物联网应用技术（智能家居）-感知与控制技术

感知与控制技术目录2.1传感器2.2微控制器2.3嵌入式系统2.1传感器

传感器的定义传感器的分类传感器的性能指标智能传感器传感器的定义

国标GB7665-87对传感器的定义为：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。该定义说明传感器是由敏感元件和转换元件构成的检测装置，具有“感”和“传”两方面的基本功能，能够完成检测任务，然后将探知的信息变换为电信号或其他预先指定的信号形式输出，便于传输、存储、处理和显示等。传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系，并且具有一定的精确程度。在不同的技术领域中，传感器有不同的名称，比如传送器、变送器、检测器和探头等，是根据器件用途对同一类型的器件使用不同的技术术语，而近年来已经逐渐统一使用传感器这一名称。传统的传感器由敏感元件、转换元件和基本电路3部分组成传感器的分类传感器种类繁多、原理各异，同一个被测量可以使用多种技术来测量，而同一原理的传感器又可测量不同类型的物理量，因此对传感器国内外目前尚无统一分类方法。按照被测量进行划分，传感器可分为物理型、化学型和生物型等类型；按照感知功能进行划分，传感器可分为电敏、磁敏、光敏、力敏、热敏和声敏等类型；按照信息转换原理进行划分，传感器可分为压电式、压阻式、磁阻式、热点式、光电式、电阻式、电容式和霍尔式等类型；按照敏感元件使用的材料进行划分，传感器可分为金属传感器、聚合物传感器、陶瓷传感器和混合物传感器等类型；按照输出信号进行划分，传感器可分为模拟型、数字型、膺数字型等类型；按照技术发展阶段进行划分，传感器可分为分立传感器、集成传感器和智能传感器等类型根据被测量分类物理量力学量压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传感器、尺度传感器、密度传感器、粘度传感器、硬度传感器热学量温度传感器、热流传感器、热导率传感器光学量可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器、照度传感器、色度传感器、图像传感器、亮度传感器磁学量磁场强度传感器、磁通传感器电学量电流传感器、电压传感器、电场强度传感器声学量声压传感器、噪声传感器、超声波传感器、声表面波传感器射线x射线传感器、β射线传感器、γ射线传感器化学量离子传感器、气体传感器、湿度传感器生理量生物量体压传感器、脉搏传感器、心音传感器、体温传感器、血流传感器、呼吸传感器、血容量传感器、体电图传感器生化量酶式传感器、免疫血型传感器、微生物型传感器、血气传感器、血液电解根据信息转换原理分类变换原理传感器变换电阻电位器式、应变式、压阻式、光敏式、热敏式变换磁阻电感式、差动变压器式、涡流式变换电容电容式、湿敏式变换谐振频率振动膜式变换电荷压电式变换电势霍尔式、感应式、热电偶式根据使用材料分类在外界因素的作用下，所有材料都会做出具有特征性的反应，因此可以从中选择对外界反应最敏感的材料来制作传感器的敏感元件。根据传感器使用的材料的性质也可对传感器进行分类。按照材料的类别，可分为金属传感器、聚合物传感器、陶瓷传感器和混合物传感器；按照材料的物理性质，可分为绝缘体传感器、半导体传感器、导体传感器、磁性材料传感器；按照材料的晶体结构可分为单晶传感器、多晶传感器和非晶体材料传感器。根据输出信号分类根据传感器的输出信号，可将传感器分为模拟传感器、数字传感器、膺数字传感器和开关传感器等类型。模拟传感器将被测量的非电学量转换为模拟电信号；数字传感器将被测量的非电学量直接或间接转换为数字电信号；膺数字传感器将被测量的信号量直接或间接转换为频率信号或短周期信号的输出；开关传感器在一个被测量的信号达到某个特点的阈值时，会相应输出一个设定的低电平或高电平信号。传感器的性能指标传感器的静态特性线性度灵敏度迟滞重复性分辨率传感器的动态特性智能传感器传感器的发展历程大致可分为三个阶段。第一阶段为结构型传感器，以形状、尺寸等结构为基础，利用参量变化来感受信号。第二阶段为固体传感器，由半导体、电介质和磁性材料等固体元件构成，基于物理或化学的效应和定律，利用材料的某些特性来感受信号。第三阶段是当前正在逐渐发展的智能传感器智能传感器是计算机技术、微电子技术与检测技术相结合的产物，利用MEMS技术和大规模集成电路技术，将敏感元件、信号调理电路、微处理器、存储器、以及无线通信组件集成在一块芯片上，使传感器具备检测、自诊断、数据处理、多参量测量以及网络通信等功能，实现微型化、集成化和智能化智能传感器结构图目录2.1传感器2.2微控制器2.3嵌入式系统2.2微控制器

微控制器概述ARM体系结构ARMCortexM0微控制器概述

为了更好地满足控制领域嵌入式应用的需求，随着技术的进步，单片机不断扩展，集成了性能更强的CPU、容量更大的存储器和一些满足控制要求的电路单元。目前,单片机已广泛称作微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）。相比于单片机，微控制器这个名称的应用指向性更强一些。微控制器结构微控制器的分类根据CPU处理二进制位数字长可分为8位、16位和32位机目前常见的MCU包括8位的MCS-51系列、8~32位的PIC系列、16位的MSP430系列、8~32位的AVR系列和32位的ARMCortex-M系列。其中，Intel公司的MCS-51系列MCU是一款在全球范围得到广泛使用的8位机型，后期通过专利转让或技术交换，Intel将8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DEVICES和DALLAS等公司。技术人员常用8051来泛指所有这些具有8051内核、使用8051指令系统的增强型和扩展型MCU。微控制器的分类根据存储器与CPU的连接结构可分为哈佛结构和普林斯顿结构微控制器的分类根据指令结构可分为复杂指令集计算机（ComplexInstructionSetComputer，CISC）和精简指令集计算机（ReducedInstructionSetComputer，RISC）一直以来，提高计算机性能的常用方法是增加硬件的复杂性。随着集成电路技术，特别是VLSI（超大规模集成电路）技术的迅速发展，硬件工程师不断增加可实现复杂功能的指令和多种灵活的编址方式，以此获得更强的计算能力。这种设计的型式被称为CISC结构IBM公司提出了RISC结构的构想，即指令系统中只包含使用频率高的少量指令，同时也提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言。Microchip的PIC系列微控制器、ATMEL的AVR系列都属于基于RISC架构的微控制器。通过设置指令为单字长度，上述MCU取指令的周期短，且支持预取指令和流水作业，实现了代码压缩，有效提高代码执行速度。由于RISCMCU包含较少的单元电路，所以硬件结构设计更为简单，芯片面积小且功耗低。微控制器的分类根据内嵌程序存储器的类别可分为掩膜、OTP、EPROM/E2PROM和闪存Flash掩模ROM的写入必须在工厂进行，成本低廉，适于大批量定制，但灵活性较差，上市周期长。其他类型的ROM可由用户在专用的编程器中进行写入和校验。EPROM和E2PROM可用专用的紫外线擦除器擦除程序代码，然后继续在线编写和修改，但写入周期较长，并且重复改写的次数受限。Flash的读写效率高，可以直接与CPU连接，特别适合于便携式系统ARM体系结构

ARM是AdvancedRISCMachines的首字母缩写，它既是一个公司的名称，也是该公司设计的微处理器的统称。1990年ARM公司成立于英国剑桥，致力于设计低功耗、低成本和高性能的32位嵌入式RISC系列处理器目前ARM公司出品的系列微处理器市场覆盖率最高、发展趋势广阔，已经占据32位RISC微处理器80%以上的市场份额，广泛应用在移动设备等嵌入式领域中知识产权（IntellectualProperty，IP）核的概念出现在20世纪90年代，简而言之，集成电路制造商将经过检验的合格的电路设计文件保存在数据库中，当日后进行类似功能的IC设计时，设计人员可以直接将库中的文件取出作为子模块进行调用，从而减少了重复开发的工作量，降低了设计成本。这些具有固定的不可再分功能的IC设计部件被称之为核（core），核文件已被称之为知识产权核或IP核。基于ARM的IP核设计Soc示例ARMCortexARMCortex系列包含三个子系列，即Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M。三个子系列差异较大，分别瞄准不同的应用市场。Cortex-A系列的目标是为包括手机、数字电视、电子书和家庭网关在内的高端市场提供的高性能处理器，其中的A即Application的首字母；Cortex-R系列专注于提高应用的实时性能，典型应用环境包括汽车刹车系统和动力传动系统等，R为Real-Time的首字母；Cortex-M系列是面向嵌入式应用提供低功耗高性能的微控制器，因此用Microcontrollor的首字母M来命名。Cortex-M架构系列产品处理器ARM架构核心架构ThumbThumb-2硬件乘法DSP浮点运算Cortex-M0ARMv6-M冯

诺伊曼大多数子集1或32个周期无无Cortex-M0+ARMv6-M冯

诺伊曼大多数子集1或32个周期无无Cortex-M1ARMv6-M冯

诺伊曼大多数子集3或33个周期无无Cortex-M3ARMv7-M哈佛完整完整1个周期无无Cortex-M4ARMv7E-M哈佛完整完整1个周期有可选ARMCortexM0Cortex-M0是ARM公司于2009年推出的面向嵌入式应用的32位微控制器的IP核。Cortex-M0内核的门电路少，代码密度高，因此具有尺寸小、执行速度快和低功耗等特点，其能耗仅为85µW/MHz。近几年来，Cortex-M0微控制器的价格也不断降低，已经处于市场上其他8/16位微控制器的同等水平，因此被广泛应用在智能家居、智能仪表、人机接口设备、汽车和工业控制系统中Cortex-M0结构框图Cortex-M0指令集Cortex-M0基于ARMv6-M架构，使用的是ARMv6-MThumb指令集，包括大量的32位的Thumb-2指令。早期的ARM处理器架构采用32位指令集，称作ARM指令。ARM指令具有强大的功能和良好的性能，但与8位/16位处理器相比，需要占用更大的程序存储空间，功耗也更大。为了解决代码长度问题，1995年ARM着力开发了一种新的指令体系，即Thumb指令集。Thumb指令集是ARM指令集的一个子集，具有16位的代码宽度，与等价的32位RISC代码相比有更好的代码密度，有效的节省了系统的存储空间。经统计，Thumb指令集代码大小降低了约30%。Thumb-2指令集是Thumb指令集和ARM指令集的一个超集，集成了传统的Thumb指令集和ARM指令集的各自优点，不需要显示切换状态就可运行16位与32位混合代码。与32位ARM指令集相比，Thumb-2指令集降低了大约26%的代码量，同时能够保持相同的性能。Cortex-M0寄存器xPSR寄存器Cortex-M0内存映射目录2.1传感器2.2微控制器2.3嵌入式系统2.3嵌入式系统嵌入式系统的发展嵌入式系统的定义嵌入式系统的发展

纵观嵌入式系统的发展过程，大致经历了4个阶段。第一阶段是以4位和8位单芯片为核心的可编程控制器系统。这种系统存储容量小，系统结构简单，计算效率低，主要应用在专业的工业控制系统中，与设备相配合完成监测、伺服等相对单一的工作。在应用软件方面缺乏操作系统支持，大多采用汇编语言编写程序直接控制被控设备。第二阶段是以8位和16位嵌入式处理器为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。在这一时期出现了大量不同种类的CPU，系统整体开销减小，效率提升，但通用性比较差。多家公司推出了包含传统商业操作系统特征的嵌入式操作系统，具有一定的兼容性和扩展性，一般都配备系统仿真器，方便了应用开发过程，应用软件专用性强。此时期的嵌入式系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序的运行。嵌入式系统的发展第三阶段是以32位