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第1章　嵌入式系统硬件体系设计概述1.1　嵌入式系统及其硬件体系概述 1

1.1.1　嵌入式系统概述 1

1.1.2　嵌入式系统的构成 2

1.1.3　嵌入式系统设计的主要目的 3

1.1.4　嵌入式系统产品的应用 3

1.2　嵌入式硬件体系的基本构成 4

1.2.1　嵌入式硬件体系的基本构成模型 4

1.2.2　嵌入式硬件体系的基本组成 5

1.3　嵌入式硬件体系设计的相关内容简介 5

1.3.1　直接相关部分设计 5

1.3.2　间接相关部分设计 7

1.4　嵌入式硬件体系总体规划设计体验 7

1.4.1　简单系统设计——多功能智能型单相电度表设计 8

1.4.2 复合系统设计——电力故障录波装置的设计 9

1.5　嵌入式硬件体系设计的要求与目标 12

1.6　本章小结 13

1.7　学习与思考 13

第2章　核心微控制器的选择及其系统构造 13

2.1　基础知识准备 14

2.1.1　微型计算机的结构组成 14

2.1.2　微控制器的总线 14

2.1.3　微控制器的中断技术 15

2.1.4　微控制器的外围器件 15

2.2　常用微控制器件概述 15

2.2.1　常用微控制器件 15

2.2.2　相关概念说明 16

2.3　8/16/32位单片机及其嵌入式硬件体系构造 17

2.3.1　常用单片机简介 17

2.3.2　相关概念解释 23

2.3.3　选用SCM时应考虑的因素 24

2.4　通用数字信号处理器件及其嵌入式硬件体系构造 25

2.4.1　通用数字信号处理器件概述 25

2.4.2　常见的通用数字信号处理器件 26

2.4.3　相关概念解释 27

2.4.4　TI-DSP的开发 28

2.4.5　通用数字信号处理器选择 28

2.5　大规模可编程逻辑器件及其嵌入式硬件体系构造 28

2.5.1　基本概念 28

2.5.2　常用可编程逻辑器件 30

2.5.3　对可编程逻辑器件PLD的衡量 30

2.5.4　相关概念解释 31

2.5.5　可编程器件的开发 31

2.5.6　SoPC技术及其应用 32

2.6　SCM、DSP、PLD构成的嵌入式硬件体系性能对比 33

2.7　设计参考网站推荐 34

2.8　本章小结 35

2.9　学习与思考 35

第3章　8/16/32位单片机及其应用设计3.1　相关知识的回顾 36

3.2　单片机SCM及其硬件构造 37

3.2.1　单片机的基本结构 37

3.2.2　单片机的流水线指令操作 38

3.3　常用8/16/32位单片机的特征 38

3.3.1　51系列单片机的结构与特征 38

3.3.2　AVR系列单片机的基本特征 39

3.3.3　PSoC系列单片机的结构与特征 42

3.3.4　C166、XC166单片机的结构与特征 44

3.3.5　ARM内核系列单片机 46

3.3.6　ARM7TDMI-S 16/32位单片机的结构与特征 54

3.4　8/16/32位单片机应用系统设计 66

3.4.1　选用单片机时应着重考虑的因素 66

3.4.2　ARM系列单片机的选用 66

3.4.3　单片机的开发应用 73

3.4.4　单片机为核心的硬件体系构建 90

3.5　单片机应用系统设计体验 90

3.5.1　用AT89C2051简易单片机设计超声波测距仪 90

3.5.2　用PSoC单片机实现μ-Law压扩器 93

3.5.3　C166/XC166单片机的设计应用 96

3.5.4　基于LPC2104的爬壁机器人控制系统设计 98

3.6　本章小结 101

3.7　学习与思考 101

第4章　数字信号处理器件DSPs及其应用设计 101

4.1　相关知识准备与回顾 102

4.1.1　相关知识的准备 102

4.1.2　相关知识的回顾 103

4.2　DSPs及其DSP系统 104

4.2.1　通用可编程DSPs的优势 104

4.2.2　通用可编程DSPs的特点 104

4.2.3　通用可编程DSPs的类型 105

4.2.4　通用可编程DSPs的选择 106

4.2.5　DSPs构成的典型的DSP系统 107

4.2.6　DSPs为核心的DSP系统设计 108

4.3　常用的TI-DSPs的特征与应用 109

4.3.1　TMS320C2000系列TI-DSPs 109

4.3.2　TMS320C5000系列TI-DSPs 113

4.3.3　TMS320C6000系列TI-DSPs 120

4.3.4　TMS320C8x多DSP核TI-DSPs 128

4.4　DSP算法的模拟仿真与移植实现 129

4.4.1　DSP算法及其模拟仿真 130

4.4.2　Matlab软件工具及其应用 131

4.4.3　在DSPs上移植实现DSP算法 134

4.4.4　算法验证及其DSP实施效率的提高 137

4.5　DSPs在嵌入式系统中的应用设计 139

4.5.1　TMS320C240实现的交流变频电梯控制 139

4.5.2　TMS320F2812实现的多通道同步信号采样 140

4.5.3　TMS320C5402实现的小词表语音识别 144

4.5.4　TMS320C6202实现的主被动复合制导系统 148

4.5.5　TMS320C6711实现的相位干涉仪测向算法 153

4.5.6　TMS320C64x实现的MPEG-4实时编码器 157

4.6　本章小结 161

4.7　学习与思考 162

第5章 大规模可编程逻辑器件及其应用设计5.1　相关知识的回顾与准备 163

5.1.1　相关知识的回顾 163

5.1.2　相关知识的准备 164

5.2　数字逻辑电路的设计与实现 173

5.2.1　数字逻辑电路的分析与设计 173

5.2.2　数字逻辑电路设计的实现 177

5.3　可编程逻辑器件的设计开发 186

5.3.1 Fast Map实现的PLD设计 186

5.3.2 基于Protel原理图的PLD设计 189

5.3.3 用MaxPlusⅠ开发CPLD/FPGA 193

5.3.4 用QuartusⅡ开发CPLD/FPGA 195

5.3.5　复杂逻辑的综合实现 197

5.3.6　复杂逻辑的模拟与仿真 199

5.3.7 基于FPGA的SoPC设计 201

5.4 常见CPLD/FPGA应用模块设计 202

5.4.1　常用基本逻辑电路的描述 202

5.4.2 常用PLD集成模块的设计 203

5.5　CPLD/FPGA应用系统设计体验 207

5.5.1 简易PCI接口的VHDL-CPLD设计 207

5.5.2 电梯控制器的VHDL-FPGA设计 215

5.5.3　G.726语音编解码器的SoPC实现 220

5.6　CPLD/FPGA设计参考书推荐 225

5.7　本章小结 225

5.8　学习与思考 226

第6章 系统存储器件及其应用 227

6.1　系统存储器件概述 227

6.1.1　存储器件及其类型划分 227

6.1.2　存储器的速度与容量 229

6.1.3　存储器的基本结构组成 229

6.2　常用存储器件介绍 230

6.2.1 电擦除可编程存储器E2PROM 230

6.2.2 闪速存储器FLASH 233

6.2.3　铁电存储器FRAM 235

6.2.4　数据存储器RAM 237

6.2.5　非易失性数据存储器NVRAM 240

6.3　常用存储介质介绍 242

6.3.1　IC卡及其读／写操作 242

6.3.2　CF卡及其读／写操作 244

6.3.3　U盘及其存取操作 246

6.3.4　工业电子盘及其应用 248

6.4　嵌入式系统中存储器件的选择与使用 251

6.4.1　存储器的型号选择 251

6.4.2　系统存储器的扩展设计 253

6.4.3　使用存储器时应注意的问题 254

6.5　存储器件的应用设计体验 256

6.5.1　C167CR_LM的存储器扩展设计 256

6.5.2　SCM与DSP之间数据共享的实现 257

6.5.3　微控制器实现对CF卡的读／写操作 258

6.5.4　用单片机实现对U盘的存取访问 259

6.5.5　ARM7单片机存取访问工业电子盘 262

6.6　存储器件及其设计参考网站推荐 263

6.7　本章小结 263

6.8　学习与思考 264

第7章　嵌入式硬件体系中的接口设计7.1　嵌入式系统接口概述 265

7.1.1　嵌入式系统接口的类型划分 265

7.1.2　嵌入式系统接口的功能描述 266

7.1.3　嵌入式系统接口的控制方式 267

7.2　常用串行接口及其应用设计 268

7.2.1 UART串行接口及其连接 268

7.2.2　I2C串行接口及其连接 270

7.2.3　SPI串行接口及其连接 272

7.2.4　USB串行接口及其连接 274

7.2.5　JTAG串行接口及其连接 277

7.2.6　1394串行接口及其连接 279

7.2.7　1-Wire单总线及其连接 282

7.3　常用并行接口及其应用设计 284

7.3.1　并行接口概述 284

7.3.2　打印机接口概述 287

7.3.3　并行接口应用设计 288

7.4　常用无线通信接口及其应用设计 289

7.4.1　无线通信及其接口设计 289

7.4.2　红外通信及其接口设计 291

7.4.3　卫星通信及其接口设计 297

7.5　常用人机接口及其应用设计 303

7.5.1　常用键盘及其接口设计 303

7.5.2 LED显示界面及接口设计 310

7.5.3　LCD显示界面及其接口设计 314

7.6　常用现场总线及其接口设计 320

7.6.1　RS-485总线及其接口设计 321

7.6.2　仪表总线及其接口设计 326

7.6.3　CAN总线及其接口设计 330

7.6.4　EMAC总线及其接口设计 334

7.6.5 LonWorks总线及其接口设计 337

7.6.6 PROFIBUS总线及其接口设计 343

7.7　常用工业板卡总线及其接口设计 347

7.7.1　ISA总线及其接口板卡设计 347

7.7.2　PCI/CPCI总线及其接口板卡设计 348

7.8　嵌入式硬件体系接口设计体验 352

7.8.1 电子电度表多形式通信通道设计 352

7.8.2　EPP逻辑接口的主备Can监控节点的设计 353

7.9　本章小结 355

7.10　学习与思考 356

第8章　嵌入式硬件体系中的测量与控制电路设计 356

8.1　测量与控制电路基础 357

8.1.1 晶体三极管及其应用 357

8.1.2　场效应晶体管及其应用 361

8.1.3　集成运算放大器及其应用 363

8.1.4　模／数转换及器件应用 365

8.1.5　数／模转换及其器件应用 367

8.1.6　隔离器件及其应用 369

8.2　测量与控制电路设计概述 372

8.2.1　测量与控制设计概述 372

8.2.2　测量电路的基本构成 372

8.2.3　控制电路的基本构成 372

8.3　常用信号输入通道的设计 373

8.3.1　模拟量测量通道设计 373

8.3.2　开关量测量通道设计 374

8.3.3　模拟量的频率／周期测量 374

8.3.4　脉冲信号量的测量 374

8.3.5　图像传感信号量的测量 375

8.4　常见控制输出通道的设计 377

8.4.1　模拟量输出通道设计 377

8.4.2　开关量控制通道设计 377

8.4.3　脉冲信号输出通道设计 378

8.5　语音信号的采集与输出电路设计 378

8.5.1　语音信号的采集与输出概述 378

8.5.2　常用语音处理集成器件介绍 379

8.5.3　语音信号采集与输出的应用举例 380

8.6　测量与控制通道的分析与设计体验 381

8.6.1　测量与控制通道功能分析 381

8.6.2　测量与控制通道设计规划 383

8.7　本章小结 385

8.8　学习与思考 386

第9章　嵌入式硬件体系中的基础电子线路设计 386

9.1　电子线路设计基础 387

9.1.1　电阻器件及其应用 387

9.1.2　电容器件及其应用 390

9.1.3　电感器件及其应用 395

9.1.4　二极管器件及其应用 397

9.2　电源供应及其监控电路设计 401

9.2.1　AC-DC互换电路设计 401

9.2.2　DC-DC变换电路设计 403

9.2.3　系统用电监控电路设计 409

9.2.4　可充电电池应用技术 410

9.2.5　交流／电池供电及其切换 412

9.3　微控制器的复位电路设计 415

9.3.1　常见复位电路及其设计 415

9.3.2　复位电路设计注意事项 418

9.4　系统的振荡发生电路设计 419

9.4.1　基本的正弦振荡电路 419

9.4.2　石英晶体及其振荡器 419

9.4.3　微控制器常用振荡电路设计 422

9.5　嵌入式系统中的低功耗设计 423

9.5.1　低功耗设计技术概述 423

9.5.2　硬件低功耗设计技术 424

9.5.3　软件低功耗设计技术 426

9.6　EMC/EMI与滤波电路设计 427

9.6.1　电源噪声及其抑制 427

9.6.2　滤波电路及其设计 428

9.6.3　铁氧体元件及其使用 430

9.6.4　设计中的电磁兼容考虑 432

9.7　嵌入式基础电子线路设计体验 432

9.7.1　典型电源供应电路设计分析举例 432

9.7.2　数字摄像头的外围电路设计举例 433

9.7.3　图像处理器的外围电路设计举例 434

9.8　设计参考网站推荐 436

9.9　本章小结 436

9.10　学习与思考 437

第10章 硬件电路的原理图与PCB板图设计10.1　硬件电路图设计的基础知识 438

10.1.1 电路原理图及其绘制概述 438

10.1.2　印刷电路板图的基础知识 440

10.2　EDA电路设计及其常用软件工具 444

10.2.1　EDA电路设计自动化概述 444

10.2.2　EDA电路设计软件工具简介 444

10.2.3 常用EDA电路设计软件介绍 445

10.3 硬件电路的原理图绘制 451

10.3.1 硬件电路原理图的设计流程 451

10.3.2 电路原理图的设计注意事项 453

10.3.3　电路原理图的应用设计举例 453

10.4　硬件电路的PCB板图绘制 454

10.4.1 PCB板图设计的工作流程 454

10.4.2　PCB设计技巧与注意事项 457

10.4.3　PCB设计原则与抗干扰措施 459

10.4.4 PCB板图的应用设计举例 461

10.5 电路原理图与PCB图设计体验 462

10.5.1 PCI多轴运动控制卡的方案规划 462

10.5.2　PCI多轴运动控制卡的电路原理图设计 463

10.5.3 PCI多轴运动控制卡的PCB板图设计 465

10.6　本章小结 468

10.7　学习与思考 468

第11章　嵌入式硬件体系的电路测量与调试11.1　常用电路的测试工具及其选用 469

11.1.1 常用电路测试工具简介 470

11.1.2　常用电路测试工具的选用 474

11.2　常用电路测量／调试的方法技巧 476

11.2.1 电路测试前的工作准备 476

11.2.2 PCB及其电路的板级测试 477

11.2.3　硬件体系模块电路的测试 479

11.2.4　整机的可靠性能综合测试 480

11.3　计算机辅助测量／调试及其应用 481

11.3.1　编写计算机辅助测试程序 481

11.3.2　辅助测试软件工具及其应用 485

11.3.3　虚拟仪器测试技术及其应用 486

11.4　系统核心微控制器的测量／调试 489

11.4.1　微控制器基本工作状况的测试 489

11.4.2　微控制器及其系统的模拟仿真 490

11.4.3　嵌入式系统的软硬件综合调试 491

11.4.4　在开发调试中应用逻辑分析仪 492

11.5　微控制器外围设备的驱动测试 496

11.5.1　微控制器外设驱动与测试概述 496

11.5.2　微控制器外设一级驱动与测试 496

11.5.3　微控制器外设二级驱动与测试 500

11.6　特制工业计算机板卡的驱动测试 511

11.6.1　工业计算机板卡驱动测试概述 511

11.6.2 PCI/CPCI接口板卡驱动测试举例 512

11.6.3　ISA总线接口板卡驱动测试举例 513

11.7　嵌入式系统硬件电路测量调试体验 514

11.7.1　常用串行传输电路的测试分析 514

11.7.2　并行传输总线电路的测试分析 516

11.7.3　系统隐含错误的捕获分析与处理 517

11.8　本章小结 519

11.9　学习与思考 519

第12章　嵌入式硬件体系应用设计 520

12.1　嵌入式硬件体系应用设计综述 520

12.2　精密三向容栅数字显示仪设计 522

12.2.1　项目设计及产品概述 522

12.2.2　显示仪的硬件体系设计 523

12.3　30万像素双模式数码相机的设计 525

12.3.1　项目总体设计与方案规划 525

12.3.2　数码相机的硬件体系设计 526

12.4　条码信息资料采集分析系统设计 530

12.4.1 系统总体构成与设计方案 530

12.4.2　RS-232-RS-485转换卡设计 531

12.4.3 EMAC-UART转换卡设计 531

12.4.4　条码信息资料收集器设计 532

12.5　LED遥控时钟屏系统的设计 535

12.5.1　遥控发射器的电路设计 535

12.5.2　主体控制板的电路设计 535

12.5.3　LED屏的驱动电路设计 536

12.6 EPP接口的可视化主／备CAN监视节点设计 538

12.6.1　硬件电路及其EPP接口逻辑设计 538

12.6.2　WinDriver底层驱动程序的生成 538

12.6.3　节点监视可视化测试程序的编制 539

12.7　PCI接口多轴运动控制卡的简易设计 541

12.7.1　硬件电路的总体设计与方案规划 542

12.7.2 PCI接口的VHDL-CPLD简易设计 542

12.8　燃气变频输配与大范围流量计量体系的设计 549

12.8.1　变频输配与大范围流量计量的机理 549

12.8.2　PSoC单片机测控系统的构建 550

12.8.3　PSoC单片机测控系统设计 551

12.8.4　PSoC单片机项目设计应用体会 553

12.9　中成药工业自动化生产监控体系的设计 553

12.9.1 系统总体构成及核心技术概述 553

12.9.2　工业数据采集／控制板卡的设计 554

12.9.3　工业数据采集／控制板卡的测试 560

12.10　电力故障录波装置的整机硬件体系设计 562

12.10.1　EPFRD的整机硬件体系规划设计 562

12.10.2　EPFRD主机板的硬件电路设计 563

12.10.3　EPFRD数据采集板的硬件电路设计 564

12.11　本章小结 570

附录A　习题 571

附录B　习题答案 575

参考文献 580