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第1章 嵌入式硬件系统设计概论1

1.1 嵌入式系统体系结构2

1.1.1 嵌入式系统的概念2

1.1.2 嵌入式系统组成3

1.1.3 嵌入式系统硬件组成4

1.2 嵌入式处理器5

1.2.1 嵌入式处理器概述5

1.2.2 CISC与RISC结构7

1.2.3 冯·诺依曼结构与哈佛结构8

1.2.4 ARM处理器8

1.2.5 ARM处理器存储器格式及数据类型13

1.2.6 ARM处理器中的MMU和MPU14

1.2.7 典型ARM微控制器15

1.3 嵌入式硬件系统设计25

1.3.1 嵌入式硬件设计的主要内容25

1.3.2 嵌入式应用系统设计步骤及原则26

1.3.3 嵌入式系统的设计方法30

1.4 嵌入式应用系统调试与测试技术32

1.4.1 硬件调试连接32

1.4.2 调试工具及硬件调试34

本章习题35

第2章 嵌入式硬件基础36

2.1 嵌入式工程识图37

2.1.1 框图37

2.1.2 原理图38

2.1.3 印刷线路图38

2.1.4 接线图39

2.1.5 时序图39

2.2 电路与电路元件41

2.2.1 直流电路和交流电路41

2.2.2 模拟电路与数字电路43

2.2.3 电路元件44

2.2.4 集成电路65

2.3 数字逻辑电路67

2.3.1 组合逻辑电路67

2.3.2 时序逻辑电路69

2.4 常用模拟集成电路72

2.4.1 模拟比较器72

2.4.2 运算放大器73

2.4.3 模拟开关75

2.5 常用数字集成电路77

2.5.1 TTL集成电路78

2.5.2 CMOS电路80

2.5.3 常用缓冲器82

2.5.4 常用锁存器83

2.5.5 常用移位寄存器85

2.5.6 常用译码器87

2.5.7 常用数据选择器89

2.6 可编程逻辑器件89

2.6.1 PLD的一般结构89

2.6.2 PLD的种类90

2.6.3 基于PLD的数字系统设计91

2.6.4 常用EDA开发工具92

2.7 IC资料查找及阅读93

2.7.1 常用IC资料下载网站93

2.7.2 IC资料的阅读94

本章习题95

第3章 嵌入式处理器片上典型外设组件97

3.1 嵌入式处理器组成98

3.1.1 ARM的AMBA总线体系结构及标准98

3.1.2 基于AMBA总线的嵌入式处理器100

3.1.3 典型ARM芯片简介102

3.2 GPIO通用I/O端口组件104

3.2.1 GPIO概述104

3.2.2 GPIO基本工作模式104

3.2.3 GPIO端口保护措施108

3.2.4 GPIO端口的中断109

3.2.5 引脚的多功能110

3.3 定时计数组件110

3.3.1 通用定时计数器111

3.3.2 看门狗定时器114

3.3.3 实时钟定时器115

3.3.4 脉宽调制定时器117

3.3.5 电机控制PWM定时器120

3.4 互连通信组件126

3.4.1 串行异步收发器UART126

3.4.2 I2C总线接口129

3.4.3 SPI串行外设接口132

3.4.4 CAN总线接口135

3.4.5 Ethernet以太网控制器接口137

3.5 模拟通道组件140

3.5.1 模数转换器ADC140

3.5.2 数模转换器DAC143

3.5.3 比较器COMP143

本章习题144

第4章 嵌入式系统电源设计146

4.1 嵌入式系统电源设计概述147

4.1.1 嵌入式系统的电源需求147

4.1.2 嵌入式系统电源主要类别148

4.1.3 嵌入式系统的电源变换150

4.2 线性直流稳压电源的设计150

4.2.1 电源变压器的定制151

4.2.2 整流与滤波电路设计153

4.2.3 稳压电路设计156

4.3 开关电源的设计160

4.4 DC-DC和LDO的典型应用161

4.4.1 利用LDO器件进行电源变换162

4.4.2 利用DC-DC器件进行电源变换163

4.5 基于电池供电的便携式电源设计164

4.5.1 电池供电的降压式电源设计165

4.5.2 电池供电的升压式电源设计165

本章习题167

第5章 嵌入式最小系统设计169

5.1 典型嵌入式硬件系统及嵌入式最小系统组成170

5.1.1 典型嵌入式硬件系统组成170

5.1.2 嵌入式最小系统组成170

5.2 嵌入式处理器选型171

5.2.1 功能参数选择原则171

5.2.2 非功能性参数选择原则173

5.3 供电模块设计175

5.4 时钟与复位电路设计177

5.4.1 时钟电路设计177

5.4.2 复位模块设计178

5.5 调试接口设计182

5.5.1 JTAG调试接口设计182

5.5.2 SWD调试接口设计184

5.6 存储器接口设计185

5.6.1 存储器层次结构185

5.6.2 存储器分类185

5.6.3 存储器主要性能指标188

5.6.4 片内存储器190

5.6.5 片外存储器191

5.6.6 辅助存储器191

5.6.7 外部存储器扩展193

本章习题197

第6章 数字输入输出系统设计198

6.1 数字信号的逻辑电平及其转换199

6.1.1 数字信号的逻辑电平199

6.1.2 数字信号的逻辑电平转换201

6.2 数字信号的隔离与保护207

6.2.1 数字接口的保护207

6.2.2 数字信号的隔离211

6.3 数字输入接口的扩展221

6.3.1 使用缓冲器扩展并行输入接口221

6.3.2 使用串行移位寄存器扩展并行输入接口222

6.4 数字输出接口的扩展222

6.4.1 使用锁存器扩展并行输出接口222

6.4.2 使用串行移位寄存器扩展并行输出接口223

6.5 数字输入输出接口的一般结构224

6.5.1 数字输入接口的一般结构224

6.5.2 数字输出接口的一般结构227

6.6 人机交互通道设计228

6.6.1 键盘接口设计228

6.6.2 显示接口设计234

本章习题244

第7章 模拟输入输出系统设计245

7.1 模拟输入输出系统概述246

7.2 传感器及变送器247

7.2.1 传感器247

7.2.2 变送器254

7.3 信号调整的电路设计255

7.3.1 信号调理电路的功能及任务256

7.3.2 信号滤波258

7.3.3 信号放大260

7.3.4 激励与变换262

7.3.5 模拟信号隔离264

7.4 模数转换器及其接口设计269

7.4.1 片内ADC及其应用269

7.4.2 片外ADC及其应用270

7.5 数模转换器279

7.5.1 片内DAC及其应用279

7.5.2 片外DAC及其应用280

7.6 模拟比较器及其应用284

7.6.1 片上比较器及其应用284

7.6.2 片外比较器及其应用286

7.7 典型模拟输入输出系统实例288

7.7.1 温度变送器设计要求288

7.7.2 温度变送器硬件系统设计289

本章习题292

第8章 电机及其控制294

8.1 电机及其种类295

8.1.1 电机的定义295

8.1.2 电机的种类295

8.1.3 电机的一般控制系统296

8.1.4 电机控制系统中的常用部件296

8.2 直流电机及其控制300

8.2.1 直流电机及类别300

8.2.2 直流电机励磁方式及其连接301

8.2.3 直流电机的控制302

8.2.4 采用H桥驱动芯片的直流电机控制实例305

8.3 步进电机及其控制310

8.3.1 步进电机310

8.3.2 步进电机的控制系统构成313

8.3.3 采用由分离元件构成的步进电机控制接口314

8.3.4 采用由专用芯片构成的步进电机控制接口316

8.4 单相交流电机及其控制319

8.4.1 单相交流电机319

8.4.2 单相交流电机的控制320

8.5 三相异步电机及其控制323

8.5.1 三相异步电机的结构与工作原理323

8.5.2 异步电机的启动与调速324

8.5.3 三相异步电机的运行控制326

8.5.4 三相异步电机控制系统实例329

8.6 电机的保护334

8.6.1 电机故障及异常状态334

8.6.2 电机的相间短路保护335

8.6.3 电机的单相接地保护335

8.6.4 电机的低电压保护336

8.6.5 电机的过载保护336

8.6.6 基于嵌入式技术的电机保护系统337

本章习题339

第9章 互连通信接口设计341

9.1 串行异步收发器UART342

9.2 RS-232接口及其应用343

9.2.1 RS-232接口343

9.2.2 基于RS-232的双机通信346

9.2.3 基于RS-232的多机通信347

9.3 RS-485接口及其应用348

9.3.1 RS-485接口348

9.3.2 RS-485隔离应用352

9.3.3 RS-485主从式多机通信的应用353

9.3.4 基于RS-485的ModBus RTU协议355

9.4 4～20mA电流环接口及其应用359

9.5 I2C总线接口361

9.5.1 I2C总线模块相关寄存器361

9.5.2 I2C总线接口的应用363

9.6 SPI串行外设接口364

9.6.1 SPI寄存器结构364

9.6.2 SPI接口的应用365

9.7 CAN总线接口367

9.7.1 典型片上CAN控制器组成及相关寄存器367

9.7.2 CAN总线接口的应用369

9.8 Ethernet以太网控制器接口应用370

9.8.1 基于片上以太网控制器的以太网接口连接370

9.8.2 片外以太网控制器的以太网接口连接372

9.9 USB接口373

9.9.1 USB的主要特点373

9.9.2 USB硬软件构成及接口信号374

9.9.3 USB的传输方式377

9.9.4 USB接口连接377

9.9.5 USB与UART及RS-232之间的相互转换接口379

9.10 无线通信模块及其接口381

9.10.1 GPS模块381

9.10.2 GSM模块382

9.10.3 GPRS模块383

9.10.4 北斗模块384

9.10.5 Wi-Fi模块385

9.10.6 蓝牙模块387

9.10.7 ZigBee模块387

9.10.8 RFID通信接口设计388

9.10.9 其他无线模块390

本章习题391

第10章 嵌入式硬件系统可靠性与抗干扰设计392

10.1 嵌入式系统可靠性概述393

10.1.1 嵌入式系统可靠性及其特点393

10.1.2 嵌入式系统可靠性设计内容393

10.1.3 嵌入式系统可靠性设计原则394

10.2 嵌入式硬件系统可靠性设计395

10.2.1 影响嵌入式硬件系统可靠性的主要因素396

10.2.2 提高嵌入式硬件系统可靠性的主要措施397

10.2.3 嵌入式硬件系统总体方案可靠性设计401

10.3 嵌入式硬件系统的干扰402

10.3.1 干扰的来源402

10.3.2 干扰的传播途径403

10.3.3 干扰对嵌入式系统的影响404

10.3.4 干扰的抑制原则及措施405

10.4 供电系统抗干扰与最小系统可靠性设计407

10.4.1 供电系统的抗干扰措施407

10.4.2 嵌入式最小系统的可靠性设计409

10.5 接地系统抗干扰措施410

10.5.1 接地的种类411

10.5.2 接地的方式412

10.6 过程通道的抗干扰设计414

10.6.1 差模干扰及其抑制415

10.6.2 共模干扰及其抑制416

10.6.3 长线传输干扰及其抑制418

10.7 印制电路板抗干扰设计419

10.7.1 印制电路板的电磁干扰420

10.7.2 印制电路板的电磁兼容设计421

10.8 嵌入式系统的能量控制与低功耗设计426

10.8.1 能量控制与低功耗设计及其意义426

10.8.2 低功耗设计的内容及步骤426

10.8.3 低功耗器件的选择427

10.8.4 低功耗电源设计428

10.8.5 嵌入式处理器的功率控制431

10.8.6 对外围电路的功耗管理434

本章习题438

第11章 嵌入式硬件综合设计439

11.1 系统设计要求440

11.1.1 系统总体设计要求440

11.1.2 主要功能要求与技术指标441

11.2 硬件需求分析与体系结构设计442

11.2.1 嵌入式硬件需求分析442

11.2.2 嵌入式阀门控制器体系结构设计444

11.3 最小系统设计446

11.3.1 嵌入式处理器的选型446

11.3.2 供电模块的设计447

11.3.3 最小系统设计449

11.4 通道设计449

11.4.1 通道模块元器件选型449

11.4.2 模拟通道硬件设计451

11.4.3 数字通道硬件设计453

11.4.4 互连通信接口设计461

11.5 嵌入式硬件综合462

11.5.1 硬件原理图综合463

11.5.2 硬件PCB设计466

11.6 系统调试467

11.6.1 硬件调试概述467

11.6.2 电源模块的调试469

11.6.3 最小系统调试470

11.6.4 标度变换471

11.6.5 通道调试473

11.6.6 系统综合调试478

本章习题480

附录 部分习题参考答案481

参考文献487