14、嵌入式系统硬件:物理与数字世界的桥梁

嵌入式系统硬件:物理与数字世界的桥梁

1. 引言

在嵌入式系统设计中,硬件设计的复用十分常见,既可以是实际硬件组件的复用,也可以是知识产权(IP)形式的复用。基于平台的设计方法学核心就在于对可用软硬件组件的复用,这也是应对嵌入式系统日益增长的复杂性的关键方法。

嵌入式系统的硬件标准化程度远低于个人计算机,由于其种类繁多,难以全面涵盖所有硬件组件类型。不过,我们可以对大多数系统中常见的一些关键组件进行概述。在许多网络物理系统,特别是控制系统中,硬件以闭环形式运行。在这个闭环中,传感器获取物理环境信息,通常传感器产生连续的模拟值序列,而数字计算机只能处理离散值序列,因此需要通过采样保持电路和模数转换器(ADCs)进行适当转换。转换后的信息可以进行数字处理,处理结果可显示并通过执行器控制物理环境。由于许多执行器是模拟执行器,可能还需要数模转换器(DACs)或脉宽调制(PWM)将数字信号转换为模拟信号。此外,电子信息处理需要电能,若能源不能持续供应,可能需要储能设备,并且在系统运行过程中需考虑散热问题。

2. 输入:物理与数字世界的接口
2.1 传感器

传感器是网络物理接口的关键组件,可针对几乎所有物理量进行设计,如重量、速度、加速度、电流、电压、温度等。传感器的构建可利用多种物理效应,如感应定律和光电效应,还有用于检测化学物质的传感器。近年来,传感器技术取得了巨大进展,智能系统的设计很大程度上得益于现代传感器技术。传感器的广泛应用催生了传感器网络,这也是物联网的关键要素。以下是一些典型传感器的介绍:
- 加速度传感器 :采用微系统技术制造,中心有一个小质量块。加速时,质量块会偏离标准位置,改

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