车身域控制器：1.基础电子电器知识——数字电路

数字电路处理的离散的、不连续的信号，通常表示为两个明确的电平状态：逻辑1（高电平）和逻辑0（低电平）。这是现代计算、控制和通信系统的基础。在BDC中，核心是微控制器（MCU），它本身就是一个极其复杂的数字电路系统，但BDC硬件设计也可能涉及一些分立的数字逻辑元件或需要理解数字信号的基本原理。

后续文章中将车身域控制器简称为BDC。

1.逻辑门

• 基本原理：逻辑门是数字电路最基本的构建单元，执行基本的布尔逻辑运算。它们有一个或多个输入端和一个输出端，输出状态由输入状态的逻辑组合决定。
• 基本类型：

• • 与门：所有输入都为1时，输出才为1.
  • 或门：任意一个输入为1时，输出就为1。
  • 非门：输出与出入相反。
  • 与非门：与门输出取反。与非门是“功能完备”的，理论上可以用与非门搭出所有其他逻辑功能。
  • 或非门：或门输出取反。或非门也是“功能完备”的。
  • 异或门：输入相同输出为0，输入不同输出为1。
  • 同或门：异或门输出取反。输入相同输出为1，输入不同输出为0。

• 真值表：表格形式，列出所有可能得输入组合以及对应的输出。
• 逻辑符号：标准化的图形符号表示不同的逻辑门。
• BDC相关：

• • 组合逻辑：用少量门电路实现简单的逻辑判断，如根据多个传感器的状态组合决定某个输出的开关。
  • 信号反相：使用非门反转信号极性。
  • 电平转换：有些逻辑门IC支持不同电压域之间的电平转换。
  • “胶水逻辑”：连接不同数字模块或芯片，协调它们之间的信号。
  • 使能/禁止信号：用与门、或门控制信号的通过与否。
  • 注意：现在BDC设计中，很多简单的逻辑功能会直接在MCU内部通过软件或可配置逻辑实现，但理解门电路原理仍是基础。

2.触发器

• 基本原理：触发器是具有记忆功能的数字电路基本单元，能够存储一位（1bit）二进制信息（0或1）。它的输出状态不仅取决于当前的输入，还取决于之前的状态。这是构成时序逻辑的基础。
• 关键特性：

• • 状态：储存的值（Q）及其反向值（Q̅）。
  • 时钟信号：大多数实用的触发器是同步的，其状态只在时钟信号的特定时刻（上升沿或下降沿）才可能根据输入发生改变。这保证了系统中各个部分动作的协调一致。
  • 输入端：根据类型不同有不同的输入端（如S，R，J，K，D，T）。

• 常见类型：

• • SR触发器：最基本的，有Set和Reset输入。容易出现输入约束问题（S=R=1状态不定）。
  • JK触发器：对SR的改进，解决了不定状态，并增加了翻转功能。
  • D触发器：最常用的一种。有一个数据输入D和一个时钟输入。在时钟有效沿，输出Q会锁存（复制）输入D的状态。常用于构建寄存器。
  • T触发器：有一个T输入。当T=1时，每个时钟有效沿输出状态翻转；T=0时保持不变。常用于构建计数器。

• BDC相关：

• • 寄存器：由多个D触发器并行组成，用于临时存储一组数据（如MCU内部的通用寄存器，状态寄存器，外设控制寄存器）。
  • 计数器：记录时钟脉冲的数量。
  • 分频器：将输入时钟频率降低。
  • 移位寄存器：数据可以在寄存器内部逐位移动，用于串并转换、数据传输等。
  • 注意：分立的触发器IC在现代BDC设计中不常见，这些功能绝大多数集成在MCU内部。但理解触发器原理对理解MCU内部工作方式（如定时器、串行通信接口、中断锁存）至关重要。

3.时序逻辑

• 基本原理：输出不仅取决于当前的输入信号，还取决于电路过去的状态（存储在触发器等记忆元件中）。与组合逻辑（输出仅取决于当前输入）相对。
• 构成：由组合逻辑电路（逻辑门）和存储元件（触发器）构成。通常包含反馈路径。
• 例子：计数器、寄存器、状态机、存储器单元等都是时序逻辑电路。
• BDC相关：

• • MCU内部的几乎所有外设控制器（定时器、串口、SPI、I2C、CAN控制器等）都基于复杂的时序逻辑。
  • 电源管理逻辑（如控制上下电、休眠模式切换的顺序）。
  • 某些需要记忆状态的接口逻辑。
  • 理解时序逻辑对于分析设计时间顺序的操作（如通信协议时序、PWM生成、事件序列控制）非常重要。

4.状态机

• 基本原理：一种数学模型，用于设计和描述时序逻辑电路或程序的行为。它定义了一组状态、状态之间切换的转换条件（基于输入和当前状态）、以及在特定状态或发生转换时产生的输出。
• 类型：

• • 米利型状态机：输出取决于当前状态和当前输入。
  • 摩尔型状态机：输出仅取决于当前状态。

• 表示方法：状态图（图形化）、状态表。
• BDC相关：

• • 概念模型：是设计复杂控制逻辑（无论在硬件还是软件中实现）的强大工具。例如，可以用来设计BDC的电源状态管理、LIN通信协议栈的状态处理、某个复杂功能的控制流程（如雨刮自动模式）。
  • 硬件实现：虽然可以用触发器和逻辑门直接构建硬件状态机，但在BDC中，状态逻辑通常在MCU的软件/固件中实现，或者在可编程逻辑器件（FPGA/CPLD，在BDC中不常用）中实现。理解状态机概念有助于编写清晰、可靠的控制代码。

5.编解码器

• 编码器：将多个输入线中的某一个有效信号（通常只有一个输入为有效电平）转换为代码（通常是二进制）输出。例如，一个8线-3线有限编码器可以将8个输入线中优先级最高的有效输入转换成3为二进制码。
• 解码器：将输入的二进制代码转换成多个输出线中的某一个有效信号。例如，一个3线-8线解码器可以将3位二进制输入（000到111）转换成8条输出线中对应的一条有效（其他无效）。

• • 应用：地址解码（选择存储器芯片或外设）、BCD码转七段数码管显示驱动等。

• 多路复用器（MUX）：也叫数据选择器。有多个数据输入端、一个输出端和几个选择控制端。根据选择控制端的代码，将某一个数据输入端连接到输出端。
• 多路分解器（DEMUX）：也叫数据分配器。有一个数据输入端、多个输出端和几个选择控制端。根据选择控制端的代码，将数据输入端连接到某一个输出端。
• BDC相关：

• • 内部MCU：地址解码、外设选择、总线控制、数据通路切换等大量使用解码器和MUX/DEMUX。
  • 外部电路：可能使用分立的MUX来选择不同的模拟传感器输入到同一个ADC通道（虽然模拟开关更常用），或使用解码器来驱动多个相似的负载（不常见，通常用MCU GPIO或专用驱动芯片）。
  • 理解编解码、MUX/DEMUX原理对于理解MCU内部资源如何被访问和共享非常重要。

总结：

• 数字电路是BDC的大脑（MCU）和神经系统（通信总线）的基础。虽然很多复杂的数字逻辑功能已高度集成到MCU/SoC中，但仍需掌握数字电路的基本概念（逻辑门、触发器、时序逻辑、状态机、编解码器），以便：

• • 理解MCU及其外设的工作原理。
  • 设计MCU与外部数字传感器、执行器、通信收发器等的接口电路。
  • 使用少量的分立逻辑IC来完成简单的粘合逻辑或电平转换。
  • 分析和调试数字信号时序、逻辑电平相关的问题。
  • 理解数字通信协议的基础。

下期预告

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