物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)（智能家居）-感知與控制技術(shù)

感知與控制技術(shù)目錄2.1傳感器2.2微控制器2.3嵌入式系統(tǒng)2.1傳感器

傳感器的定義傳感器的分類傳感器的性能指標(biāo)智能傳感器傳感器的定義

國(guó)標(biāo)GB7665-87對(duì)傳感器的定義為：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。該定義說明傳感器是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成的檢測(cè)裝置，具有“感”和“傳”兩方面的基本功能，能夠完成檢測(cè)任務(wù)，然后將探知的信息變換為電信號(hào)或其他預(yù)先指定的信號(hào)形式輸出，便于傳輸、存儲(chǔ)、處理和顯示等。傳感器的輸出與輸入之間存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且具有一定的精確程度。在不同的技術(shù)領(lǐng)域中，傳感器有不同的名稱，比如傳送器、變送器、檢測(cè)器和探頭等，是根據(jù)器件用途對(duì)同一類型的器件使用不同的技術(shù)術(shù)語，而近年來已經(jīng)逐漸統(tǒng)一使用傳感器這一名稱。傳統(tǒng)的傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本電路3部分組成傳感器的分類傳感器種類繁多、原理各異，同一個(gè)被測(cè)量可以使用多種技術(shù)來測(cè)量，而同一原理的傳感器又可測(cè)量不同類型的物理量，因此對(duì)傳感器國(guó)內(nèi)外目前尚無統(tǒng)一分類方法。按照被測(cè)量進(jìn)行劃分，傳感器可分為物理型、化學(xué)型和生物型等類型；按照感知功能進(jìn)行劃分，傳感器可分為電敏、磁敏、光敏、力敏、熱敏和聲敏等類型；按照信息轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行劃分，傳感器可分為壓電式、壓阻式、磁阻式、熱點(diǎn)式、光電式、電阻式、電容式和霍爾式等類型；按照敏感元件使用的材料進(jìn)行劃分，傳感器可分為金屬傳感器、聚合物傳感器、陶瓷傳感器和混合物傳感器等類型；按照輸出信號(hào)進(jìn)行劃分，傳感器可分為模擬型、數(shù)字型、膺數(shù)字型等類型；按照技術(shù)發(fā)展階段進(jìn)行劃分，傳感器可分為分立傳感器、集成傳感器和智能傳感器等類型根據(jù)被測(cè)量分類物理量力學(xué)量壓力傳感器、力傳感器、力矩傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、位移傳感器、位置傳感器、尺度傳感器、密度傳感器、粘度傳感器、硬度傳感器熱學(xué)量溫度傳感器、熱流傳感器、熱導(dǎo)率傳感器光學(xué)量可見光傳感器、紅外光傳感器、紫外光傳感器、照度傳感器、色度傳感器、圖像傳感器、亮度傳感器磁學(xué)量磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器、磁通傳感器電學(xué)量電流傳感器、電壓傳感器、電場(chǎng)強(qiáng)度傳感器聲學(xué)量聲壓傳感器、噪聲傳感器、超聲波傳感器、聲表面波傳感器射線x射線傳感器、β射線傳感器、γ射線傳感器化學(xué)量離子傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器生理量生物量體壓傳感器、脈搏傳感器、心音傳感器、體溫傳感器、血流傳感器、呼吸傳感器、血容量傳感器、體電圖傳感器生化量酶式傳感器、免疫血型傳感器、微生物型傳感器、血?dú)鈧鞲衅鳌⒀弘娊飧鶕?jù)信息轉(zhuǎn)換原理分類變換原理傳感器變換電阻電位器式、應(yīng)變式、壓阻式、光敏式、熱敏式變換磁阻電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式變換電容電容式、濕敏式變換諧振頻率振動(dòng)膜式變換電荷壓電式變換電勢(shì)霍爾式、感應(yīng)式、熱電偶式根據(jù)使用材料分類在外界因素的作用下，所有材料都會(huì)做出具有特征性的反應(yīng)，因此可以從中選擇對(duì)外界反應(yīng)最敏感的材料來制作傳感器的敏感元件。根據(jù)傳感器使用的材料的性質(zhì)也可對(duì)傳感器進(jìn)行分類。按照材料的類別，可分為金屬傳感器、聚合物傳感器、陶瓷傳感器和混合物傳感器；按照材料的物理性質(zhì)，可分為絕緣體傳感器、半導(dǎo)體傳感器、導(dǎo)體傳感器、磁性材料傳感器；按照材料的晶體結(jié)構(gòu)可分為單晶傳感器、多晶傳感器和非晶體材料傳感器。根據(jù)輸出信號(hào)分類根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)，可將傳感器分為模擬傳感器、數(shù)字傳感器、膺數(shù)字傳感器和開關(guān)傳感器等類型。模擬傳感器將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)；數(shù)字傳感器將被測(cè)量的非電學(xué)量直接或間接轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)；膺數(shù)字傳感器將被測(cè)量的信號(hào)量直接或間接轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出；開關(guān)傳感器在一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特點(diǎn)的閾值時(shí)，會(huì)相應(yīng)輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。傳感器的性能指標(biāo)傳感器的靜態(tài)特性線性度靈敏度遲滯重復(fù)性分辨率傳感器的動(dòng)態(tài)特性智能傳感器傳感器的發(fā)展歷程大致可分為三個(gè)階段。第一階段為結(jié)構(gòu)型傳感器，以形狀、尺寸等結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用參量變化來感受信號(hào)。第二階段為固體傳感器，由半導(dǎo)體、電介質(zhì)和磁性材料等固體元件構(gòu)成，基于物理或化學(xué)的效應(yīng)和定律，利用材料的某些特性來感受信號(hào)。第三階段是當(dāng)前正在逐漸發(fā)展的智能傳感器智能傳感器是計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，利用MEMS技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)，將敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、存儲(chǔ)器、以及無線通信組件集成在一塊芯片上，使傳感器具備檢測(cè)、自診斷、數(shù)據(jù)處理、多參量測(cè)量以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，實(shí)現(xiàn)微型化、集成化和智能化智能傳感器結(jié)構(gòu)圖目錄2.1傳感器2.2微控制器2.3嵌入式系統(tǒng)2.2微控制器

微控制器概述ARM體系結(jié)構(gòu)ARMCortexM0微控制器概述

為了更好地滿足控制領(lǐng)域嵌入式應(yīng)用的需求，隨著技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)不斷擴(kuò)展，集成了性能更強(qiáng)的CPU、容量更大的存儲(chǔ)器和一些滿足控制要求的電路單元。目前,單片機(jī)已廣泛稱作微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）。相比于單片機(jī)，微控制器這個(gè)名稱的應(yīng)用指向性更強(qiáng)一些。微控制器結(jié)構(gòu)微控制器的分類根據(jù)CPU處理二進(jìn)制位數(shù)字長(zhǎng)可分為8位、16位和32位機(jī)目前常見的MCU包括8位的MCS-51系列、8~32位的PIC系列、16位的MSP430系列、8~32位的AVR系列和32位的ARMCortex-M系列。其中，Intel公司的MCS-51系列MCU是一款在全球范圍得到廣泛使用的8位機(jī)型，后期通過專利轉(zhuǎn)讓或技術(shù)交換，Intel將8051內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許多半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如ATMEL、Philips、Cygnal、ANALOG、LG、ADI、Maxim、DEVICES和DALLAS等公司。技術(shù)人員常用8051來泛指所有這些具有8051內(nèi)核、使用8051指令系統(tǒng)的增強(qiáng)型和擴(kuò)展型MCU。微控制器的分類根據(jù)存儲(chǔ)器與CPU的連接結(jié)構(gòu)可分為哈佛結(jié)構(gòu)和普林斯頓結(jié)構(gòu)微控制器的分類根據(jù)指令結(jié)構(gòu)可分為復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（ComplexInstructionSetComputer，CISC）和精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ReducedInstructionSetComputer，RISC）一直以來，提高計(jì)算機(jī)性能的常用方法是增加硬件的復(fù)雜性。隨著集成電路技術(shù)，特別是VLSI（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)的迅速發(fā)展，硬件工程師不斷增加可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的指令和多種靈活的編址方式，以此獲得更強(qiáng)的計(jì)算能力。這種設(shè)計(jì)的型式被稱為CISC結(jié)構(gòu)IBM公司提出了RISC結(jié)構(gòu)的構(gòu)想，即指令系統(tǒng)中只包含使用頻率高的少量指令，同時(shí)也提供一些必要的指令以支持操作系統(tǒng)和高級(jí)語言。Microchip的PIC系列微控制器、ATMEL的AVR系列都屬于基于RISC架構(gòu)的微控制器。通過設(shè)置指令為單字長(zhǎng)度，上述MCU取指令的周期短，且支持預(yù)取指令和流水作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了代碼壓縮，有效提高代碼執(zhí)行速度。由于RISCMCU包含較少的單元電路，所以硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，芯片面積小且功耗低。微控制器的分類根據(jù)內(nèi)嵌程序存儲(chǔ)器的類別可分為掩膜、OTP、EPROM/E2PROM和閃存Flash掩模ROM的寫入必須在工廠進(jìn)行，成本低廉，適于大批量定制，但靈活性較差，上市周期長(zhǎng)。其他類型的ROM可由用戶在專用的編程器中進(jìn)行寫入和校驗(yàn)。EPROM和E2PROM可用專用的紫外線擦除器擦除程序代碼，然后繼續(xù)在線編寫和修改，但寫入周期較長(zhǎng)，并且重復(fù)改寫的次數(shù)受限。Flash的讀寫效率高，可以直接與CPU連接，特別適合于便攜式系統(tǒng)ARM體系結(jié)構(gòu)

ARM是AdvancedRISCMachines的首字母縮寫，它既是一個(gè)公司的名稱，也是該公司設(shè)計(jì)的微處理器的統(tǒng)稱。1990年ARM公司成立于英國(guó)劍橋，致力于設(shè)計(jì)低功耗、低成本和高性能的32位嵌入式RISC系列處理器目前ARM公司出品的系列微處理器市場(chǎng)覆蓋率最高、發(fā)展趨勢(shì)廣闊，已經(jīng)占據(jù)32位RISC微處理器80%以上的市場(chǎng)份額，廣泛應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備等嵌入式領(lǐng)域中知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IntellectualProperty，IP）核的概念出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，簡(jiǎn)而言之，集成電路制造商將經(jīng)過檢驗(yàn)的合格的電路設(shè)計(jì)文件保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)日后進(jìn)行類似功能的IC設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以直接將庫(kù)中的文件取出作為子模塊進(jìn)行調(diào)用，從而減少了重復(fù)開發(fā)的工作量，降低了設(shè)計(jì)成本。這些具有固定的不可再分功能的IC設(shè)計(jì)部件被稱之為核（core），核文件已被稱之為知識(shí)產(chǎn)權(quán)核或IP核?；贏RM的IP核設(shè)計(jì)Soc示例ARMCortexARMCortex系列包含三個(gè)子系列，即Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M。三個(gè)子系列差異較大，分別瞄準(zhǔn)不同的應(yīng)用市場(chǎng)。Cortex-A系列的目標(biāo)是為包括手機(jī)、數(shù)字電視、電子書和家庭網(wǎng)關(guān)在內(nèi)的高端市場(chǎng)提供的高性能處理器，其中的A即Application的首字母；Cortex-R系列專注于提高應(yīng)用的實(shí)時(shí)性能，典型應(yīng)用環(huán)境包括汽車剎車系統(tǒng)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)等，R為Real-Time的首字母；Cortex-M系列是面向嵌入式應(yīng)用提供低功耗高性能的微控制器，因此用Microcontrollor的首字母M來命名。Cortex-M架構(gòu)系列產(chǎn)品處理器ARM架構(gòu)核心架構(gòu)ThumbThumb-2硬件乘法DSP浮點(diǎn)運(yùn)算Cortex-M0ARMv6-M馮

諾伊曼大多數(shù)子集1或32個(gè)周期無無Cortex-M0+ARMv6-M馮

諾伊曼大多數(shù)子集1或32個(gè)周期無無Cortex-M1ARMv6-M馮

諾伊曼大多數(shù)子集3或33個(gè)周期無無Cortex-M3ARMv7-M哈佛完整完整1個(gè)周期無無Cortex-M4ARMv7E-M哈佛完整完整1個(gè)周期有可選ARMCortexM0Cortex-M0是ARM公司于2009年推出的面向嵌入式應(yīng)用的32位微控制器的IP核。Cortex-M0內(nèi)核的門電路少，代碼密度高，因此具有尺寸小、執(zhí)行速度快和低功耗等特點(diǎn)，其能耗僅為85μW/MHz。近幾年來，Cortex-M0微控制器的價(jià)格也不斷降低，已經(jīng)處于市場(chǎng)上其他8/16位微控制器的同等水平，因此被廣泛應(yīng)用在智能家居、智能儀表、人機(jī)接口設(shè)備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)中Cortex-M0結(jié)構(gòu)框圖Cortex-M0指令集Cortex-M0基于ARMv6-M架構(gòu)，使用的是ARMv6-MThumb指令集，包括大量的32位的Thumb-2指令。早期的ARM處理器架構(gòu)采用32位指令集，稱作ARM指令。ARM指令具有強(qiáng)大的功能和良好的性能，但與8位/16位處理器相比，需要占用更大的程序存儲(chǔ)空間，功耗也更大。為了解決代碼長(zhǎng)度問題，1995年ARM著力開發(fā)了一種新的指令體系，即Thumb指令集。Thumb指令集是ARM指令集的一個(gè)子集，具有16位的代碼寬度，與等價(jià)的32位RISC代碼相比有更好的代碼密度，有效的節(jié)省了系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，Thumb指令集代碼大小降低了約30%。Thumb-2指令集是Thumb指令集和ARM指令集的一個(gè)超集，集成了傳統(tǒng)的Thumb指令集和ARM指令集的各自優(yōu)點(diǎn)，不需要顯示切換狀態(tài)就可運(yùn)行16位與32位混合代碼。與32位ARM指令集相比，Thumb-2指令集降低了大約26%的代碼量，同時(shí)能夠保持相同的性能。Cortex-M0寄存器xPSR寄存器Cortex-M0內(nèi)存映射目錄2.1傳感器2.2微控制器2.3嵌入式系統(tǒng)2.3嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展

縱觀嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展過程，大致經(jīng)歷了4個(gè)階段。第一階段是以4位和8位單芯片為核心的可編程控制器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)存儲(chǔ)容量小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算效率低，主要應(yīng)用在專業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，與設(shè)備相配合完成監(jiān)測(cè)、伺服等相對(duì)單一的工作。在應(yīng)用軟件方面缺乏操作系統(tǒng)支持，大多采用匯編語言編寫程序直接控制被控設(shè)備。第二階段是以8位和16位嵌入式處理器為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。在這一時(shí)期出現(xiàn)了大量不同種類的CPU，系統(tǒng)整體開銷減小，效率提升，但通用性比較差。多家公司推出了包含傳統(tǒng)商業(yè)操作系統(tǒng)特征的嵌入式操作系統(tǒng)，具有一定的兼容性和擴(kuò)展性，一般都配備系統(tǒng)仿真器，方便了應(yīng)用開發(fā)過程，應(yīng)用軟件專用性強(qiáng)。此時(shí)期的嵌入式系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)負(fù)載以及監(jiān)控應(yīng)用程序的運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展第三階段是以32位