基于MCU、FPGA、RTOS的電子系統(tǒng)設(shè)計方法與實例

第1章 電子系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)
1.1電子系統(tǒng)設(shè)計流程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)計流程2
1.1.3 以PLD為核心的電子系統(tǒng)設(shè)計流程2
1.2 PCB的設(shè)計與制作方法5
1.2.1 實驗室條件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 常用簡單數(shù)字電路的VHDL程序31
1.5.1 計數(shù)器的設(shè)計31
1.5.2 分頻器的設(shè)計33
1.5.3 數(shù)據(jù)選擇器的設(shè)計34
1.5.4 顯示譯碼器的設(shè)計35
1.5.5 編碼器的設(shè)計37
1.6 本章小結(jié)38
第2章 基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法
2.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)的概念40
2.1.1 嵌入式系統(tǒng)的概念40
2.1.2 嵌入式實時操作系統(tǒng)簡介41
2.2 在電子系統(tǒng)設(shè)計中引入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 嵌入式實時操作系統(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)計方法56
2.4.1 目標(biāo)系統(tǒng)需求56
2.4.2 軟件設(shè)計指導(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
3.1 設(shè)計任務(wù)63
3.2 FPGA配置方案論證64
3.2.1 方案1： 采用PC機的配置方案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 被動串行配置模式時序分析72
3.3.5 配置文件簡介75
3.4 FPGA電路結(jié)構(gòu)可重配置系統(tǒng)硬件設(shè)計75
3.4.1 系統(tǒng)主要芯片的選擇75
3.4.2 MCU電路及存儲器電路79
3.4.3 基于FPGA的18路智力競賽電子搶答器電路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81
3.5.1 18路電子搶答器FPGA的VHDL程序設(shè)計及源程序83
3.5.2 數(shù)字顯示電子鐘FPGA的VHDL程序設(shè)計及源程序90
3.5.3 MCU的匯編語言程序設(shè)計及源程序94
3.6 系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)99
第4章 帶溫度巡檢功能的自動打鈴器
4.1 設(shè)計任務(wù)101
4.2 方案設(shè)計與論證102
4.2.1 鍵盤模塊設(shè)計方案的論證與比較102
4.2.2 顯示模塊設(shè)計方案的論證與比較102
4.2.3 時鐘模塊、MCU模塊設(shè)計方案的論證與比較103
4.2.4 溫度檢測模塊設(shè)計方案的論證與比較104
4.3 理論計算104
4.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計105
4.4.1 鍵盤電路105
4.4.2 顯示電路106
4.4.3 時鐘電路106
4.4.4 測溫電路107
4.4.5 串口通信電路108
4.4.6 自動打鈴器總體電路108
4.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計108
4.5.1 主程序流程框圖110
4.5.2 調(diào)時分秒功能函數(shù)流程框圖111
4.5.3 檢測DS18B20序列號功能函數(shù)流程框圖111
4.5.4 檢測溫度功能函數(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)前計時時間程序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DS18B20序列號程序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)計任務(wù)168
5.2 方案設(shè)計與論證168
5.2.1 D/A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計方案的論證與比較169
5.2.2 恒流源模塊設(shè)計方案的論證與比較170
5.2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計方案的論證與比較171
5.2.4 輔助電源、主電源設(shè)計方案的論證與比較171
5.2.5 鍵盤、顯示器設(shè)計方案的論證與比較172
5.3 理論計算與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)測試方法與結(jié)果分析184
5.6.1 測試使用的儀器184
5.6.2 恒流特性的測試184
5.6.3 電流步進(jìn)值為1 mA的測試185
5.6.4 紋波電流的測試185
5.6.5 負(fù)載輸出電流范圍的測試186
5.6.6 輸出電壓的測試186
5.6.7 1～99mA內(nèi)任意電流步進(jìn)值設(shè)置功能的測試186
5.6.8 測試結(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的相位測量儀
6.1 設(shè)計任務(wù)208
6.2 設(shè)計方案論證208
6.2.1 方案1： 以MCU為核心的實現(xiàn)方案209
6.2.2 方案2：  以MCU與FPGA相結(jié)合的實現(xiàn)方案214
6.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計215
6.3.1 輸入電路的設(shè)計216
6.3.2 MCU電路的設(shè)計217
6.3.3 FPGA電路的設(shè)計218
6.3.4 顯示模塊的設(shè)計219
6.3.5 相位測量儀總體電路219
6.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計222
6.4.1 FPGA的VHDL程序設(shè)計及源程序222
6.4.2 MCU的匯編語言程序設(shè)計及源程序227
6.5 系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)244
6.5.1 整形電路對系統(tǒng)的影響244
6.5.2 改進(jìn)的設(shè)計方案244
第7章 基于MCU和FPGA的出租車計費系統(tǒng)
7.1 設(shè)計任務(wù)246
7.2 方案設(shè)計與論證247
7.2.1 3種不同的設(shè)計方案247
7.2.2 方案比較與選擇248
7.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計249
7.3.1 AVR單片機的選擇249
7.3.2 MCU電路、鍵盤及顯示電路的設(shè)計252
7.3.3 FPGA電路的設(shè)計253
7.3.4 脈沖信號發(fā)生電路的設(shè)計254
7.3.5 系統(tǒng)硬件總體電路圖255
7.3.6 PCB的設(shè)計與實物制作255
7.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計257
7.4.1 FPGA的程序設(shè)計思路258
7.4.2 FPGA的VHDL源程序清單及其仿真波形260
7.4.3 AVR單片機開發(fā)方法簡介271
7.4.4 AVR單片機C語言程序設(shè)計思路279
7.4.5 AVR單片機C語言源程序清單282
7.5 系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)297
第8章 基于RTX51的樂曲編輯和發(fā)生器
8.1 設(shè)計任務(wù)299
8.2 方案設(shè)計與論證299
8.2.1 以FPGA為核心的實現(xiàn)方案299
8.2.2 以MCU為核心的實現(xiàn)方案300
8.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計300
8.3.1 系統(tǒng)硬件電路原理圖301
8.3.2 人機交互界面301
8.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計303
8.4.1 樂曲的表示方法303
8.4.2 編輯樂曲的軟件實現(xiàn)方法305
8.4.3 播放樂曲的軟件實現(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 實時操作系統(tǒng)RTX51 Tiny內(nèi)核程序328
8.6 系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)328
第9章 基于RTX51的交通信號控制系統(tǒng)
9.1 設(shè)計任務(wù)329
9.2 方案設(shè)計與論證329
9.2.1 十字交叉路口交通信號簡介329
9.2.2 以CPLD為核心的實現(xiàn)方案331
9.2.3 以MCU為核心的實現(xiàn)方案331
9.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計331
9.3.1 交通信號燈控制電路圖331
9.3.2 自適應(yīng)倒計時器硬件電路圖333
9.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計334
9.4.1 交通信號燈控制電路的軟件設(shè)計334
9.4.2 自適應(yīng)倒計時器的軟件設(shè)計335
9.5 系統(tǒng)源程序清單338
9.5.1 交通信號燈控制電路的微控制器源程序338
9.5.2 自適應(yīng)倒計時器的微控制器源程序341
9.6 系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)349
第10章 電子系統(tǒng)抗干擾設(shè)計技術(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356
10.2 電子系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計技術(shù)357
10.2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計中的抗干擾設(shè)計原則357
10.2.2 器件選擇的抗干擾設(shè)計技術(shù)358
10.2.3 PCB的抗干擾設(shè)計技術(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)計技術(shù)369
10.3 電子系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計技術(shù)374
10.3.1 指令冗余設(shè)計技術(shù)375
10.3.2 軟件陷阱設(shè)計技術(shù)375
10.3.3 軟件看門狗設(shè)計技術(shù)381
10.3.4 基于RTOS的軟件設(shè)計技術(shù)387
參考文獻(xiàn)390