嵌入式系统电子应用设计

本书的主要内容包括：理想与现实，连接、组件、数字、信号。嵌入式系统架构设计。根据应用、速度、距离选择数字接口。多电压电源供应。高频电源完整性。电池和充电系统。EMI（电磁干扰）降低和ESD（静电放电）保护。驱动和传感外围设备。数字反馈控制系统。功耗和成本优化。特殊系统：消费类、医疗类、工业类、汽车类、航空航天类。包括可制造性、产量和低噪声的PCB（印刷电路板）设计。

目录
前言 1
第1 章 基本概念 9
1.1 基础电子学 .9
1.2 学术界的理想简化 12
1.3 互连 .12
1.4 基本组件17
1.4.1 电容 17
1.4.2 电阻 21
1.4.3 电感器 23
1.4.4 电压源和电池 25
1.4.5 电流源 26
1.4.6 开关和继电器 26
1.4.7 运算放器 27
1.4.8 电压比较器 28
1.5 非理想数字设备 29
1.6 信号完整性 33
1.7 总结和结论 34
1.8 拓展阅读35
第2 章 系统架构 37
2.1 传统设计方法 .38
2.1.1 仿真或构建 38
2.1.2 通孔/ 引线元件（已过时） 38
2.1.3 离散门电路（已过时） 38
2.2 现代设计方法 .39
2.2.1 主流数字设计 42
2.2.2 DSP 方法：多功能性和局限性 43
2.2.3 数字控制方法：DCU、MCU、MPU、FPGA、CPLD、ASIC 46
2.3 MCU 和MPU 规范中的术语 47
2.4 硬件控制器 49
2.5 软件控制器 50
2.6 计算机与控制器 51
2.6.1 树莓派RPi（MPU）与Arduino（MCU） 51
2.6.2 多用途MCU 和专用MCU .52
2.7 芯片集方法 53
2.8 系统架构选项 .55
2.8.1 确定外设和互连 60
2.8.2 避免串行通信瓶颈 .65
2.8.3 使用直接内存访问（DMA）传输数据 65
2.8.4 确定DSP 的方法 .66
2.8.5 检查DSP 瓶颈 .68
2.8.6 提高DSP 速度 .70
2.8.7 确定DCU 内部功能 71
2.9 物理封装注意事项 76
2.10 片外功能和支持 .77
2.11 整合 79
2.12 选择DCU 配置和MCU/MPU .79
2.12.1 特色功能或特点 79
2.12.2 多MCU 系统 80
2.12.3 通用MCU 系统 .80
2.12.4 选择特定的MCU .81
2.13 总结和结论 81
2.14 拓展阅读 .82
第3 章 鲁棒的数字通信 .85
3.1 数字信号、物理考虑因素和连接 .86
3.1.1 地参考数字信号的局限性 86
3.1.2 低压差分信号 87
3.1.3 组织互连以提高速度和信号完整性 89
3.1.4 集合式网络与分布式网络 91
3.1.5 时钟分配 .99
3.2 数字通信：并行端口与串行端口 104
3.3 串行端口的时钟方法 105
3.3.1 起始边沿同步 .105
3.3.2 并行时钟 106
3.3.3 曼彻斯特代码自时钟106
3.3.4 嵌入式时钟和游程长度受限码 107
3.4 数字通信：特征和定义 108
3.5 串行数据：共享接地，低速 . 111
3.5.1 通用异步收发器 111
3.5.2 集成电路和系统管理总线 113
3.5.3 串行外设接口 . 115
3.5.4 单线接口 116
3.6 串行数据：共享接地，高速 . 117
3.7 板之间或系统之间的数据：有线方法 . 118
3.7.1 RS-232：通过电缆传输的串行数据 119
3.7.2 RS-485：通过电缆传输的差分串行数据 .121
3.7.3 控制器局域网 .123
3.8 计算机系统的串行数据 124
3.8.1 通用串行总线 .125
3.8.2 串行ATA 127
3.8.3 快速外设组件互连PCIe 128
3.8.4 以太网 130
3.9 无线串行接口 132
3.9.1 无线网络Wi-Fi .132
3.9.2 蓝牙 .133
3.9.3 低功耗蓝牙 .134
3.9.4 ZigBee 135
3.9.5 Z-Wave 137
3.9.6 自适应网络拓扑 137
3.10 其他数据通信方法 137
3.10.1 红外线 .137
3.10.2 光纤数据：又快又远 137
3.10.3 JTAG：用于测试和配置的PCB 访问 .138
3.11 总结和结论 .140
3.12 拓展阅读 141
第4 章 电力系统 . 145
4.1 分相交流电源 146
4.2 交流电源安全性：定义问题 .147
4.2.1 高低压分区 .147
4.2.2 安全故障方法和单一故障安全场景 149
4.2.3 过流保护方法和最薄弱环节 150
4.3 交流/ 直流转换 152
4.3.1 经典方法：60Hz 变压器 152
4.3.2 离线切换器 .153
4.4 多PCB 系统：使用局部电源调节 .154
4.5 直流/ 直流转换：线性与开关 .155
4.5.1 线性稳压器：概念 155
4.5.2 发射极跟随稳压器与低压差线性稳压器LDO 156
4.5.3 开关降压转换器 157
4.5.4 开关升压转换器 160
4.5.5 开关降压– 升压转换器 .161
4.6 选择稳压器并配置电源系统 .162
4.6.1 使用电源监视器 166
4.6.2 电源旁路、去耦和滤波 .166
4.6.3 降低辐射噪声：RC 缓冲器、铁氧体和滤波器 .167
4.6.4 降低功率输出噪声：阻尼LPF 网络和级联稳压器 .168
4.7 数字逻辑导致电网电流浪涌 .168
4.7.1 低阻抗电源和接地层169
4.7.2 电源旁路滤波：分布式稳定 170
4.7.3 高频旁路电容器 171
4.7.4 电源旁路电容值和分布 .173
4.8 总结和结论 176
4.9 拓展阅读.177
第5 章 电池电源 . 179
5.1 电池基础知识：定义 179
5.1.1 可充电或一次性电池的决策指南 .184
5.1.2 定义电源要求 .185
5.1.3 电池放电与功能电压范围的关系 .186
5.1.4 按化学成分分类的电池类型 187
5.1.5 电池的放电行为 191
5.2 设计电池组：单次使用和多节电池195
5.3 设计可充电定制电池组 198
5.4 电池充电.204
5.5 智能电池.206
5.6 电池法规和安全 .208
5.7 其他能量存储和访问方法 .209
5.7.1 超级电容 210
5.7.2 氢燃料电池 .210
5.7.3 液流电池 211
5.7.4 无线充电 212
5.7.5 固态电池 214
5.8 总结和结论 215
5.9 拓展阅读.216
第6 章 电磁干扰和静电放电 219
6.1 初步想法.220
6.1.1 固有噪声 221
6.1.2 处理EMI 的总体策略 222
6.1.3 法规和要求 .223
6.1.4 噪声耦合的可视化 225
6.1.5 EMI 频域分析 227
6.2 接地 234
6.3 减少交流电源的传导辐射 .238
6.4 电缆互连策略 239
6.5 从源头减少噪声产生 241
6.5.1 时钟更慢，过渡更柔和 .242
6.5.2 使用LVDS 的数字数据可降低EMI 243
6.5.3 使用扩频时钟降低EMI 243
6.5.4 降低开关模式电源的EMI 244
6.5.5 意料之外的EMI 天线 246
6.5.6 电机上的EMI 抑制 .246
6.6 减少板载设备之间的噪声耦合 247
6.6.1 识别“话家”和敏感的“倾听者” 248
6.6.2 针对噪声对PCB 进行平面规划 249
6.6.3 遏制或防止EMI 的法拉第笼方法 251
6.7 降低电路对噪声的敏感度 .252
6.7.1 噪声敏感的高阻抗节点 .252
6.7.2 差分信号的抗噪性 253
6.7.3 通过带宽限制实现抗噪性 254
6.8 抑制进出系统的噪声：法拉第笼技术 .257
6.9 静电放电保护 260
6.10 总结和结论 .267
6.11 拓展阅读 269
第7 章 数据转换器：ADC 和DAC . 271
7.1 DAC 性能基础知识 271
7.2 ADC 性能基础 .277
7.3 ADC 输入的抗混叠滤波器 281
7.4 脉冲宽度调制DAC 282
7.5 通过直接数字合成生成任意波形 287
7.6 总结和结论 289
7.7 拓展阅读.289
第8 章 驱动外围设备 291
8.1 开关驱动电路 292
8.1.1 高压侧和低压侧开关292
8.1.2 功率负载隔离 294
8.1.3 驱动信号策略 .295
8.1.4 功率晶体管选择 296
8.1.5 功率晶体管热性能 301
8.1.6 驱动LED 和蜂鸣器.304
8.2 选择静态显示器 .308
8.3 流媒体视频输出 .310
8.4 驱动感性负载 310
8.4.1 开关电感器中的瞬态电流 310
8.4.2 驱动电磁阀和继电器312
8.5 H 桥驱动电路 314
8.6 驱动直流电机 317
8.6.1 电机选择 318
8.6.2 有刷直流电机驱动电路 .319
8.6.3 无刷直流电机：单相和三相 320
8.6.4 带集成控制电子设备的电机 321
8.6.5 步进电机 322
8.6.6 音圈电机 324
8.6.7 滞流和防止自毁 325
8.7 音频输出.327
8.8 总结和结论 328
8.9 拓展阅读.329
第9 章 传感外围设备 331
9.1 无处不在的传感器 .332
9.2 传感器输出类型 .333
9.3 传感器数据采集和校准 335
9.3.1 数据采集方法 .335
9.3.2 传感器校准 .336
9.3.3 传感器响应时间 336
9.4 双状态器件：开关、光断路器和霍尔传感器 337
9.5 位置和旋转编码器 .339
9.6 模拟线性传感器：近距离观察 341
9.6.1 模拟传感器的特性 342
9.6.2 模拟传感器的信号处理 .344
9.6.3 传感器校准 .346
9.6.4 电流检测方法 .348
9.6.5 电压检测 350
9.7 传感器的具体应用 .351
9.7.1 压力传感器 .351
9.7.2 温度传感器 .353
9.7.3 应变仪 356
9.7.4 声音和麦克风 .360
9.7.5 图像传感器和摄像机364
9.7.6 触摸屏 367
9.8 总结和结论 371
9.9 拓展阅读.372
第10 章 数字反馈控制 . 375
10.1 顺序控制和反馈控制概述376
10.2 数字与模拟电路方法 .378
10.3 初步定义和概念 380
10.3.1 传递函数、框图和基本反馈 381
10.3.2 瞬态响应术语 383
10.4 DUC 性能选择 385
10.5 顺序控制 390
10.6 模拟控制系统的选择重点395
10.6.1 线性系统和近似值 397
10.6.2 稳定控制环的波特图 399
10.6.3 增益和相位响应的波特图 .401
10.6.4 控制环路增益和相位的波特图 403
10.6.5 积分和微分响应的波特图 .405
10.6.6 固定时间延迟的波特图 406
10.7 过渡到数字控制 407
10.7.1 确定DUC 的稳定性 .409
10.7.2 DAC 的性能要求 410
10.7.3 控制数学的准确性 412
10.7.4 ADC 的性能要求 412
10.7.5 ADC 采样率确定 412
10.7.6 ADC 和DAC 的最终选择 .414
10.7.7 提高相位裕度的双时钟策略 414
10.7.8 数字梯形积分 415
10.7.9 数字积分：限制积分饱和 .416
10.7.10 基于相邻样本的数字微分 416
10.7.11 DSP 中的附加时间延迟 417
10.8 PID 控制实现 .418
10.8.1 响应变量：P、I、PI 和PID .421
10.8.2 增益调整的典型效果 425
10.8.3 Ziegler Nichols（Z-N）调谐 425
10.8.4 Chien-Hrones-Reswick（CHR）调谐 428
10.9 组件方差和控制调整 .431
10.10 自适应控制方法.432
10.11 轨迹控制方法 .434
10.12 总结和结论 438
10.13 拓展阅读 440
第11 章 PCB 原理图 443
11.1 PCB 术语 .444
11.2 PCB 设计（EDA）工具 447
11.3 入门 448
11.4 元件选择 448
11.4.1 选择RLC 组件 448
11.4.2 选择板外电线的连接器 451
11.4.3 选择IC 封装 .452
11.4.4 核查元器件停产风险与批量供应能力 .453
11.5 测试访问和接口端口 .454
11.6 电路原理图 .455
11.6.1 电路原理图和一般组织结构 .455
11.6.2 集成电路的符号组织 458
11.6.3 占位符和“不填充”组件 .459
11.6.4 提供清楚的注释 .459
11.6.5 避免模棱两可 460
11.6.6 需要特别注意的事项 460
11.7 物料清单 461
11.8 定义物理层、控制层和数据层 .461
11.9 定义元件封装 462
11.10 PCB 的机械定义 464
11.10.1 公制与英制测量 465
11.10.2 PCB 安装 .465
11.10.3 通过机械安装进行电气接地 466
11.10.4 钻孔间距和保留区 466
11.10.5 连接PCB 的电缆 .467
11.10.6 PCB 对齐参考 467
11.10.7 保形涂层 .468
11.10.8 使用钉床的测试夹具 .468
11.11 定义PCB 层堆叠 469
11.12 层间电容 474
11.13 物理设计规则 .475
11.14 元件布局策略 .481
11.15 一般互连方法 .484
11.15.1 RLC 寄生效应的简单估计 484
11.15.2 最走线电流 485
11.15.3 确定最小几何走线要求 486
11.16 通孔和微通孔 .488
11.17 导热通孔 491
11.18 专用互连方法 .493
11.18.1 差分信号布线 493
11.18.2 微带传输线 .493
11.18.3 带状线传输线 494
11.18.4 差分微带线和带状线 .495
11.18.5 开尔文连接 .495
11.19 EMI 和ESD 策略 496
11.19.1 完整的接地层以降低EMI 496
11.19.2 淹没式信号层接地以降低EMI.497
11.19.3 ESD 互连 .498
11.19.4 高频电源旁路方法 499
11.20 制造和装配特性 .499
11.20.1 一致的铜覆盖率 500
11.20.2 面板化和分割方法 500
11.20.3 制作说明 .501
11.20.4 制造（Gerber）文件 .503
11.21 总结和结论 504
11.22 拓展阅读 505
第12 章 软件和编码 . 507
12.1 编码语言 508
12.2 操作系统 508
12.2.1 选择RTOS 509
12.2.2 其他RTOS 注意事项 513
12.3 配置端口和处理器 513
12.4 设备驱动程序 515
12.4.1 可移植性问题 516
12.4.2 外设通信 516
12.4.3 启动外设通信 517
12.4.4 设备驱动特性 518
12.4.5 DD 代码的模块化/ 层次结构 518
12.4.6 DD 测试 .519
12.5 防御性编码方法 519
12.5.1 预处理数据输入（无效数据） 520
12.5.2 预处理数据输入（带宽限制） 520
12.5.3 预处理数据（人工输入） .520
12.5.4 后台重新初始化 .521
12.5.5 看门狗定时器 523
12.5.6 多控制器编码 524
12.6 对条理清晰代码的几点建议 525
12.7 总结和结论 .526
12.8 拓展阅读 527
第13 章 特殊系统和应用 . 529
13.1 不同电子产品用于不同的优先事项 530
13.2 设计重点事项 530
13.2.1 产品成本 530
13.2.2 质量和可靠性 530
13.2.3 功耗 531
13.2.4 安全性 .531
13.2.5 向后兼容性531
13.2.6 坚固耐用和用户滥用 531
13.2.7 维修能力 532
13.3 对开发流程的合规监管要求 532
13.4 风险分析 537
13.5 航空电子（航空电子设备） 539
13.5.1 设计重点 540
13.5.2 特殊需求 540
13.5.3 法规、认证和批准 540
13.6 卫星和航天器（航天电子设备） 541
13.6.1 辐射 542
13.6.2 热极限 .543
13.6.3 振动、冲击和加速 543
13.6.4 真空环境 543
13.6.5 部件选择和NASA 批准的零件 544
13.6.6 PCB 材料和布局 545
13.6.7 航天器的有限寿命 545
13.6.8 法规、认证和批准 547
13.7 军事电子 548
13.7.1 设计重点和独特要求 549
13.7.2 法规、认证和批准 550
13.8 医疗器械 551
13.8.1 法规、认证和批准 553
13.8.2 整个EMC 测试中的功能正常 .555
13.8.3 特殊需求 555
13.8.4 软件和固件的监管要求 559
13.9 汽车 559
13.9.1 典型电子控制单元 560
13.9.2 设计重点和特殊需求 562
13.9.3 法规、认证和批准 563
13.10 消费电子产品 .567
13.10.1 设计重点 .567
13.10.2 特殊兴趣团体、技术联盟和技术标准 569
13.10.3 法规、认证和批准 .570
13.10.4 限制有害物质 571
13.10.5 化学品注册、评估、许可和限制（REACH） .571
13.11 工业自动化 571
13.12 总结和结论 574
13.13 拓展阅读 575
第14 章 创造杰出的产品 . 579
14.1 创造能解决问题或满足需求的产品 580
14.2 确定目标市场 581
14.3 确定客户想要什么 581
14.4 研究竞争产品 583
14.5 定义价值主张 583
14.6 确定可行的定价 583
14.7 确定适当的市场窗口时间584
14.8 建立联盟和战略合作伙伴584
14.9 注重易用性 .585
14.10 确定所需资源 .586
14.11 获得设计规范共识 586
14.12 最小设计和功能迭代 586
14.13 尽早识别障碍 .587
14.14 获取用户对原型的反馈 .587
14.15 易于制造 588
14.16 总结和结论 588
14.17 拓展阅读 589
缩略语 591