嵌入式控制系统设计/硬件外设
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维基教科书
嵌入式控制系统设计
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本章介绍了嵌入式控制系统中使用的硬件组件（处理器架构除外，将在另一章中讨论）。 越来越多的，本章讨论的组件不再是纯粹的硬件，而是成为嵌入式系统本身，具有越来越多的软件功能。
本章的重点不是介绍这些硬件的工作原理，而是介绍系统设计工程师需要了解的信息，以便做出适当的选择。
- 总线（电气，EMC，协议）
- AD/DA
- 数字 IO（输入，输出）
- PWM（脉冲宽度调制）
- 电机放大器
- 编码器，分解器，霍尔传感器
在大多数嵌入式系统中，许多不同类型的硬件都相互连接。 此连接通常通过机械方式完成，或者使用电缆上的电压（有时也使用电流）信号完成。 典型的嵌入式系统往往有许多来自不同位置但前往同一个控制器的不同信号电缆。 另一方面，这些控制器只有几个 I/O 端口。 I/O 模块根据类型具有大量（主要是数字）输入和输出。 I/O 模块和控制器之间的通信通过一个连接进行，通过该连接发送输入和输出。 I/O 模块不会改变此连接上的信号，它只会对其进行编辑（以可逆的方式），以便它们可以使用一个连接发送。 根据 I/O 模块的类型，信号应首先通过 ADC/DAC，然后传递到 I/O 模块。
I/O 模块和控制器通常通过一对“双绞线”进行通信。 其他类型的连接以及信号协议的技术细节超出了本书的范围。 如果您想了解更多信息，请参阅嵌入式控制系统设计/现场总线，机器人：计算机控制：接口：网络和串行通信书架。
模数转换器（或 ADC）将模拟输入信号（通常是电压信号）转换为数字。 这是硬件接口中的一个关键步骤。 转换器的实际选择取决于所需的精度（通常为 6-24 位）。 ADC 通常由一个采样保持电路先行，该电路对由时钟信号定义的输入电压进行采样（以采样率），然后在短时间内保持该值。
可能会出现一些采样误差，但可以通过查看设备的规格轻松避免。 量化噪声是由 ADC 的有限精度引起的。 这是不可避免的一种噪声，但可以通过使用更高的精度将其降低到几乎任何级别。 因此，信噪比（至少是量化噪声）完全取决于精度。
第二个常见错误是混叠。 混叠是由于采样保持电路的有限采样率引起的。 如果信号中存在高频成分（并且始终存在高频噪声，例如），则 ADC 无法正确处理它。 当发生混叠时，人们可能期望被切断的这种高频成分将改变信号的低频（因此是所需的）成分。 原则上，当采样频率高于奈奎斯特频率（输入信号带宽的两倍）时，可以避免混叠。 为了避免高频噪声的影响，并使 ADC 更健壮，也可以在转换发生之前对输入信号进行低通滤波。
数模转换非常类似于模数转换。
带宽限制由最大开关速度决定，因此决定了数字信号可以处理的最大速度。 这些限制完全是由于电路的性质造成的，无法改变。 DAC 输出通常是一个分段常数函数（零阶保持）。 输出值由数字输入和时钟信号决定。 它在一个时钟周期内保持，这会导致尖锐的拐角，因此产生高频成分。 DAC 后面是一个低通滤波器。
数模转换是另一种可能性。 有没有从控制器获得时钟信号，小型转换器可以对数字信号执行许多简单的操作。 更改位深度或采样率是其中的一些可能性。 是否需要单独的线连接到控制器以用于时钟信号，取决于操作类型，以及线代码。 无需将线连接到系统中的每个数模转换器可能是一个很大的优势。 例如，曼彻斯特编码允许轻松提取时钟信号，因此可以在执行几乎任何类型的操作的数模转换器中使用。 这种类型的编码（或提供时钟信号）可以用于执行超出简单转换的复杂计算和操作。
传感器测量系统输出，并将它们作为输入呈现给控制器。 通常，传感器生成的信号太弱，或者需要在传输之前进行修改。 需要考虑的影响包括输入和输出阻抗、传感器和放大器的线性度、限制电缆长度和其他干扰的影响等。 已经构建了不同类型的电路来解决这些问题。 许多传感器与这些设备捆绑在一起，通常在同一个外壳中。 还提供商业封装，其中包含连接到传感器的所需设备。 这些（主要是）电子设备主要由运算放大器、晶体管和 RLC 电路组成。 比较器、高通、低通和带通滤波器、源极跟随器和各种放大器都是由这些组件制成的。
旋转编码器有两种类型：绝对式和增量式编码器。
绝对式旋转编码器
绝对式编码器测量角度位移。它的输出是数字信号。分辨率有限，决定了整个嵌入式控制系统的精度。这种编码器可以直接连接到控制器（由于其数字输出）。模拟版本，例如电位器，输出模拟信号，因此需要在它们输出和控制器之间使用 ADC。
增量式旋转编码器
这些编码器测量相对角度位移。分辨率如常有限。它们每次发生一定角度位移时输出一个脉冲。产生的信号是模拟信号，并具有直流分量。输出是无时钟的，这意味着采样频率未预定义。转速通过输出脉冲之间的距离来测量。需要一个额外的计数器来计数脉冲并生成数字输出信号。一些（更昂贵的）编码器内置了这个额外的硬件。它们与绝对式编码器一样容易连接到控制器。
两种类型的旋转编码器都需要一个馈电信号，输出幅度取决于该信号。数字输出信号对噪声相对不敏感，这意味着小幅度就足够了。
分解器与绝对式数字编码器完全相同，但输出模拟信号。
霍尔效应传感器是一种转速计，用于测量角速度。输出电压和频率均与角速度成正比。因此它产生模拟输出信号，与增量式编码器类似。
其他类型的转速计包括简单的直流发电机，它在其主导线上产生与电机角速度成正比的电压。
接近传感器允许用户测量到物体的距离或物体是否存在。接近传感器以多种不同的方式工作。
传感器类型
- 超声波
- 磁性
- 电容式
- 雷达
- 声纳
- 反射式
- 激光
- 化学
- ...
硬件滤波器用于消除测量信号中的噪声。最常见的是低通、高通、带通和带阻滤波器。当信号的频率范围与噪声的频率范围不同时，滤波显然只能提高信噪比。
商用电机驱动器易于配置。驱动器可以是模拟的或数字的。在控制器微处理器上运行的软件版本是另一种可能性。始终需要一个模块根据（小）输入信号转换馈电信号。商用驱动器内置了这些功能。存在几种类型的这些模块：脉冲宽度调制器、斩波器。这些模块利用晶闸管/晶体管开关。过去，晶闸管应用更广泛，但现在晶体管（MOSFET/IGBT）更受欢迎（即在低功耗和中功耗应用中）。然而，晶闸管电路仍然经常用于更强大的应用（在兆瓦量级）。例如：风力涡轮机。
馈电信号可能需要在馈送到电机本身之前进行变换和转换为直流，或相移。
交流感应电机启动会导致很大的电流峰值。这种情况在正常使用中绝不会发生，但可能会在突然断电后造成问题。一个特殊的启动装置，在达到一定速度后会断开，可以解决这个潜在问题。它也可以在控制系统本身内考虑。硬件将保持不变。输入信号和馈电信号都可以进行滤波，以避免过大的电机噪声。
步进电机通常用于定位系统。控制器将所需的步数发送到电机，其中晶体管开关以适当的顺序打开或关闭。
气动和液压电路使用压力下的流体（分别为气体和液体）。这些流体可以存在于控制系统外部并馈送到控制系统。泵或压缩机也可以是嵌入式系统本身的一部分。然后由控制器控制。气动和液压电路由阀门组成，这些阀门由机构、电流（电磁阀）或其他气动/液压电路驱动。
机构驱动的阀门
气动/液压阀门可以通过机构或凸轮从动系统驱动。机构的纯机械结构构成了自控制方案的基础。控制器几乎没有交互作用。凸轮的转速或机构中分支的给定运动可以控制，但凸轮的形状或机构决定了阀门的运动。例如：气动有限状态机。动力学受弹簧（在凸轮从动系统中）和/或阀门本身的带宽的限制（取决于类型）。
电磁阀
电磁阀也可以使用。通常需要快速响应，因此需要很大的力量。这会导致很大的电流。需要一定的馈电信号。这由一个电源电路来解决，其中包含许多其他装置，包括电流互感器。使用的电流很大，但功率不是很大。因此，这些电路不同于电机驱动器中使用的电路，电机驱动器的功耗要高得多。动力学受阀门的带宽限制，这远低于电气组件的带宽。
在处理高压和大量流量时，会使用多个级联阀门。第一个阀门由电气或机械驱动，然后，它反过来利用压力下的流体驱动下一个阀门。
阀门的驱动
大多数情况下，阀块由中央控制器通过总线和变电站驱动。这在大型工业系统中尤其如此。这种分层系统非常清晰，允许设计非常复杂的结构。还有一种真正的微型 ECS 的可能性：带有“内置”阀块的控制器。最后一种解决方案结构紧凑，可以独立运行。例如：汽车中的防抱死制动系统 (ABS)。
为了将有用数据与噪声清晰地分离，需要良好的接口。当布线不当时，来自附近环境的电气噪声很容易被引入电路。因此，在进行互连时需要非常注意。在本文中，读者可以对一些关于接口的常见问题有所了解。最后，有一个包含一些通用技巧的部分。
如果两个电路共享一条电流路径，由于该公共路径的阻抗，可能会耦合这些电路的信号。当多个电路使用一条路径将电流返回到其电源时，这种情况经常发生。
数字电路中的电流瞬变（当逻辑状态切换时）将短暂地改变模拟电路的“接地”参考。由于缺乏“抗噪声能力”，此问题在模拟电路中更为重要。数字系统在一定程度上对这些影响不太敏感。
在系统中的任何两个导体之间，如果它们之间的空间充满了电介质绝缘体，就会存在电容。如果接收电路具有较大的电阻阻抗，则相关的噪声信号会受到噪声源信号的影响。这种影响在高频时更为重要。为了避免这种静电耦合，最好的方法是使用静电屏蔽。这样，整个电路都被金属屏蔽包围。根据“法拉第笼”原理，外部电压的影响在屏蔽内部将为零。问题是，该屏蔽将与内部的每个导体之间存在寄生电容。这降低了它的有效性。很明显，当数字接地和模拟接地保持分离时，不会出现此问题。
两个彼此靠近的导体之间可能存在显著的互感。然后，电源电路中的交流电流会在输入电路中感应出共模干扰电压。该电感取决于两个电路的几何形状，即重叠长度和间距。即使测量电路与接地完全隔离，也会发生电感耦合。扭转导体是最简单的方法，可以将电感耦合到外部干扰的影响降到最低。这种布置通常称为双绞线。在给定回路中感应的干扰电压的大小与回路面积和外部磁场变化率成正比。感应电压的符号取决于导体的方向。在两个回路的面积相同且经历相同磁场的情况下，理想情况下，感应电压的总和为零。
隔离放大器通常与传感器一起使用，因为传感器通常是脆弱且敏感的元件。隔离放大器在很宽的频率范围内具有固定的差分增益、高输入阻抗和低输出阻抗。除此之外，隔离放大器的输入与其输出和电源隔离。这样，敏感而脆弱的输入元件就得到了保护。常用的隔离技术有电磁隔离和光隔离。
电磁隔离通过空心变压器将放大后的信号耦合到电路之间。信号首先在较高频率上进行调制。空心变压器会阻挡低频成分（如直流和 50 赫兹电源）。信号通过变压器传输后，会再次解调和放大。另外，可以使用第二个变压器为第一个电路供电，这样就不需要电池。
当使用光隔离时，传输的信号首先会被调制，然后由固态光发射器发送到第二个电路的光探测器。这样，两个电路在电气上完全解耦。但这种方法需要在发射电路中包含电池。
- 由于测量电路和电源电路之间的互感和耦合电容与它们之间的距离成反比，因此该距离应尽可能大。
- 来自电源的每一股电流都必须返回到该电源。
- 每个导体都具有有限的电阻和阻抗，这意味着“接地”导体可能包含直流偏移和电压尖峰。
- 在电路运行时，使用示波器检查电源中的电压尖峰。
- 电路板可以有一个“接地平面”，将其用作电磁屏蔽，而不是用作返回电流的导体。[需要引用]
- 电源应采用粗线连接，以尽量减少电压降。
- 在电源导体及其接地回流导体之间使用电容器（从 1 到 100 微法拉）。这样可以稳定电源电压，以抵御外部干扰（50 赫兹到 1 兆赫兹）和短时间电压降。
- 在数字电路的电源之间使用云母电容器，以尽量减少电流短路浪涌的影响。也将它们放在需要保护这些浪涌的模拟芯片上。
- 嵌入式系统/高压电路
- 模拟和数字转换
- 实用电子/PCB 布局
- PMinMO wiki 描述了从标准台式计算机控制机器（通常是 CNC 机床）的过程。它提供了大量关于电机、电机驱动器和机械的信息。
- Open Circuits 提供了电机驱动器信息。
- Stephen E. Derenzo，“实验室中的实际接口”，剑桥大学出版社，2003 年。
- Harold S. Stone，“微机接口”，Addison-Wesley 出版公司，1982 年
- John P. Bentley，“测量系统原理”，Pearson Prentice Hall，2005 年