1、嵌入式系統(tǒng)硬件,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,電源系統(tǒng) 供電,A/D與D/A轉(zhuǎn)換 外界聯(lián)系接口,通信模塊 數(shù)據(jù)傳輸,嵌入式處理器 核心,以嵌入式處理器為核心，集成度高,嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)特點,嵌入式處理器,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,嵌入式處理器的發(fā)展,嵌入式處理器,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,微處理器,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,運算器與控制器集 成在一個芯片；需 外加存儲器和I/O 接口。,80X86、SC-400、 PowerPC、 Motorola 68K系列 ARM系列,常用微處理器,微處理器結(jié)構(gòu)圖,微控制器,同濟

2、大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,集成度高，實現(xiàn)計算 機系統(tǒng)單片化；體積 ??；功耗成本??；可 靠性高；適用于控制 系統(tǒng),微控制器結(jié)構(gòu)圖,微控制器特點,嵌入式數(shù)字信號處理器（EDSP）,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,發(fā)展來源,數(shù)字信號處理器增加 外設(shè)接口成為EDSP TMS320 系列,通用微控制器或片上 系統(tǒng)中增加數(shù)字信號協(xié) 處理器 DSP56000 系列,片上系統(tǒng)和可重配置硬件,片上系統(tǒng) 基于PLD和HDL 可重配置硬件 基于FPGA,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,嵌入式處理器總線結(jié)構(gòu),嵌入式處理器總線結(jié)構(gòu)分為馮-諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。,同濟大學(xué)汽車學(xué)

3、院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,地址,數(shù)據(jù),MOV r3,#3,馮-諾依曼結(jié)構(gòu),哈佛結(jié)構(gòu),同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,嵌入式處理器的結(jié)構(gòu),同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,嵌入式處理器的選擇,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,與原有產(chǎn)品的兼容,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,嵌入式系統(tǒng)的其他硬件,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,PWM模塊,PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法，其占空比與信號的瞬 時采樣值成比例，因此PWM從處理器到控制信號都是數(shù)字形式，無需進 行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，這樣可將噪聲的影響降到最小。,脈寬調(diào)制（P

4、WM）是利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量、通信、功率控制與變換等領(lǐng)域。,PWM在汽車嵌入式系統(tǒng)中一般用于控制慣有環(huán)節(jié)的系統(tǒng)。如應(yīng)用在交流 傳動及至其他電能變換等驅(qū)動系統(tǒng)上。目前應(yīng)用較廣泛的是在電動機驅(qū) 動系統(tǒng)中的SPWM。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,PWM模塊,定義：一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼達到與模擬信號等效的方法。利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進行控制。 特點：處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換 原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同 分類：正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機PWM,同濟大學(xué)

5、汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,PWM信號的兩個重要參數(shù),頻率 占空比：在一串理想的脈沖序列中，正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲,假設(shè)供電電源為9V，占空比為10%， 則對應(yīng)的是一個幅度為0.9V的模擬信號,PWM信號的兩個重要參數(shù),頻率 占空比 在一串理想的脈沖序列中，正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,占空比=,PWM控制技術(shù),同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,沖量相等而形狀不同的窄波沖加在慣有的環(huán)節(jié)上，效果基本相同。,通過對半導(dǎo)體開關(guān)器

6、件的導(dǎo)通和關(guān)斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不同的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需的波形，按一定規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。,運算放大器,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,集成運放是以雙端為輸入，單端對地為輸出的直接耦合型高增益放大器， 它將相當(dāng)數(shù)目的三極管、電阻以及連接線，采用半導(dǎo)體集成工藝制作在 一塊面積很小的芯片上。,輸入級 （差動放大電路）,中間放大級 （有源負(fù)載的共 射極負(fù)載電路）,輸出級 （互補對稱 輸出級電路）,各級偏置電路,運算放大器,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,+Vcc,OUT,

7、-Vcc,IN-,IN+,-,+,運算放大器的應(yīng)用,信號放大電路,基本模擬運算器,線性變換器,非線性波形變換器,RC有源濾波器,信號波形發(fā)生器,模擬電壓比較器,差動放大器,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,u-,u+,+,-,R1,R2,Rf,Rf,當(dāng)滿足R1=R2 和 時 電壓放大倍數(shù)為,1、對元件的對稱要求高 2、輸入電阻不夠高,反相加法電路,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,為了保證集成運放兩個輸入端 的對地電阻平衡，同相輸入端 R1的阻值應(yīng)該為 R1=R1/R2/R3/Rf， 其運放的輸出電壓為,1、調(diào)節(jié)比較靈活方便 2、加在集成運放輸入端的共模電壓很小。,反向

8、輸入加法電路,線性變換器和非線性波形變換器,凡是能從一種電量或電參數(shù)變換為另一種電量或電參數(shù)的電路，稱為變換電路或變換器。 根據(jù)輸入和輸出的關(guān)系，變換電路可分為線性變換器和非線性波形變換器 按變換時間特性可分為連續(xù)性變換和周期性變換。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,濾波器,對輸入信號中某特定頻率或頻帶成分具有選擇性的網(wǎng)絡(luò)稱為濾波器。 由電阻、電容、有源器件（運算放大器）構(gòu)成的濾波器稱為RC有源濾波器。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,有源帶通濾波器,其他運算放大器,模擬電壓比較器 以輸出邏輯電平的高低給出判斷結(jié)果的一種電路。 基本功能 實現(xiàn)兩個模擬電壓之間的比較。

9、 信號波形發(fā)生器 是許多測量儀器和電子設(shè)備中經(jīng)常被采用的基本環(huán)節(jié)。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,通信模塊,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,中速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),多媒體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),高安全性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),ECU內(nèi)部的通信,ECU之間的通信,ECU內(nèi)部的通信,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,微處理器,片外器件,數(shù)據(jù)交換,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,I2C總線,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲,定義：I2C是Philips推出的用于集成電路器件之間連接的二線制串行擴展總線，通過串行數(shù)據(jù)線SDL和串行時鐘線SCL在連

10、接到總線的器件之間傳送數(shù)據(jù)。 信號線：都采用雙向I/O線。在標(biāo)準(zhǔn)模式下最高速率為100kbps，快速模式最高可達到400kbps，高速模式下可達到3.4Mbps。器件數(shù)量受總線電容限制。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,I2C總線,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲,總線結(jié)構(gòu)：多主結(jié)構(gòu)的總線。所有節(jié)點都是對等的，都可以做發(fā)送器和接收器。主器件產(chǎn)生時鐘信號，此時任何被尋址的器件變成從器件。主器件、從器件、發(fā)送器、接收器的關(guān)系是變化的，取決于數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。每個器件都有唯一的地址序列號。 時鐘信號：主機發(fā)出的時鐘信號在慢速從器件控制時鐘信號并延長時鐘信號以及發(fā)生仲裁時另一個主機

11、改變的兩種情況下會改變。 特點：I2C總線構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、連接簡單、成本低廉，并且擴展性好、程序編寫方便、易于實現(xiàn)模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化，廣泛應(yīng)用于對體積及成本有嚴(yán)格要求的設(shè)備或系統(tǒng)中。缺點是數(shù)據(jù)傳輸吞吐能力較并行總線低。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,SPI總線,定義：SPI是Motorola推出的同步串行外圍接口，采用3或4根信號線進行數(shù)據(jù)傳輸，所需的信號包括使能信號、同步信號、同步數(shù)據(jù)。 應(yīng)用：簡單的TTL移位寄存器、復(fù)雜的驅(qū)動器、A/D轉(zhuǎn)換器，多微處理器之間的通信。 特點：全雙工，三線同步傳輸；主機或從機操作；1.05Mbps的最大主機數(shù)據(jù)傳輸速率;可編程串行時鐘極性與相位

12、;發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志;定開發(fā)沖突保護;總線競爭保護。 數(shù)據(jù)線：兩條數(shù)據(jù)線SDI和SDO； 兩根控制線CS和SCLK。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲,移位寄存器,SPI從設(shè)備,CS,SCLK,SDI,SDO,SPI從設(shè)備的典型連接圖,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,SPI總線,SPI串行接口設(shè)備可以工作在主設(shè)備模式和從設(shè)備模式。同步時鐘信號由主設(shè)備提供，主設(shè)備決定從設(shè)備的片選信號。若SPI從設(shè)備沒有被選中，它的數(shù)據(jù)輸出端SDO處于高阻態(tài)，被隔離開來。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,SPI總線,多個SPI從設(shè)備級聯(lián)：

13、當(dāng)系統(tǒng)中所有的SPI從設(shè)備都獨立連接到主機時，可采用下圖方式。多個從設(shè)備被看成一個大的設(shè)備使用，并使用相同的片選信號。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,SPI總線,多個SPI從設(shè)備獨立使用：采用一個處理器作為系統(tǒng)主機，來控制一個或多個SPI從設(shè)備從主機讀取數(shù)據(jù)或主機寫入數(shù)據(jù)。,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲,ECU之間的通信,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,CAN,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,CAN是中速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用最廣泛的，全稱為Controller Area Network,即控制器局域

14、網(wǎng)。,CAN的通信協(xié)議主要由CAN控制器完成，CAN控制器主要由實現(xiàn)CAN 總線協(xié)議部分和實現(xiàn)與微處理器接口部分的電路組成。,CAN總線裝置的應(yīng)用,CAN被應(yīng)用于發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、底盤系統(tǒng)控制、儀表設(shè) 備等電子主干系統(tǒng)中。,LIN,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,LIN是低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中汽車低端控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，LIN是一個 低速串行通信協(xié)議，是低成本網(wǎng)絡(luò)中的汽車通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，用于實現(xiàn)汽 車中分布式電子控制系統(tǒng)。它是帶一個主節(jié)點和一組從節(jié)點的A類多點 總線。,LIN的特性,FlexRay,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,FlexRay是高安全性網(wǎng)絡(luò)協(xié)

15、議標(biāo)準(zhǔn)中的代表， FlexRay網(wǎng)絡(luò)是一種高速 傳輸速率的時間觸發(fā)型網(wǎng)絡(luò)。采用分時多址方式對總線進行訪問，有確 定性和容錯功能。,FlexRay很可能成為將來汽車底盤系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及線控系統(tǒng)的ECU 通信標(biāo)準(zhǔn)，取代高速TTCAN網(wǎng)絡(luò)。,FlexRay的應(yīng)用,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,嵌入式系統(tǒng)常用硬件開發(fā)工具簡介,極大的提高了電路設(shè)計的效率和可操作性，電子設(shè)計師可以從概念、 算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計算機完成。,EDA是電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation）的縮寫，以計算機為工具，設(shè)計者在軟件平臺上，用硬件描述語言H

16、DL完成設(shè)計文件，然后由計算機完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。,嵌入式系統(tǒng)常用硬件開發(fā)工具簡介,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,Protel PSPICE Multisim10（原EWB的最新版本） OrCAD PCAD LSIlogic Microsim ISE,Protel,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,它包含了電原理圖繪制、模擬電路和數(shù)字電路混合信號仿真、多層印制電路板設(shè)計（包含印制電路板自動布線）、可編程邏輯器件設(shè)計、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Clien

17、t/Server體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其他設(shè)計軟件的文件格式。,PSPICE,同濟大學(xué)汽車學(xué)院，嵌入式系統(tǒng)講義，魏學(xué)哲, ,1972年美國加州大學(xué)伯克利分校利用Fortran 語言開發(fā)出最初的版本,發(fā) 展 歷 程,SPICE正式版SPICE 2G在1975年正式推出,1985年，用C語言對SPICE進行了改寫，由Microsim推出,1988年SPICE被定為美國國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),1998年OrCAD與Microsim合作推出了 OrCAD PSPICE Release 10.5,PSPICE,不但能夠?qū)δM電路，而且對數(shù)字電路和數(shù)?；旌想娐芬材苓M行仿真 在對模擬電路進行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計等較為復(fù)雜的電路特性分析 集成度大大提高，電路圖