基于MCU、FPGA、RTOS的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與實(shí)例

第1章 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
1.1電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程1
1.1.1 電子系統(tǒng)的概念1
1.1.2 以MCU為核心的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程2
1.1.3 以PLD為核心的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程2
1.2 PCB的設(shè)計(jì)與制作方法5
1.2.1 實(shí)驗(yàn)室條件6
1.2.2 Protel 99SE疑難問題及其解決方法6
1.2.3 PCB的設(shè)計(jì)與制作步驟14
1.3 微控制器軟件開發(fā)環(huán)境22
1.3.1 微控制器及其開發(fā)環(huán)境的選擇22
1.3.2 Keil C51 μVision2集成開發(fā)環(huán)境23
1.4 CPLD/FPGA開發(fā)環(huán)境29
1.4.1 CPLD/FPGA芯片及其開發(fā)環(huán)境的選擇29
1.4.2 MAX + PlusⅡ開發(fā)環(huán)境30
1.5 常用簡(jiǎn)單數(shù)字電路的VHDL程序31
1.5.1 計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)31
1.5.2 分頻器的設(shè)計(jì)33
1.5.3 數(shù)據(jù)選擇器的設(shè)計(jì)34
1.5.4 顯示譯碼器的設(shè)計(jì)35
1.5.5 編碼器的設(shè)計(jì)37
1.6 本章小結(jié)38
第2章 基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法
2.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念40
2.1.1 嵌入式系統(tǒng)的概念40
2.1.2 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介41
2.2 在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入RTOS的意義42
2.2.1 兩種編程思路的比較42
2.2.2 嵌入式應(yīng)用中使用嵌入式RTOS的必要性43
2.2.3 嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境中的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)44
2.2.4 嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下的應(yīng)用軟件調(diào)試44
2.3 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51介紹45
2.3.1 RTX51的技術(shù)參數(shù)45
2.3.2 幾個(gè)概念46
2.3.3 RTX Tiny內(nèi)核分析50
2.3.4 RTX Tiny內(nèi)核源代碼54
2.4 基于RTX51的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)方法56
2.4.1 目標(biāo)系統(tǒng)需求56
2.4.2 軟件設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針56
2.4.3 任務(wù)劃分的原則57
2.4.4 應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)60
2.5 本章小結(jié)62
第3章 基于FPGA電路重構(gòu)技術(shù)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)63
3.2 FPGA配置方案論證64
3.2.1 方案1： 采用PC機(jī)的配置方案64
3.2.2 方案2： 采用專用配置芯片的配置方案66
3.2.3 方案3： 采用單片機(jī)在線配置FPGA的配置方案67
3.2.4 方案4： 采用CPLD在線配置FPGA的配置方案68
3.2.5 方案5： 采用DSP在線配置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 可編程邏輯器件發(fā)展概述69
3.3.2 FPGA 芯片內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)可重配置技術(shù)71
3.3.3 FPGA的配置模式71
3.3.4 被動(dòng)串行配置模式時(shí)序分析72
3.3.5 配置文件簡(jiǎn)介75
3.4 FPGA電路結(jié)構(gòu)可重配置系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)75
3.4.1 系統(tǒng)主要芯片的選擇75
3.4.2 MCU電路及存儲(chǔ)器電路79
3.4.3 基于FPGA的18路智力競(jìng)賽電子搶答器電路79
3.4.4 基于FPGA的數(shù)字顯示電子鐘電路80
3.4.5 系統(tǒng)總體硬件電路圖81
3.5 FPGA電路結(jié)構(gòu)可重配置系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)81
3.5.1 18路電子搶答器FPGA的VHDL程序設(shè)計(jì)及源程序83
3.5.2 數(shù)字顯示電子鐘FPGA的VHDL程序設(shè)計(jì)及源程序90
3.5.3 MCU的匯編語言程序設(shè)計(jì)及源程序94
3.6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)99
第4章 帶溫度巡檢功能的自動(dòng)打鈴器
4.1 設(shè)計(jì)任務(wù)101
4.2 方案設(shè)計(jì)與論證102
4.2.1 鍵盤模塊設(shè)計(jì)方案的論證與比較102
4.2.2 顯示模塊設(shè)計(jì)方案的論證與比較102
4.2.3 時(shí)鐘模塊、MCU模塊設(shè)計(jì)方案的論證與比較103
4.2.4 溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)方案的論證與比較104
4.3 理論計(jì)算104
4.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)105
4.4.1 鍵盤電路105
4.4.2 顯示電路106
4.4.3 時(shí)鐘電路106
4.4.4 測(cè)溫電路107
4.4.5 串口通信電路108
4.4.6 自動(dòng)打鈴器總體電路108
4.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)108
4.5.1 主程序流程框圖110
4.5.2 調(diào)時(shí)分秒功能函數(shù)流程框圖111
4.5.3 檢測(cè)DS18B20序列號(hào)功能函數(shù)流程框圖111
4.5.4 檢測(cè)溫度功能函數(shù)流程框圖112
4.5.5 操作DS18B20的子程序流程框圖112
4.6 系統(tǒng)使用說明書115
4.6.1 鍵盤界面116
4.6.2 菜單操作117
4.7 系統(tǒng)源程序清單118
4.7.1 C51語言主程序118
4.7.2 讀DS12C887程序145
4.7.3 寫DS12C887程序145
4.7.4 鍵盤掃描程序146
4.7.5 顯示當(dāng)前計(jì)時(shí)時(shí)間程序148
4.7.6 顯示緩沖器程序151
4.7.7 顯示菜單程序152
4.7.8 讀AT24C02程序153
4.7.9 寫AT24C02程序156
4.7.10 檢測(cè)DS18B20序列號(hào)程序159
4.7.11 讀溫度值程序162
第5章 數(shù)控直流電流源
5.1 設(shè)計(jì)任務(wù)168
5.2 方案設(shè)計(jì)與論證168
5.2.1 D/A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方案的論證與比較169
5.2.2 恒流源模塊設(shè)計(jì)方案的論證與比較170
5.2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)方案的論證與比較171
5.2.4 輔助電源、主電源設(shè)計(jì)方案的論證與比較171
5.2.5 鍵盤、顯示器設(shè)計(jì)方案的論證與比較172
5.3 理論計(jì)算與EWB仿真173
5.3.1 采樣電阻值的確定173
5.3.2 D/A轉(zhuǎn)換器分辨率的確定174
5.3.3 TLC5618參考電壓的確定174
5.3.4 主電源參數(shù)的確定174
5.3.5 用EWB進(jìn)行電路仿真175
5.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)176
5.4.1 MCU微控制器、鍵盤、顯示器電路圖176
5.4.2 D/A轉(zhuǎn)換模塊、恒流源模塊的電路圖176
5.4.3 數(shù)據(jù)采集模塊的電路圖179
5.4.4 輔助電源、主電源的電路圖180
5.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)181
5.5.1 主程序流程框圖181
5.5.2 設(shè)置輸出電流給定值程序流程框圖182
5.5.3 設(shè)置電流步進(jìn)值程序流程框圖182
5.5.4 鍵盤掃描程序流程框圖182
5.6 系統(tǒng)測(cè)試方法與結(jié)果分析184
5.6.1 測(cè)試使用的儀器184
5.6.2 恒流特性的測(cè)試184
5.6.3 電流步進(jìn)值為1 mA的測(cè)試185
5.6.4 紋波電流的測(cè)試185
5.6.5 負(fù)載輸出電流范圍的測(cè)試186
5.6.6 輸出電壓的測(cè)試186
5.6.7 1～99mA內(nèi)任意電流步進(jìn)值設(shè)置功能的測(cè)試186
5.6.8 測(cè)試結(jié)果分析187
5.7 系統(tǒng)使用說明書188
5.7.1 鍵盤界面188
5.7.2 菜單操作189
5.8 系統(tǒng)源程序清單189
5.8.1 C51語言主程序190
5.8.2 鍵盤掃描程序202
5.8.3 寫TLC5618程序204
5.8.4 讀MC14433程序205
5.8.5 顯示緩沖器程序206
第6章 基于MCU和FPGA的相位測(cè)量儀
6.1 設(shè)計(jì)任務(wù)208
6.2 設(shè)計(jì)方案論證208
6.2.1 方案1： 以MCU為核心的實(shí)現(xiàn)方案209
6.2.2 方案2：  以MCU與FPGA相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案214
6.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)215
6.3.1 輸入電路的設(shè)計(jì)216
6.3.2 MCU電路的設(shè)計(jì)217
6.3.3 FPGA電路的設(shè)計(jì)218
6.3.4 顯示模塊的設(shè)計(jì)219
6.3.5 相位測(cè)量儀總體電路219
6.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)222
6.4.1 FPGA的VHDL程序設(shè)計(jì)及源程序222
6.4.2 MCU的匯編語言程序設(shè)計(jì)及源程序227
6.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)244
6.5.1 整形電路對(duì)系統(tǒng)的影響244
6.5.2 改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案244
第7章 基于MCU和FPGA的出租車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)
7.1 設(shè)計(jì)任務(wù)246
7.2 方案設(shè)計(jì)與論證247
7.2.1 3種不同的設(shè)計(jì)方案247
7.2.2 方案比較與選擇248
7.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)249
7.3.1 AVR單片機(jī)的選擇249
7.3.2 MCU電路、鍵盤及顯示電路的設(shè)計(jì)252
7.3.3 FPGA電路的設(shè)計(jì)253
7.3.4 脈沖信號(hào)發(fā)生電路的設(shè)計(jì)254
7.3.5 系統(tǒng)硬件總體電路圖255
7.3.6 PCB的設(shè)計(jì)與實(shí)物制作255
7.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)257
7.4.1 FPGA的程序設(shè)計(jì)思路258
7.4.2 FPGA的VHDL源程序清單及其仿真波形260
7.4.3 AVR單片機(jī)開發(fā)方法簡(jiǎn)介271
7.4.4 AVR單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)思路279
7.4.5 AVR單片機(jī)C語言源程序清單282
7.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)297
第8章 基于RTX51的樂曲編輯和發(fā)生器
8.1 設(shè)計(jì)任務(wù)299
8.2 方案設(shè)計(jì)與論證299
8.2.1 以FPGA為核心的實(shí)現(xiàn)方案299
8.2.2 以MCU為核心的實(shí)現(xiàn)方案300
8.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)300
8.3.1 系統(tǒng)硬件電路原理圖301
8.3.2 人機(jī)交互界面301
8.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)303
8.4.1 樂曲的表示方法303
8.4.2 編輯樂曲的軟件實(shí)現(xiàn)方法305
8.4.3 播放樂曲的軟件實(shí)現(xiàn)方法307
8.4.4 系統(tǒng)軟件流程框圖308
8.5 系統(tǒng)源程序清單309
8.5.1 用戶應(yīng)用程序309
8.5.2 讀AT24C02程序321
8.5.3 寫AT24C02程序324
8.5.4 鍵盤掃描程序326
8.5.5 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51 Tiny內(nèi)核程序328
8.6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)328
第9章 基于RTX51的交通信號(hào)控制系統(tǒng)
9.1 設(shè)計(jì)任務(wù)329
9.2 方案設(shè)計(jì)與論證329
9.2.1 十字交叉路口交通信號(hào)簡(jiǎn)介329
9.2.2 以CPLD為核心的實(shí)現(xiàn)方案331
9.2.3 以MCU為核心的實(shí)現(xiàn)方案331
9.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)331
9.3.1 交通信號(hào)燈控制電路圖331
9.3.2 自適應(yīng)倒計(jì)時(shí)器硬件電路圖333
9.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)334
9.4.1 交通信號(hào)燈控制電路的軟件設(shè)計(jì)334
9.4.2 自適應(yīng)倒計(jì)時(shí)器的軟件設(shè)計(jì)335
9.5 系統(tǒng)源程序清單338
9.5.1 交通信號(hào)燈控制電路的微控制器源程序338
9.5.2 自適應(yīng)倒計(jì)時(shí)器的微控制器源程序341
9.6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)349
第10章 電子系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)
10.1 概述350
10.1.1 電子系統(tǒng)的電磁兼容性350
10.1.2 程序失控（跑飛）的概念355
10.1.3 電子系統(tǒng)的可靠性與可靠性設(shè)計(jì)356
10.2 電子系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)357
10.2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中的抗干擾設(shè)計(jì)原則357
10.2.2 器件選擇的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)358
10.2.3 PCB的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)360
10.2.4 電子系統(tǒng)接地技術(shù)365
10.2.5 硬件看門狗設(shè)計(jì)技術(shù)369
10.3 電子系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)374
10.3.1 指令冗余設(shè)計(jì)技術(shù)375
10.3.2 軟件陷阱設(shè)計(jì)技術(shù)375
10.3.3 軟件看門狗設(shè)計(jì)技術(shù)381
10.3.4 基于RTOS的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)387
參考文獻(xiàn)390