嵌入式系统硬件体系设计

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
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 TIDSP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 ARM7TDMIS 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μLaw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
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TIDSPs的特征与应用109
4.3.1 TMS320C2000系列TIDSPs109
4.3.2 TMS320C5000系列TIDSPs113
4.3.3 TMS320C6000系列TIDSPs120
4.3.4 TMS320C8x多DSP核TIDSPs128
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MPEG4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/FPGA193
5.3.4 用Quartus II开发CPLD/FPGA195
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VHDLCPLD设计207
5.5.2 电梯控制器的VHDLFPGA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
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E2PROM230
6.2.2 闪速存储器FLASH233
6.2.3 铁电存储器FRAM235
6.2.4 数据存储器RAM237
6.2.5 非易失性数据存储器NVRAM240
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 1Wire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 RS485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
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
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 ACDC互换电路设计401
9.2.2 DCDC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
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 RS232RS485转换卡设计531
12.4.3 EMACUART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VHDLCPLD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