基于MCU、FPGA、RTOS的電子系統設計方法與實例

第1章 電子系統設計基礎
1.1電子系統設計流程1
1.1.1 電子系統的概念1
1.1.2 以MCU為核心的電子系統設計流程2
1.1.3 以PLD為核心的電子系統設計流程2
1.2 PCB的設計與制作方法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 常用簡單數字電路的VHDL程序31
1.5.1 計數器的設計31
1.5.2 分頻器的設計33
1.5.3 數據選擇器的設計34
1.5.4 顯示譯碼器的設計35
1.5.5 編碼器的設計37
1.6 本章小結38
第2章 基于嵌入式實時操作系統的軟件設計方法
2.1 嵌入式實時操作系統的概念40
2.1.1 嵌入式系統的概念40
2.1.2 嵌入式實時操作系統簡介41
2.2 在電子系統設計中引入RTOS的意義42
2.2.1 兩種編程思路的比較42
2.2.2 嵌入式應用中使用嵌入式RTOS的必要性43
2.2.3 嵌入式操作系統環(huán)境中的應用軟件設計44
2.2.4 嵌入式操作系統環(huán)境下的應用軟件調試44
2.3 嵌入式實時操作系統RTX51介紹45
2.3.1 RTX51的技術參數45
2.3.2 幾個概念46
2.3.3 RTX Tiny內核分析50
2.3.4 RTX Tiny內核源代碼54
2.4 基于RTX51的應用軟件設計方法56
2.4.1 目標系統需求56
2.4.2 軟件設計指導方針56
2.4.3 任務劃分的原則57
2.4.4 應用程序的結構60
2.5 本章小結62
第3章 基于FPGA電路重構技術的電子系統設計
3.1 設計任務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 芯片內部電路結構可重配置技術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電路結構可重配置系統硬件設計75
3.4.1 系統主要芯片的選擇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的數字顯示電子鐘電路80
3.4.5 系統總體硬件電路圖81
3.5 FPGA電路結構可重配置系統軟件設計81
3.5.1 18路電子搶答器FPGA的VHDL程序設計及源程序83
3.5.2 數字顯示電子鐘FPGA的VHDL程序設計及源程序90
3.5.3 MCU的匯編語言程序設計及源程序94
3.6 系統設計總結99
第4章 帶溫度巡檢功能的自動打鈴器
4.1 設計任務101
4.2 方案設計與論證102
4.2.1 鍵盤模塊設計方案的論證與比較102
4.2.2 顯示模塊設計方案的論證與比較102
4.2.3 時鐘模塊、MCU模塊設計方案的論證與比較103
4.2.4 溫度檢測模塊設計方案的論證與比較104
4.3 理論計算104
4.4 系統硬件設計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 系統軟件設計108
4.5.1 主程序流程框圖110
4.5.2 調時分秒功能函數流程框圖111
4.5.3 檢測DS18B20序列號功能函數流程框圖111
4.5.4 檢測溫度功能函數流程框圖112
4.5.5 操作DS18B20的子程序流程框圖112
4.6 系統使用說明書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 數控直流電流源
5.1 設計任務168
5.2 方案設計與論證168
5.2.1 D/A轉換模塊設計方案的論證與比較169
5.2.2 恒流源模塊設計方案的論證與比較170
5.2.3 數據采集模塊設計方案的論證與比較171
5.2.4 輔助電源、主電源設計方案的論證與比較171
5.2.5 鍵盤、顯示器設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 主電源參數的確定174
5.3.5 用EWB進行電路仿真175
5.4 系統硬件設計176
5.4.1 MCU微控制器、鍵盤、顯示器電路圖176
5.4.2 D/A轉換模塊、恒流源模塊的電路圖176
5.4.3 數據采集模塊的電路圖179
5.4.4 輔助電源、主電源的電路圖180
5.5 系統軟件設計181
5.5.1 主程序流程框圖181
5.5.2 設置輸出電流給定值程序流程框圖182
5.5.3 設置電流步進值程序流程框圖182
5.5.4 鍵盤掃描程序流程框圖182
5.6 系統測試方法與結果分析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 電流步進值為1 mA的測試185
5.6.4 紋波電流的測試185
5.6.5 負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內任意電流步進值設置功能的測試186
5.6.8 測試結果分析187
5.7 系統使用說明書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 設計任務208
6.2 設計方案論證208
6.2.1 方案1： 以MCU為核心的實現方案209
6.2.2 方案2：  以MCU與FPGA相結合的實現方案214
6.3 系統硬件設計215
6.3.1 輸入電路的設計216
6.3.2 MCU電路的設計217
6.3.3 FPGA電路的設計218
6.3.4 顯示模塊的設計219
6.3.5 相位測量儀總體電路219
6.4 系統軟件設計222
6.4.1 FPGA的VHDL程序設計及源程序222
6.4.2 MCU的匯編語言程序設計及源程序227
6.5 系統設計總結244
6.5.1 整形電路對系統的影響244
6.5.2 改進的設計方案244
第7章 基于MCU和FPGA的出租車計費系統
7.1 設計任務246
7.2 方案設計與論證247
7.2.1 3種不同的設計方案247
7.2.2 方案比較與選擇248
7.3 系統硬件設計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計252
7.3.3 FPGA電路的設計253
7.3.4 脈沖信號發(fā)生電路的設計254
7.3.5 系統硬件總體電路圖255
7.3.6 PCB的設計與實物制作255
7.4 系統軟件設計257
7.4.1 FPGA的程序設計思路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語言程序設計思路279
7.4.5 AVR單片機C語言源程序清單282
7.5 系統設計總結297
第8章 基于RTX51的樂曲編輯和發(fā)生器
8.1 設計任務299
8.2 方案設計與論證299
8.2.1 以FPGA為核心的實現方案299
8.2.2 以MCU為核心的實現方案300
8.3 系統硬件設計300
8.3.1 系統硬件電路原理圖301
8.3.2 人機交互界面301
8.4 系統軟件設計303
8.4.1 樂曲的表示方法303
8.4.2 編輯樂曲的軟件實現方法305
8.4.3 播放樂曲的軟件實現方法307
8.4.4 系統軟件流程框圖308
8.5 系統源程序清單309
8.5.1 用戶應用程序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RTX51 Tiny內核程序328
8.6 系統設計總結328
第9章 基于RTX51的交通信號控制系統
9.1 設計任務329
9.2 方案設計與論證329
9.2.1 十字交叉路口交通信號簡介329
9.2.2 以CPLD為核心的實現方案331
9.2.3 以MCU為核心的實現方案331
9.3 系統硬件設計331
9.3.1 交通信號燈控制電路圖331
9.3.2 自適應倒計時器硬件電路圖333
9.4 系統軟件設計334
9.4.1 交通信號燈控制電路的軟件設計334
9.4.2 自適應倒計時器的軟件設計335
9.5 系統源程序清單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 自適應倒計時器的微控制器源程序341
9.6 系統設計總結349
第10章 電子系統抗干擾設計技術
10.1 概述350
10.1.1 電子系統的電磁兼容性350
10.1.2 程序失控（跑飛）的概念355
10.1.3 電子系統的可靠性與可靠性設計356
10.2 電子系統硬件抗干擾設計技術357
10.2.1 系統方案設計中的抗干擾設計原則357
10.2.2 器件選擇的抗干擾設計技術358
10.2.3 PCB的抗干擾設計技術360
10.2.4 電子系統接地技術365
10.2.5 硬件看門狗設計技術369
10.3 電子系統軟件抗干擾設計技術374
10.3.1 指令冗余設計技術375
10.3.2 軟件陷阱設計技術375
10.3.3 軟件看門狗設計技術381
10.3.4 基于RTOS的軟件設計技術387
參考文獻390