嵌入式控制系統設計/硬體外設
|
華夏公益教科書
嵌入式控制系統設計
|
本章介紹了嵌入式控制系統中使用的硬體元件（處理器架構除外，將在另一章中討論）。 越來越多的，本章討論的元件不再是純粹的硬體，而是成為嵌入式系統本身，具有越來越多的軟體功能。
本章的重點不是介紹這些硬體的工作原理，而是介紹系統設計工程師需要了解的資訊，以便做出適當的選擇。
- 匯流排（電氣，EMC，協議）
- AD/DA
- 數字 IO（輸入，輸出）
- PWM（脈衝寬度調製）
- 電機放大器
- 編碼器，分解器，霍爾感測器
在大多數嵌入式系統中，許多不同型別的硬體都相互連線。 此連線通常透過機械方式完成，或者使用電纜上的電壓（有時也使用電流）訊號完成。 典型的嵌入式系統往往有許多來自不同位置但前往同一個控制器的不同訊號電纜。 另一方面，這些控制器只有幾個 I/O 埠。 I/O 模組根據型別具有大量（主要是數字）輸入和輸出。 I/O 模組和控制器之間的通訊透過一個連線進行，透過該連線傳送輸入和輸出。 I/O 模組不會改變此連線上的訊號，它只會對其進行編輯（以可逆的方式），以便它們可以使用一個連線傳送。 根據 I/O 模組的型別，訊號應首先透過 ADC/DAC，然後傳遞到 I/O 模組。
I/O 模組和控制器通常透過一對“雙絞線”進行通訊。 其他型別的連線以及訊號協議的技術細節超出了本書的範圍。 如果您想了解更多資訊，請參閱嵌入式控制系統設計/現場匯流排，機器人：計算機控制：介面：網路和序列通訊書架。
模數轉換器（或 ADC）將模擬輸入訊號（通常是電壓訊號）轉換為數字。 這是硬體介面中的一個關鍵步驟。 轉換器的實際選擇取決於所需的精度（通常為 6-24 位）。 ADC 通常由一個取樣保持電路先行，該電路對由時鐘訊號定義的輸入電壓進行取樣（以取樣率），然後在短時間內保持該值。
可能會出現一些取樣誤差，但可以透過檢視裝置的規格輕鬆避免。 量化噪聲是由 ADC 的有限精度引起的。 這是不可避免的一種噪聲，但可以透過使用更高的精度將其降低到幾乎任何級別。 因此，信噪比（至少是量化噪聲）完全取決於精度。
第二個常見錯誤是混疊。 混疊是由於取樣保持電路的有限取樣率引起的。 如果訊號中存在高頻成分（並且始終存在高頻噪聲，例如），則 ADC 無法正確處理它。 當發生混疊時，人們可能期望被切斷的這種高頻成分將改變訊號的低頻（因此是所需的）成分。 原則上，當取樣頻率高於奈奎斯特頻率（輸入訊號頻寬的兩倍）時，可以避免混疊。 為了避免高頻噪聲的影響，並使 ADC 更健壯，也可以在轉換髮生之前對輸入訊號進行低通濾波。
數模轉換非常類似於模數轉換。
頻寬限制由最大開關速度決定，因此決定了數字訊號可以處理的最大速度。 這些限制完全是由於電路的性質造成的，無法改變。 DAC 輸出通常是一個分段常數函式（零階保持）。 輸出值由數字輸入和時鐘訊號決定。 它在一個時鐘週期內保持，這會導致尖銳的拐角，因此產生高頻成分。 DAC 後面是一個低通濾波器。
數模轉換是另一種可能性。 有沒有從控制器獲得時鐘訊號，小型轉換器可以對數字訊號執行許多簡單的操作。 更改位深度或採樣率是其中的一些可能性。 是否需要單獨的線連線到控制器以用於時鐘訊號，取決於操作型別，以及線程式碼。 無需將線連線到系統中的每個數模轉換器可能是一個很大的優勢。 例如，曼徹斯特編碼允許輕鬆提取時鐘訊號，因此可以在執行幾乎任何型別的操作的數模轉換器中使用。 這種型別的編碼（或提供時鐘訊號）可以用於執行超出簡單轉換的複雜計算和操作。
感測器測量系統輸出，並將它們作為輸入呈現給控制器。 通常，感測器生成的訊號太弱，或者需要在傳輸之前進行修改。 需要考慮的影響包括輸入和輸出阻抗、感測器和放大器的線性度、限制電纜長度和其他干擾的影響等。 已經構建了不同型別的電路來解決這些問題。 許多感測器與這些裝置捆綁在一起，通常在同一個外殼中。 還提供商業封裝，其中包含連線到感測器的所需裝置。 這些（主要是）電子裝置主要由運算放大器、電晶體和 RLC 電路組成。 比較器、高通、低通和帶通濾波器、源極跟隨器和各種放大器都是由這些元件製成的。
旋轉編碼器有兩種型別：絕對式和增量式編碼器。
絕對式旋轉編碼器
絕對式編碼器測量角度位移。它的輸出是數字訊號。解析度有限，決定了整個嵌入式控制系統的精度。這種編碼器可以直接連線到控制器（由於其數字輸出）。模擬版本，例如電位器，輸出模擬訊號，因此需要在它們輸出和控制器之間使用 ADC。
增量式旋轉編碼器
這些編碼器測量相對角度位移。解析度如常有限。它們每次發生一定角度位移時輸出一個脈衝。產生的訊號是模擬訊號，並具有直流分量。輸出是無時鐘的，這意味著取樣頻率未預定義。轉速透過輸出脈衝之間的距離來測量。需要一個額外的計數器來計數脈衝並生成數字輸出訊號。一些（更昂貴的）編碼器內建了這個額外的硬體。它們與絕對式編碼器一樣容易連線到控制器。
兩種型別的旋轉編碼器都需要一個饋電訊號，輸出幅度取決於該訊號。數字輸出訊號對噪聲相對不敏感，這意味著小幅度就足夠了。
分解器與絕對式數字編碼器完全相同，但輸出模擬訊號。
霍爾效應感測器是一種轉速計，用於測量角速度。輸出電壓和頻率均與角速度成正比。因此它產生模擬輸出訊號，與增量式編碼器類似。
其他型別的轉速計包括簡單的直流發電機，它在其主導線上產生與電機角速度成正比的電壓。
接近感測器允許使用者測量到物體的距離或物體是否存在。接近感測器以多種不同的方式工作。
感測器型別
- 超聲波
- 磁性
- 電容式
- 雷達
- 聲納
- 反射式
- 雷射
- 化學
- ...
硬體濾波器用於消除測量訊號中的噪聲。最常見的是低通、高通、帶通和帶阻濾波器。當訊號的頻率範圍與噪聲的頻率範圍不同時，濾波顯然只能提高信噪比。
商用電機驅動器易於配置。驅動器可以是模擬的或數字的。在控制器微處理器上執行的軟體版本是另一種可能性。始終需要一個模組根據（小）輸入訊號轉換饋電訊號。商用驅動器內建了這些功能。存在幾種型別的這些模組：脈衝寬度調製器、斬波器。這些模組利用閘流體/電晶體開關。過去，閘流體應用更廣泛，但現在電晶體（MOSFET/IGBT）更受歡迎（即在低功耗和中功耗應用中）。然而，閘流體電路仍然經常用於更強大的應用（在兆瓦量級）。例如：風力渦輪機。
饋電訊號可能需要在饋送到電機本身之前進行變換和轉換為直流，或相移。
交流感應電機啟動會導致很大的電流峰值。這種情況在正常使用中絕不會發生，但可能會在突然斷電後造成問題。一個特殊的啟動裝置，在達到一定速度後會斷開，可以解決這個潛在問題。它也可以在控制系統本身內考慮。硬體將保持不變。輸入訊號和饋電訊號都可以進行濾波，以避免過大的電機噪聲。
步進電機通常用於定位系統。控制器將所需的步數傳送到電機，其中電晶體開關以適當的順序開啟或關閉。
氣動和液壓電路使用壓力下的流體（分別為氣體和液體）。這些流體可以存在於控制系統外部並饋送到控制系統。泵或壓縮機也可以是嵌入式系統本身的一部分。然後由控制器控制。氣動和液壓電路由閥門組成，這些閥門由機構、電流（電磁閥）或其他氣動/液壓電路驅動。
機構驅動的閥門
氣動/液壓閥門可以透過機構或凸輪從動系統驅動。機構的純機械結構構成了自控制方案的基礎。控制器幾乎沒有互動作用。凸輪的轉速或機構中分支的給定運動可以控制，但凸輪的形狀或機構決定了閥門的運動。例如：氣動有限狀態機。動力學受彈簧（在凸輪從動系統中）和/或閥門本身的頻寬的限制（取決於型別）。
電磁閥
電磁閥也可以使用。通常需要快速響應，因此需要很大的力量。這會導致很大的電流。需要一定的饋電訊號。這由一個電源電路來解決，其中包含許多其他裝置，包括電流互感器。使用的電流很大，但功率不是很大。因此，這些電路不同於電機驅動器中使用的電路，電機驅動器的功耗要高得多。動力學受閥門的頻寬限制，這遠低於電氣元件的頻寬。
在處理高壓和大量流量時，會使用多個級聯閥門。第一個閥門由電氣或機械驅動，然後，它反過來利用壓力下的流體驅動下一個閥門。
閥門的驅動
大多數情況下，閥塊由中央控制器透過匯流排和變電站驅動。這在大型工業系統中尤其如此。這種分層系統非常清晰，允許設計非常複雜的結構。還有一種真正的微型 ECS 的可能性：帶有“內建”閥塊的控制器。最後一種解決方案結構緊湊，可以獨立執行。例如：汽車中的防抱死制動系統 (ABS)。
為了將有用資料與噪聲清晰地分離，需要良好的介面。當佈線不當時，來自附近環境的電氣噪聲很容易被引入電路。因此，在進行互連時需要非常注意。在本文中，讀者可以對一些關於介面的常見問題有所瞭解。最後，有一個包含一些通用技巧的部分。
如果兩個電路共享一條電流路徑，由於該公共路徑的阻抗，可能會耦合這些電路的訊號。當多個電路使用一條路徑將電流返回到其電源時，這種情況經常發生。
數位電路中的電流瞬變（當邏輯狀態切換時）將短暫地改變類比電路的“接地”參考。由於缺乏“抗噪聲能力”，此問題在類比電路中更為重要。數字系統在一定程度上對這些影響不太敏感。
在系統中的任何兩個導體之間，如果它們之間的空間充滿了電介質絕緣體，就會存在電容。如果接收電路具有較大的電阻阻抗，則相關的噪聲訊號會受到噪聲源訊號的影響。這種影響在高頻時更為重要。為了避免這種靜電耦合，最好的方法是使用靜電遮蔽。這樣，整個電路都被金屬遮蔽包圍。根據“法拉第籠”原理，外部電壓的影響在遮蔽內部將為零。問題是，該遮蔽將與內部的每個導體之間存在寄生電容。這降低了它的有效性。很明顯，當數字接地和模擬接地保持分離時，不會出現此問題。
兩個彼此靠近的導體之間可能存在顯著的互感。然後，電源電路中的交流電流會在輸入電路中感應出共模干擾電壓。該電感取決於兩個電路的幾何形狀，即重疊長度和間距。即使測量電路與接地完全隔離，也會發生電感耦合。扭轉導體是最簡單的方法，可以將電感耦合到外部干擾的影響降到最低。這種佈置通常稱為雙絞線。在給定迴路中感應的干擾電壓的大小與迴路面積和外部磁場變化率成正比。感應電壓的符號取決於導體的方向。在兩個迴路的面積相同且經歷相同磁場的情況下，理想情況下，感應電壓的總和為零。
隔離放大器通常與感測器一起使用，因為感測器通常是脆弱且敏感的元件。隔離放大器在很寬的頻率範圍內具有固定的差分增益、高輸入阻抗和低輸出阻抗。除此之外，隔離放大器的輸入與其輸出和電源隔離。這樣，敏感而脆弱的輸入元件就得到了保護。常用的隔離技術有電磁隔離和光隔離。
電磁隔離透過空心變壓器將放大後的訊號耦合到電路之間。訊號首先在較高頻率上進行調製。空心變壓器會阻擋低頻成分（如直流和 50 赫茲電源）。訊號透過變壓器傳輸後，會再次解調和放大。另外，可以使用第二個變壓器為第一個電路供電，這樣就不需要電池。
當使用光隔離時，傳輸的訊號首先會被調製，然後由固態光發射器傳送到第二個電路的光探測器。這樣，兩個電路在電氣上完全解耦。但這種方法需要在發射電路中包含電池。
- 由於測量電路和電源電路之間的互感和耦合電容與它們之間的距離成反比，因此該距離應儘可能大。
- 來自電源的每一股電流都必須返回到該電源。
- 每個導體都具有有限的電阻和阻抗，這意味著“接地”導體可能包含直流偏移和電壓尖峰。
- 在電路執行時，使用示波器檢查電源中的電壓尖峰。
- 電路板可以有一個“接地平面”，將其用作電磁遮蔽，而不是用作返回電流的導體。[需要引用]
- 電源應採用粗線連線，以儘量減少電壓降。
- 在電源導體及其接地迴流導體之間使用電容器（從 1 到 100 微法拉）。這樣可以穩定電源電壓，以抵禦外部干擾（50 赫茲到 1 兆赫茲）和短時間電壓降。
- 在數位電路的電源之間使用雲母電容器，以儘量減少電流短路浪湧的影響。也將它們放在需要保護這些浪湧的模擬晶片上。
- 嵌入式系統/高壓電路
- 模擬和數字轉換
- 實用電子/PCB 佈局
- PMinMO wiki 描述了從標準臺式計算機控制機器（通常是 CNC 機床）的過程。它提供了大量關於電機、電機驅動器和機械的資訊。
- Open Circuits 提供了電機驅動器資訊。
- Stephen E. Derenzo，“實驗室中的實際介面”，劍橋大學出版社，2003 年。
- Harold S. Stone，“微機介面”，Addison-Wesley 出版公司，1982 年
- John P. Bentley，“測量系統原理”，Pearson Prentice Hall，2005 年