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技術(shù)專(zhuān)題
為什么要在嵌入式系統中加入數字輸入采樣
為什么要在嵌入式系統中加入數字輸入采樣
在嵌入式系統中，數字輸入信號在告訴系統下一步行動(dòng)的過(guò)程中起著(zhù)重要作用。我意識到，當我正在維修的停車(chē)機器決定在豪華車(chē)通過(guò)前撞掉自動(dòng)障礙物時(shí)，數字輸入采樣是多么重要。這是您可以使用數字輸入采樣來(lái)避免必須處理此類(lèi)情況的方式。
什么是輸入采樣及其重要性
我在大學(xué)時(shí)代就學(xué)習到的第一個(gè)信號采樣概念是奈奎斯特采樣定理，其中以至少兩倍于其原始頻率的采樣率可以重構帶寬受限的信號。在我的設計中，我發(fā)現這種方法很有用，這不僅有助于重構波形，而且有助于消除系統的不穩定行為。
從理論上講，數字信號被轉換為邏輯1和0。在嵌入式系統中，它們通常由電壓值表示。如果微控制器以3.3V工作，則邏輯1將為3.3V，邏輯0將為0V。在紙上，這些邏輯電平看起來(lái)像一條完美的水平線(xiàn)，它連續運行直到邏輯狀態(tài)改變?yōu)橹?。?shí)際上，這些信號通常會(huì )被電噪聲打斷，從而引起電壓電平的突然尖峰或下降。
在自動(dòng)付款停車(chē)系統中，指定停車(chē)區的入口和出口處均設有自動(dòng)障礙物。駕駛員通常通過(guò)從機器上取票或刷一張感應卡來(lái)進(jìn)入這些區域。保護入口和出口的停車(chē)機配備了車(chē)輛檢測器。這些檢測器使用邏輯電平來(lái)指示車(chē)輛在其感應區域中的存在。
在自動(dòng)障礙物降落在豪華車(chē)上的情況下，當車(chē)輛通過(guò)時(shí)，系統會(huì )錯誤地檢測到來(lái)自入口檢測器的負信號。車(chē)輛在障礙物下方時(shí)，它關(guān)閉了障礙物。當此事件在幾個(gè)不同的地方再次發(fā)生時(shí)，我要求調查機器的固件。我驚駭地意識到，關(guān)閉障礙物的決定是通過(guò)評估車(chē)輛檢測器信號的單個(gè)實(shí)例而做出的。
如何在嵌入式系統中對數字輸入進(jìn)行采樣
通常，數字采樣涉及以特定間隔捕獲信號值并將其存儲在循環(huán)緩沖區中。循環(huán)緩沖區是在微控制器中進(jìn)行緩沖的一種方法。值作為變量數組存儲在靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）中，當值到達末尾時(shí)，它將在開(kāi)始時(shí)覆蓋。根據應用的不同，樣本數量可能在5到10之間變化，采樣周期為1毫秒。
使用這種方法，微控制器具有多個(gè)值，以根據其邏輯算法執行下一步操作。對于車(chē)輛檢測器中的電子噪聲，微控制器可能會(huì )從10個(gè)樣本中讀取一個(gè)錯誤值，并防止在汽車(chē)通過(guò)之前關(guān)閉自動(dòng)屏障。在關(guān)鍵應用中，程序員可以對評估樣品提出更嚴格的要求。通過(guò)要求所有樣本在執行算法之前都具有相同的邏輯來(lái)完成此操作。
在固件中實(shí)施數字采樣很容易，并且它們可以有效地穩定系統。
在停車(chē)系統的情況下，我對包含此簡(jiǎn)單采樣方法的固件進(jìn)行了快速修復。這樣一來(lái)，有問(wèn)題的停車(chē)系統就不會(huì )對其他車(chē)輛造成更大的破壞。部署更新的固件后，停車(chē)機會(huì )意外地停止關(guān)閉障礙物。當然，不用說(shuō)，如果PCB本身在設計時(shí)沒(méi)有考慮信號完整性，固件中的數字采樣效率可能會(huì )降低。
由于停車(chē)機需要在堅固的環(huán)境中可靠地運行并且會(huì )經(jīng)受大量使用，因此穩定性和耐用性都是重要的設計標準。