时间可预测性；可能的“饥饿”现象；时分多路访问时分多路访问(TDMA)可为每个通信设备提供一个确定的带宽保证；避免“饥饿”现象；例：ARM AMBA总线。3.5.3 实时性时分多路访问时分多路访问(TDMA)Usable bandwidth3.5.3 实时性计算机之间的通信计算机之间的通信以太网以太网(Ethernet)优势优势：组网结构简单、组网容易；成本低廉；技术升级中兼容性好；数据传输距离长、传输速率高；组织网络灵活，涉及多种网络规模；协议开放，应用广泛，有利于异构网络间的互通互联；结合T

18、CP/IP协议，易于实现与Internet的通信，彻底解决了异构平台间的通信难题。3.5.3 实时性计算机之间的通信计算机之间的通信计算机通信的时延计算机通信的时延时延 = 传播时延 + 传输时延 + 处理时延；以太网以太网(Ethernet) + TCP/IP协议协议不足：不足：CSMA/CD方法中随机次的“冲突重试”过程无法保证系统实时约束；多层协议结构，多缓冲数据通路，增加处理时延；TCP/IP协议建立连接增加处理时延；TCP/IP协议的软件实现浪费CPU时间，频繁的中断处理更加剧了时延。与距离相关，传播速率300000 km/s发送方将所有分组的比特推向链路所需要的时间。例：最大帧长1

19、518Byte*8/链路速率100Mbps=0.12ms主要用于协议处理。与设备类型、系统负载相关，微秒级高带宽高带宽低延迟低延迟3.5.3 实时性计算机之间的通信计算机之间的通信以太网以太网(Ethernet) + TCP/IP协议协议 实时解决方案：实时解决方案：“冲突冲突”问题问题：交换以太网技术交换以太网技术 + IEEE 1588(网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准)：如，SIMATIC S7-300 PLC系统;CSMA/CA：可以为拥有最高优先级的通信设备提供可预测的实时行为保证，如：IEEE 802.11标准；TDMA，如：移动通信标准GSM；处理时延问题：处理时延问题：

20、TOE（TCP Offload Engine ，TCP卸载引擎)：将TCP在内的高层协议处理从主机处理器转移到网卡(专用处理器)，如：SAN。3.5.4 示例典型的典型的CPS系统：航空电子系统系统：航空电子系统飞机上所有电子设备的总和；涵盖通信、导航、雷达、电子战、飞行控制和管理等各个系统的电子子系统，同时也包括这些系统间用于信息交换和资源共享的信息综合系统。火力控制飞行控制电子战(EW)导航通信雷达信息综合系统：子系统间进行资源交换和信息共享交互3.5.4 示例航空电子系统的类型航空电子系统的类型分立式航空电子系统（分立式航空电子系统（4050年代）年代）系统中的每一个功能都有自己专用传感

21、器、处理器和显示器，形成各自独立的设备，如雷达、通信、导航设备等，它们之间通过点对点的连线进行连接。无中央计算机。3.5.4 示例航空电子系统的类型航空电子系统的类型分立式航空电子系统（分立式航空电子系统（4050年代）年代）典型代表：第二代战机F-4“鬼怪”3.5.4 示例航空电子系统的类型航空电子系统的类型联合式航空电子系统（联合式航空电子系统（6070年代）年代）采用了综合的控制和显示，即通过1553B多路数据总线对系统中各设备进行低带宽的数据传输交换，使用火控/任务处理器完成设备的统一控制、集中显示、故障集中处理等功能。3.5.4 示例航空电子系统的类型航空电子系统的类型联合式航空电子

22、系统（联合式航空电子系统（6070年代）年代）典型代表：第三代战机F-16“战隼”3.5.4 示例航空电子系统的类型航空电子系统的类型联合式航空电子系统（联合式航空电子系统（6070年代）年代）1553B总线(MIL-STD-1553B)采用屏蔽双绞线作为传输介质；曼彻斯特双极性编码；数据传输率为1Mbps；TDMA，远程终端响应有效指令的间隔为4.012.0s；双冗余系统。3.5.4 示例航空电子系统的类型航空电子系统的类型综合式航空电子系统（综合式航空电子系统（8090年代）年代）在纵深纵深方向上进行综合化，系统实现了各系统处理功能的综合并进而实现传感器及信号处理功能的综合化；以通用综合处

23、理器(CIP)为核心划分功能分区，整个系统按功能划分为横向横向的层次，在每个功能区层次实现更深度的综合。高速数据总线等多种互连方式。(HSDB,传输速率50-80Mbps)总线上传输的不再是命令和状态数据，而是大量的中间状态中间状态的数据的数据，从而要求总线具备更高的的带宽和更低的数据延迟。3.5.4 示例航空电子系统的类型航空电子系统的类型综合式航空电子系统（综合式航空电子系统（8090年代）年代）典型代表：第四代战机F-22“猛禽”(“宝石柱(Pave Pillar)”计划)CIP,共12种模块,可实现动态重构3.5.4 示例航空电子系统的类型航空电子系统的类型先进综合式航空电子系统（先进

24、综合式航空电子系统（2000年之后）年之后）统一航空电子互联网络系统(UAN)；传感器系统综合(包括射频、光电传感器)。3.5.4 示例航空电子系统的类型航空电子系统的类型先进综合式航空电子系统（先进综合式航空电子系统（2000年之后）年之后）典型代表：F-35“闪电闪电II”(“宝石台(Pave Pale)”计划)射频综合化，将 A /D变换尽量向前端推移，尽量多的使用标 准的共用模块。统一网络， 通过光纤网络不但交联了同一机架内的各模 块，而且向前连接到传感器区，向后连接到座舱、外挂管理；FC-AE协议，高带宽(4Gbps)，低时延，高层协议灵活(协议映射，如FC-AE-1553)。3.6

25、 输出CPS系统中，输出设备的主要功能：为用户返回必要的信息，如显示器，打印机等；通过控制设备来影响外部物理环境，如各种机电设备等；其他特定的功能，如通讯、存储等。输出设备也有模拟和数字之分。以模拟输出设备为例，其完整的I/O数据流路径如下：3.6.1 D/A转换器D/A转换器转换器结构结构：主要由电阻阵列和n个电流开关构成；原理原理：按数字输入值(xnxn-1x0)切换开关，产生比例于(proportional)输入值的电流(或电压) y。结构结构：3.6.1 D/A转换器D/A转换器的转换过程：转换器的转换过程：数字输入值(xnxn-1x0)成比例的电流I成比例的电压y电阻阵列反相闭回路放

26、大器电路3.6.1 D/A转换器D/A转换器的原理：转换器的原理：对虚线标识的回路，使用基尔霍夫电压定律：3.6.1 D/A转换器D/A转换器的原理：转换器的原理：3.6.1 D/A转换器D/A转换器的原理：转换器的原理：对图中I处的左侧节点使用基尔霍夫电流定律：3.6.1 D/A转换器D/A转换器的原理：转换器的原理：电流I：3.6.1 D/A转换器D/A转换器的原理：转换器的原理：对R1、y和V-所组成的回路使用基尔霍夫电压定律：3.6.1 D/A转换器D/A转换器的原理：转换器的原理：电压y：数字值x的自然数表示(对应一个二进制展开式)3.6.1 D/A转换器D/A转换器的计算结果：转换器的计算结果：y(t)：离散时域上的电压序列；y(t)：连续时域上的阶梯函数（0阶保持器）；3.6.2 采样理论简介问题问题：D/A转换器并不能生成采样点之间的信号的值，(采用0阶保持器后) 仅仅能够输出一个阶梯函数。解决方法解决方法：只要采样满足“采样定理”，即可采用香香农农-惠特克插值惠特克插值(Shannon-Whittaker interpolation)，来