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