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单片机技巧

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斯科特·桑顿

Arduino的的微控制器电源注意事项

2020年11月17日 通过 斯科特·桑顿 2条留言

为Arduino供电有点不可思议。那不是 ’当我第一次开始与他们合作时,对我来说并不明显,但是Arduinos具有板载规范。利用此优势,通过使用比微控制器(体彩十一运夺金网站)逻辑电平所需的标称5V或3.3V更高的电压电源,可以更长的电源接线时间。一些Arduino接受6Vdc至16 Vdc的输入电压,该电压远高于体彩十一运夺金网站的最大额定值,但Arduino板可精确调节电源电压以及Arduino外设的附加电源。一世’曾经有经验丰富的工程师对使用9Vdc电源为3.3V Arduino的供电的原因感到困惑,直到向他们解释为止。

单片机电源要求

通常忽略了为基于微控制器的设计选择合适的电源。尽管在设计本身的细节上可能需要付出大量的精力和精力,但是许多性能和可靠性问题都可以追溯到电源的选择和连接。 Arduino的开发板家族提供了针对这些问题的解决方案,但在不充分了解设计时可以使用哪些选项的情况下,很容易出错。这并非简单地说5V Arduino的使用5Vdc电源,而3.3V Arduino的使用3.3 Vdc电源。

Arduino的电源要求

许多Arduino使用 ATmega328P 微控制器。 微芯片的ATmega328具有广泛的可接受的Vcc电压。 (Vcc是操作IC所需的稳压DC电源电压,通常被称为IC的电源电压。)最常见的是,Arduino设计为以3.3 V电平逻辑工作以降低功耗,或以5 V逻辑工作。与传统的TTL逻辑设备兼容。下面提供的示例涉及3.3 Vdc设备,其中对电源的考虑更为关键。但是,相同的原理也适用于5 Vdc设备。

图1:Arduino板规格。 (来源:www.arduino.cc)

示例:Arduino Pro Mini

首先,我们假设电路设计使用了类似 Arduino的 Pro迷你版。 Arduino的的最大电流消耗为200mA。 Arduino的本身不太可能会汲取200mA的电流,但假设Arduino和与之相连的其他设备之间的总汲取电流为200mA。 ATmega328p数据表显示,引脚上逻辑高电平的最小电压为Vcc的90%。因此,如果Vcc为3.3 Vdc,则视为逻辑高电平的引脚上的最小电压为0.9 * 3.3 Vdc = 2.97 Vdc。在低于2.97 V的数字引脚上看到的任何值都在不确定的范围内,并且会导致Arduino产生不可预测的结果。

电源和Arduino之间总是存在一定距离。距离越大,电源接线两端的电压损失就越大。但是损失了多少呢?由于26 AWG是低功率电路布线的常见选择,并且它位于线规范围较小的一端,因此铜的数量更少。更少的铜意味着更低的成本。 26 AWG绞合线是一个不错的选择,因为布线的灵活性。 26 AWG足够大,因此可以承载高达2.2Amp的机箱布线,这是我们为设计中Arduino的最大电流消耗所指定的200mA电流消耗的十倍以上。 3.3 Vdc电源和26 AWG似乎是一个不错的选择,但让我们仔细看看。

电源线损

优质26 AWG导线的电阻为每1000英尺40.81欧姆或每英尺40.81毫欧。在电源线中流过200mA电流时,每条导线的电压降将如下所述。请记住,我们需要将电线从电源连接到Arduino,然后再次将其连接到电源的负极。我们可以看到,在十英尺处,我们的3.3 Vdc电源损失了5%。在20英尺高处,我们损失了近10%。此操作将施加到Arduino的电压降低到4.5V;我们保证的最大数字逻辑高电压的下限。

表1:线损。距离表示板与其电源之间的物理距离。 (来源:作者)

对于大多数应用而言,二十英尺似乎是一个合理的距离。但是,到目前为止,我们仅考虑了导线本身的电阻。

接触电阻

通常不考虑甚至不了解接触电阻。 26 AWG导线的电阻基于导线的横截面直径为每1000英尺40.81欧姆。但是,在布线中我们连接的每个点上,我们都创建了一个点,电流路径的横截面减小了,因此电阻点更高。

配合圆形连接器只会使销钉在切线点处接触到枪管。 刀片连接器 在整个表面上产生相同的减小的面积。甚至一个 螺丝端子 不能匹配导线本身的横截面电阻。考虑到任何终端都容易随着时间的流逝而氧化,并且会在系统的整个使用寿命中多次连接和断开电线,从而增加电阻。这些点中的每一个都可以很容易地具有40毫欧的接触电阻。那就对了;每个连接点可增加1英尺26 AWG线的等效电阻。通过两个连接在Arduino上的连接和两个在电源上的连接,任何系统都将至少具有4个终端。现在,Arduino和其电源之间的电压源在8英尺处的损耗为5%,在18英尺处的损耗为10%。

表2:线损和接触电阻

单一供应选择–距离不同?

因此,在典型的电源接线设置下,电源和Arduino之间的3.3V电源电压在8英尺处损失了5%,在18英尺处损失了10%。简而言之,如果我们使用可调直流电源,则可以增加电压以补偿线路损耗和接触电阻。但是,电源很昂贵并且占用空间。通常,在嵌入式系统中,设计人员尝试为多个嵌入式控制器提供通用电源。如果一个控制器距电源一英尺,而最后一个控制器距电源20英尺,则设计人员将采取微妙的平衡动作,以将每个嵌入式控制器保持在适当的范围内。

Arduino的电源选项

Arduino的设计通过提供板上调节功能为您提供了一种解决线路损耗和接触电阻电源问题的方法。但是,有几种方法可以为Arduino供电,但并非所有方法都可提供板上调节的优势:

USB电源 –通常使用USB电缆通过Arduino集成开发环境(IDE)对Arduino进行编程。 USB电缆不仅通过IDE串行监视器提供诊断,而且还通过USB Vcc引脚为Arduino提供5Vdc电源。 5V USB电源用于直接为5V Arduino的供电,如果是3.3V Arduino的,则将其调低。

5V或3.3V电源 –设计人员可以向Arduino的5V或3.3V电源引脚施加适当的电压。这些引脚直接连接到Arduino板上体彩十一运夺金网站的电源引脚。但是,向这些引脚供电会导致Arduino的体彩十一运夺金网站受到前面提到的电源的线损和接触电阻损耗的影响。

Vin或Raw–   Arduino可能会将此引脚标记为“ Vin”或“ RAW”,具体取决于 Arduino的变体 正在使用。一个常见的错误是对该引脚施加5V或3.3V电源。这样做的问题是,不仅您有前面提到的线路损耗和接触电阻损耗,而且该引脚是板载稳压电路的输入。喜欢 任何稳压器,您需要向设备提供的电压要比预期的要多一些。如果我们对Vin施加3.3 Vdc,则通过调节器会损失大约0.5伏。这意味着微处理器和连接的外围设备充其量只能在2.8 Vdc上运行。结合我们提到的线路损耗和接触电阻损耗,我们可以在低于所需电压水平的条件下运行。

表3:线路损耗,接触电阻和稳压器损耗

V在  pin, properly used

尽管存在上述问题,但使用V在 或RAW引脚可解决电源电压损失。在Arduino板上,V在 或RAW引脚是Arduino板上稳压器的输入。我们要做的就是在指定范围内施加电压,以向Arduino获得所需的稳压输出。向Vin或RAW施加6 Vdc至12 Vdc的电源电压将为Arduino的微控制器供电,克服了任何线路或接触电阻的电压损耗,并向Arduino的5V和3.3V引脚提供功率输出以为外围组件供电。 Arduino的的输入电压范围取决于整个板上的电压要求,包括体彩十一运夺金网站为外围设备供电所需的能量。

结论

7 Vdc至12 Vdc范围内的现成电源不如3.3Vdc或5Vdc电源常见,但可以使用。试图将更常见的5 Vdc和3.3 Vdc电源用于Arduino电路板,但是从上面介绍的事实来看,有必要使用较不常见的替代方法以获得最佳调节和微控制器性能。

提起下: 常问问题, 精选, 微控制器, 工具类 标签: 阿杜伊诺, 基本, 常问问题, 微芯片技术公司

8位和计数:8位体彩十一运夺金网站仍然很强大

2020年11月6日 通过 斯科特·桑顿 发表评论

微控制器单元(体彩十一运夺金网站)永不停止发展。每种型号都具有功能更强大,功能更强大的体彩十一运夺金网站。嵌入式系统随着体彩十一运夺金网站技术的不断发展而增长,但是仍有许多传统的体彩十一运夺金网站仍在大量销售。 爱特梅尔8051 是在市场上发展出相当大需求的那些传奇的体彩十一运夺金网站之一。

爱特梅尔8051是8位产品中最畅销的产品之一 英特尔MCS-51。四十年前,英特尔推出了功能有限的8位体彩十一运夺金网站,即MCS-51。发布后的短短几年内,8051设计领先于嵌入式市场,多家制造商推出了自己的8051版本。8051体彩十一运夺金网站提供引人注目的功能和特性,随着更多设计的推出,该架构的增长得到了增长。多种最终产品。

早在1980年代,几乎没有与8051架构具有可比性的体彩十一运夺金网站作为嵌入式产品的最佳选择。几十年后,什么使8051保持活力?

8位体彩十一运夺金网站
图1:英特尔®P8051微控制器。 (来源:en.wikipedia.org)

当今的8051 体彩十一运夺金网站应用

对8位体彩十一运夺金网站架构的持续改进,即使在具有成本竞争力的32位体彩十一运夺金网站的情况下,也可以帮助他们保持体彩十一运夺金网站的销量。当今的8位体彩十一运夺金网站仍在使用新的和传统的嵌入式插座,这些插座需要更低的价格,超低的功耗以及较小的物理尺寸。例如,一个8位(一个字节)宽的处理器比16位或32位体彩十一运夺金网站消耗的功率更少。最新的 皮质M7 基于32位的体彩十一运夺金网站可以以数百MHz的速度处理,但是传统的8位体彩十一运夺金网站的使用在市场上并没有下降。

许多商业产品供应商仍然出于各种原因信任8051 体彩十一运夺金网站,其中最突出的特点是低成本和低功耗。尽管功能和旧架构的限制更为有限,但8051仍在某些无线通信产品中使用。最新的 HC-10蓝牙模块 基于8051内核。尽管16位或32位体彩十一运夺金网站可以代替8051提供的功能,但是8位体彩十一运夺金网站对于许多产品开发人员来说已经足够。保留8位体彩十一运夺金网站的另一个原因是,与16位和32位体彩十一运夺金网站相比,8位体彩十一运夺金网站易于编程和故障排除,因为实际上需要寻址,调试和研究的位数更少。

基于8051 体彩十一运夺金网站的设备的示例包括蓝牙小工具,[一世] 无线收发器,用于无线功率计的通信系统内部等等。 [ii] 毫无疑问,基于32位内核的现代收发器非常有效,但是8051 体彩十一运夺金网站适用于低成本产品,特别是对于每单位节省1%的成本在大批量生产中具有巨大意义的产品。[iii]

除商用产品外,8051 体彩十一运夺金网站仍然活跃于学术活动中。许多学术机构仍然更喜欢8051的体系结构和编程来教授基本的嵌入式系统和相关主题。例如,就操作,内存,寻址等方面的详细研究而言,将您的大脑围绕8位结构比16位或32位结构容易得多。项目开发板广泛用于指导活动,这就是为什么今天仍需要基于8051的开发套件的原因。

除了8051 体彩十一运夺金网站外,许多其他8位体彩十一运夺金网站也已进入商用产品。毫无疑问,Microchip是8位体彩十一运夺金网站的最大供应商。 微芯片的低成本8位芯片随附免费工具,这些工具还支持8位体彩十一运夺金网站作为低成本选择。 8位体彩十一运夺金网站可以完成比预期更多的工作。例如,在2014年 OPU SAT 被Microchip的8位元发射到太空 PIC16F877 体彩十一运夺金网站控制其通信系统。

卫星中使用的8位体彩十一运夺金网站

图2:OPU Sat的系统框图。 (来源:directory.eoportal.org)

即使8位体彩十一运夺金网站已进入太空,对于要求更高处理水平的区域,更宽位的体彩十一运夺金网站还是更可取的。 OPU SAT还包含一个Microchip 16位 PIC24FJ256GA110 体彩十一运夺金网站在其命令和数据处理单元中。

PIC24FJ256GA110 体彩十一运夺金网站在卫星中有些著名,因为它也已在其他卫星中使用。 PIC24FJ256GA110 体彩十一运夺金网站也用于 埃涅阿斯3u卫星 作为飞行处理器。 [iv]

考虑到许多应用程序不需要大量的快速计算,因此8位体彩十一运夺金网站可以以较高的时钟频率运行。例如,某些应用程序仅需要每分钟检查一次状态。因此,对于许多应用而言,8位体彩十一运夺金网站绰绰有余。在许多情况下,中央处理单元是大多数具有多个外围设备的设备的微型部分。与32位体彩十一运夺金网站相比,Atmel 8051 体彩十一运夺金网站的外围设备有某些限制。但是,在体彩十一运夺金网站的许多应用中,外围设备足以用于开发不涉及密集,高速处理的产品。

一些 通用输入/输出(GPIO) 线, 脉宽调制(PWM),某些闪存可能适合于小型项目。但是,作为一个重大缺陷,8051 体彩十一运夺金网站不支持 模数转换(ADC),并且必须连接一个外部ADC才能读取模拟信号。尽管如此,仍有许多具有集成ADC的8位体彩十一运夺金网站,例如 微芯片的ATtiny202 / 402 AVR 体彩十一运夺金网站。 但是,带有ADC的32位体彩十一运夺金网站通常在芯片上具有多个ADC通道。某些8位体彩十一运夺金网站在芯片上具有数模转换器(DAC)。尽管如此,与32位体彩十一运夺金网站相比,使用8051 体彩十一运夺金网站进行的成本削减可以实现低成本生产。

内存也是8位和更高位体彩十一运夺金网站之间的差异区域。例如,8051 体彩十一运夺金网站中的64 KB闪存不足以用于详细指令,而ATSAMS70Q20B 体彩十一运夺金网站之类的32位体彩十一运夺金网站具有2 MB闪存。并非每个体彩十一运夺金网站项目都需要高达2 MB的闪存。

最后,的确,大多数8位体彩十一运夺金网站在速度,处理能力,对众多外设的支持以及内存方面都无法与32位体彩十一运夺金网站匹敌,但是8位体彩十一运夺金网站仍然更适合于具有广泛功能的设备高处理速度不是必需的。

通讯协议

传统的体彩十一运夺金网站具有有限的通信协议,但随着时间的流逝,体彩十一运夺金网站不断发展。对于体彩十一运夺金网站必须与其他设备进行通信的大量电路,必须使用多种通信协议。例如,Microchip ATSAMS70Q20B 体彩十一运夺金网站支持主控制器局域网(MCAN),串行外围设备接口(SPI),I²C(集成电路间),以太网,通用串行总线(USB)和通用异步收发器(UART)。但是,8051 体彩十一运夺金网站支持有限的通信协议,这限制了它在需要多种通信协议的区域中的使用。因此,对于有限的通信协议,8051 体彩十一运夺金网站可以达到目的。

能量消耗

选择体彩十一运夺金网站时,通常会特别注意功率预算和要求。 体彩十一运夺金网站在运行期间会消耗大量功率,因此闲置和睡眠状态的多个级别会在不活动期间产生影响。最新的体彩十一运夺金网站可以在不活动时进入睡眠状态,从长远来看可以节省大量功率。传统的8位体彩十一运夺金网站(例如8051)可能没有任何此类功能。不活动期间的睡眠状态会对功耗产生很大影响,因此,较早的体彩十一运夺金网站比具有其他等效功能的现代体彩十一运夺金网站消耗更多的功率。

微芯片的8位体彩十一运夺金网站仍然表现强劲

微芯片 仍在生产新的8位体彩十一运夺金网站,从8位体彩十一运夺金网站产生了可观的收入。 Silicon Labs还发布了新的8位体彩十一运夺金网站。在旧产品和新设计中,许多产品仍使用8位体彩十一运夺金网站。与32位体彩十一运夺金网站相比,8位体彩十一运夺金网站在深度层次上更易于编程和理解,并且只要8位体彩十一运夺金网站的成本低于等效的32位体彩十一运夺金网站,就不可能消失。

[一世] //www.alibaba.com/product-detail/High-performance-and-low-power-体彩十一运夺金网站_60391542233.html?spm=a2700.7724838.2017115.93.106b4e3dyptiH4

[ii] http://www.ti.com/product/CC2511

[iii] //www.alibaba.com/product-detail/Good-Quality-Integrated-Power-meter-with_60770229988.html?spm=a2700.galleryofferlist.normalList.129.60741e813LizGS

[iv] //earth.esa.int/web/eoportal/satellite-missions/a/aeneas

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缓存的复杂性

2020年7月28日 通过 斯科特·桑顿 1条评论

传统上,缓存是将内容隐藏起来直到您可以检索它们之前的安全位置。但是,计算机术语内的缓存是指可以利用位置进行快速访问的任何存储。缓存是存在于处理器和主内存之间的数据路径中的本地内存。高速缓存将保存最近引用的数据的集合,并且很有可能再次被处理器请求。从台式计算机到服务器和嵌入式处理器,几乎每个现代通用处理器都使用高速缓存。高速缓存对于处理器而言是本地的,即,它与处理器位于同一芯片上。高速缓存用于加快处理速度,因为与高速缓存相比,片外内存需要更多的处理器周期来访问。但是,在争夺更快的计算速度的过程中,缓存并不像存储库那样简单,用于存储处理器接下来可能需要的数据。

为了更好地理解缓存,理解术语“内存层次结构”很重要。内存层次结构根据与某种类型的存储进行交互所花费的时间来区分计算存储。

快取
图1:计算机的内存/存储层次结构。高速缓存显示为一层,但是现代高速缓存可能在高速缓存本身内部具有多个层次结构。

直接映射的缓存将每个内存位置映射到缓存中的一个位置。每个高速缓存存储器都标有对应于主存储器中数据地址的地址信息。如果缓存位置未加载好的数据(可能只是在启动后),它将有一个“有效位”,显示缓存条目是否包含有效(工作)地址。有效位是内存层次结构表中的字段,指示该层次结构中的关联块包含有效数据。因此,缓存位置可能什么也没有,也不会被垃圾占据,但是有效位显示是否可以用有效数据覆盖缓存。与任何类型的内存一样,从高速缓存中进行读取比写入高速缓存中要快,因为读取不会更改存储位置的内容。非常大的缓存会产生自己的延迟增加问题,从而破坏了缓存最初的目的。为了解决此问题,缓存可以具有多个级别,称为多级别缓存。在多级高速缓存中,最方便的数据存储在高速缓存层次结构顶部的高速缓存中,就处理器的即时任务的相关性而言,较低级的数据存储在第二级中,依此类推。缓存通常最多具有四个级别(即L4缓存),但是当然可以使用更多或更少的级别。在访问层次结构中较低级别的外部存储器之前,最高级别的缓存称为最后一级缓存(LLC)。对于多核芯片的缓存会发生什么问题。多核芯片可以为所有内核(在全局变量可能存储在最高级别,例如L3或L4)上的所有内核都具有一个共享共享缓存,但是专用L1缓存对于每个处理器而言都是本地的,因为在多个处理器内核之间共享L1缓存只会增加复杂性和延迟。

如果缓存中没有所需的数据,该怎么办?当高速缓存中的高速缓存中未包含所需数据时,则称为“高速缓存未命中”,并且必须从层次结构中较低的位置(可能是速度较慢的硬盘驱动器)中获取数据,从而减慢速度。如果处理器遇到高速缓存未命中,则需要采取额外的步骤。如果一切进展顺利,并且处理器已由满载的管线提供服务,则高速缓存未命中会在为处理器提供服务的管线中造成停顿,而处理器也会遇到停顿。处理器中断要求在处理器执行新任务时保存所有工作内存寄存器,而高速缓存未命中只会冻结所有内容,等待内存提取。一些处理器通过处理乱序执行(OoOE)来解决高速缓存未命中的问题。使用OoOE,指令以数据可用性的顺序执行,而不是以软件程序建立的顺序执行,从而避免了处理器的空闲。

由于数据的物理位置和用于缓存的媒体的物理性质,因此可以更快地缓存数据。但是,与从较远且较慢的存储介质中获取数据相比,高速缓存还采用预测机制将最可能需要的数据保存在较快的缓存中。高速缓存通常在95%的时间内正确使用,但是当高速缓存中不存在数据时,始终存在从较低的内存层次结构检索数据的选项。但是,随着需要更大的数据块,预测丢失率会更高。换句话说,如果缓存太小而无法处理完成一组相关任务所需的平均数据块,那么缓存的好处就会减少,处理器(计算机)也会变慢。在台式计算机的情况下,可以手动增加高速缓存的大小,但是在嵌入式处理器中这更加困难,因为嵌入式处理器通常旨在在没有人工干预的情况下运行。已经创建了一些精心设计的方案来恢复高速缓存性能,但是这些绷带可以解决该问题。

这些方法称为提前重启和请求字优先(或关键字优先),简单来说,它们涉及在传输过程完成之前恢复执行,并且取决于处理器恢复和内存获取完成之间的有利竞争条件。在这种情况下,如果内存提取太慢而无法完成,则处理器必须等待,从而破坏了缓存的目的。

 

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了解单端和差分通信系统

三月4,2019 通过 斯科特·桑顿 发表评论

您知道单端和差分通信方案之间的区别吗?以及何时应使用它们,应使用哪一个?为什么?

单端通信设置旨在仅用于短期运行或在同一印刷电路板(PCB)上的设备之间提供通信。单端通信将参考相对于地面的信号。但是,随着设计人员尝试将设备彼此分开,单端通信总线中的信号容易受到电磁干扰(EMI)的影响。 EMI导致接地和信号电平超出规范,从而无法区分位电平。但是,差分通信(或信令)系统可以大大延长有线设备之间的距离。

TTL逻辑电平

电子设计依靠组件的互连性来起作用。当组件彼此靠近时,例如位于公共PCB上,设计人员通常将组件相对于板上的公共数字接地层直接连接。电路板走线的长度应足够短,以使走线电阻产生的信号损失可忽略不计。只要数字组件使用相同的逻辑电平,就可以轻松连接它们。

尽管很少担心线路损耗,但离散逻辑组件的直接连接可能会占用过多的电路板空间来路由复杂设备的所有必需走线。考虑一下图1所示的存储器电路。使用离散存储器集成电路(IC),有120多个连接点,因此我们只能访问4 KB的存储器。想象一下,使用这种方案将需要多少个连接点,以及支持4 MB甚至4 GB内存所需的PCB大小!

 

单端和差分通信
图1:分立元件存储器设计。图片:docplayer.br)

现代记忆

上面图1中的存储电路倍增的能力来自改进的技术和制造方法,这些技术和制造方法可在单个芯片上移动数千个电路连接。但是,所有连接都移到一个IC上时,如何访问内存?同样,制造和技术方面的改进使设计人员可以通过串行通信系统与设备接口。 SD卡只是串行存储设备的一个示例。虽然最新的卡可以使用更高级的串行协议,但所有SD卡都支持旧版 SPI接口.

图2:SD卡(图片:sandisk.com)

SPI接口

SPI代表串行外设接口。 SPI(有时称为“间谍”)是一种同步串行通信接口,仅使用四根线连接到其他设备。数据传输通过串行时钟(SCLK),两条数据线(MOSI和MISO)以及从机或片选(SS)在诸如微控制器的主设备与诸如SD卡的从设备之间进行。

图3:SPI接口连接。图片:sohu.com)

SPI协议的详细信息超出了本文的范围。但是,由于通信信号是从地面参考的,因此提到了SPI示例。引用来自地面的通信信号也称为“单端通信”。单端或基于逻辑级别的通信的特点是,连接必须足够短,以防止线损并提供抗电磁噪声的能力。这就是为什么您会看到在手机,计算机和嵌入式控制器中使用SD卡的原因,这些SD卡与它们所服务的微控制器或微处理器设计在同一块印刷电路板上。 SPI接口本身不适合与其支持的微处理器进行长距离远程连接。

I2C接口

I2C(内部集成电路) 是另一种常见的串行通信协议。像SPI,我2C是同步串行通信接口。 “同步”是指它沿着串行数据线(SDA)一次一次传输数据。但是,我2C仅需要两条线进行通信:串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)。我只需要两根线2C与SPI的四根线相比2C的传输速率略低于SPI。使用I的存储芯片的一个示例2C是 微芯片的24CW64。只有两个电源引脚和两个I引脚2C接口,该设备可以为微处理器存储64 KB的数据。就像SPI的例子一样2C EEPROM对I使用单端接地Vcc数字逻辑电平2C线。由于存储芯片通常安装在微处理器附近,因此对线路损耗和抗干扰性的关注较低。

Figure 4: I2C Interface. (Image: //nguyentiensk.wordpress.com)

我2C通信总线已远远超出了仅串行访问存储芯片的范围。存在数百个使用I的外围设备2C,易于集成到微控制器:

  • 温度传感器
  • 加速度计
  • 接近传感器
  • GPIO扩展器
  • 触控感应器
  • 颜色传感器
  • 距离传感器
  • 驾驶员控制
  • OLED显示器
  • 其他微控制器
  • 模数转换器
  • 光传感器

间接地,与这些设备的接口就像访问微控制器的外部存储器位置一样。如果将外围设备与微控制器安装在同一PCB上是有意义的,那么设计人员仍然无需担心线路损耗和电磁噪声干扰。

电磁干扰:距离问题

如果您需要在远离微控制器的位置安装传感器,该怎么办?假设您要测量的温度超过微控制器的工作温度?您需要将热电偶和传感器与微控制器保持一定距离。在另一个应用程序中,假设您想向远程用户提供反馈 OLED显示器?即使在分布式设计中的两个微控制器之间传递消息,也需要比单个印刷电路板的约束更长的距离进行通信。

随着我之间的距离增加2对于C器件,通信线路再次变得更容易受到EMI的影响。 EMI的影响乍看起来可能并不明显,但是这些问题在物理环境中无处不在。一种基本的电磁原理是流过导体的电流沿导体的轴线产生磁场。反过来,磁场中的导体将在导体中产生电流(法拉第定律)。这两个原理是变压器,电动机和发电机的工作方式。

图5电流感应磁场(图片:维基百科)

但是这些原理如何影响上述数字通信系统?当设计人员开始将外围设备移出微控制器的PCB或尝试在相距较远的微控制器之间进行通信时,通信线路将更容易受到环境中其他设备的电感耦合的影响。通信线容易受到来自变压器,电动机和其他机电设备的杂散磁场的干扰而耦合到其中。继电器和螺线管在使用数字通信时可能会特别麻烦,因为它们接合和分离时会产生大量涌入电流。耦合到单端数字通信系统中的电流可以驱动远远高于和低于系统可接受的数字逻辑电平的数字逻辑电平。对于数字通信系统的数据完整性而言,将逻辑电平影响到数字高电平和低电平之间的未知状态也同样麻烦。尽管您应谨慎尝试防止此类干扰,但始终不能避免这种干扰。

差异沟通

以一些更复杂的电路和设计考虑为代价,工程师可以将电磁干扰的影响降至最低。最大的改进可以是利用差分通信驱动程序代替长距离单端通信。

对于差分I2C,我们的系统从2线变为4线。我们仍然只有数据线(SDL)和时钟线(SCL),但是对于每个信号我们将使用两条线。正如“差分”通信的名称所暗示的,位的数字值是每个信号在两条线之间的电压电平之差。每条线的精确电压电平变得不太重要。而是 哪一个 线比确定接收数字1或0的另一条线更积极。通信线路两端的差分收发器会将差分信号转换为微控制器的数字电压逻辑电平。

当您选择布线差分通信,考虑保持两根线单个数据信号 尽可能彼此靠近。多芯电缆或“双绞线”布线对于保持紧密度非常好。您要选择这样的布线的原因是,这样一来,来自外部电磁场的任何影响都会影响到 都 电线,并以相同的方式。如果电磁场在差分通信线路中产生1伏的压降, 都 导体的压降相同。即使绝对电压电平已更改,两条线之间的差异仍保持不变。以这种方式,保持了通过差分线传输的数据的完整性。

图6:差分I2C传输。图片:维基百科)

当您尝试保持单端结束时,我2C解决方案在单个电路板大小范围内,因此差分解决方案可以以每秒10K位的速度支持长达10米的距离。

我的一个例子2C差分驱动器是 PCA9615 恩智浦半导体公司(NXP Semiconductors)也在突破板上使用了该芯片,以进行原型设计和基准测试。

图7:Spark Fun PCA9615接线板。图片:Sparkfun.com)

优点和缺点

利用串行通信协议可以大大减少连接点或引脚的数量以及PCB设计的尺寸。如果设计可以保存在单个PCB上,那么微控制器与外围设备之间的单端通信将是最简单且最具成本效益的解决方案。但是,如果外围设备需要离板,或者您需要在很远的距离之间进行微控制器之间的通信,则必须小心。在这些情况下,花费额外的时间和金钱来集成差分通信系统非常值得,以提高性能和可靠性。

提起下: 应用领域, 连接性, 常问问题, 精选, 微控制器, PCB设计, 无线 标签: 基本, 常问问题

DIY人工智能

2019年2月26日 通过 斯科特·桑顿 发表评论

现在,机器在识别图像信息方面比人类更快,更准确。机器连续几个小时都不会无聊地寻找小部件中的缺陷。新闻中有很多关于人工智能(AI)如何取代工作的话题。工业革命使数千人离开了工厂的工作。人们扔了鞋子(用法语, 破坏者)放入机械中将其破坏。的 破坏者 认为这将证明观点,但这并不能阻止机械技术的发展。但是,随着机械的部署和劳动力的替代,生活水平得到了提高。

如今,AI收到了类似的观点,对不完全采用或理解的技术不信任。人工智能将实现自动驾驶汽车,取代成千上万的出租车和卡车司机。 AI可以 剔除儿童色情互联网,确定滥用者的IP地址以进行警方调查。但是,就像发生故障的机器一样,人工智能也不是完美的。但是,人工智能也可以使我们摆脱繁琐的工作。人工智能将始终需要人工干预,因为环境不断变化。当今的卡车司机将配备无需进行工程学学位即可对自动卡车行业进行AI调整和调整的工具,因为工程师将通过将抽象层堆应用于AI修改工具来创建用于管理AI的工具。

AI在这里

诸如英特尔神经计算棒2(NCS2)之类的简单,廉价的工具已经定价合理,因此每天的人们都可以在最终用户设备中创建自己的AI工具。例如,彼得·马(Peter Ma)能够使用英特尔棒来检测皮肤癌。展示皮肤癌各种图像的大量数据集用于训练系统,并通过Intel AI DevCloud训练模型。[一世] NCS2的价格不到100美元。补充工具包OpenVINO是免费的。

人工智能对于AI来说,似乎每天都有大量可供选择的算法可供选择。好消息是,由于非常简单的方法在现实世界中非常有效,而硬件成本却在稳步下降,因此AI对于日常开发人员而言变得越来越容易使用。

从哪儿开始?

首先,我们需要学习AI和机器学习的基础知识。 AI不仅与图像识别有关,而且图像识别是一个很好的起点。有太多的网站可以开始学习AI。英特尔的AI学院包括“大量课程,学生和教授的特殊资源,以及研究论文,网络研讨会和教程库。”[ii] 目前,使用强大的开发人员资源和生态系统构建AI平台的主要参与者是Intel,Google,IBM,NVIDIA和Microsoft。你可以开始 英特尔的AI学院, 通过Google AI学习, IBM公司’s Learning Lab 101, NVIDIA深度学习学院和 微软的AI学校。或者我们可以从一个或两个开始 大规模在线公开课程 (MOOC)从不同角度,平台和工具涵盖AI。并非所有的MOOC都是免费的,但是在Coursera.org上,我们可以通过创建帐户然后注册一个课程来免费加入课程 (图2).

图2:要在coursera.org上审核课程,请单击“注册”按钮。 (图片:作者截屏)

接下来,单击下一页上的“审核”措词(请参见图3),或者通过放弃结业证书来选择退出课程。

图3:如果免费加入班级的选项不是’很明显,寻找一个审计链接。

下一页:探索框架

您需要一个框架和一台笔记本电脑(可能正在运行Ubuntu)在其上执行 框架优化培训 训练模型。如果您选择了MOOC进行基础培训,则很有可能使用具有特定框架的示例进行教学。最受欢迎的培训框架之一是 Tensorflow, 起源于Google的开源机器学习框架。完成后 TensorFlow教程,我们可以分析,调整和编译深度神经网络(DNN)模型。或者,我们可以开始学习使用Tensorflow 英特尔的Tensorflow应用深度学习课程.

英特尔的AI学院拥有大量的学习资料,包括免费课程的建议,记录的培训库,技术案例研究和研究论文。甚至还有用于测试图像识别的练习输入视频。例如,我们可以训练模型,然后使用现成的模型进行练习 传送带上的螺栓示例视频 用作推理输入,而不是购买传送带和摄像机。

图4:练习视频可作为Github上的练习计算机视觉项目的输入,这只是可用于在Intel硬件上使用OpenVino学习和开发的众多工具之一。图片:Github)

英特尔拥有一些与AI相关的工具和库 在这里,我们可以开始探索受Intel硬件支持的框架,包括CPU,FPGA,视觉处理单元(VPU),甚至是台式机和笔记本电脑,它们都可以为基于推理的应用程序提供支持。

动手学习

创建AI应用程序不需要英特尔NCS2。但是,NCS2带有大量的文档,教程,免费工具,“模型动物园”中大量经过预训练的模型,代码示例,论坛等,这些资源使其成为真正的低成本选择。学习如何创建智能计算机视觉项目或原型。

英特尔的NCS2是一款小型的深度学习开发套件,具有用于对象检测和图像分类的高性能VPU。如上所述,在示例案例中,彼得·马(Peter Ma)的便携式皮肤癌检测单元使用Intel NCS捕获人皮肤上的2D斑点图像,并使用基于数千种已知癌性皮肤状况图像的模型来识别异常。实时地,推理引擎可以推断出皮肤斑点看起来更像是癌性皮肤病变,痣或什么都不是。该应用程序面临的挑战之一是没有足够的分类图像来更准确地训练模型。收集足够大的数据集进行训练是AI中的常见问题。

英特尔NCS2随附免费的OpenVINO工具套件和一个 推理引擎开发人员指南。 NCS2可以与 Windows或Apple主机笔记本电脑 运行Ubuntu或Raspberry Pi。英特尔NCS2硬件价格合理,并且与框架无关,因为它支持多种框架,包括霓虹灯™,TensorFlow,Caffe,Theano,Big DL,MXnet和Chainer。 (在过去的一年中,受支持的框架数量已经翻了一番,并且由于NCS2在开发人员中很受欢迎,而且可能会继续增长。)Caffe,TensorFlow和MXNet在NCS生态系统中使用时间最长。

免费的开源OpenVINO工具包有助于深度学习推理和计算机视觉解决方案的开发。 OpenVINO可用于多个英特尔®平台。的 英特尔NCS 2在标准USB 3.0端口上运行,不需要其他硬件.

训练我们自己以及开发与AI相关的原型的大量材料令人震惊。显然,人工智能是一种可访问的工具。工业革命带来了 古腾堡出版社 激发交流和想法共享。人工智能革命带来了互联网。

[一世] //software.intel.com/en-us/articles/ai-helps-with-skin-cancer-screening

[ii] //software.intel.com/en-us/ai/get-started

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了解I / O的延迟:使用Arduino功能与对体彩十一运夺金网站进行编码

2019年2月4日 通过 斯科特·桑顿 2条留言

有时使用 Arduino的 至少从严格的工程角度来看,电路板开始与您期望的性能发生冲突。使用Arduino集成开发环境(IDE)进行开发时,您需要了解一些知识,以了解处理延迟,功能以及如何使用传统的微控制器(体彩十一运夺金网站)编码技术来克服这些延迟,功能。

Arduino的库具有大量开销,旨在保护电路板免受电子新手的伤害。

例如,读取或写入图钉所需的时间比大多数新开发人员意识到的要长得多。在大多数情况下,这不会造成问题,但是对于一个时间紧迫的项目,例如精确的步进控制或数据采集,它 能够 是一个问题。一种解决方法或另一种操作体彩十一运夺金网站寄存器的方法是使用C或汇编语言。

为什么选择Arduino?

Arduino的开发板和Arduino IDE用途广泛,因此可用于各种应用程序。在教育中,它们为学生提供了一种低成本的物理“面包板”,以测试传感器的输入,对这些输入进行操作,然后创建输出以在物理世界中产生动作。工程设计的传统路径可能需要学生理解 ATmega328P微处理器的整个662页数据表(PDF) 仅用于微处理器本身。但是,Arduino平台允许学生前进,这样他们就可以快速享受编码练习的物理结果。

在艺术和嗜好世界中,Arduino使用户无需花费数年时间研究电子产品,学习如何旋转印刷电路板(PCB)或微小的表面贴装焊料即可控制电子设备 贴片 组件。 Arduino的的目标是产生与PCB设计细节专家完全无关的最终结果。 Arduino的平台(硬件和软件)允许用户绕过许多繁琐的步骤,并立即获得他们所需的结果,而无需花费ARM或腿。

对于工程师来说,Arduinos提供了一个有文档的,现成的原型制作平台,主要是因为它的低成本而可以广泛使用。在某些情况下,工程师将Arduino平台用作定制设计的原型或概念验证。对于较小的生产量或一次性设计,在最终设计中使用Arduino本身可能更经济。

从某种意义上说,使用Arduino的便利性开始与预期的性能产生冲突。至少从严格的工程角度来看。为了使人们有效地使用Arduino微处理器变体,他们需要对Arduino IDE,功能和开发环境有更深入的了解。

Arduino的和微控制器引脚映射

要开始上述解决方法,用户首先需要了解体彩十一运夺金网站引脚如何映射到Arduino引脚。图1显示了Arduino引脚与ATMega328p 体彩十一运夺金网站端口,寄存器和引脚位置的关系。如果您只担心使用Arduino IDE功能,则只需担心Arduino引脚号。但是,如果您要使用相应的微控制器的引脚号进行编程,则需要从一个到另一个进行转换。

例如,使用Arduino函数向引脚8写入将为“ digitalWrite(8,HIGH)”。但是,通过 直接编码到微控制器, 您将设置PORT B寄存器(PB0)的位0。显然,从体彩十一运夺金网站的角度来看,Arduino引脚8实际上是端口B上的零位。 (图1).

Arduino的
图1:Arduino UNO Rev 3引脚映射(图片:Bouni,Arduino.cc)

使用Arduino安装的体彩十一运夺金网站的数字I / O(不使用Arduino IDE功能)

最常见的Arduino设计中使用的微处理器是AVR类型的。 (AVR曾经是Atmel产品,但现在归Microchip Technology,Inc.所有。)。运行速度更高或外围设备更复杂的Arduino将使用ARM型微处理器。

Arduino的 UNO Rev 3装有ATmega328P。通用输入输出(GPIO)引脚由三个微处理器寄存器控制: DDxn,PORTxn和PINxn.

  • DDRx寄存器中的DDxn选择 方向 的针脚。 (方向意思是“是输入还是输出?”)。
  • 当PORTxn用作输入时,它会选择内部上拉电阻。

因此,设置微控制器引脚只需要在微控制器代码的初始化中插入几个步骤即可:

  1. 将引脚设置为输入或输出。
  2. 如果设置为输入,请启用或禁用内部上拉电阻。

从那里开始,读取输入/输出(IO)引脚的值仅是读取体彩十一运夺金网站引脚状态寄存器中某个位的值即可。写入引脚仅是设置或清除引脚中的值的问题。 状态寄存器。在软件中设置较高的值会在体彩十一运夺金网站的外部引脚上产生相应的较高的值。 (HIGH GPIO输出的电压取决于Arduino使用的逻辑电平,通常为5Vdc或3.3Vdc。)像这样的软件指令将在短短几个指令周期内导致微处理器引脚上的物理电压发生变化。虽然您可以直接用C语言编写这些寄存器指令,但是像Arduino IDE这样的现代编译器将为您提供相同的快速指令周期结果。

在典型的微处理器设计中,工程师花费一次查找寄存器值,然后编码为寄存器值所花费的时间非常值得进行性能改进。实际上,传统的,在Arduino之前的微处理器开发使工程师无需考虑Arduino环境带来的额外复杂性就可以做到这一点,与简单,快速的可执行代码相比,它更倾向于代码的可移植性和安全性。

使用Arduino功能的数字I / O

对于Arduino IDE设计,在“设置”编码块中放置了两个步骤:

  • 在设置过程中设置引脚模式。
  • 如果该引脚用作输入,则启用或禁用内部上拉电阻。

从那里,使用digitalRead或digitalWrite命令读取或写入外部引脚值。可以在Setup块中完成此操作以获取或设置初始值,但更典型的是,这些函数在 循环 直接或通过循环中的另一个功能或中断服务程序来阻止。

Arduino的的 设置和循环块 就像基于微处理器的设计方法一样。原则上,这是对新开发人员的良好培训,使他们了解您需要遵循相同的过程。但是,在不了解Arduino IDE功能的基础代码的情况下,新开发人员也可能误入歧途。

digitalRead

将digitalRead与传统的嵌入式微控制器解决方案进行比较,在传统的嵌入式微控制器解决方案中,可以通过读取相应寄存器的位值来读取I / O引脚。但是,Arduino IDE的digitalRead函数如下所示 (图2):

图2:Arduino IDE的digitalRead()函数类似于上面的代码。 (来源:作者)

图2中的脚本为每个digitalRead调用创建了额外的开销:

  • uint8_t 计时器= digitalPinToTimer(pin);

当您将体彩十一运夺金网站直接用于项目的选定Arduino变体时,查找与特定引脚一起使用的内部计时器。如果将脉冲宽度调制(PWM)用于指定的引脚,则使用该计时器(请参见上面的项目符号)。但是在这种情况下,我们正在执行 数字读针。不涉及PWM,但是标准的Arduino IDE调用无论如何都要查找该值。

  • uint8_t 位= digitalPinToBitMask(pin);

上面的语句对与所需I / O引脚相对应的端口寄存器位置进行了查找。尽管您确实需要了解端口寄存器的位置,但在后续读取之间该值不会改变。因此,该值可以在设置中定义,并且只能在程序执行期间调用。查找每个数字读取的效率很低。

  • uint8_t 端口= digitalPinToPort(pin);

上面执行了与引脚相连的体彩十一运夺金网站端口的查找。同样,尽管您需要知道这一点,但在后续的数字读取调用之间不会改变。因此,该值可以在安装程序中定义并在程序执行期间调用。

  • 如果(端口== NOT_A_PIN)返回LOW;

检查“数字引脚至端口”值的结果是否为可用于所选Arduino 体彩十一运夺金网站变体的实际引脚。在后续的数字阅读通话之间,这一点不会改变。在典型的体彩十一运夺金网站设计中, 使用未定义的引脚是一个错误 这将创建一些更高级别的调试,但是这种编码冗余并不常见。但是,如果发生此未定义的引脚错误,则在Arduino IDE中使用冗余会阻止程序完全锁定,但会导致处理时间损失巨大。

  • if(定时器!= NOT_ON_TIMER)turnOffPWM(定时器);

尽管试图获取数字读数,但该行仍禁用了用于输出功能的PWM定时器。虽然是 技术上 在嵌入式程序中间可能将引脚模式从输入更改为输出,这不是典型的情况。在嵌入式系统中,I / O引脚的用途已定义并保持这种方式。如果设计用完了引脚....那么 其他选项,例如使用可用的通讯总线 将需要探索。

  • 如果(* portInputRegister(port)& bit) return HIGH;

返回低;

上面的代码行读取相关的GPIO引脚,并向程序返回相应的HIGH或LOW值。

Arduino的函数中包含的所有额外调用都过于安全,但要付出50至100个额外的指令周期,而不是仅读取要知道其状态的GPIO引脚的相应位。 Arduino的函数确实具有灵活性和可移植性的优点,但是却以高效,快速执行代码为代价。

digitalWrite

数字写入具有与数字读取相同的所有过度安全但效率低下的调用,但是数字写入效率更高。

图3:digitalWrite()函数。 (来源:作者)

检查图3中的每个语句:

  • volatile uint8_t *输出;

out = portOutputRegister(端口);

每次调用digitalWrite时都会创建一个临时变量“ out”。这可能是在体彩十一运夺金网站初始化期间创建一次的全局变量。

  • uint8_t oldSREG = SREG;

cli();

SREG = oldSREG;

此代码段保存了微控制器的状态寄存器,其中包含中断允许状态标志。然后使用‘cli()’。禁用 所有 如果将数据写到引脚时中断,则可能会阻止竞争状态 也 用作外部中断输入,但是这种情况很少见,可以通过在更典型的微处理器编码解决方案中进行仔细编码来解决。无论如何,仅有限数量的引脚可用于Arduino上的外部中断(例如,Arduino UNO的引脚2和3)。

  • if(val == LOW){*输出&=〜bit;}其他{* out | = bit};

上面的IF-ELSE语句至少增加了十二个指令周期。通常,代码中的其他逻辑将确定应在引脚上输出高电平还是低电平。对于响应速度更快的代码,只需在此时直接执行位操作即可(&= |= ).

 

结论

根据Arduino的预期用途,Arduino IDE功能可能足以满足用户避免所有高级编码的需要……。只是为了获得所需的最终结果。代码在数十种不同的Arduino板上的可移植性只是Arduino IDE功能的一项优势。另一方面,不应将Arduino视为“爱好级”设备,因为在商业和工业设计中都使用了相同的体彩十一运夺金网站。对填充Arduino的体彩十一运夺金网站进行编程可以像对定制设计的原型进行编程一样高效,特别是如果尚未从硬件团队获得定制设计的原型。

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保护体彩十一运夺金网站:构建自己的光耦合器

一月21,2019 通过 斯科特·桑顿 发表评论

微控制器广泛用于控制晶体管和继电器。晶体管和继电器用于以高于体彩十一运夺金网站可以承受的电压来致动或(激励)设备。例如,可以使用体彩十一运夺金网站使风扇,灯,电视,门锁,熔炉和设备自动化,但是,与体彩十一运夺金网站输入/输出(I / O)规范中指定的电压容差相比,大多数电压可以在更高的电压下运行。 Arduino的,Microchip的PIC和STMicroelectronics的体彩十一运夺金网站中使用的微控制器的工作范围通常为3–5 VDC。当高压设备由体彩十一运夺金网站控制(并电连接到)时,高压设备会产生 反电动势 前往体彩十一运夺金网站的电路并添加 噪声 信号。这些嘈杂的信号会导致电路故障或造成永久性损坏。

另一个主要挑战是保护敏感电路免受电涌危险。由高压源供电的高压设备会引发电涌。如果敏感电路受到电涌影响,则组件可能会立即烧毁。用工程语来说,这意味着电涌可以“散发出魔幻的烟雾”。

为了抑制反电动势,噪声和电涌进入体彩十一运夺金网站电路, 光耦合器 经常使用。光耦合器通过完全电绝缘的方式在高压设备和微控制器之间建立安全连接。万一高压电路引起电涌,该电涌仅保留在光耦合器的输出侧,而输入侧的电路则安全且不受任何影响,因为两边都是电隔离的。光电耦合器也称为光电二极管,光电隔离器,光电耦合器,光电继电器和光学隔离器。

基于光电晶体管的光耦合器的内部视图

基于光电晶体管的光电耦合器包含一个红外发光二极管(IRED) 在输入端和一个 光电晶体管 在输出端。双方都是 光学地 连接,并且输入和输出侧之间没有电气连接。当电压信号在输入侧传递时,IRED导通,然后IRED发出的光落在接收光电晶体管上,导致电流流过光电晶体管的集电极和发射极。 [一世]

图1:基于光电晶体管的光电耦合器的内部连接图,该光电耦合器由左侧的IRED和右侧的光电晶体管组成。 (来源:sharp-world.com)

如何在家制作光耦合器

尽管许多光耦合器相当便宜并且可以在线购买,但是它们可以在家中使用LED,光敏电阻和不透明管(可能由胶带制成)开发。

图2:在家中制作光耦合器的基本组件。 (来源:作者)

光电晶体管和LED彼此相对地插入灯管内。紧紧包住灯管,以使光电晶体管不会受到外部光源的影响。建议使用内部反射管,因为非反射管可能吸收LED光,从而影​​响光耦合器的效率。这种简单的设计可用于爱好项目,其功能与标准的光耦合器相当。 [ii]

 

[一世] http://www.cel.com/pdf/appnotes/an3020.pdf

[ii] //www.autodesk.com/products/eagle/blog/how-an-optocoupler-works/

 

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什么’Wi-Fi 6的新功能?专注于高效率

一月16,2019 通过 斯科特·桑顿 1条评论

第一台普及型家用电器是烤面包机,如今90%的家庭仍然拥有一个。[一世] 如今,与互联网的无线连接与一百年前的电力一样普遍。智能手机,平板电脑,可穿戴设备,笔记本电脑,电视,Nest恒温器,Alexa,Google Home,环形视频门铃传感器,监控摄像头门锁,智能照明以及所有其他符合物联网(IoT)要求的东西均使用Wi-Fi 。通过Wi-Fi进行的Internet服务是新的实用程序,可满足大量的带宽需求应用。较老的房屋的电源插座较少,并且太多的电器会烧断保险丝,这使我们想起了当今的带宽问题。

新6的发展日 下一代无线标准802.11ax也称为高效无线(HEW)。 Wi-Fi 6或802.11ax希望将每个用户的平均吞吐量提高到最新802.11ac规范的四倍。 Wi-Fi 6将扩展无线连接,以为每个用户提供一致且可靠的数据流或平均吞吐量,而不管环境是否与用户挤在一起。此外,增强和虚拟现实,4K视频和8K视频涉及的流数据量要比早期的技术预期的要多。

吹灭断路器已经成为过去,而高拥塞,缓慢的数据流和狭窄的容量则是当下的事情,这将继续导致依赖Wi-Fi的应用程序出现问题。第一个Wi-Fi标准(802.11b)的最高链接速度为11 Mbps。 802.11b于1999年发布,当时的速度比有线连接慢。 IEEE 802.11ac标准于2013年发布,最终以惊人的(尽管理论上)7 Gbps速度提供了无线连接。

但是,尽管802.11ac连接速度更快,但如今用户经常会遇到令人沮丧的缓慢数据流量,就像驾驶 轩尼诗毒液F5 (最高300 MPH)在拥挤的洛杉矶高速公路上以10 MPH行驶。而且无线信号的拥塞只会变得更加严重,因为今天的普通家庭大约有十台设备连接到互联网,预计到2022年将达到50台。[ii] 确实,当今家庭中很少有设备通过以太网电缆连接。几乎所有东西都使用无线连接。

但是,IEEE 802.11ax应该可以解决拥塞问题。计划于2019年正式发布的制造商已经跃跃欲试,并发布了802.11ax路由器(如果标准在正式发布时有所更改,则将需要固件更新)。

802.11ax标准增强了2.4 GHz和5.0 GHz频段的性能,理论上可以在单个通道上一次将每秒几吉比特的吞吐量提供给更多设备。 IEEE 802.11ax改善802.11ac的一些关键工具包括多用户多输入多输出(MU-MIMO),多址调制,多频率调节,基本服务集(BSS)着色和目标唤醒时间(TWT) )。许多802.11ax功能使现代蜂窝通信有了新的一页。

Wi-Fi 6或IEEE 802.11ax承诺的最大理论速度约为10Gbps,比802.11ac的速度高38%。但是,尽管IEEE 802.11ax的速度增加了无关紧要,但是它将能够处理更多的流量,从而提供更高的吞吐量。与洛杉矶流量类似,如果是高速公路,则802.11ax在目前的6条车道上将有24条车道。

IEEE 802.11ax依赖于多种技术的拼凑而成,例如,波束成形,MU-MIMO,多路访问高阶调制安排,设备之间更有效的调度等。

关键功能和应用

新的IEEE 802.11ax / Wi-Fi 6 /高效无线标准:

  • 向后兼容旧版本802.11a / b / g / n / ac
  • 在体育馆,机场,节日和火车站等人口稠密的环境中,每位用户的平均吞吐量提高了4倍。
  • 改善流量和通道访问
  • 改善电源管理,帮助设备延长电池寿命
  • 包括使用正交频分多址(OFDMA)技术和MU-MIMO的下行链路和上行链路的多用户操作
  • 尺寸大四倍 OFDM快速傅立叶变换 (FFT),符号时间延长4倍,从而提高了鲁棒性并改善了 多径衰落 以及外面。
图1:802.11ax的一个重大变化是,子载波间隔现在是早期802.11标准的子载波间隔的四分之一,同时保留了现有的信道带宽。 IEEE 802.11ax标准将较大的FFT定义为以前的FFT的四倍,这使子载波的数量成倍增加。 (图片: ni.com)

多路访问调制

从802.11ax开始的一项重大改进是借用4G蜂窝技术,该技术利用多路复用使更多用户适应同一信道的带宽。正交频分多址(OFDMA)调制是正交频分复用(OFDM)的改进和增强版本。 OFDM被用于802.11ac。 OFDMA通过允许某些设备占用相同的信道带宽来提高效率和容量,这有助于维持多个数据流。

根据多个用户的流量需求,802.11ax接入点(AP)确定如何分配信道并分配所有可用资源单元。 AP可以像802.11ac一样将整个信道分配给一个用户,或者802.11ax接入点可以划分信道以同时向多个用户提供资源。[iii]

图2:每个通道一个用户(左)与使用OFDMA将一个通道中的多个用户复用在一起。 (图片: ni.com)

多用户MIMO和波束成形

从802.11n开始,多输入多输出(MIMO)技术已经是一项重要的Wi-Fi技术。 802.11ax标准借鉴了802.11ac的MIMO技术,并使用了波束成形技术。接入点可以将同时的光束对准不同的用户,每个光束都针对其关注的用户保留特定的数据包。 802.11ac标准可以支持同时发送多达四个多用户MIMO信号,而802.11ax将多用户MIMO传输增加到八个。

BSS着色:通过颜色代码进行空间重用

基本服务集(BSS)是与同一访问点关联的一组无线客户端。换句话说,接入点和连接到Wi-Fi的设备形成BSS。 802.11ax的新功能是能够补救信道重用效率低下的问题。较早的802.11协议使用载波侦听多路访问(CSMA)。 CSMA仅在感觉到未使用信道时才进行传输,从而避免冲突。但是,在非常密集的使用情况下,CSMA最终会在用户之间造成干扰。 CSMA无法使机场,体育馆和火车站的用户密度提高。

因此,802.11ax通过空间复用技术提高了系统级别的性能,并在人口稠密地区提高了频谱资源的利用率。 BSS着色会在传输的Wi-Fi信号中插入一个身份。接收设备看到此“彩色”信号,并知道哪个BSS正在发送该信号,其信号强度以及新的逻辑序列,以优化决定何时发送和何时不发送信号的过程。

BSS着色是802.11ax标准,可供接入点和客户端设备使用,因此新的802.11标准可以有效减少同频干扰。

通过改进的TWT功能节省电池

IEEE 802.11ax具有目标唤醒时间(TWT),可以延长移动设备的电池寿命。 TWT确保(通过精确同步)仅在与接入点进行通信时设备才使用全部功率。

IEEE 802.11ax反映了无线通信在基于802.11的不断增长的标准方面的复杂发展。 IEEE 802.11ax将同时向多个用户提供4K / 8K流视频,可显着节能,并为AR / VR应用提供了一种改进的方式,使其可以实时更好地工作(例如,减少物理动作与耳机响应之间的时差等)

终于可以为家中的每个人提供快速,可靠的无线连接,在一间房间内进行高清多人游戏和流媒体视频播放,在另外两间或三间房间中进行4K流媒体电影播放,始终保持20个小时左右,这真是令人欣慰。 -连接的“智能家居”设备。也许要解决的下一个问题将是扩大带宽并降低为整个社区服务的互联网管道的成本。

要了解有关802.11ax的更多信息,请查看以下一些资源:

CISCON 802.11ax白皮书 (PDF)和National Instruments’s 802.11ax高效无线简介.

[一世] //newatlas.com/go/4824/

[ii] //cio.economictimes.indiatimes.com/news/internet-of-things/households-have-10-connected-devices-now-will-rise-to-50-by-2020/53765773

[iii] http://www.ni.com/white-paper/53150/en/#toc1

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如何免费学习任何东西:大规模的在线公开课程

一月14,2019 通过 斯科特·桑顿 发表评论

据一位在一家知名公司人力资源部门工作的朋友的朋友说,拥有数据科学硕士学位的人的职位是30万美元以上。 Netflix的数据科学家致力于根据从产品平台收集的数据来预测使用情况的算法,因此,Netflix不断吸引他们,他们愿意支付更多费用。

根据罗切斯特理工学院的说法,“对数据分析和管理方面的目标专业知识的需求持续增长。到2020年,数据科学领域的职位空缺预计将增长15%。”

数据科学是如此新奇,并且程序员稀少,以至于公司通过提供更高的薪水而相互窃取人才。数据科学不仅仅是操纵大数据;人工智能是一个子类别。

但是,谁有钱支付学习如此令人垂涎的技能的学费呢?

你可以得到一个 在线课程专业证书 由Microsoft,哈佛大学,加利福尼亚大学圣地亚哥分校和伯克利分校,IBM和哥伦比亚大学提供并通过认证提供,并带有大规模开放式在线课程(MOOC),价格低于$ 1000。许多课程都是自定进度的。如果您不需要在面试时证明自己的技能即可获得证书,那么所有课程都是免费的,对吗?

谁能说,如果人才库很浅,那么从事数据科学或人工智能工作就需要昂贵的硕士学位? edx.org上的另一个选择是获得“微型大师”奖。 “如果一个人已经完成并成功获得了Micro Masters计划的认证证书,则某些大学将接受该学分作为完整的理学硕士学位(包括数据科学)的学分。例如,罗彻斯特理工学院(RIT)提供 获得RIT硕士学位学分的途径 持有加州大学圣地亚哥分校数据科学微硕士学位课程证书的人,这些证书是使用edx.org在线平台获得的。

人工智能领域比以往任何时候都更容易访问,因为您只需不到100美元就可以在Intel Neural Compute Stick中购买并创建自己的人工智能应用程序。 edx.org上的许多课程都以五种语言授课。 (目前,edx.org上的五门或五门以下课程用日语,俄语,荷兰语或山雀,土耳其语,德语和阿拉伯语授课。)

在数千种免费课程中,哪一类可供选择?

几年前,我参加了MOOC的技术写作。该课程不仅内容丰富,而且引人入胜,求实,并且永远改变了我对写作初衷的理解。其他MOOC平台是 Coursera.org, openclassrooms.com, FutureLearn.com,Udacity和 画布网络。最大的挑战是确定您希望攀登的阶梯:数据科学,Linux管理,人工智能,机器人技术,Android / iOS编程等等。截至撰写本文时,edx.org拥有63项电子课程,609项计算机科学课程,241项数据分析和统计课程,23项网络安全课程以及356项在线在线工程课程。

MOOC是在2008年创造的。到2012年,MOOC的概念开始普及,MOOC被认为是高等教育的颠覆性变革。几所大学正在将课程上传到在线MOOC平台。 (最早的MOOC平台是edx.org,coursera.org和canvas.net)。

令人遗憾的是,MOOC课程通常在几节课后就被放弃,并且认证的数量有所减少,来自富裕国家的参与者人数不成比例。 (参见图1。)

大规模在线公开课程
图1:根据每个参与者所在国家/地区的联合国人类发展指数(HDI)等级,每年将MOOC注册和认证的数量分为四个相等的组,每个组可以将人群分为几部分。[i](信用:sciencemag.org)
大学通过edX和Coursera等平台在线提供的学位的数量是美国典型专业在线证书费用的50%到25%。但是,主要的MOOC提供商也与大学合作提供完全是专业的硕士学位线上。在线上课的最大挑战是无法在学习中找到一对一的帮助。但是,我参加在线课程的经验是,可以使用由教师和助教参加的电子邮件地址和在线聊天室。对于那些被大学录取的人,有些课程可以完全在线上课。上课时间的灵活性是一项好处,并且在所有其他课程都报名时已经是唯一的选择。尽管如此,大学仍在花钱创建在线版本的课程,并且由于它们倾向于在MOOC平台上提供,因此任何人都可以参加。

 

[一世]Reich,Justin和JoseRuipérez-Valiente。 “ MOOC Picot。” 科学杂志,第一卷363号6423,2019年1月11日,第130-131页。 Sciencemag.org

 

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选择PCB材料以优化应用,第二部分

一月11,2019 通过 斯科特·桑顿 1条评论

您是否曾经想过应该投资哪种类型的印刷电路板(PCB)材料来改善信号完整性?通过在PCB芯板上紧密紧密,均匀地编织,您的高频信号会更好地工作吗?高频信号是什么?什么时候应该投资购买坚固,防潮的PCB?

PCB材料的特性

PCB材料的电特性直接影响电路的整体性能和耐用性。一些可能需要关注的PCB材料特性如下:

  • 的 介电常数 PCB材料的(Dk)会影响电路的阻抗。即使频率和温度不断变化,介电常数也较低且稳定的PCB适用于高频 [一世] 否则,如果PCB由Dk较差的材料制成,则PCB上的传输线或走线将以不可预测的方式改变阻抗。
  • 电磁波是通过振荡电场和磁场产生的。这些波可以在信号传输过程中吸收到PCB的介电层中,从而导致 衰减。 (衰减是传输中信号强度损失的量度)。
  • 相对于信号传播的信号衰减量度称为耗散因数(Df)。 PCB材料的Df是调查何时 信号完整性(SI) 值得关注。保留SI是解决由电源引起的信号失真,信号丢失,串扰,振铃和噪声的原因。信号强度是高频信号和敏感电路的主要问题。在电磁信号微弱的许多应用中,耗散因数在保持信号强度方面起着至关重要的作用。[ii]
  • PCB上铜表面的粗糙度还会增加信号的电阻或电路中的电阻。粗糙的铜走线会增加电阻,因为铜表面的形貌会向上和向下移动信号。表面尖峰也会导致电容增加。光滑的铜线可能会花费更多,但在射频频率下保持信号完整性可能值得。[iii]
图1:电流可以在表面轮廓下方穿过并穿过导体的大部分(左图)。电流被迫跟随表面轮廓的每个峰值和谷值,从而增加了路径长度和电阻。 (右图)。 (来源:网络研讨会,isola-group.com)
  • PCB可以具有玻璃纤维片芯,该纤维芯由玻璃纤维丝和 环氧树脂。介电常数在薄板芯上不同,因此是不均匀的。为了提高材料间电介质的均匀性,可以将密集编织的玻璃纤维样式用于PCB芯。高速信号层周围的预浸渍材料必须用于控制阻抗和信号问题。 [iv]

伊索拉 是“设计,开发,制造和销售用于制造高级多层印刷电路板(PCB)的覆铜层压板和介电预浸料的全球领先材料科学公司。”[v] 伊索拉的专业知识包括有关如何减轻PCB板芯的纤维编织效应的知识。 伊索拉的建议是使用更均匀的玻璃(请参见下面的图2)。均匀的玻璃编织将使玻璃在整个表面上的分布更加一致,从而减少走线的阻抗变化。您可以在布局中使用尽可能宽的走线,以与光纤翘曲和填充成一定角度的方式走线,相对于光纤以锯齿形走线方式走线(请参见下面的图2),并选择材质树脂和纤维的介电常数彼此尽可能接近。高频信号(>100MHz)最有可能受到PCB编织引起的不均匀介电效应的影响。织物编织作为不均匀的电介质,对以较低频率承载信号的走线的影响要小得多。

图2:可以减轻PCB纤维编织可能​​产生的介电效应。左侧的编织(1080)在构造上不如右侧的编织(3113)均匀。每个编织顶部显示的金属丝是应如何对编织施加痕迹的示例,这还可以提高织物编织施加的电介质的均匀性。
  • 请注意,如果PCB织物编织的电介质暴露于液体中或由于潮湿而吸湿,则会吸收水分。吸湿会影响PCB的整体性能。通常,PCB电介质的吸湿值在0.01至0.2%之间。 [vi]
  • PCB承受压力的能力称为“抗弯强度”。可以执行PCB弯曲测试来确定PCB的抵抗能力 [vii]

这只是在PCB可用选项表面上的痕迹,而不仅仅是在走线选项和夹在PCB层之间的织物编织方面。但是,如果您开始着手改善设计的信号完整性,尤其是高频信号(大于100 MHz或10 Gbps)时,那么您可能要开始研究此处提到的选项。并非所有PCB选项都在 第一部分 和本文的第二部分,但这只是一个开始。

[一世] http://www.microwavejournal.com/blogs/1-rog-blog/post/23743-selecting-pcb-materials-for-high-speed-digital-circuits
[ii]  //intel.ly/2SPIRcC
[iii] http://www.microwavejournal.com/ext/resources/Webinars/2014/SLIDES_Isola_26feb14.pdf
[iv]  //intel.ly/2SPIRcC
[v] //www.isola-group.com/about-us/
[vi] //www.mclpcb.com/pcb-material-selection-guide/
[vii] //www.testresources.net/applications/electronic-printed-circuit-board-pcb-flexural-bend-test/

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