電子系統(tǒng)設(shè)計與工程應(yīng)用 課件 第7章 其他單元電路設(shè)計

7.1嵌入式技術(shù)在電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

7.2供電系統(tǒng)設(shè)計

7.3常用總線與接口技術(shù)7.1嵌入式技術(shù)在電子系統(tǒng)中的應(yīng)用7.1.1嵌入式技術(shù)概述嵌入式系統(tǒng)也稱為嵌入式計算機系統(tǒng),美國電氣和電子工程師協(xié)會IEEE對嵌入式系統(tǒng)的定義為用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設(shè)備的裝置。目前被國內(nèi)計算機界普遍認同的定義為:以應(yīng)用為中心,以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),軟、硬件可裁剪,適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。本書討論的嵌入式系統(tǒng)為美國IEEE定義的廣義嵌入式系統(tǒng),一般由嵌入式計算機系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成,是軟、硬件相結(jié)合的綜合體。嵌入式系統(tǒng)的核心部件為嵌入式處理器。嵌入式技術(shù)產(chǎn)生于20世紀下半葉,其發(fā)展歷程與微處理器發(fā)展歷程密切相關(guān)。微處理器分為通用微處理器與專門用于嵌入式系統(tǒng)的專用微處理器。雖然通用微處理器主要用于生產(chǎn)通用的微型計算機,但也可以與一些配套芯片及外設(shè)組成一個專用計算機系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)使用。專用微處理器可分為單片機、嵌入式微處理器、數(shù)字信號處理器和片上系統(tǒng)。不同類型、不同型號的專用微處理器系統(tǒng)其硬件組成也不相同,共同點是都有微處理器、存儲器、輸入輸出設(shè)備。通用微處理器與專用微處理器的主要區(qū)別為:專用微處理器內(nèi)部集成了更多的功能模塊,目的是提高處理與控制能力;而通用微處理器則把這些功能模塊設(shè)計成另外單獨的芯片,專注于計算速度的提高。在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展過程中,出現(xiàn)過以下幾種系統(tǒng):無操作系統(tǒng)控制的嵌入式系統(tǒng),如8位單片機直接使用匯編語言或C語言編程;小型操作系統(tǒng)控制的嵌入式系統(tǒng),如使用μC/OSⅡ的系統(tǒng);大型操作系統(tǒng)控制的嵌入式系統(tǒng),如使用WindowsCE的系統(tǒng)。使用或不

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操

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的復雜程度。不同類型的嵌入式系統(tǒng)由于硬件組成、集成化程度、片上資源以及處理速度的不同,其應(yīng)用場合也不盡相同,其開發(fā)環(huán)境、開發(fā)的復雜程度與開發(fā)周期也存在很大差異。單片機系統(tǒng)開發(fā)簡單,控制能力強,但受總線寬度、計算能力、時鐘速度等的影響,適用于實時性與計算能力要求不高的控制場合;嵌入式微處理器有自己的操作系統(tǒng),速度快,適用于對實時性要求較高的復雜系統(tǒng)的控制;數(shù)字信號處理器運算能力強,實時性好,適用于對數(shù)據(jù)處理能力要求較高的場合;可編程片上系統(tǒng)主要在FPGA硬件載體上內(nèi)置了IP硬核或IP軟核,具有硬件組成靈活、處理速度快、功能強大、保密性好的優(yōu)點,適用于對控制能力與運算能力均要求高的場合;通用計算機系統(tǒng)與工控機系統(tǒng)雖然體積大,功耗高,運算速度也不具備優(yōu)勢,但硬件成熟,可采用高級語言開發(fā)人機交互界面,編程調(diào)試方便,適用于中大型電子系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的嵌入式系統(tǒng),當多種類型的嵌入式系統(tǒng)均能滿足要求時,應(yīng)將成本低、開發(fā)簡單、開發(fā)人員熟悉的嵌入式系統(tǒng)作為優(yōu)先選擇的對象。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小、性能強、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)具體應(yīng)用等突出特點,目前廣泛應(yīng)用于國防、消費電子、信息家電、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等各個領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)在電子系統(tǒng)中的應(yīng)用可以說是無處不在,無論是像通信、雷達、導航等大型專用電子設(shè)備,還是像電子手表、電話、手機、PDA、洗衣機、電視機、電飯鍋、微波爐、空調(diào)等日常生活電子產(chǎn)品都有嵌入式系統(tǒng)的存在。特別是隨著萬物互聯(lián)時代的來臨,嵌入式系統(tǒng)在電子系統(tǒng)中的應(yīng)用將達到前所未有的高度。嵌入式技術(shù)在電子系統(tǒng)中有很多應(yīng)用,其典型應(yīng)用包括非電信息實時監(jiān)測與控制、人機交互與控制、設(shè)備自檢與參數(shù)定時監(jiān)測控制、數(shù)據(jù)采集處理以及Internet互聯(lián)等。其中信號采集處理在前面已有討論,這里主要討論其他應(yīng)用。7.1.2嵌入式技術(shù)在人機交互與控制單元中的應(yīng)用人機交互界面友好、操作方便是對電子系統(tǒng)與產(chǎn)品的基本要求。特別是對與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的電子產(chǎn)品來說,由于絕大部分使用者不是產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)者,甚至不具備電子產(chǎn)品的一些基本知識,要使他們放心使用,消除后顧之憂,人機交互界面友好就顯得更加重要。隨著新型電子器件的不斷涌現(xiàn),人機交互也在發(fā)生不斷變化。以手機為例,早期產(chǎn)品僅有很小的顯示屏,鍵盤會占用手機的很大部分空間。隨著觸摸屏的出現(xiàn),實現(xiàn)了顯示、操控一體化,顯示屏更大,操控更加方便,即使是對電子信息知識知之甚少的老年人來說,使用起來也駕輕就熟。人機交互與控制單元是電子系統(tǒng)非常重要的組成部分,直接關(guān)系到使用者的方便程度。良好的人機交互不僅會給使用者帶來方便,也會大大提高消費者對產(chǎn)品的認可度,為產(chǎn)品的推廣也奠定了基礎(chǔ)。人機交互與控制單元的主要功能有:控制參數(shù)的輸入、修改與顯示;依據(jù)控制參數(shù)向控制對象輸出控制信號。由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成的人機交互與控制單元組成框圖如圖7.1所示,包括嵌入式微處理器系統(tǒng)、人機交互輸入與顯示模塊以及輸出控制模塊。嵌入式微處理器系統(tǒng)既可采用由單片機系統(tǒng)、ARM系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、FPGA構(gòu)成的片上系統(tǒng),也可以采用通用計算機系統(tǒng)和工控機。無論采用哪種方式,嵌入式微處理器系統(tǒng)都包含有微處理器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、時鐘電路、復位電路以及各種輸入輸出接口電路,有的甚至包含數(shù)據(jù)采集電路。人機交互輸入與顯示模塊包括參數(shù)輸入模塊與參數(shù)顯示模塊,既可以采用輸入和顯示一體化的觸摸屏實現(xiàn),也可以采用獨立方式完成。采用獨立方式時,參數(shù)輸入模塊可根據(jù)需要采用自行設(shè)計的鍵盤,參數(shù)顯示模塊根據(jù)顯示的參數(shù)量的多少以及對顯示方式的要求,可在數(shù)碼管、LED點陣顯示器、LCD液晶顯示器之間進行選取,在中大型電子系統(tǒng)中,甚至可以直接采用計算機顯示器的顯示方式。輸出控制模塊是嵌入式系統(tǒng)與電子系統(tǒng)的其他單元的接口,控制系統(tǒng)發(fā)出的各種控制命令均由輸出控制模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號。輸出控制模塊一般需具備兩個功能:①

由于嵌入式微處理器系統(tǒng)驅(qū)動能力不能滿足被控對象的要求,該模塊需完成對控制信號的驅(qū)動,使被控對象在控制信號的作用下產(chǎn)生可靠的動作;②

嵌入式微處理器系統(tǒng)輸出的控制信號與被控對象的要求不一定匹配,該模塊需要完成控制信號的匹配。例如,有的嵌入式微處理器系統(tǒng)輸出的高、低電平與控制對象不兼容,需要實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。又如嵌入式微處理器系統(tǒng)輸出的控制信號不一定具有鎖存功能,而控制對象要求控制信號改變時應(yīng)維持不變,此時輸出控制模塊需要有鎖存電路。另外,有的被控對象由控制電平控制執(zhí)行動作,有的則是需要相應(yīng)的控制字(如頻率合成器的頻率控制字)控制其工作狀態(tài),這些都需要輸出控制模塊來實現(xiàn)。嵌入式微處理器系統(tǒng)片內(nèi)外設(shè)資源較多,在實際應(yīng)用中,嵌入式微處理器與參數(shù)輸入模塊間的輸入接口、與顯示器間的輸出顯示接口、與輸出控制模塊間的輸出接口究竟采用何種方式,應(yīng)進行精心設(shè)計,合理規(guī)劃資源,避免因設(shè)計不合理而導致系統(tǒng)過于復雜。嵌入式系統(tǒng)是軟、硬件相結(jié)合的綜合體,由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成的人機交互與控制單元除了硬件電路外,還必須結(jié)合編寫的程序才能實現(xiàn)規(guī)定的功能。為了保證嵌入式系統(tǒng)可靠工作,程序需要有容錯與抗干擾措施。程序在初始化后,對鍵盤進行動態(tài)掃描,實時檢測鍵盤狀態(tài)的變化。一旦檢測到鍵盤輸入,將讀取鍵盤輸入值,并根據(jù)讀入的鍵盤值產(chǎn)生相應(yīng)的動作。如果輸入的是參數(shù)值,則將該參數(shù)送到顯示單元顯示;如果輸入的是控制命令,則將給輸出控制單元輸出相應(yīng)的控制信號,使被控對象產(chǎn)生正確的動作,達到改變電子系統(tǒng)工作狀態(tài)的目的。7.1.3嵌入式技術(shù)在設(shè)備自檢與監(jiān)測單元中的應(yīng)用許多先進的電子系統(tǒng)已經(jīng)將自檢測、故障檢測與智能診斷作為電子系統(tǒng)的一個組成部分,以檢查設(shè)備的完好性,例如高檔示波器就具有開機自檢測功能。另外,為了不影響設(shè)備的工作性能,對設(shè)備輸出的重要參數(shù)(如功率、調(diào)制度等)需要進行定期監(jiān)測,當參數(shù)下降到規(guī)定門限時,以便及時報警或進行主備機切換。對于電子系統(tǒng)的自檢測主要有兩種方式。一種是在系統(tǒng)中增加一個專門用于設(shè)備檢查的中頻信號源,該信號源產(chǎn)生的信號格式與系統(tǒng)正常工作時信號格式一致。每次開機時由控制系統(tǒng)選擇信號源工作模式,并將產(chǎn)生的信號送到電子系統(tǒng),代替設(shè)備正常工作時所接收的信號,自檢單元根據(jù)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)或測量的參數(shù)與信號源發(fā)射的信息是否一致來判斷設(shè)備是否完好。當自檢測通過后,信號源停止發(fā)射信號,系統(tǒng)切換到正常工作模式。這種自檢方式除了不能對電子系統(tǒng)射頻以及天線進行檢查外,對其他單元電路都能進行自檢測,是一種較全面的自檢測方式。優(yōu)點是檢測全面,而且在維修后或根據(jù)需要隨時都能對設(shè)備進行檢測,缺點是需要中頻信號源,會增加系統(tǒng)成本。另外一種自檢測方式是通過對設(shè)備各個電路板的電源、關(guān)鍵點信號幅度以及外場信號功率等的檢測,以檢查系統(tǒng)是否正常工作。這種自檢測方式優(yōu)點為實現(xiàn)相對簡單,缺點為不能對輸出結(jié)果進行檢查。參數(shù)定時監(jiān)測控制是對正在運行的設(shè)備工作狀態(tài)的一種在線檢查方式,從電路實現(xiàn)的角度來說,其與自檢測的第二種方式類似,不同之處為要依據(jù)檢測的參數(shù)發(fā)出相應(yīng)的控制信號,以便使系統(tǒng)告警、主備機切換或者使設(shè)備停止工作?；谇度胧郊夹g(shù)實現(xiàn)設(shè)備自檢與參數(shù)定時監(jiān)測控制單元由參數(shù)監(jiān)測電路、信號調(diào)理電路、多路信號選擇電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、嵌入式微處理器系統(tǒng)、輸出驅(qū)動電路以及被控對象等組成,組成框圖如圖7.2所示。嵌入式微處理器系統(tǒng)可根據(jù)需要選擇單片機系統(tǒng)、ARM系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、FPGA構(gòu)成的片上系統(tǒng)以及通用計算機系統(tǒng)與工控機中的一種。參數(shù)監(jiān)測電路將監(jiān)測參數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓,監(jiān)測參數(shù)包括電源電壓、關(guān)鍵點信號幅度、信號功率、調(diào)制度等。監(jiān)測參數(shù)不同,則實現(xiàn)電路也不同。不同的監(jiān)測參數(shù)經(jīng)監(jiān)測參數(shù)電路處理后,均變成了大小不等的模擬電壓。信號調(diào)理電路將變化范圍不同、幅度不等的模擬信號變?yōu)闈M足模/數(shù)轉(zhuǎn)換器要求的模擬信號。為了減少模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)目,在信號調(diào)理電路與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器之間加入了多路信號選擇器,多路信號選擇器在嵌入式微處理器系統(tǒng)的控制下,按相同或不同的時間間隔選擇被監(jiān)測的模擬信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,多路信號選擇器保證每一時刻只有一路模擬信號送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。嵌入式微處理器對采樣數(shù)據(jù)進行濾波等處理,判斷是否與正常值一致。當發(fā)現(xiàn)異常時,產(chǎn)生控制信號,改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)。只要設(shè)備處于運行狀態(tài),在控制程序的作用下,將周而復始地對監(jiān)測參數(shù)進行定期監(jiān)測。需要說明的是,上述組成框圖對于非電量參數(shù)(溫度、濕度、光強等)的實時監(jiān)測與控制同樣適用,其區(qū)別主要體現(xiàn)在參數(shù)監(jiān)測電路與被控對象上。7.1.4嵌入式技術(shù)在Internet互聯(lián)設(shè)備中的應(yīng)用隨著計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展,以互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)為傳輸介質(zhì)的遠程信息共享成為了可能,其應(yīng)用產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),給人們的工作與生活帶來了方便。1.遠程醫(yī)療數(shù)據(jù)采集與傳輸遠程醫(yī)療是下一代醫(yī)學技術(shù)發(fā)展的新方向,在遠程醫(yī)療中,醫(yī)療數(shù)據(jù)需要通過物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)異地傳輸。一種基于ZigBee技術(shù)的遠程醫(yī)療數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖7.3所示,由本地數(shù)據(jù)采集、本地數(shù)據(jù)無線發(fā)送、本地數(shù)據(jù)無線接收以及數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)饶K組成。本地數(shù)據(jù)采集模塊完成對病人生理數(shù)據(jù)的采集,由血氧傳感器Max30100、心電傳感器AD8232以及以ATMEGA85358位微處理器為核心的微處理器系統(tǒng)等構(gòu)成。本地數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)簡單濾波處理后通過通用異步收發(fā)串口UART送到本地數(shù)據(jù)無線發(fā)送模塊。本

地

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無

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收

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處

理

器STM32F103C8T6與ZigBee收發(fā)器CC2530組成。采用無線收發(fā)的方式傳輸可滿足用戶終端的可移動性要求,而ZigBee技術(shù)協(xié)議簡單,特別適用于這種對速率要求不高的場合。其中STM32F103C8T6為數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的主控制器芯片,是一款基于ARMCortexM內(nèi)核的32位嵌入式微控制器,片上有64KB的FLASH程序存儲器、20KB的數(shù)據(jù)存儲器以及12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。CC2530是美國TI公司生產(chǎn)的ZigBee芯片,片內(nèi)有2.4GHz的射頻收發(fā)器、8051MCU、FLASH存儲器、8KB的RAM以及2個UART和12位ADC等,是一款能夠用于2.4GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC),具有靈敏度高、覆蓋范圍廣的優(yōu)點。由本地數(shù)據(jù)無線接收模塊接收的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)奖镜胤?wù)器,再經(jīng)本地服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)與遠程服務(wù)器連接。2.遠程視頻實時監(jiān)控隨著移動通信帶寬的不斷增加,基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的遠程視頻實時監(jiān)控由于具有在任何時間、任何有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地點方便接入監(jiān)控的優(yōu)點,因此已得到廣泛應(yīng)用。在設(shè)計其實現(xiàn)方案時,必須充分考慮實時圖像信號的壓縮編碼與傳輸問題、前端移動終端數(shù)據(jù)的移動網(wǎng)絡(luò)接入問題。一種基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的遠程視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖7.4所示,其中視頻監(jiān)控前端的功能包括視頻采集編碼、視頻壓縮編碼、4G網(wǎng)絡(luò)接入。該系統(tǒng)采用具有較高下載速率與上傳速率的4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻圖像,圖像壓縮編碼采用適用于4G視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊曨l壓縮標準與壓縮算法H.264/AVL。H.264/AVC在壓縮編碼效率、圖像質(zhì)量保持、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性以及傳輸容錯性能等方面較其他標準視頻壓縮效果有明顯的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)封裝采用IP/UDP/RTP協(xié)議組合,視頻無線網(wǎng)絡(luò)接入采用TDLTE標準。視頻監(jiān)控前端可采用大唐移動公司推出的便攜式視頻通信終端TDLTE無線多模塊視頻終端來實現(xiàn)。該終端支持1080p(30F/s)視頻輸入和輸出,活動圖像幀率5~60F/s可選;采用H.264SVCHighProfile編解碼算法,能同時進行多路圖像的編碼和解碼,可節(jié)省50%的視頻通信帶寬;具有強大的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力、智能糾錯能力、智能網(wǎng)絡(luò)修復能力以及自適應(yīng)傳輸能力。該設(shè)備將一路視頻信息編碼后,拆分為多路信息,然后將多路圖像信息在多個LTE模塊中并行傳輸,視頻業(yè)務(wù)平臺接收到多路拆分的圖像信息后進行合并、處理,形成完整的視頻。由視頻監(jiān)控前端完成圖像信號的采集、編碼處理,并將視頻數(shù)據(jù)以封裝的形式通過移動通信網(wǎng)的接入模塊接入到4G網(wǎng)絡(luò),信號借助于4G網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接嬎銠C終端與手機APP上,實時顯示監(jiān)控圖像。由于來自視頻監(jiān)控前端的視頻數(shù)據(jù)以無線方式接入到傳輸網(wǎng)絡(luò)以及傳輸網(wǎng)絡(luò)上的視頻數(shù)據(jù)以無線方式被手機接收,該系統(tǒng)受工作條件、環(huán)境的影響小,只要有4G網(wǎng)絡(luò)信號,該系統(tǒng)就能正常工作。3.無人機視頻與數(shù)據(jù)傳輸近年來,無人機以其低成本、高靈活性和安全性等特點廣泛應(yīng)用于航拍、電力、消防、農(nóng)業(yè)、勘測和救援等多個領(lǐng)域,然而,不同的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用場景對無人機通信網(wǎng)絡(luò)也存在不同的需求。無人機和地面站的數(shù)據(jù)傳輸距離一般在2~20km,在應(yīng)用上受到很大限制。無人機與移動通信網(wǎng)結(jié)合將有效增加無人機的數(shù)據(jù)傳輸距離,可大大拓展無人機的應(yīng)用場景。一種采用4G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o人機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖7.5所示。4G數(shù)據(jù)傳輸模塊采用串口轉(zhuǎn)4G的DTU模塊GportG43實現(xiàn),該模塊能夠?qū)碜源诘臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4G信號發(fā)射,也能將接收的4G信號轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)輸出,由微控制器與4G模塊兩部分構(gòu)成,是一個嵌入式ASIC芯片,支持移動、聯(lián)通2G/3G/4G和電信4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸,且支持最大下行速率150Mb/s和最大上行速率50Mb/s。GportG43的處理器為CortexM3,主頻為96MHz,操作系統(tǒng)為FreeRTOS,支持UART轉(zhuǎn)2G/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸,串口速率最高為460800b/s。無人機的等待傳輸數(shù)據(jù)(控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù))通過UART口送到安裝在無人機上的4G數(shù)據(jù)傳輸模塊,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合4G格式要求的信號后由天線向外發(fā)射,經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸后,被接收端的4G數(shù)據(jù)傳輸模塊接收,經(jīng)處理將接收數(shù)據(jù)從UART口輸出,以滿足無人機近距離實時控制和遠距離實時控制的要求。無人機拍攝的視頻由于帶寬寬,數(shù)據(jù)量大,采用上面基于GportG43的方案無法實現(xiàn)實時傳輸。另一種基于4G網(wǎng)絡(luò)的無人機視頻傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖7.6所示,安裝在無人機上的視頻采集與處理模塊、4G無線傳輸模塊可采用大唐移動公司推出的便攜式視頻通信終端TDLTE無線多模塊視頻終端來實現(xiàn)。7.2供電系統(tǒng)設(shè)計7.2.1供電系統(tǒng)概述電源是專門提供持續(xù)電能支持的電力源泉,作為電子設(shè)備的重要組成部分發(fā)揮著不可替代的作用。其效率、性能及質(zhì)量的好壞,會對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及高質(zhì)量運轉(zhuǎn)產(chǎn)生直接影響,一旦出現(xiàn)故障,將導致系統(tǒng)無法正常工作(從電子設(shè)備出現(xiàn)故障情況來看,電源出現(xiàn)故障的概率占比非常高)。為了實現(xiàn)電子系統(tǒng)的節(jié)能化、自動化、智能化、機電一體化以及高效率與高品質(zhì)用電目標,電源正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。電子系統(tǒng)與電子產(chǎn)品的供電方式常見有交流電供電、電池供電與油機供電三種類型。電池分為化學電池與物理電池兩大類,如干電池、蓄電池、鋰電池等屬于化學電池,太陽能電池屬于物理電池。對于某一具體的設(shè)備來說,可采用單電源供電,也可采用雙電源供電。采用雙電源供電的目的主要是為了保證設(shè)備的不間斷工作,而且雙電源供電通常以交流電為主用,以蓄電池或油機為備用。如電子掛鐘、電子手表、遙控器等就是采用單一電池供電,電視機采用單一交流電供電,而雷達系統(tǒng)等軍用電子設(shè)備通常會采用交流電、油機以及蓄電池等多種供電方式。對于交流電供電的電子設(shè)備來說,通常把安裝在設(shè)備內(nèi)部的電源稱為機內(nèi)電源,也稱為機架電源或二次電源,而與設(shè)備獨立的電源稱為基礎(chǔ)電源或一次電源。一次電源主要是將交流電轉(zhuǎn)換為48V的直流電,而機內(nèi)電源主要是將48V的直流電轉(zhuǎn)換為設(shè)備所需要的各種電壓,如3.3V、5V以及12V等。采用交流電供電的電子設(shè)備依據(jù)供電設(shè)備安裝位置的不同又可分為集中供電方式、分散供電方式、混合供電方式以及一體化供電方式等,目前使用最多的為一體化供電方式。所謂一體化供電方式是指電子設(shè)備與電源設(shè)備(包括一次與二次電源設(shè)備)均安裝在同一機架內(nèi),由外部交流電源供電的方式。采用這種供電方式時,通常電子設(shè)備位于機架上部,整流模塊與蓄電池組安裝在機架下部。雙電源一體化供電系統(tǒng)如圖7.7所示,其以交流電為主用供電,以蓄電池為備用供電。市電正常供電時,變壓器實現(xiàn)AC/AC轉(zhuǎn)換,220V/50Hz的交流電變換為所需的交流電壓值。整流模塊實現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換,將交流電轉(zhuǎn)換為48V的直流電,該直流電經(jīng)直流配電屏后,送到各個DC/DC模塊,產(chǎn)生設(shè)備所需的直流電壓,如5V、12V等等。DC/DC模塊有兩個作用,一是改變電壓幅度,二是穩(wěn)定電壓,使輸出幅度保持不變。48V電壓同時送到DC/AC模塊(也稱為逆變),將直流電轉(zhuǎn)換為所需的交流電,供設(shè)備使用。在交流電供電時,蓄電池處于充電狀態(tài);當無交流電時,蓄電池組提供的48V直流電經(jīng)直流配電屏配電后,送往DC/DC模塊與DC/AC模塊后,產(chǎn)生設(shè)備所需的電壓。單電源一體化供電系統(tǒng)如圖7.8所示,圖(a)和圖(b)分別對應(yīng)多整流模塊與單整流模塊方式。在多整流模塊方式中,采用多抽頭變壓器將220V的交流電變換為各種大小的交流電,不同大小的交流電一方面送到各個整流模塊與DC/DC模塊,產(chǎn)生設(shè)備需要的各種直流電壓,另一方面直接送到設(shè)備,供需要交流供電的器件使用。采用多整流模塊供電的優(yōu)點為各個整流模塊與DC/DC模塊可依據(jù)各路直流需提供的功率選擇合適的元件,缺點為必須采用多抽頭變壓器,增加了變壓器的復雜性,同時重量也會增加。在單整流模塊方式中,整流模塊產(chǎn)生48V或15V的直流電壓作為各個DC/DC模塊與DC/AC模塊的公共輸入。該方式的優(yōu)點是變壓器抽頭少,制作簡單,且只有一個整流模塊,元件少,電源的可靠性增加,缺點是設(shè)備所需要的各種電壓均來自同一個整流模塊,對整流模塊要求輸出功率大,用于整流模塊的元件必須為大功率器件,同時對整流模塊的散熱也提出了較高要求。對于便攜式電子產(chǎn)品與野外工作環(huán)境的電子設(shè)備,主要采用電池供電方式,且無一例外均采用可充電電池。由于電池容量受限,在設(shè)計該類產(chǎn)品時應(yīng)盡量選擇低功耗器件,以有效增加電池連續(xù)工作的時間。對于電池供電的電子產(chǎn)品,除了需設(shè)計好電池供電與監(jiān)測電路外,充電電路或電源適配器也應(yīng)作為產(chǎn)品的一部分需要一并設(shè)計。7.2.2直流穩(wěn)壓電源的組成與性能指標電子電路中的電源一般是低壓直流電,將220V/50Hz交流電變換成直流電的直流穩(wěn)壓電路組成框圖如圖7.9所示。220V交流電首先經(jīng)變壓器變成低壓交流電,再用整流電路變成脈動的直流電壓(或電流),并用濾波電路濾除脈動直流電壓(或電流)中的交流成分,最后經(jīng)穩(wěn)壓電路輸出滿足要求的穩(wěn)定電壓(或電流)。通常要求該輸出電壓(或電流)盡量不隨電網(wǎng)電壓和負載的變化而變化,且紋波小。在如圖7.9所示的組成框圖中,變壓電路其實就是一個鐵芯變壓器,因此,下面主要討論整流電路、濾波電路以及穩(wěn)壓電路。直流穩(wěn)壓電源的主要技術(shù)指標包括:1)輸入電壓與變化范圍輸入電壓也就是額定輸入電壓,對于220V/50Hz的交流電來說,額定電壓為220V,額定頻率為50Hz。一般允許輸入電壓與頻率在一定范圍內(nèi)變化,通常用額定值的百分比表示,該變化范圍越大,則電源的適應(yīng)能力越強。如某直流穩(wěn)壓電源允許輸入電壓變化范圍為額定電壓的+5%~10%,頻率變化范圍為額定值的±4%,則對于220V/50Hz交流輸入電壓來講,當輸入電壓在198~231V范圍、輸入頻率在48~52Hz范圍時,直流穩(wěn)壓電源均能輸出滿足要求的電壓(或電流)值。2)輸出電壓(或電流)與調(diào)節(jié)范圍輸出電壓(或電流)即額定輸出電壓(或電流),指直流穩(wěn)壓電源正常工作時所允許輸出的最大電壓(或電流)值。如對于5V/1A的穩(wěn)壓電源,允許輸出的最大電壓為5V,最大電流為1A。許多穩(wěn)壓電源通過調(diào)節(jié),可使輸出電壓(或電流)在一定范圍變化。如臺灣明緯公司生產(chǎn)的雙組輸出開關(guān)電源D60B,一路輸出直流電壓/額定電流為5V/3A,電流可調(diào)范圍為0.3~6A,另

一

路

輸

出

直

流

電

壓/額

定

電

流

為24V/1.8A,電

流

可

調(diào)

范

圍

為0.2~2.2A。3)輸出電壓(或電流)穩(wěn)定度輸出電壓(或電流)穩(wěn)定度是衡量直流穩(wěn)壓電源抗電網(wǎng)不穩(wěn)定的一個重要指標,通常用抗電網(wǎng)不穩(wěn)定度Sr表示。定義為輸出直流電壓相對變化量與輸入交流電壓相對變化量之比,Sr越小越好,通常為千分之幾。也有的文獻將“負載電流保持為額定范圍內(nèi)的任何值,輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)變化所引起的輸出電壓相對變化ΔUo/Uo的百分值”稱為穩(wěn)壓器的電壓穩(wěn)定度。4)轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率是衡量電能是否有效利用的指標,定義為輸出功率與輸入功率之比。轉(zhuǎn)換效率越高,意味著電能的利用率越高,即直流電源本身損耗的電能越少。如輸入100W的功率,經(jīng)直流穩(wěn)壓電源后輸出的功率為60W,則轉(zhuǎn)換效率為60%,直流穩(wěn)壓電源本身損耗了40W的功率。轉(zhuǎn)換效率太低,不僅電能沒有得到很好利用,而且由于直流穩(wěn)壓電源要損耗大量功率,這對直流穩(wěn)壓電源的元件以及散熱也提出了更高要求。5)紋波電壓理想的低壓直流電源應(yīng)該是非常平滑的波形,但實際上經(jīng)過濾波的直流電源波形會有小幅波動,這個波動就是紋波。電壓源與電流源的紋波分別用紋波電壓與紋波電流來表示,是代表電源品質(zhì)的一項重要指標,要求紋波越小越好。紋波電壓也可以用最大紋波電壓、紋波系數(shù)以及紋波電壓抑制比表示。最大紋波電壓定義為在額定輸出電壓和負載電流條件下,輸出電壓的紋波(包括噪聲)絕對值的大小通常以峰峰值或有效值表示;紋波系數(shù)定義為在額定負載電流下,輸出紋波電壓的有效值與輸出直流電壓之比;紋波電壓抑制比為在規(guī)定的紋波

頻

率(例

如50Hz)條

件

下,輸

出

電

壓

中

的

紋

波

電

壓

與

輸

出

電

壓

中

的

紋

波電壓之比。6)電源內(nèi)阻理想電源的內(nèi)阻為零,電流可以暢通無阻的通過。而實際上,在生產(chǎn)制造過程中,由于受工藝、材料等諸多因素的影響,內(nèi)阻不可能為零。當電源正常攜帶負載時,內(nèi)阻與負載串聯(lián),會產(chǎn)生分壓作用。內(nèi)阻的存在會降低負載上的電壓,減小電源輸出電流,降低電源的輸出功率,從而使轉(zhuǎn)換效率下降。由于內(nèi)阻上消耗的功率對電源來說不僅無效,而且有害,比如內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量使電源內(nèi)部的溫度升高甚至會導致電源損壞,因此,電源內(nèi)阻越小越好。7)溫度系數(shù)環(huán)境溫度的變化會影響元件參數(shù)的變化,從而引起穩(wěn)壓器輸出電壓變化,這種現(xiàn)象稱為溫度漂移。溫度系數(shù)表示溫度漂移的大小,分為絕對溫度系數(shù)與相對溫度系數(shù)。絕對溫度系數(shù)是指溫度變化1℃引起輸出電壓值的變化,單位是V/℃或mV/℃;相對溫度系數(shù)是指溫度變化1℃引起輸出電壓相對變化(ΔUo/Uo)。8)平均無故障時間平均故障間隔時間MTBF是衡量直流穩(wěn)壓電源的可靠性指標,它反映了電源的時間質(zhì)量。定義為相鄰兩次故障之間的平均工作時間,也稱為平均故障間隔。7.2.3整流與濾波電路1.整流電路整流電路的作用是將變壓器輸出的交流電壓變換為脈動的直流電壓(電流)。整流電路一般為功率電路,應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場合所要提供的輸出電壓與電流值選擇合適的大功率器件,以免被燒壞。在實際應(yīng)用中,為了保證整流管安全工作,要求整流管提供的整流電流以及加在其上的反向電壓均應(yīng)小于管子本身能承受的最大整流電流與最大反向電壓,并能承受最大總有效值電流與最大峰值電流。同時在設(shè)計電路時,還必須考慮整流二極管的充分利用問題?？紤]到電網(wǎng)電壓的頻率低(50Hz),以及大電流工作時整流電路的輸出負載電阻又較小,因此整流電路輸出電壓的鋸齒狀波動都比較大。為了提高輸出負載的濾波能力,除了采用幾千微法的大電解電容作為負載電容外,還往往需要另加濾波網(wǎng)絡(luò)。整流電路的主要性能指標包括輸出直流電壓及其調(diào)節(jié)范圍、輸出整流電流及其調(diào)節(jié)范圍、紋波因數(shù)r以及電源變壓器次級繞組的利用系數(shù)F等。其中紋波系數(shù)r用于評價輸出負載對紋波電壓的濾波能力,為負載上基波及其各次諧波分量電壓的總有效值/負載上直流電壓值,r越小,輸出負載的濾波能力就越強。電源變壓器次級繞組的利用系數(shù)F為直流輸出功率Po與次級繞組提供的功率P之比,P等于次級繞組上交流電壓的有效值與總電流的有效值的乘積。顯然,F越大,為獲得一定的直流輸出功率Po,要求變壓器次級繞組的伏安容量P就越小,這樣,變壓器的體積、重量、成本就越小。整流電路有半波整流、全波整流、橋式整流以及倍壓整流,常用的為前三種。各自優(yōu)缺點為:半波整流電路的優(yōu)點是電路簡單,元件少,缺點是交流電壓中只有半個周期得到利用,輸出直流電壓低;全波整流電路的優(yōu)點為輸出電壓高,輸出電流大,電源利用率高,缺點是要求變壓器具有中心抽頭,體積大,比較笨重;橋式整流電路具有變壓器利用率高、平均直流電壓高、整流元件承受的反壓較低等優(yōu)點。半波整流、全波整流、橋式整流性能比較如下:(1)全波整流比半波整流有更大的輸出電壓與電流,更小的紋波系數(shù),而橋式整流與半波整流有相同的輸出電壓與電流,但橋式整流通過變壓器次級繞組的電流是極性正負交替的脈沖電流,全波整流則電流方向始終一致。(2)半波整流與全波整流加到整流管的最大反向電壓相同,而橋式整流加到整流管的最大反向電壓只有半波整流和全波整流的一半。(3)在輸出功率Po相同時,要求橋式整流電路的變壓器次級繞組伏安容量P為全波整流的2/2倍,為半波整流的2倍,也就是說橋式整流的利用系數(shù)比全波整流電路高,全波與橋式整流電路的輸出整流電壓隨負載電阻變化較半波整流小。通過上面的比較可以看出,全波整流電路與橋式整流電路比半波整流電路的輸出整流電壓大,紋波系數(shù)小,輸出電壓隨負載變化也小,而橋式整流電路不僅保持了全波整流電路的所有優(yōu)點,而且還具有電源變壓器結(jié)構(gòu)簡單(次級繞組無中心抽頭)、利用系數(shù)高的優(yōu)點,因此,在實際設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。橋式整流電路的四個二極管可用集成硅整流橋器件代替,使用方便。2.濾波電路濾波電路的作用為將整流電路輸出的脈動直流電變成平滑的直流電。濾波電路分為電容濾波電路、電感濾波電路以及組合濾波電路,電容濾波電路與電感濾波電路分別如圖7.10(a)、圖7.10(b)所示,組合濾波電路又分為由電感與電容構(gòu)成的L型濾波電路與Π型濾波電路,由電阻與電容構(gòu)成的L型濾波電路與Π型濾波電路以及由晶體管、電容、電阻構(gòu)成的電子濾波電路分別如圖7.10(c)~圖7.10(g)所示。在上面各種類型的濾波電路中,由電容、電阻構(gòu)成的濾波電路結(jié)構(gòu)簡單,所以由電容、電阻構(gòu)成的濾波器用得較多,而電感體積較大,同時電感的電阻很小,對輸出的直流幾乎不起作用,所以由電感、電阻構(gòu)成的濾波器用得較少。7.2.4串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定、負載電流的大范圍變動以及紋波電壓的存在等因素均會引起整流電路輸出電壓的不穩(wěn)定,直流穩(wěn)壓電路的作用就是克服上述不穩(wěn)定因素的影響,輸出穩(wěn)定的直流電壓。穩(wěn)壓電路的主要性能指標為穩(wěn)壓系數(shù)與輸出電阻。穩(wěn)壓系數(shù)S指穩(wěn)壓器的輸出電壓相對變化量ΔUo/Uo與輸入電壓相對變化量ΔUi/Ui的比值,它表示穩(wěn)壓器對輸入電壓不穩(wěn)定的抑制。顯然,S越小,抑制能力越強。輸出電阻指輸入電壓一定時,穩(wěn)壓器輸出電壓變化量ΔU與輸出電流變化量ΔI的比值,它表示輸出負載變化引起輸出電壓不穩(wěn)定的抑制能力。輸出電阻越小,抑制負載電流變化引起輸出電壓不穩(wěn)定的能力越強。常用的穩(wěn)壓電路有簡單穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路、開關(guān)穩(wěn)壓電路等幾種,其中簡單穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓性能較差,且僅適用于負載電流不大以及負載變化較小的場合。串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路是一種由調(diào)整管、取樣電路、基準電壓源和比較放大器等構(gòu)成的自動電平控制電路,其組成框圖如圖7.11所示,其中用于調(diào)制電壓的調(diào)整管(晶體三極管或復合管)工作在線性放大狀態(tài)。在實際應(yīng)用中廣泛使用的是集成串聯(lián)穩(wěn)壓電路,其工作電壓由幾伏到幾十伏,工作電流由幾百毫安到幾安,最大功耗可達幾十瓦,典型的有7800與7900系列,前者輸出正電壓,后者輸出負電壓。集成串聯(lián)穩(wěn)壓電路組成與圖7.11類似,考慮到調(diào)整管與負載串聯(lián),當輸出負載過載(即負載電阻減小)或短路時,通過調(diào)整管的電流和加在其上的電壓以及相應(yīng)的耗散功率均迅速增大,并有可能超過極限參數(shù)而導致?lián)p壞,同時還會有因芯片過熱而發(fā)生熱擊穿的危險,因此,在集成串聯(lián)穩(wěn)壓電路中除了上述的基本組成外,一般都加有過流、過壓和過熱的保護電路。集成串聯(lián)穩(wěn)壓電路按其輸出方式不同分為輸出電壓可調(diào)式穩(wěn)壓電路、輸出電壓固定式穩(wěn)壓電路和具有正負電壓對稱輸出的穩(wěn)壓電路,因為通常只有輸入、輸出、公共端(調(diào)整端)三個引腳,所以又稱為三端式集成串聯(lián)穩(wěn)壓器。常用連接電路如圖7.12所示,其中78系列輸出正電壓,79系列輸出負電壓,XX表示輸出的電壓值,電解電容用于濾除脈沖干擾,無極性電容用于濾除高頻干擾。由圖可見,除濾波元件外不需要外接其他元件,使用十分方便。串聯(lián)穩(wěn)壓電路的調(diào)整管必須工作在線性放大區(qū),否則將消耗大量的輸入功率,從而造成這種穩(wěn)壓電路的效率降低。調(diào)整管的效率一般為40%~60%。穩(wěn)壓器的輸出電壓與輸入電壓的差值越大,調(diào)整管的管耗就越大,穩(wěn)壓電路的效率就越低。對于集成串聯(lián)穩(wěn)壓器來說,通常要求輸入端與輸出端間的電壓差不低于2V。7.2.5開關(guān)穩(wěn)壓電路與線性穩(wěn)壓電路的調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)不同,開關(guān)穩(wěn)壓電路的調(diào)整管工作在高頻開關(guān)狀態(tài),并且可通過控制調(diào)整管的開、關(guān)時間來調(diào)整輸出電壓。正是由于調(diào)整管工作于開關(guān)狀態(tài),調(diào)整管的管耗大大下降,發(fā)熱較低,一方面有效提高了穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換效率,使開關(guān)穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換效率可達80%~95%,且?guī)缀醪浑S輸出電壓減小而下降;另一方面由于不需要體積或重量非常大的散熱器,因此體積較小,重量較輕,通常體積和重量只有線性電源的20%~30%。但開關(guān)穩(wěn)壓電源由于頻率較高,會對電網(wǎng)及周圍設(shè)備造成干擾,而且電路較復雜,輸出波紋較大,可見開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源都有各自的優(yōu)點與不足。為了發(fā)揮各自優(yōu)勢,在實際應(yīng)用中大多采用組合使用的方式,即使用開關(guān)穩(wěn)壓電路進行初步的變換,供紋波、精度要求不高的電路使用,同時,使用低壓差線性穩(wěn)壓電路獲取精密的、低紋波的電壓供諸如運算放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器使用。開關(guān)穩(wěn)壓電源根據(jù)調(diào)整管與負載的連接方式不同,可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型與脈沖變壓器耦合型三種。串聯(lián)型與并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源是指開關(guān)管與負載分別采用串聯(lián)或并聯(lián)連接的一種電源電路。脈沖變壓器耦合型開關(guān)穩(wěn)壓電源是指開關(guān)管與脈沖變壓器的一次繞組串聯(lián)后與整流電路并聯(lián)、負載電路與脈沖變壓器二次繞組并聯(lián)的電源電路。開關(guān)穩(wěn)壓電源根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)不同,可分為降壓型(Buck)、升壓型(Boost)與升降壓型(BuckBoost)三種。降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓極性與輸入電壓相同,輸入電壓高于輸出電壓;升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出電壓極性與輸入電壓也相同,但輸入電壓低于輸出電壓;升降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓可以高于、低于或等于輸入電壓,且輸出電壓極性可反轉(zhuǎn)。開關(guān)穩(wěn)壓電源根據(jù)開關(guān)管的激勵方式不同,可分為自激式和他激式兩種。自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源是利用電源電路中的正反饋電路完成自激振蕩來啟動電源,而他激式開關(guān)穩(wěn)壓電源電路是專門設(shè)計一個振蕩器來啟動電源。開關(guān)穩(wěn)壓電源根據(jù)使用的器件種類不同,可分為由分立元件組成的開關(guān)穩(wěn)壓電源和由集成電路組成的開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)穩(wěn)壓電源根據(jù)穩(wěn)壓的控制方式不同,可分為脈沖寬度調(diào)制型(PWM)、脈沖頻率調(diào)制型(PFM)和混合型(即脈寬—頻率調(diào)制)三種。脈沖寬度調(diào)制型開關(guān)穩(wěn)壓電源是指開關(guān)周期恒定,由相關(guān)電路通過改變脈沖寬度來改變占空比的一種穩(wěn)壓電路;脈沖頻率調(diào)制型開關(guān)穩(wěn)壓電源是指導通脈沖寬度恒定,由相關(guān)電路通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的一種穩(wěn)壓電路;混合型開關(guān)穩(wěn)壓電源是指導通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定,彼此都能改變的一種穩(wěn)壓電路,是以上兩種方式的混合。開關(guān)穩(wěn)壓電源根據(jù)使用開關(guān)管的類型不同,可分為晶體管、VMOSFET管和晶閘管三種類型。開關(guān)穩(wěn)壓電源組成框圖如圖7.13所示。開關(guān)穩(wěn)壓電源由主電路、反饋控制電路與保護電路三部分組成。主電路包括功率因數(shù)校正(PFC)電路、逆變(功率轉(zhuǎn)換)電路、整流與濾波電路、輸出電路,用于將整流器輸出的直流電壓變換成所需的穩(wěn)定直流電壓,即DC/DC變換。反饋控制電路包括時鐘振蕩與恒脈寬發(fā)生器、PWM/PFM控制電路、穩(wěn)壓環(huán)路以及取樣檢測電路,用于調(diào)整開關(guān)調(diào)整管的導通與截止時間,穩(wěn)定輸出電壓。保護電路由短路保護、限流保護以及過壓保護等組成,以便在出現(xiàn)電路短路、電流以及電壓過大等情況時不損壞開關(guān)穩(wěn)壓電源,起保護作用。在主電路中,功率因數(shù)校正(PFC)電路的主要作用為:通過升高整流器輸出的直流電壓,迫使交流輸入電流與交流輸入電壓的波形與相位基本相同,從而使功率因數(shù)接近于1。逆變電路又稱為功率轉(zhuǎn)換電路或直流變換電路,是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心,其主要作用為:把整流電路或功率因數(shù)校正電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓,脈沖的占空比由PWM/PFM控制電路來調(diào)節(jié),即實現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換。一旦輸入電壓被轉(zhuǎn)換成交流方波,其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。整流與濾波電路的作用為將交流波形轉(zhuǎn)換為所需的直流電壓輸出,即AC/DC轉(zhuǎn)換。開關(guān)穩(wěn)壓電源通過反饋控制電路控制PWM/PFM的占空比,達到使輸出電壓在輸入電壓與負載變化時保持穩(wěn)定的目的。反饋控制電路首先對輸出電壓進行取樣檢測,并將取樣檢測信號在穩(wěn)壓環(huán)路的作用下形成控制信號,然后由該控制信號控制開關(guān)調(diào)整管的導通與截止時間,以改變PWM/PFM信號的占空比,從而進一步改變交流脈沖電壓的占空比,使輸出電壓穩(wěn)定。對于電池供電的電子產(chǎn)品,電池供電電路本身比較簡單,但由于大部分采用的是可充電電池,因此,在電池供電的電子產(chǎn)品中,充電電路也是供電電路的一部分。充電電路既可以獨立于電子產(chǎn)品而單獨存在,也可以安裝在產(chǎn)品內(nèi)部,對外只有一個交流220V/50Hz的電源插座接口。目前廣泛采用的充電電路均為開關(guān)穩(wěn)壓電路,由將交流市電轉(zhuǎn)換為直流電的整流與濾波電路、開關(guān)穩(wěn)壓電路兩大部分組成。整流多采用半波整流的方式,濾波主要采用電容濾波,開關(guān)穩(wěn)壓電路大多采用自激勵反激式脈沖變壓器耦合型的穩(wěn)壓方式,由振蕩器、高頻變壓器、穩(wěn)壓控制電路、二次整流與濾波電路、短路與過流保護電路等組成,其工作原理與其他穩(wěn)壓電源相同。7.2.6電源模塊設(shè)計與應(yīng)用中的注意事項電源電路作為電子產(chǎn)品的一個基本組成部分,不僅容易出現(xiàn)故障,而且由于功率較大,設(shè)計不合理時,會造成電磁干擾,影響其他單元電路工作。因此,在電源模塊設(shè)計與應(yīng)用中需注意以下事項。(1)電源模塊設(shè)計成獨立的印制電路板,且采用金屬罩屏蔽,以減小電磁干擾。(2)由電源模塊輸出的直流電壓在各個單元電路使用前一般再進行一次濾波,濾波電路可采用簡單的電容濾波形式或由電容與電感構(gòu)成的Π型濾波形式。(3)對于需要大電流的電源,在條件許可的條件下,在布線時電源線盡量寬一些。選擇使用DC/DC模塊電源,除了最基本的電壓轉(zhuǎn)換功能外,還有以下幾個方面需要考慮。(1)額定功率一般建議實際使用功率是模塊電源額定功率的30%~80%,這個功率范圍內(nèi)模塊電源各方面性能發(fā)揮都比較充分而且穩(wěn)定可靠。負載太輕會造成資源浪費,太重則對溫升、可靠性等不利。(2)在選擇DC/DC模塊的封裝時,一是在功率滿足要求的條件下體積盡量小,以便給系統(tǒng)其他部分留下更多空間;二是盡量選擇符合國際標準封裝的產(chǎn)品。(3)一般廠家的模塊電源都有幾個溫度范圍產(chǎn)品可供選用,即商品級、工業(yè)級、軍用級等。在選擇模塊電源時一定要考慮實際需要的工作溫度范圍,因為溫度等級不同,材料和制造工藝不同,價格相差很大,選擇不當會影響使用。(4)選擇隔離電壓較高的產(chǎn)品,因為高的隔離電壓可以保證模塊電源具有更小的漏電流,更高的安全性和可靠性,并且電磁干擾特性也更好一些。(5)盡量選擇保護功能完善的DC/DC模塊。有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,模塊電源在預(yù)期有效時間內(nèi)失效的主要原因是外部故障條件下?lián)p壞,而正常使用失效的概率很低。選擇保護功能完善的產(chǎn)品,在模塊電源外部電路出現(xiàn)故障時模塊電源能夠自動進入保護狀態(tài)而不至于永久失效,外部故障消失后能自動恢復正常。模塊電源的保護功能應(yīng)至少包括輸入過壓、欠壓,軟啟動保護和輸出過壓、過流、短路保護,大功率產(chǎn)品還應(yīng)有過溫保護等。(6)盡量選擇轉(zhuǎn)換效率高的模塊。轉(zhuǎn)換效率越高,電源本身損耗就越小,元件溫升就越低,使用壽命就越長,同時能源浪費也就越小。7.2.7電源實例分析某電子設(shè)備采用市電供電的方式,需要的電源分為交流與直流兩類,其中交流電源包括220V/50Hz、6V/50Hz以及28V/50Hz三種,直流電源包括-15V、+15V、+5V(1.2A)、+5V(1A)四種。直流電源的主要性能指標如表7.1所示,供電控制關(guān)系圖如圖7.14所示。按下“電源開關(guān)1”或“電源開關(guān)2”時,經(jīng)保險絲FU2給“臺燈接口”提供220V交流電壓輸出,經(jīng)保險絲FU1和FU8給“風機”提供工作電壓。同時220V交流電壓經(jīng)變壓器T1提供5路交流電壓輸出,其中4路交流電壓經(jīng)直流穩(wěn)壓電源和保險絲FU4~FU7提供所需的直流電壓,第5路6V交流電壓經(jīng)R1給兩開關(guān)的指示燈提供電源,使指示燈亮。按下“照明開關(guān)”時,一方面220V交流電壓經(jīng)電阻R2使開關(guān)指示燈亮,另一方面,經(jīng)變壓器T2提供28V交流電壓,經(jīng)保險絲FU3給天線照明燈提供工作電壓。為了確保各直流電源電壓互不干擾,四個直流穩(wěn)壓電源采用的是相互獨立的結(jié)構(gòu),且每路均由整流電路、穩(wěn)壓電路和濾波電路組成。整流電路采用的是橋式全波整流,濾波電路采用簡單的電容濾波,穩(wěn)壓電路由三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器及外圍電路組成。根據(jù)每一模塊輸出的直流電壓不同,三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器采用的器件則不同,但內(nèi)部均有短路保護電路以及調(diào)整管安全工作區(qū)保護電路和芯片過熱保護電路,以保證直流穩(wěn)壓器在短路、過流、輸入輸出電壓差過大以及調(diào)整管功耗過大或芯片過熱等情況下不被損壞。以5V(1A)穩(wěn)壓電源為例,其直流穩(wěn)壓電路如圖7.15所示。220V的交流電壓經(jīng)變壓器T1降壓后,輸出8.7V的交流電壓,此交流電壓經(jīng)VD1~VD4組成的橋式全波整流電路將交流變?yōu)橹绷?然后經(jīng)C1、C2濾波后,加到穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路中,CW217為最大輸出電流1.5A、輸出電壓在1.2~37V連續(xù)可調(diào)的三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器。RP1、R2、R3的值決定輸出電壓的大小,C2、C4的作用是防止CW217內(nèi)部產(chǎn)生寄生振蕩,C3的作用是改善輸出電壓的紋波,VD5、VD6的作用是防止輸入、輸出短路損壞CW217。最后,穩(wěn)壓電路輸出電壓經(jīng)C4、C5進一步濾波后作為各單元電路的5V(1A)電源。7.3常用總線與接口技術(shù)7.3.1總線與接口技術(shù)概述具有總線的系統(tǒng)相比于非總線的系統(tǒng)在系統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)、使用和維護方面有很多優(yōu)越性,如硬件易于實現(xiàn)規(guī)?；O(shè)計,支持多廠家產(chǎn)品,易于實現(xiàn)系統(tǒng)升級,具有良好的可維修性以及便于組織生產(chǎn)等。同時,萬物互聯(lián)與智能診斷技術(shù)的發(fā)展也促使了標準化總線技術(shù)與接口技術(shù)在現(xiàn)代電子設(shè)備中的加速應(yīng)用。本節(jié)主要對一些典型的總線與接口技術(shù)進行介紹。總線是一種描述電子信號傳輸線路的結(jié)構(gòu)形式,是一組信號線的集合,也是在一種系統(tǒng)中各功能部件進行信息傳輸?shù)墓餐ǖ?。通過總線與接口可實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各部件間以及系統(tǒng)與系統(tǒng)間的信息傳輸、交換、共享和邏輯控制等?？偩€標準是指國際上正式公布、推薦或工業(yè)界廣泛使用的各個部件互連的總線規(guī)范。各生產(chǎn)廠家只有按照總線規(guī)范設(shè)計和生產(chǎn)產(chǎn)品,才能方便靈活實現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品的互聯(lián)互通。無論哪種標準總線規(guī)范,一般應(yīng)包括機械結(jié)構(gòu)規(guī)范、電氣規(guī)范以及功能結(jié)構(gòu)規(guī)范三個方面的內(nèi)容。機械結(jié)構(gòu)規(guī)范用于規(guī)定總線擴展槽的各種尺寸、模塊插卡的各種尺寸與總線插頭、總線接插件以及安裝尺寸等的規(guī)格與位置。電氣規(guī)范用于規(guī)定總線上每根線工作時的有效電平、信號動態(tài)轉(zhuǎn)換時間、負載能力、各電氣性能的額定值及最大值。功能結(jié)構(gòu)規(guī)范是總線的核心,用于規(guī)定總線上每條信號的名稱和功能以及相互作用的協(xié)議,通常以時序和狀態(tài)來描述信息交換、流向和管理規(guī)則?？偩€功能結(jié)構(gòu)規(guī)范包括:數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制邏輯線、模塊識別線、時鐘同步線、觸發(fā)線以及電源與地線等;中斷機制,含中斷線數(shù)量、直接中斷能力以及中斷類型等;總線主控仲裁;應(yīng)用邏輯,如掛鉤聯(lián)絡(luò)線、復位、自啟動、狀態(tài)維護等?？偩€的種類很多,按功能劃分,可分為地址總線AB(AddressBus)、數(shù)據(jù)總線DB(DataBus)和控制總線CB(ControlBus)。在有的系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)總線和地址總線可以在地址鎖存器控制下被共享,也即復用。顧名思義,地址總線用于傳送地址,數(shù)據(jù)總線用于傳送數(shù)據(jù)信息與命令字,控制總線是用于傳送控制信號和時序信號,如讀/寫信號、片選信號、中斷申請信號、復位信號、總線請求信號、設(shè)備就緒信號等?？偩€按傳輸數(shù)據(jù)的方式劃分,可分為串行總線和并行總線。在串行總線中,二進制數(shù)據(jù)逐位發(fā)送到目的器件,而并行總線的數(shù)據(jù)從最高位到最低位通過多條數(shù)據(jù)線同時傳輸?shù)侥繕似骷?雖然并行總線傳輸速度高于串行總線,但

成

本

較

高,也

不

適

用

于

長

距

離

傳

輸。常

見

的

串

行

總

線

有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等,而IEEE1284、ISA、PCI則為并行總線?？偩€按時鐘信號是否獨立,可分為同步總線和異步總線。同步總線的時鐘信號獨立于數(shù)據(jù),在總線中有一根單獨的時鐘信號線,而異步總線的時鐘信號是從數(shù)據(jù)中提取出來的,在總線中不需要專門的時鐘信號線。如SPI、I2C為同步串行總線,而RS232為異步串行總線。對于微處理器系統(tǒng)總線,除了上面的分類外,還可分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。內(nèi)部總線是微處理器系統(tǒng)內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線,用于芯片一級的互連;而系統(tǒng)總線是微處理器系統(tǒng)中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線,用于插件板一級的互連;外部總線則是微處理器系統(tǒng)和外部設(shè)備之間的總線,微處理器系統(tǒng)作為一種設(shè)備,通過該總線和其他設(shè)備進行信息與數(shù)據(jù)交換,用于設(shè)備一級的互連。典型的內(nèi)部總線有I2C總線、SCI總線、UART總線、SP總線、JTAG總線、CAN總線以及GPIO總

線

等;系

統(tǒng)

總

線

有ISA總

線、EISA總線、VESA總線、PCI總線等;外部總線有RS232總線、RS485總線、IEEE488總線以及USB總線等。7.3.2RS232C/RS422/RS485總線與接口串行通信的數(shù)據(jù)一位一位地傳輸,需要的數(shù)據(jù)線少,成本低,在分散控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。例如,設(shè)備與上位機的通信通常都采用串行通信的方式。RS232C/RS422/RS485總線均為串行總線,其串行接口所直接面向的并不是某個具體的通信設(shè)備,而是一種串行通行的標準接口。它們要進行串行通信,必須按接口標準設(shè)計接口電路。1.RS232C總線與接口RS232C的全稱為EIARS232C,是美國電子工業(yè)協(xié)會制定的一種串行物理接口標準,其中232為標識號,C表示修改次數(shù)。RS232C總線標準設(shè)有25條信號線,但應(yīng)用中并不一定需要利用所有的信號線,對于一般雙工通信,采用其中的一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線即可。RS232C標

準

規(guī)

定

的

數(shù)

據(jù)

傳

輸

速

率

為

每

秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。由于RS232C標準規(guī)定,驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載,其通信距離受此電容限制,再加上RS232C采用的是單端傳輸方式,不能抑制共模干擾,因此,RS232C總線一般用于20m以內(nèi)的通信。其接口標準如表7.2所示。RS232C對電氣特性、邏輯電平的規(guī)定為:當TxD、RxD的數(shù)據(jù)電壓為-3~15V時為邏輯1,+3~15V時為邏輯0;當RTS、CTS、DSR、DTR、DCD等控制線的信號電壓為3~15V時為信號有效(接通,ON狀態(tài),正電壓),為-15~-3V時為信號無效(斷開,OFF狀態(tài),負電壓)。雖然RS232C標準定義了25根信號線,但實際進行異步通信時,只需9個信號(2個數(shù)據(jù)信號、6個控制信號以及1個地信號)。由于RS232C未定義連接器的物理特性,因此出現(xiàn)了DB25型和DB9型兩種連接器,但引腳定義不同。DB25型連接器的外形與信號分配如圖7.16所示,DB9型連接器的外形與信號分配如圖7.17所示。采用RS232C可進行近

距

離

與

遠

距

離

通

信,但

二

者

所

使

用

的

信

號

線

不

同。近

距離通信的傳

輸

距

離

一

般

在15m以

內(nèi),而

超

過15m的

遠

距

離

通

信

需

加

調(diào)

制

解

調(diào)

器(MODEM),所使用的信號線也較多。在

遠

距

離

通

信

中,若

通

信

雙

方

的MODEM之

間采用專用電話線,則使用2~8號

信

號

線

進

行

聯(lián)

絡(luò)

與

控

制;若

在

雙

方MODEM之

間

采用普通電話線進行通信,則還要增加20號(DTR)與22號(RI)信號線進行聯(lián)絡(luò)。近距離通信時,不需采用調(diào)制解

調(diào)

器,通

信

雙

方

可

直

接

相

連,在

這

種

情

況

下,只

需

使

用

少數(shù)幾根信號

線。最

簡

單

的

情

況

是

在

通

信

中

根

本

不

要

控

制

聯(lián)

絡(luò)

信

號,只

需

使

用TxD、RxD以及信號地線即可實現(xiàn)全雙工異步串行通信。接口標準

規(guī)

定,近

距

離

通

信

時

的

速率應(yīng)選擇低于20kb/s,在碼元畸變小于4%的情況下,作用距離在15m以內(nèi)。由于在實際應(yīng)用中碼元畸變在20%以內(nèi)時也能正常傳輸信息,因此,近距離傳輸時的作用距離在15m以內(nèi)實際上是一個保守值。2.RS422總線與接口RS422總線標準又稱為雙端接口電氣標準或平衡傳輸電氣標準,是針對RS232C的傳送距離近、容易產(chǎn)生電平偏移、抗干擾能力差和傳送速率偏低等不足而制定的,其輸入/輸出均采用差分驅(qū)動,具有抗干擾能力強,不存在電平偏移,傳輸速率可達到10Mb/s等特點。它采用的是RS449機械規(guī)范,但實際中均采用DB9型連接器,用得較多的引腳分配與定義如表7.3所示。3.RS485總線與接口RS422只能實現(xiàn)點對點的兩點直連通信,RS485則可以多點互連通信,具有較強的抗干擾能力與長距離傳輸特性。其特點如下:(1)RS485標準采用差動發(fā)送/接收,共模抑制比高,抗干擾能力強。(2)傳輸速率高,允許最大傳輸速率可達10Mb/s(傳輸距離15m),傳輸信號的擺幅小(200mV)。(3)傳送距離遠,采用雙絞線,在不用調(diào)制解調(diào)器的情況下,傳輸速率為100kb/s時,傳輸距離為1.2km,若傳輸速率減小,傳輸距離可進一步增加。(4)能實現(xiàn)多點對多點的通信,允許平衡電纜上連接32對發(fā)送/接收器。RS422總線與RS485總線的主要電氣規(guī)范完全相同,將RS422通信總線中的“Rx+”和“Tx+”連在一起作為RS485總線的“DATA+”,將“Rx-”和“Tx-”連在一起作為RS485總線的“DATA-”,即可構(gòu)成RS485通信總線。使用RS485進

行

通

信

時,通

常

會

采

用

總

線

驅(qū)

動

器,常

用

的

總

線

驅(qū)

動

器

有75176、MAX485系列等。不同的總線驅(qū)動器可以提供不同的最大通信速率與最大通信節(jié)點數(shù),如MAX1482的最大速率為256kb/s,最大節(jié)點數(shù)為256,MAX1487的最大速率為2500kb/s,最大節(jié)點數(shù)為128。RS485的通信速率隨傳輸距離增加而下降,在長距離傳輸以及干擾環(huán)境下工作時,應(yīng)在總線的始端與末端加入終端匹配電阻與驅(qū)動器保護電路,以減少終端反射和削弱干擾信號。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中,主站可以和各從站點對點通信,也可以對所有從站進行廣播式通信。7.3.3USB總線與接口1.USB概述USB總線為通用串行總線,是一種外部總線標準。由于在速度、可擴展性等方面有很大的優(yōu)勢,目前得到了廣泛的應(yīng)用。具有如下優(yōu)點:(1)USB接口體積小巧,具有明顯的體積優(yōu)勢。(2)USB為共享接口技術(shù),支持多個外設(shè)的連接。USB采用“菊花鏈”式的擴展連接方式,多個USB設(shè)備可以通過USB集線器連接到同一計算機的USB端口。一個USB主控制器最多可以連接127個外部設(shè)備。(3)USB支持即插即用技術(shù)。當計算機上新連接一個USB設(shè)備時,操作系統(tǒng)會自動掃描、檢測硬件的連接,并通過對該設(shè)備的識別來加載對應(yīng)的驅(qū)動程序,以保證設(shè)備的正常工作。即插即用技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備的自動配置,不必每次連接設(shè)備都重啟計算機。(4)USB支持熱插拔技術(shù)。用戶可以隨時斷開USB設(shè)備與計算機的連接,此時操作系統(tǒng)掃描到硬件的改動,會自動停止該設(shè)備的資源。(5)傳輸速度快。USB1.0傳輸速度為1.5Mb/s,USB1.1為12Mb/s,USB2.0速度為480Mb/s,USB3.0提供10倍于USB2.0的傳輸速度,可達到4.8Gb/s。(6)具有外部供電能力。計算機上的USB接口可以輸出5V電壓和500mA的電流,可作為低功耗設(shè)備的電源使用。USB總線(電纜)包含4根信號線,即D+、D-、電源以及地,用于傳送信號和提供電源。其中D+與D-為

信

號

線,用

于

傳

送

信

號,是

一

對

雙

絞

線,數(shù)

據(jù)

線D+常

標

為DATA+、USBD+、PD+或者USBDT+,數(shù)據(jù)線D-常標為DATA-、USBD-、PD-或

者USBDT-。電源提供4.75~5.25V的電源電壓和最大值為500mA的電流,電源常標為VCC、Power、5V或

者VUSB,地

常

標

為GND或

者Ground。USB接

口

有

標

準A口、標

準B口、miniUSB以及microUSB四種機械結(jié)構(gòu)規(guī)范。當數(shù)據(jù)線D+和D-的電壓差大于200mV時表示輸出為1,電壓差小于200mV時表示輸出為0。2.USB設(shè)備USB設(shè)備分為Hub設(shè)備和功能設(shè)備兩種。Hub設(shè)備即集線器,是USB即插即用技術(shù)的核心,用于完成USB設(shè)備的添加、插拔檢測和電源管理。Hub設(shè)備不僅能向下層設(shè)備提供電源和設(shè)置速度類型,而且能為其他USB設(shè)備提供擴展端口。集線器由中繼器和控制器構(gòu)成,中繼器負責連接的建立與斷開,用于控制器管理主機與集線器間的通信及幀定時。每個集線器控制器都有一個幀定時器,主機傳來的幀開始標志激活幀定時器的定時功能,且定時器的相位和周期將與幀開始標志保持一致。功能設(shè)備能在總線上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)和控制信息,是一種完成某項具體功能的硬件設(shè)備,也是插在Hub上的外部設(shè)備,如移動硬盤。USB外設(shè)本身應(yīng)包含一定數(shù)量的能由USB設(shè)備驅(qū)動程序直接操作的獨立寄存器端口(稱為端點)。當外設(shè)插入時,系統(tǒng)給每個USB外設(shè)分配一個唯一的邏輯地址,由于每個設(shè)備上的端點都有不同的端點號,因此,通過設(shè)備的邏輯地址與端點號,主機USB系統(tǒng)軟件即可與每個端點通信。需要說明的是,一個設(shè)備不管有多少個端點,但必須有一個零端點。USB系統(tǒng)軟件通過該零端點讀取USB設(shè)備的描述寄存器(這些寄存器提供了識別設(shè)備的必要信息、定義端點的數(shù)目及用途),以識別設(shè)備類型,并決定如何對這些設(shè)備進行操作。主機與USB設(shè)備的端點間通過主機的USB系統(tǒng)軟件傳送功能性數(shù)據(jù)與控制性的數(shù)據(jù),通常將USB設(shè)備的端點和主機軟件之間建立的數(shù)據(jù)收/發(fā)連接稱之為管道。一個USB設(shè)備可以有多個管道傳送數(shù)據(jù),零端點所對應(yīng)的管道稱為默認管道,主要用于控制類型數(shù)據(jù)的傳輸。除此之外,還應(yīng)有一個端點支持接收數(shù)據(jù)的管道和一個端點支持發(fā)送數(shù)據(jù)的管道。USB設(shè)備通過描述器報告其屬性與特點。描述器是有一定格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個USB設(shè)備都必須有設(shè)備描述器、設(shè)置描述器、接口描述器和端點描述器。每個USB設(shè)備只有一個設(shè)備描述器,包含設(shè)備設(shè)置所用的默認管道的信息與設(shè)備的一般信息。設(shè)置描述器可以是一個,也可以是多個,包含設(shè)置的一般信息和設(shè)置時所需的接口數(shù)。接口描述器提供接口的一般信息,也用于指定具體接口所支持的設(shè)備類型和同該接口通信時所用的端點描述器數(shù),但不將零端點計數(shù)在內(nèi)。端點描述器用于定義通信點,包含所支持的傳輸類型(4種)和最大傳輸速率,一個接口可以有一個或多個端點描述器。用戶驅(qū)動程序通過設(shè)備描述器獲取有關(guān)信息,特別是在設(shè)備接入時,USB系統(tǒng)軟件根據(jù)這些信息判斷和決定如何操作。3.USB系統(tǒng)組成與拓撲結(jié)構(gòu)USB系統(tǒng)由硬件與軟件兩大部分組成。硬件包括USB主機、USB設(shè)備和連接電纜。USB主機(Host)是一個帶有USB主控制器的PC,是USB系統(tǒng)的主控者,在USB系統(tǒng)中,只有一個主機。包含于主機的USB主控制器/根Hub分別完成對傳輸?shù)某跏蓟驮O(shè)備的接入,且主控制器負責產(chǎn)生由主機軟件調(diào)度的傳輸數(shù)據(jù),并傳送給根Hub。通常每次USB交換都在根Hub組織。USBHub提供更多的接口,用于系統(tǒng)擴展,多個USBHub采用逐級串行連接的方式與根Hub相連。USB功能設(shè)備為實際執(zhí)行系統(tǒng)功能的部分,包括打印機、掃描儀等。軟件包括USB設(shè)備驅(qū)動程序、USB驅(qū)動程序以及主控制器驅(qū)動程序。USB設(shè)備驅(qū)動程序通過I/O請求包給USB設(shè)備發(fā)送請求,完成對目標設(shè)備傳輸?shù)脑O(shè)置。USB驅(qū)動程序在設(shè)備設(shè)置時讀取描述寄存器,獲取USB設(shè)備的特征,并根據(jù)這些特征,在請求發(fā)生時組織數(shù)據(jù)傳輸。主控制器驅(qū)動程序完成對USB交換的調(diào)度,并通過根Hub或其他的Hub完成對交換的初始化。USB總線通過在物理上連接成一個層疊的星型結(jié)構(gòu),實現(xiàn)USB設(shè)備與USB主機的連接。USB總線拓撲結(jié)構(gòu)如圖7.18所示。USB協(xié)議定義了USB系統(tǒng)中主機與USB設(shè)備間的連接與通信。拓撲結(jié)構(gòu)是星狀的層層向上方式,也可看成是級聯(lián)方式,最上層為USB主控器,集線器是每個星的中心,每根線段表示一個點到點的連接。與其他總線所采用的存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)不同,USB總線不會對下層的設(shè)備引起延遲。4.USB的數(shù)據(jù)傳輸USB的數(shù)據(jù)傳輸以包為基本方式,分為標志包、數(shù)據(jù)包以及握手包三種類型。標志包由主機發(fā)送,包含有設(shè)備地址碼、端口碼、傳輸方向和傳輸類型等信息。數(shù)據(jù)包為數(shù)據(jù)源向數(shù)據(jù)目的地發(fā)送的數(shù)據(jù)或無數(shù)據(jù)傳送的標志信息,一個數(shù)據(jù)包最多1023B。握手包為數(shù)據(jù)接收方向數(shù)據(jù)發(fā)送方回發(fā)的是否正常接收的反饋信息。USB的數(shù)據(jù)傳輸支持控制信號流、塊數(shù)據(jù)流、中斷數(shù)據(jù)流、實時數(shù)據(jù)流等數(shù)據(jù)流類型。其中,控制信號流的作用為當USB設(shè)備加入系統(tǒng)時采用控制信號流發(fā)送控制信號;塊數(shù)據(jù)流用于發(fā)送大量數(shù)據(jù);中斷數(shù)據(jù)流用于