嵌入式系統(tǒng)硬件方法

嵌入式系統(tǒng)硬件方法第一頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日目錄第二頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.1引言嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)上是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但其硬件具有以下的特點(diǎn)：集成度高

例如：一個(gè)嵌入式處理器可能集成多種功能。非標(biāo)準(zhǔn)化

相對(duì)而言，通用計(jì)算機(jī)普遍基于X86架構(gòu)。接口復(fù)雜

通用PC：串口、并口、USB、

Ethernet等。

嵌入式：上述接口，I2C，F(xiàn)irewire，藍(lán)牙、紅外、CAN等。第三頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.1引言在CPS系統(tǒng)中，尤其是在控制系統(tǒng)中，嵌入式硬件被組織在如下的一個(gè)回路中：第四頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2輸入

計(jì)算機(jī)與外界的信息交換是通過(guò)輸入/輸出(I/O)設(shè)備進(jìn)行的。

輸入設(shè)備：向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)。 I/O設(shè)備通過(guò)I/O接口(Interface)電路與處理器相連接。外設(shè)與處理器的速度不匹配；不同外設(shè)的信號(hào)形式、數(shù)據(jù)格式也各不相同。第五頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2輸入如圖所示，外部設(shè)備不能與處理器直接相連，需要通過(guò)I/O接口來(lái)完成它們之間的速度匹配、信號(hào)轉(zhuǎn)換，并完成某些控制功能。從而實(shí)現(xiàn)信道上的數(shù)據(jù)通信。Fig.一個(gè)典型的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第六頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.1傳感器用途：獲取必要的外部物理環(huán)境信息（物理量），如重量、速率、電流、電壓及溫度等。方法：各種物理效應(yīng)，如電磁感應(yīng)、光電效應(yīng)等。產(chǎn)生：信號(hào)(signals)，通常為連續(xù)的模擬量。第七頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.1傳感器常見(jiàn)的傳感器：第八頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.1傳感器加速度傳感器(Accelerationsensors)

能感受加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。

原理：質(zhì)量塊由于慣性而導(dǎo)致的位置移動(dòng)。第九頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.1傳感器感雨器(Rainsensors)

多用于汽車雨刷器，可根據(jù)雨量自動(dòng)調(diào)節(jié)擺動(dòng)速度。第十頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.1傳感器圖象傳感器(Imagesensors)

圖像采集和處理的過(guò)程：實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源顯示設(shè)備A/D轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備第十一頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.1傳感器圖象傳感器(Imagesensors)

由于光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和放大設(shè)備都是針對(duì)微觀的電荷進(jìn)行量化操作。就需要一個(gè)精密的器件來(lái)完成這兩個(gè)過(guò)程。通常使用：CCD（Charge-coupledDevice，電荷耦合元件）CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）第十二頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.1傳感器圖象傳感器(Imagesensors)光電轉(zhuǎn)換電路放大A/D光子電子電壓數(shù)字信號(hào)CMOS芯片可以在每個(gè)像素上同時(shí)完成這兩個(gè)步驟由上面兩圖可看出：CMOS和CCD最大的區(qū)別是CMOS的電荷到電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程是在每個(gè)像素上完成的CCD，僅由一個(gè)（或幾個(gè)）輸出節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一讀出第十三頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.1傳感器圖象傳感器(Imagesensors)CCD與CMOS比較從以上的對(duì)比可以看出：CCD在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢(shì)。而常見(jiàn)的高速相機(jī)則會(huì)采用CMOS芯片。CCDCMOS電路更改方便固定，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(jí)，高微安級(jí)，低成本高低第十四頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.1傳感器其他傳感器：生物統(tǒng)計(jì)傳感器(Biometricsensors)虹膜掃描、指紋識(shí)別、臉部識(shí)別等。人造眼睛(Arti?cialeyes)分辨率128*128，葡萄牙：杜貝爾研究所，2003。射頻識(shí)別(Radiofrequencyidenti?cation,RFID)RFID電子標(biāo)簽+RFID閱讀器第十五頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.2時(shí)間離散化數(shù)字計(jì)算機(jī)工作在一個(gè)離散的時(shí)間域上，因此只能處理離散的數(shù)值序列/流。即需要如下轉(zhuǎn)換：

連續(xù)時(shí)域上的信號(hào)離散時(shí)域上的信號(hào)

由此引入了：

采樣保持電路(sample-and-holdcircuits)第十六頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.2時(shí)間離散化采樣保持電路(sample-and-holdcircuits)基本的電路由一個(gè)時(shí)鐘控制的晶體管(clockedtransistor)和一個(gè)電容器組成。開(kāi)關(guān)閉合：電容充電（時(shí)間窗）；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)：電壓保持。丟失了信息嗎？可否恢復(fù)原始信號(hào)？第十七頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.2時(shí)間離散化傅里葉級(jí)數(shù)逼近：通過(guò)累加不同頻率(p,f)的正弦函數(shù)，可以逼近任意信號(hào)（任何周期函數(shù)都可以用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無(wú)窮級(jí)數(shù)來(lái)表示）。例如，可以使用如下的正弦函數(shù)的線性組合來(lái)逼近一個(gè)矩形波：第十八頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.2時(shí)間離散化矩形波的逼近示例：第十九頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.2時(shí)間離散化混疊：取樣信號(hào)被還原成連續(xù)信號(hào)時(shí)產(chǎn)生彼此交疊而失真的現(xiàn)象。設(shè)有如下兩個(gè)信號(hào)：兩個(gè)信號(hào)含有相同的低頻信號(hào)，但包含不同的高頻信號(hào)。第二十頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.2時(shí)間離散化混疊示例：

若在整數(shù)時(shí)刻進(jìn)行采樣，則上述兩個(gè)信號(hào)具有相同的采樣值，從而無(wú)法分辨，如下。

因此，若要重建

原始信號(hào)，則必

須了解原始信號(hào)

的頻帶和波形等

額外特征。第二十一頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.2時(shí)間離散化采樣定理(samplingcriterion)

頻帶為F的連續(xù)信號(hào)f(t)可用一系列離散的采樣值f(t1),f(t1±Δt)，f(t1±2Δt)，...來(lái)表示,只要這些采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔Δt≤1/2F，便可根據(jù)各采樣值完全恢復(fù)原來(lái)的信號(hào)f(t)。第二十二頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.2時(shí)間離散化采樣頻率(samplingfrequency)fs=1/Δt奈奎斯特頻率(Nyquistfrequency)定義：離散信號(hào)系統(tǒng)采樣頻率的一半。只要離散系統(tǒng)的奈奎斯特頻率高于被采樣信號(hào)的最高頻率或帶寬，就可以避免混疊現(xiàn)象。第二十三頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.2時(shí)間離散化抗混疊濾波器(Anti-aliasing?lters)重建信號(hào)需要以一個(gè)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?？够殳B濾波器放置在采樣保持電路的前端。第二十四頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.3值離散化：A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的功能：時(shí)域到連續(xù)值域映射時(shí)域到離散值域上的映射A/D轉(zhuǎn)換器的種類：Flash(快速)型逐次比較型(逐次逼近法)積分型壓頻變換型第二十五頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.3值離散化：A/D轉(zhuǎn)換器快速性A/D轉(zhuǎn)換器(FlashA/Dconverter)基于大量比較器的構(gòu)造第二十六頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.3值離散化：A/D轉(zhuǎn)換器快速性A/D轉(zhuǎn)換器示例：00:01:10:11:第二十七頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.3值離散化：A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)：分辨率(Resolution)A/D轉(zhuǎn)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）；第二十八頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.3值離散化：A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近(Successiveapproximation)型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近型ADC由一個(gè)比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過(guò)逐次比較邏輯組合而成。從MSB開(kāi)始，順序地對(duì)每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)二分查找的過(guò)程。第二十九頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.3值離散化：A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近法設(shè)已知一個(gè)電壓范圍為0~15V的模擬輸入信號(hào)和一個(gè)2位的數(shù)字輸出，計(jì)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=7.5V,Vmin=0VSAR=01 V-=(Vmax+Vmin)/2=3.75V<5V 1

得：5V的編碼為：01第三十頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.3值離散化：A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的選擇：快速型ADC速度快，時(shí)間復(fù)雜度O(1)；硬件復(fù)雜度高：n位分辨率需要2n-1個(gè)比較器；應(yīng)用：高速攝像；逐次逼近型ADC硬件復(fù)雜度低：n位分辨率僅需nbits的寄存器和DAC；速度相對(duì)較低：時(shí)間復(fù)雜度O(n)；應(yīng)用：高質(zhì)量音頻采集。第三十一頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.3值離散化：A/D轉(zhuǎn)換器量化噪聲(quantizationnoise)定義：量化過(guò)程中產(chǎn)生的失真。原因：量化過(guò)程中對(duì)模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)量的“截?cái)唷薄?/p>

顯然，可以通過(guò)提高ADC的分辨率Q來(lái)降低量化噪聲。第三十二頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.2.3值離散化：A/D轉(zhuǎn)換器信噪比(signal-to-noiseratio,SNR)通過(guò)信噪比可以衡量ADC的量化噪聲水平。單位：分貝。例如，16-bitCD音頻信噪比：20log(216)=96dB; 24-bitCDSNR=144dB.P=U2/R第三十三頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5通信通信系統(tǒng)的基本組成有三要素：

信源、信宿和信道(廣義/狹義)。

信道(Channel)：通信雙方以傳輸介質(zhì)(Media)為基礎(chǔ)的傳輸信息的通道。狹義信道廣義信道第三十四頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.1通信需求CPS系統(tǒng)中，對(duì)通信的需求來(lái)自系統(tǒng)中的不同方面，相互包含，相互制約。實(shí)時(shí)性；效率；合適的帶寬和通信時(shí)延；事件驅(qū)動(dòng)的通信支持；魯棒性；容錯(cuò)性；可維護(hù)性，可診斷性；保密。重試？第三十五頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.2魯棒性魯棒性：一個(gè)系統(tǒng)即使面臨著內(nèi)部結(jié)構(gòu)或外部環(huán)境的改變時(shí),也能夠維持其功能的能力。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變：某鏈路阻塞、某設(shè)備故障；外部環(huán)境的改變：溫度、電磁干擾。第三十六頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日采用多套相同的分系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)同一功能。例：第三代戰(zhàn)機(jī)的四余度電傳飛控系統(tǒng)，四余度設(shè)計(jì)可避免“二次故障”。在相同的技術(shù)規(guī)范條件下,每套冗余采用不同的軟硬件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品甚至設(shè)計(jì)人員等，以克服系統(tǒng)中的共性故障。例：民用飛機(jī)，如波音7773.5.2魯棒性保證系統(tǒng)魯棒性的措施——余度設(shè)計(jì)（冗余設(shè)計(jì)）：根據(jù)余度設(shè)計(jì)的對(duì)象：多余度控制器(控制計(jì)算機(jī))；多余度傳感器；多余度執(zhí)行部件；根據(jù)余度配置方式：相似余度技術(shù)；非相似余度技術(shù)；解析余度技術(shù)；功能冗余。余度技術(shù)是指具有多余的資源。當(dāng)系統(tǒng)中的一部分出現(xiàn)故障時(shí),可以由冗余的部分頂替故障的部分工作,以保證系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正常地完成規(guī)定的功能。引入解析信號(hào)(利用物理模型中變量間的解析關(guān)系)作為解析余度來(lái)替代部分硬件余度。例：美國(guó)F-8驗(yàn)證機(jī)雙物理余度+單解析余度的三余度故障檢測(cè)表決機(jī)制。系統(tǒng)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(tǒng)中別的部件的功能來(lái)代替。例：多操縱面的飛行控制系統(tǒng)，保證飛機(jī)某個(gè)通道出現(xiàn)故障時(shí),仍然可控。第三十七頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.2魯棒性保證電氣魯棒性的措施——差分信號(hào)單端信號(hào)(Single-endedsignaling)使用單根導(dǎo)線傳輸數(shù)字信號(hào)；參考共同的地電勢(shì)（地線）；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；缺點(diǎn)：抗干擾能力差；地一致性；地線電壓波動(dòng)。第三十八頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.2魯棒性保證電氣魯棒性的措施——差分信號(hào)差分信號(hào)(Differentialsignaling)使用兩根導(dǎo)線傳輸數(shù)字信號(hào)；利用兩個(gè)等值反相的電壓的電平差來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)；邏輯值僅依賴于兩根導(dǎo)線間電壓的極性；優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)共同地線、吞吐量大；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜、成本高。第三十九頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.3實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性：指一個(gè)任務(wù)從到達(dá)到執(zhí)行完畢的這段響應(yīng)時(shí)間小于其截止期限(deadline)的執(zhí)行保障。實(shí)時(shí)系統(tǒng)：實(shí)時(shí)系統(tǒng)指系統(tǒng)的計(jì)算正確性不僅取決于計(jì)算的邏輯正確性，還取決于產(chǎn)生結(jié)果的時(shí)間。如果未滿足系統(tǒng)的時(shí)間約束，則認(rèn)為系統(tǒng)失效[DonalGillies]。分類：軟實(shí)時(shí)：只能提供統(tǒng)計(jì)意義上的實(shí)時(shí)；硬實(shí)時(shí)：能夠在指定的期限完成實(shí)時(shí)任務(wù)（即便在最壞的處理負(fù)載下也能如此）。第四十頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.3實(shí)時(shí)性計(jì)算機(jī)內(nèi)部通信按連接方式分類：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信優(yōu)點(diǎn)：容易保證通信的實(shí)時(shí)性；缺點(diǎn)：當(dāng)具有多個(gè)通信設(shè)備時(shí)連接復(fù)雜、接口電路復(fù)雜；共享總線基于優(yōu)先權(quán)的仲裁分類：菊花鏈仲裁、優(yōu)先權(quán)仲裁器；不足：較差的時(shí)間可預(yù)測(cè)性；可能的“饑餓”現(xiàn)象；時(shí)分多路訪問(wèn)(TDMA)可為每個(gè)通信設(shè)備提供一個(gè)確定的帶寬保證；避免“饑餓”現(xiàn)象；例：ARMAMBA總線。第四十一頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.3實(shí)時(shí)性時(shí)分多路訪問(wèn)(TDMA)Usablebandwidth第四十二頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.3實(shí)時(shí)性計(jì)算機(jī)之間的通信以太網(wǎng)(Ethernet)優(yōu)勢(shì)：組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)容易；成本低廉；技術(shù)升級(jí)中兼容性好；數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)、傳輸速率高；組織網(wǎng)絡(luò)靈活，涉及多種網(wǎng)絡(luò)規(guī)模；協(xié)議開(kāi)放，應(yīng)用廣泛，有利于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的互通互聯(lián)；結(jié)合TCP/IP協(xié)議，易于實(shí)現(xiàn)與Internet的通信，徹底解決了異構(gòu)平臺(tái)間的通信難題。第四十三頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.3實(shí)時(shí)性計(jì)算機(jī)之間的通信計(jì)算機(jī)通信的時(shí)延時(shí)延=傳播時(shí)延+傳輸時(shí)延+處理時(shí)延；以太網(wǎng)(Ethernet)+TCP/IP協(xié)議不足：CSMA/CD方法中隨機(jī)次的“沖突—重試”過(guò)程無(wú)法保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)約束；多層協(xié)議結(jié)構(gòu)，多緩沖數(shù)據(jù)通路，增加處理時(shí)延；TCP/IP協(xié)議建立連接增加處理時(shí)延；TCP/IP協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)浪費(fèi)CPU時(shí)間，頻繁的中斷處理更加劇了時(shí)延。與距離相關(guān)，傳播速率300000km/s發(fā)送方將所有分組的比特推向鏈路所需要的時(shí)間。例：最大幀長(zhǎng)1518Byte*8/鏈路速率100Mbps=0.12ms主要用于協(xié)議處理。與設(shè)備類型、系統(tǒng)負(fù)載相關(guān)，微秒級(jí)~∞高帶寬≠低延遲第四十四頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.3實(shí)時(shí)性計(jì)算機(jī)之間的通信以太網(wǎng)(Ethernet)+TCP/IP協(xié)議實(shí)時(shí)解決方案：“沖突”問(wèn)題：交換以太網(wǎng)技術(shù)+IEEE

1588(網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn))：如，SIMATICS7-300PLC系統(tǒng);CSMA/CA：可以為擁有最高優(yōu)先級(jí)的通信設(shè)備提供可預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)行為保證，如：IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)；TDMA，如：移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)GSM；處理時(shí)延問(wèn)題：TOE（TCPOffloadEngine，TCP卸載引擎)：將TCP在內(nèi)的高層協(xié)議處理從主機(jī)處理器轉(zhuǎn)移到網(wǎng)卡(專用處理器)，如：SAN。第四十五頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.4示例典型的CPS系統(tǒng)：航空電子系統(tǒng)飛機(jī)上所有電子設(shè)備的總和；涵蓋通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、飛行控制和管理等各個(gè)系統(tǒng)的電子子系統(tǒng)，同時(shí)也包括這些系統(tǒng)間用于信息交換和資源共享的信息綜合系統(tǒng)?；鹆刂骑w行控制電子戰(zhàn)(EW)導(dǎo)航通信雷達(dá)信息綜合系統(tǒng)：子系統(tǒng)間進(jìn)行資源交換和信息共享物理環(huán)境交互第四十六頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.4示例航空電子系統(tǒng)的類型分立式航空電子系統(tǒng)（40－50年代）系統(tǒng)中的每一個(gè)功能都有自己專用傳感器、處理器和顯示器，形成各自獨(dú)立的設(shè)備，如雷達(dá)、通信、導(dǎo)航設(shè)備等，它們之間通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連線進(jìn)行連接。無(wú)中央計(jì)算機(jī)。第四十七頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.4示例航空電子系統(tǒng)的類型分立式航空電子系統(tǒng)（40－50年代）典型代表：第二代戰(zhàn)機(jī)F-4“鬼怪”第四十八頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.4示例航空電子系統(tǒng)的類型聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)（60－70年代）采用了綜合的控制和顯示，即通過(guò)1553B多路數(shù)據(jù)總線對(duì)系統(tǒng)中各設(shè)備進(jìn)行低帶寬的數(shù)據(jù)傳輸交換，使用火控/任務(wù)處理器完成設(shè)備的統(tǒng)一控制、集中顯示、故障集中處理等功能。第四十九頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.4示例航空電子系統(tǒng)的類型聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)（60－70年代）典型代表：第三代戰(zhàn)機(jī)F-16“戰(zhàn)隼”第五十頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.4示例航空電子系統(tǒng)的類型聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)（60－70年代）1553B總線(MIL-STD-1553B)采用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)；曼徹斯特雙極性編碼；數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbps；TDMA，遠(yuǎn)程終端響應(yīng)有效指令的間隔為4.0~12.0μs；雙冗余系統(tǒng)。第五十一頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.4示例航空電子系統(tǒng)的類型綜合式航空電子系統(tǒng)（80－90年代）在縱深方向上進(jìn)行綜合化，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各系統(tǒng)處理功能的綜合并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器及信號(hào)處理功能的綜合化；以通用綜合處理器(CIP)為核心劃分功能分區(qū)，整個(gè)系統(tǒng)按功能劃分為橫向的層次，在每個(gè)功能區(qū)層次實(shí)現(xiàn)更深度的綜合。高速數(shù)據(jù)總線等多種互連方式。 (HSDB,傳輸速率50-80Mbps)總線上傳輸?shù)牟辉偈敲詈蜖顟B(tài)數(shù)據(jù)，而是大量的中間狀態(tài)的數(shù)據(jù)，從而要求總線具備更高的的帶寬和更低的數(shù)據(jù)延遲。第五十二頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.4示例航空電子系統(tǒng)的類型綜合式航空電子系統(tǒng)（80－90年代）典型代表：第四代戰(zhàn)機(jī)F-22“猛禽”(“寶石柱(PavePillar)”計(jì)劃)CIP,共12種模塊,可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)第五十三頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.4示例航空電子系統(tǒng)的類型先進(jìn)綜合式航空電子系統(tǒng)（2000年之后）統(tǒng)一航空電子互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(UAN)；傳感器系統(tǒng)綜合(包括射頻、光電傳感器)。第五十四頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.5.4示例航空電子系統(tǒng)的類型先進(jìn)綜合式航空電子系統(tǒng)（2000年之后）典型代表：F-35“閃電II”(“寶石臺(tái)(PavePale)”計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的共用模塊。統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)不但交聯(lián)了同一機(jī)架內(nèi)的各模塊，而且向前連接到傳感器區(qū)，向后連接到座艙、外掛管理；FC-AE協(xié)議，高帶寬(4Gbps)，低時(shí)延，高層協(xié)議靈活(協(xié)議映射，如FC-AE-1553)。第五十五頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.6輸出CPS系統(tǒng)中，輸出設(shè)備的主要功能：為用戶返回必要的信息，如顯示器，打印機(jī)等；通過(guò)控制設(shè)備來(lái)影響外部物理環(huán)境，如各種機(jī)電設(shè)備等；其他特定的功能，如通訊、存儲(chǔ)等。輸出設(shè)備也有模擬和數(shù)字之分。以模擬輸出設(shè)備為例，其完整的I/O數(shù)據(jù)流路徑如下：第五十六頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.6.1D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)：主要由電阻陣列和n個(gè)電流開(kāi)關(guān)構(gòu)成；原理：按數(shù)字輸入值(xnxn-1…x0)切換開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生比例于(proportional)輸入值的電流(或電壓)y。結(jié)構(gòu)：第五十七頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.6.1D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過(guò)程：

數(shù)字輸入值(xnxn-1…x0)

成比例的電流I

成比例的電壓y電阻陣列反相閉回路放大器電路第五十八頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.6.1D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的原理：

對(duì)虛線標(biāo)識(shí)的回路，使用基爾霍夫電壓定律：第五十九頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.6.1D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的原理：第六十頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.6.1D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的原理：

對(duì)圖中I處的左側(cè)節(jié)點(diǎn)使用基爾霍夫電流定律：第六十一頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.6.1D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的原理：

電流I：第六十二頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.6.1D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的原理：對(duì)R1、y和V-所組成的回路使用基爾霍夫電壓定律：第六十三頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.6.1D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的原理：

電壓y：數(shù)字值x的自然數(shù)表示(對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制展開(kāi)式)第六十四頁(yè)，共七十二頁(yè)，2022年，8月28日3.6.1D/