嵌入式系统的硬件基础2.ppt

1、嵌入式系统硬件,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,电源系统 供电,A/D与D/A转换 外界联系接口,通信模块 数据传输,嵌入式处理器 核心,以嵌入式处理器为核心，集成度高,嵌入式系统硬件结构特点,嵌入式处理器,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,嵌入式处理器的发展,嵌入式处理器,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,微处理器,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,运算器与控制器集 成在一个芯片；需 外加存储器和I/O 接口。,80X86、SC-400、 PowerPC、 Motorola 68K系列 ARM系列,常用微处理器,微处理器结构图,微控制器,同济

2、大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,集成度高，实现计算 机系统单片化；体积 小；功耗成本小；可 靠性高；适用于控制 系统,微控制器结构图,微控制器特点,嵌入式数字信号处理器（EDSP）,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,发展来源,数字信号处理器增加 外设接口成为EDSP TMS320 系列,通用微控制器或片上 系统中增加数字信号协 处理器 DSP56000 系列,片上系统和可重配置硬件,片上系统 基于PLD和HDL 可重配置硬件 基于FPGA,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,嵌入式处理器总线结构,嵌入式处理器总线结构分为冯-诺依曼结构和哈佛结构。,同济大学汽车学

3、院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,地址,数据,MOV r3,#3,冯-诺依曼结构,哈佛结构,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,嵌入式处理器的结构,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,嵌入式处理器的选择,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,与原有产品的兼容,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,嵌入式系统的其他硬件,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,PWM模块,PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，其占空比与信号的瞬 时采样值成比例，因此PWM从处理器到控制信号都是数字形式，无需进 行数/模转换，这样可将噪声的影响降到最小。,脉宽调制（P

4、WM）是利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等领域。,PWM在汽车嵌入式系统中一般用于控制惯有环节的系统。如应用在交流 传动及至其他电能变换等驱动系统上。目前应用较广泛的是在电动机驱 动系统中的SPWM。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,PWM模块,定义：一种对模拟信号电平进行数字编码达到与模拟信号等效的方法。利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制。 特点：处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换 原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同 分类：正弦PWM、优化PWM及随机PWM,同济大学

5、汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,PWM信号的两个重要参数,频率 占空比：在一串理想的脉冲序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,假设供电电源为9V，占空比为10%， 则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号,PWM信号的两个重要参数,频率 占空比 在一串理想的脉冲序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,占空比=,PWM控制技术,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,冲量相等而形状不同的窄波冲加在惯有的环节上，效果基本相同。,通过对半导体开关器

6、件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不同的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需的波形，按一定规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。,运算放大器,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,集成运放是以双端为输入，单端对地为输出的直接耦合型高增益放大器， 它将相当数目的三极管、电阻以及连接线，采用半导体集成工艺制作在 一块面积很小的芯片上。,输入级 （差动放大电路）,中间放大级 （有源负载的共 射极负载电路）,输出级 （互补对称 输出级电路）,各级偏置电路,运算放大器,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,+Vcc,OUT,

7、-Vcc,IN-,IN+,-,+,运算放大器的应用,信号放大电路,基本模拟运算器,线性变换器,非线性波形变换器,RC有源滤波器,信号波形发生器,模拟电压比较器,差动放大器,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,u-,u+,+,-,R1,R2,Rf,Rf,当满足R1=R2 和 时 电压放大倍数为,1、对元件的对称要求高 2、输入电阻不够高,反相加法电路,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,为了保证集成运放两个输入端 的对地电阻平衡，同相输入端 R1的阻值应该为 R1=R1/R2/R3/Rf， 其运放的输出电压为,1、调节比较灵活方便 2、加在集成运放输入端的共模电压很小。,反向

8、输入加法电路,线性变换器和非线性波形变换器,凡是能从一种电量或电参数变换为另一种电量或电参数的电路，称为变换电路或变换器。 根据输入和输出的关系，变换电路可分为线性变换器和非线性波形变换器 按变换时间特性可分为连续性变换和周期性变换。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,滤波器,对输入信号中某特定频率或频带成分具有选择性的网络称为滤波器。 由电阻、电容、有源器件（运算放大器）构成的滤波器称为RC有源滤波器。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,有源带通滤波器,其他运算放大器,模拟电压比较器 以输出逻辑电平的高低给出判断结果的一种电路。 基本功能 实现两个模拟电压之间的比较。

9、 信号波形发生器 是许多测量仪器和电子设备中经常被采用的基本环节。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,通信模块,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,中速网络协议标准,低速网络协议标准,多媒体网络协议标准,高安全性网络协议标准,ECU内部的通信,ECU之间的通信,ECU内部的通信,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,微处理器,片外器件,数据交换,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,I2C总线,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,定义：I2C是Philips推出的用于集成电路器件之间连接的二线制串行扩展总线，通过串行数据线SDL和串行时钟线SCL在连

10、接到总线的器件之间传送数据。 信号线：都采用双向I/O线。在标准模式下最高速率为100kbps，快速模式最高可达到400kbps，高速模式下可达到3.4Mbps。器件数量受总线电容限制。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,I2C总线,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,总线结构：多主结构的总线。所有节点都是对等的，都可以做发送器和接收器。主器件产生时钟信号，此时任何被寻址的器件变成从器件。主器件、从器件、发送器、接收器的关系是变化的，取决于数据传输的方向。每个器件都有唯一的地址序列号。 时钟信号：主机发出的时钟信号在慢速从器件控制时钟信号并延长时钟信号以及发生仲裁时另一个主机

11、改变的两种情况下会改变。 特点：I2C总线构成的系统结构紧凑、连接简单、成本低廉，并且扩展性好、程序编写方便、易于实现模块化及标准化，广泛应用于对体积及成本有严格要求的设备或系统中。缺点是数据传输吞吐能力较并行总线低。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,SPI总线,定义：SPI是Motorola推出的同步串行外围接口，采用3或4根信号线进行数据传输，所需的信号包括使能信号、同步信号、同步数据。 应用：简单的TTL移位寄存器、复杂的驱动器、A/D转换器，多微处理器之间的通信。 特点：全双工，三线同步传输；主机或从机操作；1.05Mbps的最大主机数据传输速率;可编程串行时钟极性与相位

12、;发送结束中断标志;定开发冲突保护;总线竞争保护。 数据线：两条数据线SDI和SDO； 两根控制线CS和SCLK。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,移位寄存器,SPI从设备,CS,SCLK,SDI,SDO,SPI从设备的典型连接图,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,SPI总线,SPI串行接口设备可以工作在主设备模式和从设备模式。同步时钟信号由主设备提供，主设备决定从设备的片选信号。若SPI从设备没有被选中，它的数据输出端SDO处于高阻态，被隔离开来。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,SPI总线,多个SPI从设备级联：

13、当系统中所有的SPI从设备都独立连接到主机时，可采用下图方式。多个从设备被看成一个大的设备使用，并使用相同的片选信号。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,SPI总线,多个SPI从设备独立使用：采用一个处理器作为系统主机，来控制一个或多个SPI从设备从主机读取数据或主机写入数据。,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,ECU之间的通信,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,CAN,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,CAN是中速网络协议标准中应用最广泛的，全称为Controller Area Network,即控制器局域

14、网。,CAN的通信协议主要由CAN控制器完成，CAN控制器主要由实现CAN 总线协议部分和实现与微处理器接口部分的电路组成。,CAN总线装置的应用,CAN被应用于发动机管理系统、变速箱控制器、底盘系统控制、仪表设 备等电子主干系统中。,LIN,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,LIN是低速网络协议标准中汽车低端控制网络的应用标准，LIN是一个 低速串行通信协议，是低成本网络中的汽车通信协议标准，用于实现汽 车中分布式电子控制系统。它是带一个主节点和一组从节点的A类多点 总线。,LIN的特性,FlexRay,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,FlexRay是高安全性网络协

15、议标准中的代表， FlexRay网络是一种高速 传输速率的时间触发型网络。采用分时多址方式对总线进行访问，有确 定性和容错功能。,FlexRay很可能成为将来汽车底盘系统、动力系统及线控系统的ECU 通信标准，取代高速TTCAN网络。,FlexRay的应用,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,嵌入式系统常用硬件开发工具简介,极大的提高了电路设计的效率和可操作性，电子设计师可以从概念、 算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成。,EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，以计算机为工具，设计者在软件平台上，用硬件描述语言H

16、DL完成设计文件，然后由计算机完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。,嵌入式系统常用硬件开发工具简介,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,Protel PSPICE Multisim10（原EWB的最新版本） OrCAD PCAD LSIlogic Microsim ISE,Protel,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,它包含了电原理图绘制、模拟电路和数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Clien

17、t/Server体系结构，同时还兼容一些其他设计软件的文件格式。,PSPICE,同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, ,1972年美国加州大学伯克利分校利用Fortran 语言开发出最初的版本,发 展 历 程,SPICE正式版SPICE 2G在1975年正式推出,1985年，用C语言对SPICE进行了改写，由Microsim推出,1988年SPICE被定为美国国家工业标准,1998年OrCAD与Microsim合作推出了 OrCAD PSPICE Release 10.5,PSPICE,不但能够对模拟电路，而且对数字电路和数模混合电路也能进行仿真 在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析 集成度大大提高，电路图