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  • 单片机应用系统的基本组成

    千次阅读 2016-11-21 12:14:11
    从单片机在其应用系统中所处位置及功能来看,一个单片机应用系统不外乎以下几个部分:前向通道、后向通道、中央控制器、人机交互通道、信息交互通道。前向通道用于获取各种信息;后向通道用于输出控制作用;中央...

            单片机的应用系统实际上是一个典型的测量与控制系统。其功能可能只有测量,或只有控制,或兼而有之。从单片机在其应用系统中所处的位置及功能来看,一个单片机应用系统不外乎以下几个部分:前向通道、后向通道、中央控制器、人机交互通道、信息交互通道。前向通道用于获取各种信息;后向通道用于输出控制作用;中央控制器完成整个应用系统数据处理、管理与控制;人机交互通道负责向用户输出各种信息,并接受相应命令;信息交互通道与其他设备的信息交换,与其他系统一起协同工作,完成某一任务。对于一个闭环控制系统,前向通道、后向通道和控制器一起构成一个闭环。通过前向通道反馈控制的结果,可以达到精确控制的目的。

            1. 前向通道

            前向通道是应用系统的数据采集输入通道。传感器处于前向通道的最前端。前向通道输入的信号包括模拟信号和数字信号两大类。广义来讲,开关信号、频率信号都属于数字信号的范畴。

            对于模拟信号,先需要进行信号调理(包括放大、滤波等),然后经过模拟开关、采样保持器、A/D转换器等,最终将A/D得到的数字信号输入到计算机中进行数据处理。

            对于数字信号,如是开关量,先要转换为标准数字信号,然后通过数字通道输入到单片机中;如果是频率信号,先要进行整形,将其变为矩形波,然后通过I/O口输入到单片机中;当然,如果是标准的数字信号,可直接通过计算机的I/O口输入到单片机中。

            为了减少微弱模拟信号在传输过程中所受的干扰,有的传感器具有了前置放大和信号调理电路,有的甚至还有控制器。其输出形式有4~20mA电流、大电压信号(V级)、频率信号、数字信号等,可采取相应的处理,最后得到数字信号,输入到控制器中。

            前向通道的信号一般是比较微小的,属于通常所说的“弱电”,其主要考虑的就是抗干扰问题。为此常采用前置放大、光电隔离、滤波、浮地、屏蔽、接地等措施,以减少干扰。

            2. 后向通道

            后向通道是输出控制信号产生控制作用的通道。与前向通道中的传感器对应,后向通道的末端是直接作用在被控对象上的驱动器、致动器或执行器。驱动器按照驱动方式可大致分为 a)电动,包括电磁铁、直流电机、交流电机、直流无刷电机、超声电机、激振器、扬声器等;b) 电热,包括电阻丝、正温度系数陶瓷(PTC)等; c)液压驱动,包括电磁阀、电液伺服阀等各种阀门; d)智能材料驱动,包括压电元件、电致/磁致伸缩材料、形状记忆合金(SMA),电流变/磁流变液等。

           驱动器一般都是大功率器件,需要足够的功率才能驱动。如一个空调的压缩机,通常需要1kW级的功率驱动,属于“强电”。但是单片机输出的信号仍然是非常微弱的,仍是“弱电”,所以,后向通道中通常需要功率电路。功率电路放大电压的同时,也放大电流。功率电路常用的功率电子器件包括晶体管GTR、达林顿管、晶闸管SCR、GTO、功率MOS-FET、IGBT等。在功率电路中,这些器件工作在两种状态下:线形放大和开关。如推动扬声器工作的功放中的功率元件就工作在线形放大和开关。如推动扬声器工作的功放中的功率元件就工作在线形放大状态。大部分功率电路中,功率元件工作在开关状态,如直流无刷电机的驱动电路、变频调速驱动电路和开关电源电路等。线性放大下的功率元件本身消耗大量功率,效率很低,故一般尽量采用开关方式。

            后向通道分为以下几种情况

            (1)有的驱动器只需要一个通断控制信号,如启动和关闭一个交流异步电机,这时单片机可直接输出数字信号,经过放大后驱动一个继电器(机械的和固态的),由继电器控制通断。

            (2)有的驱动器需要大功率模拟信号,这时有两种连接方式:a)单片机连接到D/A转换器,再连接到线性功率放大,然后是驱动器(如音响中的扬声器);b)由单片机的PWM直接输出脉宽调制信号,控制功率管的开关时间,最后也是驱动器,如变频调速电机。

            (3)有的驱动器都是集成式的,将功率电路、控制电路和驱动器三者集成在一起。继承有驱动电路的驱动器通常只需要小信号就可以控制其运行。如有的可直接接收数字信号,有的接收频率信号,有的接收脉冲,有的直接接收小模拟信号(如-5V~5V电压)。这时,单片机需要按照驱动器的要求输出相应信号。

            后向通道由于需要大的功率,通常有大电流、高电压信号,特别是大电流的开关,会对单片机应用系统产生较大的干扰。因此,在后向通道中存在大功率器件的情况下,一定要才去有效的抗干扰措施,如光耦隔离、继电器隔离、变压器隔离等,进行强、弱电的隔离。

            3. 中央控制器

            对于一个单片机应用系统,中央控制器就是单片机本身。中央控制器是应用系统的大脑,负责对整个系统的管理与控制,其主要功能是控制前向通道的信号输入、后向通道的信号输出、实现人机对话和与其他应用系统的信息交换。更主要的是通过运行程序,完成对信号的分析处理,完成相应的控制算法(如果有)或控制逻辑。

            4. 人机交互通道

            单片机应用系统是为人服务的,因此,在自动完成测控任务的同时,也需要将某些信息反馈给用户,同时接受用户指令,以便对系统参数进行设置以及干预测控过程。该通道主要包括键盘、鼠标、触摸板、麦克风、显示器、打印机、扬声器等。

            与大型的测控系统相比,单品机应用系统的人机通道通常比较简单、实用。有的只包含简单的几个按键和几个数码管。

            5. 信息交互通道

            对于多机协同工作的系统,信息交互通道是必要的。信息交互通道负责共享信息和与其他机器一起协同完成测控任务。其组成主要是各种通讯接口。

            对于双机通讯的情况,采用通用的RS-232比较简单实用。当然其他连接方式也很多,这里不一一列举。

            对于多机通讯的情况,所在的系统多属于分布式测控系统。需要多机组成分布式网络,这时要求单片机应用系统具有相应的网络接口,如现场总线(CAN、FF Bus、Lonworks、Profibus等)、RS-485/422、以太网接口甚至各种无线通讯接口等。

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  • 计算机硬件系统基本组成

    千次阅读 2020-03-28 18:37:54
    1. 计算机硬件系统基本组成 下图是一种计算机硬件系统的简化结构模型示意图,其中包含CPU、存储器、输入/输出(IO)设备和接口等功能部件,各部件之间通过系统总线相连接。 (1) CPU CPU 是计算机硬件系统的核心部件...

    1. 计算机硬件系统基本组成

    下图是一种计算机硬件系统的简化结构模型示意图,其中包含CPU、存储器、输入/输出(IO)设备和接口等功能部件,各部件之间通过系统总线相连接。
    在这里插入图片描述

    (1) CPU

    CPU 是计算机硬件系统的核心部件,CPU的主要工功能是读取并执行指令,在执行指令过程中,它通过总线向系统中的各部件发出各种控制信息,收集各部件的状态信息,与各部件交换信息。
    CPU由运算部件、寄存器组和控制器组成,它们通过CPU内部的总线相互交换信息。运算部件完成算术运算(定点数运算、浮点数运算)和逻辑运算。寄存器组用来存放数据信息和控制信息。控制器提供整个系统工作所需的各种微命令,这些微命令可以通过组合逻辑电路产生,也可以通过执行微程序产生,相应分别被称为组合逻辑和微程序控制方式。

    (2) 存储器

    存储器用来存储信息,包括程序、数据文档等。如果存储器的存储容量越大、存取速度越快,那么系统的处理能力就越强,工作速度也就越高。但是一个存储器很难同事满足大容量、高速度的要求,因此常将存储器分为主存、外存和缓存三级存储体。
    主存用来存放CPU需要使用的程序和数据。主存的每个存储单元都有固定的地址,CPU可以按地址直接访问他们。因此要求主存的存取速度很快,但目前因技术条件的限制其容量优先,一般仅为GB级。通常将CPU和主存合称为主机,因主存于主机之内,故主存又常被称为内容。
    外存位于主机之外,用来存放大量的需要联机保存但CPU暂不使用的程序和数据。需要时,CPU并不直接按地址访问它们,而是按文件名将它们从外存调入主存。因此外存的容量很大,但存取速度比主存慢,如磁盘、光盘和U盘都是常用的外存。
    告诉缓存是为了提高CPU的访问速度,在CPU和主存之间设置的一级速度很快的存储器,容量较小,用来存放CPU当前正在使用的程序和数据。告诉缓存的地址总是与主存某一区间地址相映射,工作时CPU首先访问告诉缓存,如果未找到所需的内容,再访问主存。在现代计算机中,缓存是集成在CPU内部的,一般集成了两级Cache,高端芯片甚至集成了三级缓存。

    (3) 输入/输出设备

    输入设备将各种形式的外部信息转换为计算机能够识别的代码形式送人主机。常见的输入设备有键盘、鼠标等。输出设备将计算机处理的结果转换为人们所能识别的形式输出。常见的输出设备有显示器、打印机等。
    输入设备和输出设备都与主机之间传输数据,只是传输方向不同,因此常将输入设备和输出设备合称未输入/输出(Input/Out, I/O)设备。它们在逻辑划分上位于主机之外,又称为外围设备或者外部设备,简称外设。磁盘、光盘等外存既看成可存储系统的一部分,也看成具有存储能力的输入/输出设备。

    (4) 总线

    总线是一组能为多个部件分时共享的信息传输线。现代计算机普遍采用总线结构,用一组系统系统总线将CPU、存储器和I/O设备连接起来,各部件通过这组总线交换信息。注意:任一时间只能允许一个部件或者设备通过总线发送信息,否则会引起信息碰撞;但允许多个部件同时从总线上接收信息。
    根据系统总线上传送的信息类型,系统总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。地址总线用来传送CPU和外设发向主存的地址码。数据总线用来传送CPU、主存以及外设之间需要交换的数据。控制总线用来传送控制信号,如时钟信号、CPU发现主存或外设的读/写命令和外设送往CPU的请求信号等。

    (5) 接口

    计算机系统采用确定的总线标准,每种总线标准规定了其地址线和数据线的位数、控制信号线的种类和数量等。但计算机系统所连接的各种外部设备并不是标准的,在种类与数量上是可变的。为了将标准的系统总线与各具特色的I/O设备连接起来,需要再系统总线与I/O设备之间设置了一些部件,它们具有缓冲、转换、连接等功能,这些部件就被称为I/O接口。
    计算机的各种操作都可以归结为信息的传输。信息在计算机中沿着什么途径传输直接影响硬件系统结构。
    我们将信息在计算机中的传输途径称为数据通路结构。因此,硬件系统结构的核心是数据通路结构。

    (5.1)微型计算机的"南-北"桥经典架构

    在这里插入图片描述

    该模型基于Intel平台经典的“南-北”桥布局结构,从整体架构上看,北桥芯片组主要担当内存控制、视频控制和与CPU的交互;南桥芯片组负责控制外部设备的输入/输出,如键盘、鼠标、硬盘、网络等,还承担BIOS(Basic Input/Output System)的管理任务。北桥(也称主桥)与南桥之间通过DMI(Direct Media Interface)即直接媒体接口标准的总线相互连接,以形成“CPU-北桥-南桥-外设”这种模式信息传输的控制方式。
    该模型中可能存在多种不同的总线,如FSB、DMI、PATA、PCI-E、USB、SATA等。

    (5.2) 小型计算机的硬件体系架构

    小型计算机往往侧重于以较低的硬件代价实现较强的系统功能,因此常用多组系统总线作为系统中各个部件互联的集成,如连接CPU、存储器和I/O接口,再通过接口连接外部设备。下图是惠普的双处理器小型机
    在这里插入图片描述
    双处理器机架式服务器总,两个处理器之间通过QPI(Quick Path Interconnect)总线互连。主处理器通过DMI总线与IntelC600系列芯片组互联。此外,芯片组提供14路USB2.0接口、SM(系统管理)总线、GPIO(General Purpose Input Output)即通用输入/输出端口、TMP安全控制芯片、Super I/O总线、普通PCI总线和4/8路宽带为3Gb/3的SAS(Serial attached SCSI)磁盘接口,以及8路PCI-E 2.0总线和PCI Express 卡插槽、无线局域网接口和传统的音频输出接口等。
    Intel 600系列芯片组提供的接口、插槽、总线能对存储系统和外围设备进行扩展,构建一个高性能的企业级专用小型计算机服务器。

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  • 基本的rfid系统组成

    2015-03-24 10:40:11
    1,电子标签:由基本的原件以及芯片组成,内置有天线。是为了和射频天线进行通信。 2,读写器:是系统中重要角色,读取标签信息的一种设备,配置有天线,和电子标签进行通信。 3,天线:在标签和读写器进行传递...

    1,电子标签:由基本的原件以及芯片组成,内置有天线。是为了和射频天线进行通信。

    2,读写器:是系统中重要的角色,读取标签信息的一种设备,配置有天线,和电子标签进行通信。

    3,天线:在标签和读写器进行传递射频信号,交换内容信息。

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  • 总结: 计算机五大部件: ...输入设备接收用户输入指令或者数据,经过CPU数据与逻辑处理后,产生或存储成有用的信息并输出。 操作系统: OS,是管理和控制计算器硬件与软件资源计算机程序,直接...
    • 总结:
    1. 计算机的五大部件:
    1. 设备:键盘,鼠标等;
    2. 控制器:其功能为对程序规定的控制信息进行解释;
    3. 运算器:对数据进行各种算数和逻辑运算;
    4. 存储器:功能是存储程序,数据和各种信号;
    5. 输出设备:显示器,打印机等
    1. 计算机的功能:

    输入设备接收用户输入的指令或者数据,经过CPU的数据与逻辑处理后,产生或存储成有用的信息并输出。

    1. 操作系统:

    OS,是管理和控制计算器硬件与软件资源的计算机程序,直接运行在裸机上的最基本的系统软件,其他的控制都必须在操作系统的支持下才能运行。

    操作系统的构成:操作系统内核与系统调用API

    1. 操作系统内核:负责管理系统的进程,内存,设备驱动程序,文件和网络系统,决定了系统的性能和稳定性。

      功能:1)系统调用接口;

    1. 程序管理;
    2. 内存管理,虚拟内存-内存交换;
    3. 文件系统管理;
    4. 设备驱动;

    常见的操作系统:UNIX,Linux类;MacOS,Windows类;IOS,WP,Andriod,ChromeOS

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