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MPU 14
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UART 126
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ADC 140
3.5.2 数模转换器DAC 143
3.5.3 比较器COMP 143
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UART 342
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