嵌入式电路设计习题及答案

1-1.按照你的理解介绍一下什么是物联网、传感网、英特网，它们之间的关系怎样？“物联网”也叫传感网，是指将各种信息传感设备，比如射频识别装置、二维码识读设备、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，可让所有物品能远程感知和控制，形成一个更加智慧的生产生活体系。

•传感器网可以看成是传感模块+组网模块共同构成的一个网络。

传感器仅仅感知到信号，并不强调对物体的标识。

物联网的概念相对比传感器网大一些。

•物联网，Internet of things，对物体进行标识。

包含了传感器网、RFID、二维码等。

主要试图区别于Internet，认为Internet是人与人之间的网络。

而物联网是物物相连的网。

1-2.简单介绍一下嵌入式系统的开发模式的主要过程。

嵌入式系统开发的代码生成是在PC机上完成，但由于嵌入式目标平台的不同，就要求在开发机上的编译器能支持交叉编译（例如GCC）、链接，然后将程序的代码下载到目标机上指定位置，然后还要交叉调试。

调试器还是运行在宿主机的操作系统上，被调试的程序是放在目标机上，通过串口或网络接口相连接。

主要流程为：编辑-交叉编译、链接-定位和下载-调试。

嵌入式系统采用这种开发模式主要是自身的特点决定的。

1-3.简述虚拟仪器的定义。

虚拟仪器( VI - Virtual Instrumentation ) 是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。

与传统仪器一样，如果忽略它的跨网络的位置透明性，它同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。

2-1简述嵌入式系统的基本组成和各部分的功能。

主要由CPU（运算器、控制器）、存储器、输入和输出组成。

2-2. 嵌入式处理器一般包括哪几种主要类型？简述各自的特点。

嵌入式处理器包含有微控制器、数字信号处理器、微处理器和片上系统。

MCU的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。

DSP具有处理速度快，灵活，精确，抗干扰能力强，体积小等优点。

●采用哈佛结构：采用数据总线与程序总线分离方式。

●采用流水线技术●配有专用的硬件乘法-累加器：可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作。

●具有特殊的DSP指令：循环寻址、位码倒置。

●快速的指令周期●支持多处理器结构。

●省电管理和低功耗嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。

SOC最大的特点实现了软硬件无缝结合。

利用改变内部工作电压，降低芯片功耗；减少芯片对外管脚数，简化制造过程；减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度；内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂乱信号。

2-3. 选择处理器时应主要考虑的哪些因素？⑴处理器的性能：速度、运算处理能力和编码寻址特点。

⑵内/外部存储器：片内含有哪些存储器，容量各是多少，是否需要外扩充存储器。

⑶片内的外设、I/O口、中断源的数量等。

⑷开发环境和开发工具：易用性如何，价格，通用性等。

2-4.选择嵌入式处理器时应主要考虑哪些因素？2-5.简单论述一下FPGA与CPLD的主要区别。

两者的功能基本相同，只是实现的原理有所不同。

两者区别如下：在编程方式上，CPLD主要是基于EEPROM或FLASH存储器编程，编程次数可达1万次，其优点是系统断电时编程信息也不丢失。

FPGA大部分是基于SRAM编程，编程信息在系统断电时丢失，所以每次上电时须将编程数据从外部配置芯片重新写入SRAM中，其优点是可以编程任意次，在工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配置。

●FPGA的制造工艺确定了FPGA芯片中包含的LUT和触发器的数量要比CPLD丰富得多，更适合完成复杂的时序逻辑。

CPLD由于其宏单元的分解组合逻辑功能强大，适合于触发器有限而乘积项丰富的组合逻辑。

●CPLD－便于组合逻辑设计（基于乘积项）FPGA－便于时序逻辑设计（基于查找表）3-1.在嵌入式系统中，通常有哪些种类的电源转换模块？把单相交流电AC转换成直流电DC的一般过程是：AC-变压-整流-稳压-滤波-DC直流电DC到交流电AC变换的一般过程是：DC-自激振荡放大电路-电压变换-ACDC/DC变换就是把一种直流电电压变换成另一种或者几种所需要的直流电源电压，以满足嵌入式系统中的各部件不同的直流电压的需求。

3-2.S3C2410处理器的时钟管理模块有哪二部分？简述各自的功能。

S3C2410处理器的时钟管理模块拥有两个锁相环电路，其中一个称为主锁相环MPLL,其输出产生三种时钟信号。

分别为CPU使用的FCLK、高速总线AHB使用的HCLK和外部总线APB使用的PCLK。

另一个称为UCLK，用于USB设备。

模块时钟由外部晶振（12MHZ 左右)或者外部时钟提供。

3-3.嵌入式系统多级存储结构一般包含有哪些部分？Cpu, 寄存器组，片上RAM，片上cache，主存储器，辅存。

3-4.嵌入式存储系统的设计的特点有哪些？(1)嵌入式系统由于体积的限制，尽量使用存储密度比较大的存储芯片。

(2)嵌入式系统由于功耗的限制，在设计嵌入式系统的存储系统时需要考虑功耗问题。

(3)出于成本考虑，大多数嵌入式系统的存储器容量与软件的大小相匹配。

(4)如果嵌入式处理器中没有存储器，就进行扩充，通常需要扩充ROM子系统用于存储程序，RAM子系统用于存储中间数据，FlashROM子系统也可用于存储配置数据和常数。

(5)嵌入式系统的存储子系统通常设置成模块结构，包括ROM子系统、RAM子系统，每个子系统占用一定的存储空间。

嵌入式系统的存储器通常与系统主板设计在一起的原因是一方面嵌入式系统的内存通常是固定大小的；另一方面一体体系结构可以提高系统的可靠性。

4-1. 简述一下传感器的选用原则，如何来分类？要正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器，系统对传感器的技术要求；其次是挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。

在实际选用传感器时可根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境等因素合理选用，主要应考虑以下两个方面：1）传感器的类型2）传感器的性能指标:( 1 ) 线性范围( 2 ) 精度( 3 )灵敏度( 4 )稳定性( 5 )频率响应特性按转换原理分类:物理传感器和化学传感器按用途分类:压力、力敏传感器、位置传感器、液面传感器、速度传感器、热敏传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、气敏传感器、生物传感器等按输出信号分类:模拟传感器、数字传感器和开关量传感器4-2. 简述传感器的主要性能指标。

传感器的线性范围（模拟量）是指输出与输入成正比的范围。

传感器的线性范围越宽，量程越大.精度是传感器的一个重要性能指标，关系到整个系统的测量精度。

传感器精度越高，价格越昂贵。

当灵敏度提高时，传感器输出信号的值随被测量的变化加大，有利于信号处理。

传感器的性能不随使用时间而变化的能力称为稳定性。

传感器的结构和使用环境是影响传感器稳定性的主要因素。

在允许频率范围内保持不失真的测量条件下，传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，传感器的频率响应特性好，可测的信号频率范围宽。

4-3.多路模拟输入通道的采集方式主要分为哪两大类型？简述其特点。

多路模拟输入通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。

分别是系统中数据采集电路各路共用一个和每路各用一个。

4-4为什么智能仪器要进行量程转换？如何实现量程转换？4-5. 常见的A/D转换器有哪几种类型？简述其各自的特点。

1）逐次逼近型A/D转换器。

逐次逼近型A/D转换器是将输入模拟电压与不同的基准电压多次比较，比较时从DAC输入数字量的高位到低位逐次进行，依次确定各位数码的“0”、“1”状态，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。

2）双积分式A/D转换器。

积分电路为抑制噪声提供了有利条件。

双积分式ADC是测量输入电压在定时积分时间T1内的平均值，对干扰有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。

3）Σ-Δ A/D转换器。

由于采用了过采样技术和Σ-Δ调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实现低速高精度的串行A/D 变换器，适应了VLSI技术发展的要求。

4）V/F型ADC。

与积分式ADC一样，对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离。

各种ADC适用范围：•高速高精度：分级流水型•低速极高精度：Σ－Δ型•超高速低精度：并行型（1GSPS）•较高速中高精度：逐次比较型•低速高精度：多重积分型（1GSPS＝每秒1G次采样）4-6. A/D转换器的主要性能指标有哪些？(1) 分辨率(2) 转换时间（3）转换误差（4）分项误差（5）A/D转换器的转换速度（6）满量程输入范围4-7. A/D的转换结果控制方式可采用程序查询方式、延时等待方式或中断方式读取。

4-8.试说明模拟多路开关在检测系统中的作用。

选择时主要考虑哪些主要因素？主要用于信号的切换，是输入通道的重要元件之一。

当系统中有多个变化较为缓慢的模拟量输入时，常常利用模拟多路开关将各路模拟量分时与放大器、A／D转换器等接通，利用一片A／D转换器可完成多个模拟输入信号的依次转换，提高硬件电路的利用率，节省成本。

通道数量。

泄漏电流。

导通电阻。

开关速度。

芯片的电源电压范围4-9.当A/D转换器的满标度模拟输入电压为+5V时，8位、12位的ADC其分辨率各是多少？其量化误差各是多少？8位：分辨率256 量化误差5/25612位：分辨率4096 量化误差5/40964-10.测量信号输入A/D转换器前是否一定加采样/保持电路？为什么？4-11. 嵌入式处理器读取A/D的转换结果时，通常采用哪些工作方式进行读取。

采用程序查询方式、延时等待方式或中断方式读取。

4-12.什么是开关量信号？简述开关量信号的特点和作用指只有开和关、通和断、高和低两种状态的信号，可以用二进制数0和1表示。

•模拟传输追求波形保持不变，即保真频带窄，适合宽带传输•数字传输电平压差大，抗扰性能好频带宽，适合基带传输4-13.在测量频率时，如果其被测信号频率较低时通常采用测其周期的方法，在被测信号频率较高时通常采用定时计数的方法，为什么？4-14某温度测量系统（线性关系）的测温范围为0-150℃，经过8位ADC转换后对应的数字量为00H-FFH，试写出它的标度变换公式。

•解：Ax=(Am-Ao)(Nx-No)/(Nm-No)=(150-0) Nx/FFH4-15在某压力测量系统中，压力测量仪器的量程为400-1200Pa，采用8位A/D转换器，经过计算机采样及数字滤波后的数字量为ABH，求此时的压力值。