硬件 101

本页概述了您应该熟悉的基本电子概念，以便将外设安全地连接到设备，并开始编写将其应用到生活中的应用程序。

在开始之前，您应该对电压，电流，电阻和功率之间的关系有一个基本的了解，因此如果您需要了解有关这些主题的更多细节，请查看DC电路理论和欧姆定律和电源.

1. 面包板

面包板是快速原型设计电路的常用工具，它不需要将组件焊接在一起。这允许您在开发过程中进行接线更改，直到设计稳定。通过允许您轻松连接仪器并探测电路中的各种连接，面包板也可用于测试。

面包板的孔内部以行和列连接在一起，以允许多个组件共享相同的连接点。外排垂直于板的其余部分连接，并且在每一行中跨越顶部和底部形成单个总线。这些行通常用于连接整个电路所需的电源和地线或其他公共信号。

2. 电源

嵌入式设备包含有源电路，这意味着它们需要外部电源才能工作。电源是从外部电源（如墙上适配器，电池或USB端口）传送到电路板上组件的输入电压。以下信号由电源提供给电路板：

• 输入电压(VIN)

    连接到电路板的外部电源的电压。许多电路板支持一系列输入电压，
    并使用内部稳压器为其余部件提供稳定的电源.
  

• 电源电压(VCC或VDD)

    内部调节电压为电路板上的组件供电。公共电源电压为 +5V,+3.3V和+1.8V.
  

• 接地(GND)

    电路板参考点电压为0V。所有其他电压都相对于地面测量。相对于地面以下测量的电压被认为是负的.
  

3. 模拟和数字 I/O

外设使用板上暴露的各种输入和输出引脚连接到您的设备。输入引脚允许您的应用程序读取和解析当前的电气状态。输出引脚允许您的应用程序控制引脚的电气状态。外设和板载I / O本质上是模拟或数字的。

• 模拟

  模拟设备产生与其测量的物理条件成比例的电压。一个很好的例子是温度传感器，它可以产生0-5V之间的输出，
  对应于0-100℃之间的温度。
  

  模拟输入使用模拟-数字转换器（ADC）将离散电压电平转换为比例整数值。用于表示电压电平的整数范围基于ADC的分辨率，以位表示。例如，10位ADC可以将输入电压表示为0-1023之间的值（例如，1024个离散步长）

• 数字

  数字逻辑表示作为二进制值的电压信号：

  • 高电平：当电压处于或接近VCC时，通常表示为逻辑“1”。
  • 低电平：当电压处于或接近地面时，通常表示为逻辑“0”。

  数字信号很难准确地为0V或VCC。大多数数字逻辑器件将接近极值的电压范围解释为有效的逻辑电平。下表列出了每个逻辑状态的公共输入电压范围。

外设数字I/O常用的几种方式：

• 稳定状态：单个开/关状态映射到稳定的高或低值。

• 脉冲串：随着时间的推移，可变频率和宽度的数字信号脉冲串连续传输

• 串行通信：代表二进制数字的各个位的数字1和0系列。

了解更多关于模拟和数字I/O的信息，请查看Sensors and Transducers和 Binary Numbers.

4. 上拉和下拉电阻

在许多数字接口电路中，电阻连接在I / O信号引脚和VCC或地之间。这些被称为上拉电阻和下拉电阻。它们保证每个信号具有系统其余部分可以依赖的稳定的默认状态，而不会直接影响输入或输出信号。

没有主动连接到任何信号的数字输入是浮动输入。浮动输入容易受到电磁干扰，影响反馈给应用程序的值，并导致不可预测的读数。上拉或下拉电阻确保线路在即使没有其他连接的时候也能被驱动到一个稳定的值。

举个例子，想一下按钮或开关。开关是一对触点，当闭合时将输入引脚连接到高电压或低电压，但在打开时将输入悬空。此外，许多数字传感器使用集电极开路（或开漏）输出来反馈状态变化。这些输出像一个简单的开关，当开关打开时需要和外部源驱动输入。

• 电阻强度

  您选择的电阻值以不同的方式影响系统。低电阻值电阻被认为是“强”的，因为电流越多。强大的上拉（或下拉）总体吸收更多功率，但是它们可以比具有较高值的“弱”电阻更快地将信号复位到空闲电平。

  注意：上拉和下拉电阻值通常在1kΩ和10kΩ之间

  例如，当总线空闲时，I2C串行总线使用上拉电阻来保持时钟和数据线路的稳定。添加到总线中的每个设备都会下载这些线路，使得上拉线更难以将线路保持在适当的水平。随着总线上的设备数量的增加，上拉的强度也必须增加以处理增加的负载。

  有关应用的更多详细信息，请参阅上拉电阻并计算正确值.

5. 信号弹跳

诸如开关和继电器的许多电气输入装置具有机械部件。随着设备的机械运动稳定，电信号可能在多个值之间暂时振荡或“弹跳”。在许多情况下，您的应用程序将在很短的时间内将其视为多个输入事件。

要解决此问题，您必须使用硬件或软件去除抖动信号。

• 软件去抖

  软件去抖涉及设置初始输入事件与输入预期稳定之间的时间延迟（通常不超过几百毫秒）
  

• 硬件去抖

  要使用硬件去抖动输入，请在输入引脚和器件之间添加一个简单的RC电路(由于包含电阻和电容而被命名)。
  当输入设备改变状态时，电容器将以与输入电阻大小成比例的速率进行充放电，有效地减慢输入引脚所看到的跳变。
  

  

有关计算去抖动和其他将输入信号连接到设备的技术的更多信息，请参见输入接口电路.

6. 保护 I/O 引脚

每个输出引脚在连接到它的电路的源极（当为高电平）或吸收（低电平）时具有有限的能力。吸引更多电流的引脚即使暂时处理也可能会损坏输出。为了保护输出引脚，请插入与负载串联的限流电阻。

注意：串联电阻值通常在100Ω和300Ω之间。

为了控制更高功率的传感器，如电机，使用晶体管或类似的电子控制开关缓冲输出引脚的负载，并直接从电源为变送器供电。

注意：I / O引脚的源/宿容量将因设备而异。检查您的硬件文档以更好地了解您的电路板可以支持哪些。

所有I/O引脚设计为在0V和VCC之间的电压范围内安全工作。任何将引脚连接到高于该组件的电源的电压都可能会损坏引脚。始终检查传感器和传感器产生的电压电平是否与其连接的I / O引脚相匹配。要将可变电源的设备连接在一起，请使用逻辑电平转换器电路。

有关可用于与数字和模拟I/O安全接口电路的更多示例，请参见输出接口电路.