基于MCU、FPGA、RTOS的电子系统设计方法与实例

第1章 电子系统设计基础
1.1电子系统设计流程1
1.1.1 电子系统的概念1
1.1.2 以MCU为核心的电子系统设计流程2
1.1.3 以PLD为核心的电子系统设计流程2
1.2 PCB的设计与制作方法5
1.2.1 实验室条件6
1.2.2 Protel 99SE疑难问题及其解决方法6
1.2.3 PCB的设计与制作步骤14
1.3 微控制器软件开发环境22
1.3.1 微控制器及其开发环境的选择22
1.3.2 Keil C51 μVision2集成开发环境23
1.4 CPLD/FPGA开发环境29
1.4.1 CPLD/FPGA芯片及其开发环境的选择29
1.4.2 MAX + PlusⅡ开发环境30
1.5 常用简单数字电路的VHDL程序31
1.5.1 计数器的设计31
1.5.2 分频器的设计33
1.5.3 数据选择器的设计34
1.5.4 显示译码器的设计35
1.5.5 编码器的设计37
1.6 本章小结38
第2章 基于嵌入式实时操作系统的软件设计方法
2.1 嵌入式实时操作系统的概念40
2.1.1 嵌入式系统的概念40
2.1.2 嵌入式实时操作系统简介41
2.2 在电子系统设计中引入RTOS的意义42
2.2.1 两种编程思路的比较42
2.2.2 嵌入式应用中使用嵌入式RTOS的必要性43
2.2.3 嵌入式操作系统环境中的应用软件设计44
2.2.4 嵌入式操作系统环境下的应用软件调试44
2.3 嵌入式实时操作系统RTX51介绍45
2.3.1 RTX51的技术参数45
2.3.2 几个概念46
2.3.3 RTX Tiny内核分析50
2.3.4 RTX Tiny内核源代码54
2.4 基于RTX51的应用软件设计方法56
2.4.1 目标系统需求56
2.4.2 软件设计指导方针56
2.4.3 任务划分的原则57
2.4.4 应用程序的结构60
2.5 本章小结62
第3章 基于FPGA电路重构技术的电子系统设计
3.1 设计任务63
3.2 FPGA配置方案论证64
3.2.1 方案1： 采用PC机的配置方案64
3.2.2 方案2： 采用专用配置芯片的配置方案66
3.2.3 方案3： 采用单片机在线配置FPGA的配置方案67
3.2.4 方案4： 采用CPLD在线配置FPGA的配置方案68
3.2.5 方案5： 采用DSP在线配置FPGA的配置方案69
3.3 基于SRAM的FPGA器件的配置原理69
3.3.1 可编程逻辑器件发展概述69
3.3.2 FPGA 芯片内部电路结构可重配置技术71
3.3.3 FPGA的配置模式71
3.3.4 被动串行配置模式时序分析72
3.3.5 配置文件简介75
3.4 FPGA电路结构可重配置系统硬件设计75
3.4.1 系统主要芯片的选择75
3.4.2 MCU电路及存储器电路79
3.4.3 基于FPGA的18路智力竞赛电子抢答器电路79
3.4.4 基于FPGA的数字显示电子钟电路80
3.4.5 系统总体硬件电路图81
3.5 FPGA电路结构可重配置系统软件设计81
3.5.1 18路电子抢答器FPGA的VHDL程序设计及源程序83
3.5.2 数字显示电子钟FPGA的VHDL程序设计及源程序90
3.5.3 MCU的汇编语言程序设计及源程序94
3.6 系统设计总结99
第4章 带温度巡检功能的自动打铃器
4.1 设计任务101
4.2 方案设计与论证102
4.2.1 键盘模块设计方案的论证与比较102
4.2.2 显示模块设计方案的论证与比较102
4.2.3 时钟模块、MCU模块设计方案的论证与比较103
4.2.4 温度检测模块设计方案的论证与比较104
4.3 理论计算104
4.4 系统硬件设计105
4.4.1 键盘电路105
4.4.2 显示电路106
4.4.3 时钟电路106
4.4.4 测温电路107
4.4.5 串口通信电路108
4.4.6 自动打铃器总体电路108
4.5 系统软件设计108
4.5.1 主程序流程框图110
4.5.2 调时分秒功能函数流程框图111
4.5.3 检测DS18B20序列号功能函数流程框图111
4.5.4 检测温度功能函数流程框图112
4.5.5 操作DS18B20的子程序流程框图112
4.6 系统使用说明书115
4.6.1 键盘界面116
4.6.2 菜单操作117
4.7 系统源程序清单118
4.7.1 C51语言主程序118
4.7.2 读DS12C887程序145
4.7.3 写DS12C887程序145
4.7.4 键盘扫描程序146
4.7.5 显示当前计时时间程序148
4.7.6 显示缓冲器程序151
4.7.7 显示菜单程序152
4.7.8 读AT24C02程序153
4.7.9 写AT24C02程序156
4.7.10 检测DS18B20序列号程序159
4.7.11 读温度值程序162
第5章 数控直流电流源
5.1 设计任务168
5.2 方案设计与论证168
5.2.1 D/A转换模块设计方案的论证与比较169
5.2.2 恒流源模块设计方案的论证与比较170
5.2.3 数据采集模块设计方案的论证与比较171
5.2.4 辅助电源、主电源设计方案的论证与比较171
5.2.5 键盘、显示器设计方案的论证与比较172
5.3 理论计算与EWB仿真173
5.3.1 采样电阻值的确定173
5.3.2 D/A转换器分辨率的确定174
5.3.3 TLC5618参考电压的确定174
5.3.4 主电源参数的确定174
5.3.5 用EWB进行电路仿真175
5.4 系统硬件设计176
5.4.1 MCU微控制器、键盘、显示器电路图176
5.4.2 D/A转换模块、恒流源模块的电路图176
5.4.3 数据采集模块的电路图179
5.4.4 辅助电源、主电源的电路图180
5.5 系统软件设计181
5.5.1 主程序流程框图181
5.5.2 设置输出电流给定值程序流程框图182
5.5.3 设置电流步进值程序流程框图182
5.5.4 键盘扫描程序流程框图182
5.6 系统测试方法与结果分析184
5.6.1 测试使用的仪器184
5.6.2 恒流特性的测试184
5.6.3 电流步进值为1 mA的测试185
5.6.4 纹波电流的测试185
5.6.5 负载输出电流范围的测试186
5.6.6 输出电压的测试186
5.6.7 1～99mA内任意电流步进值设置功能的测试186
5.6.8 测试结果分析187
5.7 系统使用说明书188
5.7.1 键盘界面188
5.7.2 菜单操作189
5.8 系统源程序清单189
5.8.1 C51语言主程序190
5.8.2 键盘扫描程序202
5.8.3 写TLC5618程序204
5.8.4 读MC14433程序205
5.8.5 显示缓冲器程序206
第6章 基于MCU和FPGA的相位测量仪
6.1 设计任务208
6.2 设计方案论证208
6.2.1 方案1： 以MCU为核心的实现方案209
6.2.2 方案2：  以MCU与FPGA相结合的实现方案214
6.3 系统硬件设计215
6.3.1 输入电路的设计216
6.3.2 MCU电路的设计217
6.3.3 FPGA电路的设计218
6.3.4 显示模块的设计219
6.3.5 相位测量仪总体电路219
6.4 系统软件设计222
6.4.1 FPGA的VHDL程序设计及源程序222
6.4.2 MCU的汇编语言程序设计及源程序227
6.5 系统设计总结244
6.5.1 整形电路对系统的影响244
6.5.2 改进的设计方案244
第7章 基于MCU和FPGA的出租车计费系统
7.1 设计任务246
7.2 方案设计与论证247
7.2.1 3种不同的设计方案247
7.2.2 方案比较与选择248
7.3 系统硬件设计249
7.3.1 AVR单片机的选择249
7.3.2 MCU电路、键盘及显示电路的设计252
7.3.3 FPGA电路的设计253
7.3.4 脉冲信号发生电路的设计254
7.3.5 系统硬件总体电路图255
7.3.6 PCB的设计与实物制作255
7.4 系统软件设计257
7.4.1 FPGA的程序设计思路258
7.4.2 FPGA的VHDL源程序清单及其仿真波形260
7.4.3 AVR单片机开发方法简介271
7.4.4 AVR单片机C语言程序设计思路279
7.4.5 AVR单片机C语言源程序清单282
7.5 系统设计总结297
第8章 基于RTX51的乐曲编辑和发生器
8.1 设计任务299
8.2 方案设计与论证299
8.2.1 以FPGA为核心的实现方案299
8.2.2 以MCU为核心的实现方案300
8.3 系统硬件设计300
8.3.1 系统硬件电路原理图301
8.3.2 人机交互界面301
8.4 系统软件设计303
8.4.1 乐曲的表示方法303
8.4.2 编辑乐曲的软件实现方法305
8.4.3 播放乐曲的软件实现方法307
8.4.4 系统软件流程框图308
8.5 系统源程序清单309
8.5.1 用户应用程序309
8.5.2 读AT24C02程序321
8.5.3 写AT24C02程序324
8.5.4 键盘扫描程序326
8.5.5 实时操作系统RTX51 Tiny内核程序328
8.6 系统设计总结328
第9章 基于RTX51的交通信号控制系统
9.1 设计任务329
9.2 方案设计与论证329
9.2.1 十字交叉路口交通信号简介329
9.2.2 以CPLD为核心的实现方案331
9.2.3 以MCU为核心的实现方案331
9.3 系统硬件设计331
9.3.1 交通信号灯控制电路图331
9.3.2 自适应倒计时器硬件电路图333
9.4 系统软件设计334
9.4.1 交通信号灯控制电路的软件设计334
9.4.2 自适应倒计时器的软件设计335
9.5 系统源程序清单338
9.5.1 交通信号灯控制电路的微控制器源程序338
9.5.2 自适应倒计时器的微控制器源程序341
9.6 系统设计总结349
第10章 电子系统抗干扰设计技术
10.1 概述350
10.1.1 电子系统的电磁兼容性350
10.1.2 程序失控（跑飞）的概念355
10.1.3 电子系统的可靠性与可靠性设计356
10.2 电子系统硬件抗干扰设计技术357
10.2.1 系统方案设计中的抗干扰设计原则357
10.2.2 器件选择的抗干扰设计技术358
10.2.3 PCB的抗干扰设计技术360
10.2.4 电子系统接地技术365
10.2.5 硬件看门狗设计技术369
10.3 电子系统软件抗干扰设计技术374
10.3.1 指令冗余设计技术375
10.3.2 软件陷阱设计技术375
10.3.3 软件看门狗设计技术381
10.3.4 基于RTOS的软件设计技术387
参考文献390