免费智能真题库 > 历年试卷 > 嵌入式系统设计师 > 2018年下半年 嵌入式系统设计师 上午试卷 综合知识
  第31题      
  知识点:   电源管理   嵌入式系统   电源
  关键词:   掉电   空闲模式   嵌入式系统   嵌入式        章/节:   嵌入式系统电源分类及管理   嵌入式软件基础知识       

 
嵌入式系统可以有多种电源管理方案,对于每个给定的任务都具有最优的功耗。例如,嵌入式系统电源管理可以有四种模式:正常模式、慢速模式、空闲模式、掉电模式。下列关于嵌入式系统电源管理的描述中,不正确的是(31)。
 
 
  A.  正常模式下CPU和外围设备都处于供电状态,功耗最大
 
  B.  正常模式下可以通过配置切断不需要使用的外围设备供电,以降低功耗
 
  C.  慢速模式就是通过切断外围设备的供电来实现降低功耗的目的
 
  D.  空闲模式降低了CPU内核产生的功耗,外部中断可以从空闲模式中唤醒CPU
 
 
 

 
  第25题    2014年下半年  
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嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,一般可分为嵌入式微处理器(MPU),控制器(MCU),数字信号处理器(DSP)和片上系统(SOC)。..
  第25题    2017年下半年  
   38%
典型的嵌入式系统存储器层次结构示意图如下所示,存储层次由低到高依次是辅助存储器、主存储器、高速缓存Cache、寄存器,以下叙述..
  第63题    2019年下半年  
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以下描不是软件配
 

   知识点讲解    
   · 电源管理    · 嵌入式系统    · 电源
 
       电源管理
        嵌入式系统的一个典型的硬性需求是降低功耗,许多嵌入式设备往往使用电池供电,并且常年无人看管,因此功耗问题非常重要。而在电池容量有限或者设备数量较大的时候,系统的功耗就变得至关重要。
        首先绝大多数嵌入式系统都会包含基础电源管理功能以降低功耗。
        (1)系统上电行为。嵌入式系统的组件往往在系统正常启动之后才能进入低功耗模式,因此在上电的时候通常会以较高的功率来运行。而上电期间很多设备并不需要工作,因此在上电启动的时候需要有效管理这些设备以减小功耗。
        (2)空闲模式。CMOS电路有效的功耗是在电路时钟工作的时候产生的,因此可以通过关闭不需要的时钟来降低功耗。而现代嵌入式系统所使用的元器件往往都提供了通过外部事件唤醒的功能,因此在不使用某些模块的期间内,可以通过主处理器向相关元器件发送“睡眠”指令,以指示其进入低功耗状态。当需要重新触发器件进入工作时,通过特定的触发事件进行元器件唤醒。
        (3)断电。由于逆向偏压泄露,电路元器件在低功耗模式下依然会损耗电能,因此对于低功耗模式消耗电能较大或者长期不使用的元器件,可以做断电处理以减少功耗。
        (4)电压与频率缩放。有效功率与切换频率成线性比例,但与电源电压平方成正比。经常以较低的频率运行于全时钟频率,然后转入闲置,并不能节约很多功率。在此种情况下,可以通过降低电压来节约功率。
        例如,某嵌入式系统数字电路部分需要支流电源供电,输入电压为220V交流电,电源管理模块首先采用的开关电源将220V的交流电转换为直流电压,再利用低压线性稳压器为各个子模块供电,对应的实现框图如下图所示。
        
        某电路电源模块框图
        在电源产生电路中,为了避免模拟信号与数字信号地之间的相互干扰,将输入的220V交流电压转换为两个独立的直流电源,再分别为模拟电路和数字电路的电源供电。例如该项目设计中需要12V、24V、5V、8V、-8V、3.3V等不同电压,对应的电源管理系统拓扑结构如下图所示。
        
        某电源管理系统拓扑图
        具体实现如下:
        ①+12V转+8V采用的是LM7808,这是一款三端集成的稳压电路,能够准确的降压到+8V,输入要保证为12V直流电源,保证输入比输出稳压值8V高出一定压差,即可实现8V稳压,设计时需要注意电流不要超载。在具体设计时,电路两端的电容作用都为滤波,用来平滑电压与提高抗干扰能力。其中输出端可并联220μF/25V的电解电容,其自谐频率小,能够起到储能滤波的功能,消除低频干扰。但是由于大电容的电解电容自身存在一定的电感,对于高频信号以及脉冲干扰信号无法有效滤除,因此,设计中一般会并联一个或几个容值比较小的陶瓷电容,以达到滤除高频干扰信号的作用,对应的设计如下图所示。
        
        12V转8V电路示意图
        ②+12V转-8V采用NE555芯片,这是一款将模拟功能和逻辑功能很好地结合在一起的芯片,该款芯片为8脚集成电路,大约在1971年由Signetics公司发布,在当时是唯一非常快速且商业化的芯片,在之后的40余年中被普遍使用,且延伸出许多的应用电路。后来则是基于CMOS技术版本的芯片(如Motorola的MC1455)被大量使用,但原规格的NE555依然正常供应,尽管新版IC在功能上有部分改善,但其脚位功能并没变化,所以到目前都可直接的代用应用的范围十分广泛,其实现的典型电源转换电路如下图所示。
        
        12V转-8V电路示意图
        在其设计中,当NE555的第三脚输出高电平,通过D1向C1充电,电压可达11V。当NE555输出为低电平时,D1被C2反偏截止。C2向C3转移电荷,重复多次后C3电压达8V,相对地线则输出视为-8V。
        ③+12V转+5V采用的是开关型集成稳压芯片LM2596,它内含固定频率振荡器以及基准稳压器,并具备完善的保护电路、热关断电路、电流限制等。LM2596是降压型电源管理单片集成电路的开关电压调节器,能够输出3A的驱动电流,同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V,可调版本可以输出小于37V的各种电压。使用LM2596进行+12V转+5V的典型电路图如下图所示。
        
        12V转5V电路示意图
        ④+5V转+3.3V采用LM1117-3.3,这也是一款低压差线性稳压器,输入电压只要在允许范围内,它的输出电压都可以稳定在一个电压,使用LM1117-3.3来进行+5V转+3.3V的电路如下图所示。
        
        5V转3.3V电路示意图
        ⑤+24V转+5V直接采用WD5-24S5,DC-DC电源模块WD5系列具有5W输出功率、宽电压输入、输入/输出隔离、小型化封装等特性。
 
       嵌入式系统
        嵌入式计算机系统是与特定功能的设备集成在一起、且隐藏在这个功能系统内部为预定任务而设计的计算机系统。该计算机可对设备的状态进行采集,包括操作者的命令和受控对象的状态,按照设备所要求的、预先设定的特定规律进行计算,计算结果作为命令输出到设备的某些部件,控制某些操作,同时将人所关心的信息显示给操作者。一个典型的嵌入式系统如下图所示。
        
        嵌入式系统组成
        上述嵌入式系统的输入、处理、输出的各个部分,一般情况下都是通过软件运行完成的。因此嵌入式软件是嵌入式系统的重要组成部分,而且体现了系统的思想、方法和规律。
        在当今社会中,嵌入式系统已经和我们的生活息息相关,人们每时每刻都离不了嵌入式系统,如下图所示。
        
        嵌入式系统基本分类
        嵌入式系统一般是实时系统,《牛津计算机字典》对实时系统解释是:“系统的输入对应于一个外部物理世界的运动,而系统输出对应着另外一个物理世界的运动,而这两个运动的时间差必须在可接受的足够小的范围内,实时性就体现在从输入到形成输出所需的时间。”实时系统又进一步定义为硬实时系统和软实时系统两种,如下表所示。
        
        实时系统分类及其特性
        一般认为,嵌入式计算机相对于个人计算机或超级计算机,在软件或硬件上的资源是有限的,硬件资源体现在处理速度、功耗、存储空间等方面,软件资源指有限的应用、有限的操作系统支持、应用代码量少等方面。
        第一款大批量生产的嵌入式系统是美国1961年发布的民兵Ⅰ型导弹内嵌的D-17自动制导计算机。
        随着20世纪60年代早期应用开始,嵌入式系统的价格迅速降低,同时处理功能和能力获得快速提高。以第一款单片机Intel 4004为例,在存储器和外围芯片的配套使用下,实现了计算器和其他小型系统。1978年,美国国家工程制造商协会发布了可编程单片机的“标准”,涵盖了几乎所有以计算机为基础的控制器,如单板计算机、数控设备以及基于事件的控制器,使得微处理器得到了快速发展。
        无一例外,不断发展中的嵌入式计算功能的实现都通过用户需求驱动、顶层定义、硬件定义开始,但核心是软件的算法处理,实际上类似硬件功能通过不同软件的控制就可以实现不同用户所需要的嵌入式功能,如下图所示。
        
        嵌入式计算机的层次化架构
        当基础硬件接口、计算和存储资源、总线与网络乃至各种传感器、作动器、液压等以模块化、通用化、组合化等变得越来越成熟,他们就可以方便地组合成硬件平台。而软件却恰恰相反,基本是为满足人类某种新的设想或应用要求开始进行新的设计。这些设计从诸如领域、实现功能、性能、可靠性、安全性等方面,可以是全新理念设备、或是适应性修改升级等途径,都会导致软件有不同程度的差异。
        嵌入式系统具有以下特征:
        (1)嵌入式系统的时间敏感性。嵌入式实时系统对时间响应都是有要求的。例如对于一个设备的运动控制系统,从操作指令发出,嵌入式计算机根据指令和外部条件计算并输出到动作器的动作,要保证在所有的条件下、在确定的时间内产生所需的输出。这对于设计者来说,一般的实时系统都会围绕这个关键需求进行系统设计。另外为了满足时间敏感性要求,确保在最复杂行为和最大延时情况下,系统操作不发生延迟,要求处理器的利用率要有40%左右的余量。有时为满足某些强实时嵌入式系统的应答时间限定在毫秒级或更低,需要在高级语言中嵌入低级语言编程实现。
        (2)嵌入式系统的可靠性和安全性。嵌入式计算机系统的失效带来的可能是个人娱乐系统故障的微小损失,可能是铁路信号失效的巨额经济损失,也可能是战略武器控制等经济损失以及重大的社会政治影响等。所以在某种设计缺陷被诱发后,对于不同的系统需要采取不同的策略,例如对具有重大影响的系统,要求计算机或计算机软件对设计缺陷、制造缺陷等失效采取“永不放弃”的安全性设计技术,将损失控制在可接受的范围内。在有人为输入情况下,嵌入式系统还需考虑最大可能地减少人为失误所引起的系统失效。这些算法或机制可以是输入有效性合理性检查、硬件容错、软件容错、错误后的系统缓慢降级、系统进入安全模式等。
        (3)嵌入式软件的复杂性。软件复杂度取决于问题规模和复杂度。简单问题的软件可由个人完成,甚至可以进行软件正确性证明;即使过程中更换人员,花费少许时间就可掌握和维护。但如汽车控制、飞机控制等大型复杂软件,其需要根据复杂的外部输入、按照多变量物理规律和人们的预期,实现预定的功能。软件需要根据系统的外部事件及其组合,考虑各种处理、逻辑、时序、边界、超出边界的鲁棒性等进行详细算法和策略研究。还需要考虑如安全性、可靠性、维护性等质量要求。更困难的是大规模软件需要团队联合定义、并行开发、持续维护,同时考虑处理平台限制条件。
 
       电源
        (1)设备间内安放计算机主机时,应按照计算机主机电源要求进行工程设计。
        (2)设备间内安放程控用户交换机时应按照《工业企业程控用户交换机工程设计规范》CECS09:1989进行工程设计。
        (3)设备间、交接间应用可靠的交流220V、50Hz电源供电。
        设备间应由可靠交流电源供电,不要用邻近的照明开关来控制这些电源插座,减少偶然断电事故发生。
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第31题    在手机中做本题