1、西北工業大學計算機學院2013年5月目錄3.1 引言例如：一個嵌入式處理器可能集成多種功能。相對而言，通用計算機普遍基于X86架構。通用PC：串口、并口、USB、 Ethernet 等。 嵌入式：上述接口，I2C，Firewire，藍牙、紅外、CAN等。3.1 引言在CPS系統中，尤其是在控制系統中，嵌入式硬件被組織在如下的一個回路中：3.2 輸入計算機與外界的信息交換是通過輸入/輸出(I/O)設備進行的。輸入設備：向計算機輸入數據。I/O設備通過I/O接口(Interface)電路與處理器相連接。外設與處理器的速度不匹配；不同外設的信號形式、數據格式也各不相同。3.2 輸入如圖所示，外部設備

2、不能與處理器直接相連，需要通過I/O接口來完成它們之間的速度匹配、信號轉換，并完成某些控制功能。從而實現信道上的數據通信通信。Fig. 一個典型的I/O系統結構3.2.1 傳感器用途用途：獲取必要的外部物理環境信息（物理量），如重量、速率、電流、電壓及溫度等。方法方法：各種物理效應，如電磁感應、光電效應等。產生產生：信號信號(signals)，通常為連續的模擬量。3.2.1 傳感器常見的傳感器：常見的傳感器：3.2.1 傳感器加速度傳感器加速度傳感器(Acceleration sensors)能感受加速度并轉換成可用輸出信號的傳感器。原理：質量塊由于慣性而導致的位置移動。3.2.1 傳感器感雨

3、器感雨器(Rain sensors)多用于汽車雨刷器，可根據雨量自動調節擺動速度。3.2.1 傳感器圖象傳感器圖象傳感器(Image sensors)圖像采集和處理的過程：實物圖像數字量光子模擬量（電壓）電荷光源顯示設備A/D轉換光電轉換設備放大設備3.2.1 傳感器圖象傳感器圖象傳感器(Image sensors)由于光電轉換設備和放大設備都是針對微觀的電荷進行量化操作。就需要一個精密的器件來完成這兩個過程。通常使用：CCD（ Charge-coupled Device ，電荷耦合元件）CMOS（ Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物

4、半導體）3.2.1 傳感器圖象傳感器圖象傳感器(Image sensors)光電轉換電路放大A/D光子電子電壓數字信號CMOS芯片可以在每個像素上同時完成這兩個步驟芯片可以在每個像素上同時完成這兩個步驟由上面兩圖可看出由上面兩圖可看出：CMOS和CCD最大的區別是 CMOS的 電荷到電壓轉換過程是在每個像素上完成的CCD，僅由一個（或幾個）輸出節點統一讀出，僅由一個（或幾個）輸出節點統一讀出3.2.1 傳感器圖象傳感器圖象傳感器(Image sensors)CCD與與CMOS比較比較從以上的對比可以看出：CCD在圖像的質量上更有優勢。而常見的高速相機則會采用CMOS芯片。CCDCMOS電路更改

5、方便固定，同一芯片速度慢快噪聲好，單一放大器主控差，多元放大器靈敏度好差功耗毫安級，高微安級，低成本高低3.2.1 傳感器其他傳感器：其他傳感器：生物統計傳感器生物統計傳感器(Biometric sensors)虹膜掃描、指紋識別、臉部識別等。人造眼睛人造眼睛(Artificial eyes)分辨率128*128，葡萄牙：杜貝爾研究所，2003。射頻識別射頻識別(Radio frequency identification , RFID)RFID電子標簽 + RFID閱讀器3.2.2 時間離散化數字計算機工作在一個離散的時間域上，因此只能處理離散的數值序列/流。即需要如下轉換：連續時域上的信號

6、 離散時域上的信號由此引入了：采樣保持電路采樣保持電路(sample-and-hold circuits)3.2.2 時間離散化采樣保持電路采樣保持電路(sample-and-hold circuits)基本的電路由一個時鐘控制的晶體管(clocked transistor)和一個電容器組成。開關閉合：電容充電（時間窗）；開關斷開：電壓保持。丟失了信息嗎？可否恢復原始信號？丟失了信息嗎？可否恢復原始信號？3.2.2 時間離散化傅里葉級數逼近傅里葉級數逼近：通過累加不同頻率(p, f)的正弦函數，可以逼近任意信號（任何周期函數都可以用正弦函數和余弦函數構成的無窮級數來表示）。例如，可以使用如下的

7、正弦函數的線性組合來逼近一個矩形波：3.2.2 時間離散化矩形波的逼近示例：3.2.2 時間離散化混疊混疊：取樣信號被還原成連續信號時產生彼此交疊而失真的現象。設有如下兩個信號：兩個信號含有相同的低頻信號，但包含不同的高頻信號。3.2.2 時間離散化混疊示例：混疊示例：若在整數時刻進行采樣，則上述兩個信號具有相同的采樣值，從而無法分辨，如下。因此，若要重建原始信號，則必須了解原始信號的頻帶和波形等額外特征。3.2.2 時間離散化采樣定理采樣定理(sampling criterion)頻帶為F的連續信號f(t)可用一系列離散的采樣值f(t1),f(t1t)，f(t12t)，.來表示,只要這些采樣

8、點的時間間隔t1/2F，便可根據各采樣值完全恢復原來的信號f(t)。3.2.2 時間離散化采樣頻率采樣頻率(sampling frequency)fs=1/t奈奎斯特頻率奈奎斯特頻率(Nyquist frequency)定義：離散信號系統采樣頻率的一半。只要離散系統的奈奎斯特頻率高于被采樣信號的最高頻率或帶寬，就可以避免混疊現象。3.2.2 時間離散化抗混疊濾波器抗混疊濾波器(Anti-aliasing filters)重建信號需要以一個低通濾波器或者帶通濾波器將在奈奎斯特頻率之上的高頻分量全部濾除。抗混疊濾波器放置在采樣保持電路的前端。3.2.3 值離散化：A/D轉換器A/D轉換器的功能轉換

9、器的功能：時域到連續值域連續值域映射 時域到離散值域離散值域上的映射A/D轉換器的種類轉換器的種類：Flash(快速)型逐次比較型(逐次逼近法)積分型壓頻變換型3.2.3 值離散化：A/D轉換器快速性快速性A/D轉換器轉換器(Flash A/D converter)基于大量比較器的構造3.2.3 值離散化：A/D轉換器快速性快速性A/D轉換器示例：轉換器示例：00:01:10:11:3.2.3 值離散化：A/D轉換器性能指標：分辨率性能指標：分辨率(Resolution)A/D轉換器的輸出位寬（單位：bit）；使得輸出值w(t)增加1的電壓差（單位：volt）；3.2.3 值離散化：A/D轉換

10、器逐次逼近逐次逼近(Successive approximation)型型A/D轉換器轉換器逐次逼近型ADC由一個比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯組合而成。從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內置DA轉換器輸出進行比較，經n次比較而輸出 數字值。轉換過程實際上是一個二分查找二分查找的過程。3.2.3 值離散化：A/D轉換器逐次逼近法逐次逼近法設已知一個電壓范圍為015V的模擬輸入信號和一個2位的數字輸出，計算5V的正確編碼。則：1）查找范圍：Vmax= 15V, Vmin= 0VSAR = 10 V- = (Vmax + Vmin)/2 = 7.5V 5V 02）查找范圍：Vmax= 7

11、.5V, Vmin= 0VSAR = 01 V- = (Vmax + Vmin)/2 = 3.75V 5V 1得：5V的編碼為：013.2.3 值離散化：A/D轉換器A/D轉換器的選擇：轉換器的選擇：快速型ADC速度快，時間復雜度O(1)；硬件復雜度高：n位分辨率需要2n-1個比較器；應用：高速攝像；逐次逼近型ADC硬件復雜度低：n位分辨率僅需n bits的寄存器和DAC；速度相對較低：時間復雜度O(n)；應用：高質量音頻采集。3.2.3 值離散化：A/D轉換器量化噪聲量化噪聲(quantization noise)定義：量化過程中產生的失真。原因：量化過程中對模擬信號對應量的“截斷”。顯然，

12、可以通過提高ADC的分辨率Q來降低量化噪聲。3.2.3 值離散化：A/D轉換器信噪比信噪比(signal-to-noise ratio , SNR)通過信噪比可以衡量ADC的量化噪聲水平。單位：分貝。例如，16-bit CD音頻信噪比：20log(216) = 96 dB; 24-bit CD SNR = 144dB.P = U2/R3.5 通信通信系統的基本組成有三要素：信源信源、信宿信宿和信道信道(廣義廣義/狹義狹義)。信道信道(Channel)：通信雙方以傳輸介質傳輸介質(Media)為基礎的傳輸信息的通道。狹義信道廣義信道3.5.1 通信需求CPS系統中，對通信的需求來自系統中的不同方

13、面，相互包含，相互制約。實時性；效率；合適的帶寬和通信時延；事件驅動的通信支持；魯棒性；容錯性；可維護性，可診斷性；保密。重試？3.5.2 魯棒性魯棒性魯棒性：一個系統即使面臨著內部結構或外部環境的改變時,也能夠維持其功能的能力。內部結構的改變：某鏈路阻塞、某設備故障；外部環境的改變：溫度、電磁干擾。采用多套相同的分系統來實現同一功能。例：第三代戰機的四余度電傳飛控系統，四余度設計可避免“二次故障”。在相同的技術規范條件下 ,每套冗余采用不同的軟硬件設計、產品甚至設計人員等，以克服系統中的共性故障。例：民用飛機，如波音7773.5.2 魯棒性保證系統魯棒性的措施保證系統魯棒性的措施余度設計余度

14、設計（冗余設計）：根據余度設計的對象：多余度控制器(控制計算機)；多余度傳感器；多余度執行部件；根據余度配置方式：相似余度技術；非相似余度技術；解析余度技術；功能冗余。余度技術余度技術是指具有多余的資源。當系統中的一部分出現故障時, 可以由冗余的部分頂替故障的部分工作 , 以保證系統在規定的時間內正常地完成規定的功能。引入解析信號(利用物理模型中變量間的解析關系)作為解析余度來替代部分硬件余度。例：美國F-8驗證機雙物理余度+單解析余度的三余度故障檢測表決機制。系統中不同部件在功能上有重疊,其中某些部件的部分或全部功能可由系統中別的部件的功能來代替。例：多操縱面的飛行控制系統，保證飛機某個通道

15、出現故障時, 仍然可控。3.5.2 魯棒性保證電氣魯棒性的措施保證電氣魯棒性的措施差分信號差分信號單端信號單端信號(Single-ended signaling)使用單根導線傳輸數字信號；參考共同的地電勢（地線）；優點優點：結構簡單、成本低；缺點缺點：抗干擾能力差；地一致性；地線電壓波動。3.5.2 魯棒性保證電氣魯棒性的措施保證電氣魯棒性的措施差分信號差分信號差分信號差分信號(Differential signaling)使用兩根導線傳輸數字信號；利用兩個等值反相的電壓的電平差來表示二進制數據；邏輯值僅依賴于兩根導線間電壓的極性；優點優點：抗干擾能力強、無共同地線、吞吐量大；缺點缺點：結構稍

16、復雜、成本高。3.5.3 實時性實時性：實時性：指一個任務從到達到執行完畢的這段響應時間小于其截止期限(deadline)的執行保障。實時系統：實時系統：實時系統指系統的計算正確性不僅取決于計算的邏輯正確性，還取決于產生結果的時間。如果未滿足系統的時間約束，則認為系統失效Donal Gillies。分類分類：軟實時軟實時：只能提供統計意義上的實時；硬實時硬實時：能夠在指定的期限完成實時任務（即便在最壞的處理負載下也能如此）。3.5.3 實時性計算機內部通信計算機內部通信按連接方式分類：點對點通信點對點通信優點優點：容易保證通信的實時性；缺點缺點：當具有多個通信設備時連接復雜、接口電路復雜；共享

17、總線共享總線基于優先權的仲裁基于優先權的仲裁分類：分類：菊花鏈仲裁、優先權仲裁器；不足：不足：較差的時間可預測性；可能的“饑餓”現象；時分多路訪問時分多路訪問(TDMA)可為每個通信設備提供一個確定的帶寬保證；避免“饑餓”現象；例：ARM AMBA總線。3.5.3 實時性時分多路訪問時分多路訪問(TDMA)Usable bandwidth3.5.3 實時性計算機之間的通信計算機之間的通信以太網以太網(Ethernet)優勢優勢：組網結構簡單、組網容易；成本低廉；技術升級中兼容性好；數據傳輸距離長、傳輸速率高；組織網絡靈活，涉及多種網絡規模；協議開放，應用廣泛，有利于異構網絡間的互通互聯；結合T

18、CP/IP協議，易于實現與Internet的通信，徹底解決了異構平臺間的通信難題。3.5.3 實時性計算機之間的通信計算機之間的通信計算機通信的時延計算機通信的時延時延 = 傳播時延 + 傳輸時延 + 處理時延；以太網以太網(Ethernet) + TCP/IP協議協議不足：不足：CSMA/CD方法中隨機次的“沖突重試”過程無法保證系統實時約束；多層協議結構，多緩沖數據通路，增加處理時延；TCP/IP協議建立連接增加處理時延；TCP/IP協議的軟件實現浪費CPU時間，頻繁的中斷處理更加劇了時延。與距離相關，傳播速率300000 km/s發送方將所有分組的比特推向鏈路所需要的時間。例：最大幀長1

19、518Byte*8/鏈路速率100Mbps=0.12ms主要用于協議處理。與設備類型、系統負載相關，微秒級高帶寬高帶寬低延遲低延遲3.5.3 實時性計算機之間的通信計算機之間的通信以太網以太網(Ethernet) + TCP/IP協議協議 實時解決方案：實時解決方案：“沖突沖突”問題問題：交換以太網技術交換以太網技術 + IEEE 1588(網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準)：如，SIMATIC S7-300 PLC系統;CSMA/CA：可以為擁有最高優先級的通信設備提供可預測的實時行為保證，如：IEEE 802.11標準；TDMA，如：移動通信標準GSM；處理時延問題：處理時延問題：

20、TOE（TCP Offload Engine ，TCP卸載引擎)：將TCP在內的高層協議處理從主機處理器轉移到網卡(專用處理器)，如：SAN。3.5.4 示例典型的典型的CPS系統：航空電子系統系統：航空電子系統飛機上所有電子設備的總和；涵蓋通信、導航、雷達、電子戰、飛行控制和管理等各個系統的電子子系統，同時也包括這些系統間用于信息交換和資源共享的信息綜合系統。火力控制飛行控制電子戰(EW)導航通信雷達信息綜合系統：子系統間進行資源交換和信息共享交互3.5.4 示例航空電子系統的類型航空電子系統的類型分立式航空電子系統（分立式航空電子系統（4050年代）年代）系統中的每一個功能都有自己專用傳感

21、器、處理器和顯示器，形成各自獨立的設備，如雷達、通信、導航設備等，它們之間通過點對點的連線進行連接。無中央計算機。3.5.4 示例航空電子系統的類型航空電子系統的類型分立式航空電子系統（分立式航空電子系統（4050年代）年代）典型代表：第二代戰機F-4“鬼怪”3.5.4 示例航空電子系統的類型航空電子系統的類型聯合式航空電子系統（聯合式航空電子系統（6070年代）年代）采用了綜合的控制和顯示，即通過1553B多路數據總線對系統中各設備進行低帶寬的數據傳輸交換，使用火控/任務處理器完成設備的統一控制、集中顯示、故障集中處理等功能。3.5.4 示例航空電子系統的類型航空電子系統的類型聯合式航空電子

22、系統（聯合式航空電子系統（6070年代）年代）典型代表：第三代戰機F-16“戰隼”3.5.4 示例航空電子系統的類型航空電子系統的類型聯合式航空電子系統（聯合式航空電子系統（6070年代）年代）1553B總線(MIL-STD-1553B)采用屏蔽雙絞線作為傳輸介質；曼徹斯特雙極性編碼；數據傳輸率為1Mbps；TDMA，遠程終端響應有效指令的間隔為4.012.0s；雙冗余系統。3.5.4 示例航空電子系統的類型航空電子系統的類型綜合式航空電子系統（綜合式航空電子系統（8090年代）年代）在縱深縱深方向上進行綜合化，系統實現了各系統處理功能的綜合并進而實現傳感器及信號處理功能的綜合化；以通用綜合處

23、理器(CIP)為核心劃分功能分區，整個系統按功能劃分為橫向橫向的層次，在每個功能區層次實現更深度的綜合。高速數據總線等多種互連方式。(HSDB,傳輸速率50-80Mbps)總線上傳輸的不再是命令和狀態數據，而是大量的中間狀態中間狀態的數據的數據，從而要求總線具備更高的的帶寬和更低的數據延遲。3.5.4 示例航空電子系統的類型航空電子系統的類型綜合式航空電子系統（綜合式航空電子系統（8090年代）年代）典型代表：第四代戰機F-22“猛禽”(“寶石柱(Pave Pillar)”計劃)CIP,共12種模塊,可實現動態重構3.5.4 示例航空電子系統的類型航空電子系統的類型先進綜合式航空電子系統（先進

24、綜合式航空電子系統（2000年之后）年之后）統一航空電子互聯網絡系統(UAN)；傳感器系統綜合(包括射頻、光電傳感器)。3.5.4 示例航空電子系統的類型航空電子系統的類型先進綜合式航空電子系統（先進綜合式航空電子系統（2000年之后）年之后）典型代表：F-35“閃電閃電II”(“寶石臺(Pave Pale)”計劃)射頻綜合化，將 A /D變換盡量向前端推移，盡量多的使用標 準的共用模塊。統一網絡， 通過光纖網絡不但交聯了同一機架內的各模 塊，而且向前連接到傳感器區，向后連接到座艙、外掛管理；FC-AE協議，高帶寬(4Gbps)，低時延，高層協議靈活(協議映射，如FC-AE-1553)。3.6

25、 輸出CPS系統中，輸出設備的主要功能：為用戶返回必要的信息，如顯示器，打印機等；通過控制設備來影響外部物理環境，如各種機電設備等；其他特定的功能，如通訊、存儲等。輸出設備也有模擬和數字之分。以模擬輸出設備為例，其完整的I/O數據流路徑如下：3.6.1 D/A轉換器D/A轉換器轉換器結構結構：主要由電阻陣列和n個電流開關構成；原理原理：按數字輸入值(xnxn-1x0)切換開關，產生比例于(proportional)輸入值的電流(或電壓) y。結構結構：3.6.1 D/A轉換器D/A轉換器的轉換過程：轉換器的轉換過程：數字輸入值(xnxn-1x0)成比例的電流I成比例的電壓y電阻陣列反相閉回路放

26、大器電路3.6.1 D/A轉換器D/A轉換器的原理：轉換器的原理：對虛線標識的回路，使用基爾霍夫電壓定律：3.6.1 D/A轉換器D/A轉換器的原理：轉換器的原理：3.6.1 D/A轉換器D/A轉換器的原理：轉換器的原理：對圖中I處的左側節點使用基爾霍夫電流定律：3.6.1 D/A轉換器D/A轉換器的原理：轉換器的原理：電流I：3.6.1 D/A轉換器D/A轉換器的原理：轉換器的原理：對R1、y和V-所組成的回路使用基爾霍夫電壓定律：3.6.1 D/A轉換器D/A轉換器的原理：轉換器的原理：電壓y：數字值x的自然數表示(對應一個二進制展開式)3.6.1 D/A轉換器D/A轉換器的計算結果：轉換器的計算結果：y(t)：離散時域上的電壓序列；y(t)：連續時域上的階梯函數（0階保持器）；3.6.2 采樣理論簡介問題問題：D/A轉換器并不能生成采樣點之間的信號的值，(采用0階保持器后) 僅僅能夠輸出一個階梯函數。解決方法解決方法：只要采樣滿足“采樣定理”，即可采用香香農農-惠特克插值惠特克插值(Shannon-Whittaker interpolation)，來