圖書簡介
本書從工程實踐角度出發，以多核心嵌入式教學科研平台為例，介紹了嵌入式系統的完整設計流程、基於Proteus的模組仿真技術以及典型模組軟硬體設計等內容，同時介紹了Altium Designer等實用EDA工具，希望能為讀者展現嵌入式系統設計的全貌。本書涉及的嵌入式平台採用兩種處理器LPC2136和MSP430 F1611單片機，套用均十分廣泛。本書針對14種硬體模組和13種硬體接口，分別編寫了基於LPC2136和MSP430 F1611的兩套代碼，並全部調試通過，讀者可根據自己的實際需求，將各個硬體模組和代碼直接引入自己設計的系統中。此外，本書介紹到的基於LPC2136處理器的Proteus仿真技術，內容新穎，實用性較強。
本書可作為高等學校計算機及相關專業的本科生、研究生教材，也可作為嵌入式技術領域的技術人員的參考書。
圖書前言
當前，嵌入式系統設計已經形成一個規模龐大的產業，嵌入式產品在我們身邊隨處可見，與此相對應，學習嵌入式系統的開發設計也已成為計算機套用領域的熱點。通常，嵌入式系統學習者會購買一套嵌入式開發板，按照開發板附帶光碟中的實例調試所有代碼，以便加深對嵌入式處理器的認識。但是，由這種純軟體調試方式獲得的經驗是極其有限的。一方面，學習者一般僅針對教程中的代碼框架來調試，不具備自己探索完整軟體設計的機會； 另一方面，由於硬體平台已經完成，學習者不會獲得硬體電路設計的經驗； 更為關鍵的是，從工程角度而言，嵌入式開發板是一個完整的嵌入式系統，這個系統的完成也依次經歷了需求分析、任務提取、概要設計、原理圖設計、模組仿真、PCB設計、硬體調試、軟體編程等環節，而學習者接觸到的僅僅是軟體編程的一部分，不可能學習到一個嵌入式系統的完整設計流程。本書介紹了一個多核心嵌入式教學科研平台的完整設計過程，該平台採用“主機板+核心板”的設計模式，主要的硬體模組和接口設計在主機板上，核心板設計了兩種，分別基於ARM7體系結構的LPC2136處理器和MSP430單片機，任意一種核心板都通過主機板上的接口控制主機板的全部資源。本書擬從工程角度來介紹該多核心嵌入式平台的完整設計與實現流程，從零開始帶領讀者一步步設計得到一個完整的嵌入式系統，內容涵蓋前述各個環節，從設計的高度帶給讀者一個嵌入式系統開發的整體印象。本書還將對涉及的每一部分硬體模組做詳細說明，包括相關協定說明、器件工作原理簡介、硬體運行機制分析以及實例代碼解釋等方面，力爭為讀者建立起嵌入式系統設計的完整概念，並掌握常見嵌入式模組的設計方法。如果讀者具備硬體開發條件，那么可以按照本書介紹的步驟，構建出一套完全相同的嵌入式開發平台硬體和軟體。
本書立意於工程實踐，包含三方面重點： 系統設計思想及工程流程介紹（含EDA工具介紹）、基於Proteus的模組仿真介紹、典型硬體電路和編碼介紹。第1章介紹嵌入式系統的概念、組成、設計流程等背景知識； 第2章介紹設計多核心嵌入式教學科研平台所需的開發環境、工具軟體，以及兩種處理器的基礎知識； 第3章從工程設計的角度，首先歸納了嵌入式系統的設計流程與要點，然後提出多核心嵌入式教學科研平台的需求分析與設計方案； 第4章介紹多核心嵌入式教學科研平台的軟體設計思路； 第5章介紹多核心嵌入式教學科研平台各硬體模組的設計原理、工作方式和軟體實現； 第6章以平台硬體模組為藍本，介紹通過Proteus軟體進行硬體模組仿真的方法； 第7章以一個綜合實例貫徹前述各章的主要內容； 第8章簡要介紹了涉及的各種EDA工具和調試工具。
在本書的撰寫過程中，力爭使其具有以下特點。
(1) 工程性： 從工程實踐角度出發，引導讀者完成一個嵌入式系統設計的全部流程，從需求分析到編碼測試都有詳盡介紹，力爭使讀者對嵌入式系統設計形成一個完整認識。
(2) 新穎性： 用一章篇幅專門介紹電路設計仿真軟體Proteus的使用方法，並首先將其與基於ARM處理器的典型電路相結合，介紹其與一般集成開發環境的聯調方法。
(3) 典型性： 本書涉及的處理器為16位處理器市場套用最廣泛的MSP430 F1611單片機，以及在32位高端嵌入式處理器領域最流行的ARM處理器LPC2136。前者具有極低功耗的特點，非常適用於手持嵌入式設備； 後者技術成熟、市場占有率高、功能強大。
(4) 實用性： 本書所有模組都附有硬體原理圖，基於MSP430 F1611和基於LPC2136的兩套軟體代碼以及代碼分析介紹，讀者可將這些實例直接套用到自己設計的電路中。此外，本書還介紹了各種EDA軟體，例如Proteus、Altium Designer、串口助手、圖形轉換工具等，非常實用。
(5) 廣泛性： 本書硬體部分涉及14種模組和13種接口，儘可能覆蓋到常用的硬體模組。
(6) 易用性： 讀者只要有單片機或者ARM處理器的基礎，就可以看懂此書。本書的設計思路是從零開始，手把手地教讀者設計完成一個嵌入式系統，包括其中每個典型電路，以及代碼編寫。
本書的讀者對象群體： 了解嵌入式系統基本概念的本科生、研究生； 希望了解基於ARM處理器或MSP430單片機進行嵌入式系統設計的學習者； 希望掌握嵌入式工程設計思想，進一步提高系統設計能力的學習者； 希望學習嵌入式系統仿真設計的學習者； 在嵌入式領域，希望學習典型硬體模組設計和軟體編程的學習者； 其他對嵌入式系統設計感興趣的學習者。
在本書的編寫過程中，陳鑫在硬體設計方面做了大量工作； 張曉彤、魏鐵、吳國信、張逸群在軟體設計和書稿撰寫方面付出了艱苦的努力； 杜春明完成了課件製作工作。在此向以上同仁表示鄭重的感謝！同時，感謝清華大學出版社及梁穎編輯，是你們的辛勤工作讓本書的面世成為可能； 感謝大連理工大學軟體學院的同事們提供的寶貴意見； 最後，也是最重要的，感謝我曾經的和將來的學生們，是你們帶給了我工作的樂趣和動力！
由於作者經驗有限，加之時間倉促，書中難免會有謬誤之處，請讀者不吝批評指正。所有關於本書的意見，請傳送電子郵件到信箱，希望在和讀者交流的過程中能有所裨益。
編者2011年12月
圖書目錄
1章緒論1.1嵌入式系統概述
1.1.1嵌入式系統的定義
1.1.2嵌入式系統的特點
1.1.3嵌入式系統的套用與發展
1.2嵌入式系統硬體設計
1.2.1概述
1.2.2設計流程
1.3嵌入式系統軟體設計
1.3.1嵌入式系統軟體架構
1.3.2嵌入式系統軟體設計流程
1.3.3軟硬體協同設計
1.4嵌入式系統開發形式
第2章背景與開發工具
2.1系統概述
2.2LPC2136處理器
2.2.1ARM7體系結構
2.2.2LPC2136片上資源
2.3Keil集成開發環境
2.3.1Keil開發環境
2.3.2Keil安裝簡介
2.3.3基於LPC2136的系統開發流程
2.4MSP430單片機
2.4.1MSP430單片機概述
2.4.2MSP430F161X系列單片機
2.5IAR集成開發環境
2.5.1IAR Embedded Workbench集成開發環境概述
2.5.2EW430安裝簡介
2.5.3EW430的系統開發流程
2.6JTAG工作原理
第3章需求分析與總體設計
3.1嵌入式系統設計流程
3.1.1需求分析的主要問題
3.1.2嵌入式處理器選型
3.1.3系統軟硬體功能分配
3.1.4系統結構設計
3.1.5嵌入式系統工藝設計
3.1.6抗干擾設計
3.1.7嵌入式系統工業設計
3.2系統需求分析
3.2.1硬體需求分析
3.2.2軟體需求分析
3.3總體設計
3.3.1核心板設計
3.3.2主機板硬體模組設計
3.3.3主機板跳線器設計
3.4LPC2136核心板設計與實現
3.4.1LPC2136核心板設計
3.4.2LPC2136核心板原理說明
3.4.3LPC2136核心板跳線說明
3.5MSP430核心板設計與實現
3.5.1MSP430核心板設計
3.5.2MSP430核心板原理說明
3.5.3MSP430核心板跳線說明
3.6仿真器設計與實現
3.6.1JTAG仿真器
3.6.2H?JTAG仿真器
3.6.3仿真器的使用
第4章開發框架和公共模組
4.1開發框架
4.2GPIO介紹
4.2.1LPC2136處理器GPIO介紹
4.2.2MSP430F1611處理器GPIO介紹
4.3SPI模組介紹
4.3.1LPC2136的SPI接口
4.3.2MSP430F1611的SPI接口
4.4模擬匯流排介紹
第5章典型電路設計與軟體分析
5.1步進電機
5.1.1工作原理
5.1.2電路介紹
5.1.3軟體設計
5.2UART模組
5.2.1UART工作原理概述
5.2.2UART模組結構
5.2.3SP3232及UART模組電路簡介
5.2.4UART模組編程示例
5.3IIC匯流排
5.3.1IIC概述
5.3.2IIC模組結構
5.3.3EEPROM存儲器簡介
5.3.4IIC模組編程示例
5.4點陣型LCD
5.4.1工作原理
5.4.2電路設計
5.4.3軟體設計
5.5TFT型LCD
5.5.1工作原理
5.5.2電路介紹
5.5.3軟體設計
5.6溫度感測器
5.6.1工作原理
5.6.2電路介紹
5.6.3軟體設計
5.7實時時鐘
5.7.1實時時鐘概述
5.7.2實時時鐘模組結構
5.7.3RTC模組編程示例
5.8脈寬調製器
5.8.1脈寬調製器概述
5.8.2PWM模組結構
5.8.3PWM模組編程示例
5.9看門狗
5.9.1看門狗工作原理
5.9.2看門狗模組結構
5.9.3看門狗編程示例
5.10模數/數模轉換
5.10.1工作原理
5.10.2LPC2136的A/D模組介紹
5.10.3LPC2136的D/A模組介紹
5.10.4電路硬體結構
5.10.5軟體設計
5.11PS/2接口
5.11.1PS/2接口工作原理
5.11.2PS/2鍵盤編碼與命令集
5.11.3硬體結構
5.11.4軟體設計與代碼分析
5.12MP3音樂播放
5.12.1MP3檔案格式
5.12.2電路介紹
5.12.3軟體設計
5.13SD卡
5.13.1SD卡原理
5.13.2電路介紹
5.13.3軟體設計
5.14USB接口
5.14.1USB接口
5.14.2USB協定
5.14.3USB控制晶片介紹
5.14.4電路設計
5.14.5軟體設計
5.15CAN匯流排
5.15.1CAN匯流排概述
5.15.2CAN協定概述
5.15.3CAN匯流排控制器SJA1000概述
5.15.4實驗使用的通信協定及主要程式分析
第6章基於Proteus的硬體模組仿真
6.1蜂鳴器與繼電器
6.1.1工作原理
6.1.2電路介紹
6.1.3軟體設計
6.1.4Proteus仿真
6.2鍵盤
6.2.1工作原理
6.2.2電路介紹
6.2.3軟體設計
6.2.4Proteus仿真
6.3LED與數碼管
6.3.1工作原理
6.3.2電路介紹
6.3.3軟體設計
6.3.4Proteus仿真
6.4LED點陣
6.4.1工作原理
6.4.2電路介紹
6.4.3軟體設計
6.4.4Proteus仿真
6.5字元型LCD
6.5.11602工作原理
6.5.21602工作環境和主要操作
6.5.3電路介紹
6.5.4軟體設計
6.5.5Proteus仿真
第7章綜合實例
7.1實例需求和設計
7.2代碼分析
第8章工具軟體介紹
8.1Altium Designer介紹
8.1.1Altium Designer嵌入式系統簡介
8.1.2PCB設計入門
8.2Proteus簡介
8.2.1Proteus開發環境簡介
8.2.2基於Proteus的仿真電路設計流程
8.2.3Proteus程式設計實例
8.3必要的工具軟體
8.3.1H?JTAG
8.3.2串口通信工具
8.3.3USB調試工具
8.3.4圖像轉換工具
8.3.5MP3音頻轉換工具
參考文獻
嵌入式系統工程實例解析