為(wèi)什么要在嵌入式系统中加入数字输入采样

2021-04-23

為(wèi)什么要在嵌入式系统中加入数字输入采样

在嵌入式系统中，数字输入信号在告诉系统下一步行动的过程中起着重要作用(yòng)。我意识到，当我正在维修的停車(chē)机器决定在豪华車(chē)通过前撞掉自动障碍物(wù)时，数字输入采样是多(duō)么重要。这是您可(kě)以使用(yòng)数字输入采样来避免必须处理(lǐ)此类情况的方式。

什么是输入采样及其重要性

我在大學(xué)时代就學(xué)习到的第一个信号采样概念是奈奎斯特采样定理(lǐ)，其中以至少两倍于其原始频率的采样率可(kě)以重构带宽受限的信号。在我的设计中，我发现这种方法很(hěn)有(yǒu)用(yòng)，这不仅有(yǒu)助于重构波形，而且有(yǒu)助于消除系统的不稳定行為(wèi)。 

从理(lǐ)论上讲，数字信号被转换為(wèi)逻辑1和0。在嵌入式系统中，它们通常由電(diàn)压值表示。如果微控制器以3.3V工作，则逻辑1将為(wèi)3.3V，逻辑0将為(wèi)0V。在纸上，这些逻辑電(diàn)平看起来像一条完美的水平線(xiàn)，它连续运行直到逻辑状态改变為(wèi)止。实际上，这些信号通常会被電(diàn)噪声打断，从而引起電(diàn)压電(diàn)平的突然尖峰或下降。

在自动付款停車(chē)系统中，指定停車(chē)區(qū)的入口和出口处均设有(yǒu)自动障碍物(wù)。驾驶员通常通过从机器上取票或刷一张感应卡来进入这些區(qū)域。保护入口和出口的停車(chē)机配备了車(chē)辆检测器。这些检测器使用(yòng)逻辑電(diàn)平来指示車(chē)辆在其感应區(qū)域中的存在。

在自动障碍物(wù)降落在豪华車(chē)上的情况下，当車(chē)辆通过时，系统会错误地检测到来自入口检测器的负信号。車(chē)辆在障碍物(wù)下方时，它关闭了障碍物(wù)。当此事件在几个不同的地方再次发生时，我要求调查机器的固件。我惊骇地意识到，关闭障碍物(wù)的决定是通过评估車(chē)辆检测器信号的单个实例而做出的。

如何在嵌入式系统中对数字输入进行采样

通常，数字采样涉及以特定间隔捕获信号值并将其存储在循环缓冲區(qū)中。循环缓冲區(qū)是在微控制器中进行缓冲的一种方法。值作為(wèi)变量数组存储在静态随机存取存储器（SRAM）中，当值到达末尾时，它将在开始时覆盖。根据应用(yòng)的不同，样本数量可(kě)能(néng)在5到10之间变化，采样周期為(wèi)1毫秒(miǎo)。

使用(yòng)这种方法，微控制器具有(yǒu)多(duō)个值，以根据其逻辑算法执行下一步操作。对于車(chē)辆检测器中的電(diàn)子噪声，微控制器可(kě)能(néng)会从10个样本中读取一个错误值，并防止在汽車(chē)通过之前关闭自动屏障。在关键应用(yòng)中，程序员可(kě)以对评估样品提出更严格的要求。通过要求所有(yǒu)样本在执行算法之前都具有(yǒu)相同的逻辑来完成此操作。

在固件中实施数字采样很(hěn)容易，并且它们可(kě)以有(yǒu)效地稳定系统。

在停車(chē)系统的情况下，我对包含此简单采样方法的固件进行了快速修复。这样一来，有(yǒu)问题的停車(chē)系统就不会对其他(tā)車(chē)辆造成更大的破坏。部署更新(xīn)的固件后，停車(chē)机会意外地停止关闭障碍物(wù)。当然，不用(yòng)说，如果PCB本身在设计时没有(yǒu)考虑信号完整性，固件中的数字采样效率可(kě)能(néng)会降低。

由于停車(chē)机需要在坚固的环境中可(kě)靠地运行并且会经受大量使用(yòng)，因此稳定性和耐用(yòng)性都是重要的设计标准。