《智能光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課件全套 項(xiàng)目1-13 常用電子元器件 -智能光電運(yùn)維部署

項(xiàng)目1常用電子元器件 任務(wù)目標(biāo)1、了解并掌握基礎(chǔ)電子元器件的特性及功能。2、了解并掌握某些基礎(chǔ)元器件的基本用法。1.1電阻電荷在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到分子和原子等其他粒子的碰撞與摩擦，碰撞和摩擦的結(jié)果形成了導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙，這種阻礙作用最明顯的特征是導(dǎo)體消耗電能而發(fā)熱（或發(fā)光）。物體對(duì)電流的這種阻礙作用，稱為該物體的電阻。對(duì)電流具有一定阻礙能力的器件稱為電阻器，電阻器在電路中的符號(hào)是R，單位是歐姆。電阻器在電路中的作用有分壓、分流、限流等，如在單片機(jī)的發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，LED）控制電路中，往往給LED串接一個(gè)限流電阻，以控制流過(guò)LED的電流的大小，從而控制Led的亮暗程度；如果要測(cè)量某電壓，而該電壓超過(guò)測(cè)量范圍，則往往由2個(gè)電阻構(gòu)成分壓電路，按比例取出合適大小的電壓供測(cè)量。1.1電阻圖1-1電阻的兩種表示符號(hào)和實(shí)物圖圖1-1是電阻器的電路圖符號(hào)和實(shí)物圖，兩種符號(hào)均表示電阻器，其中左側(cè)是國(guó)際符號(hào)，右圖是國(guó)內(nèi)符號(hào)。建議在同樣一張圖紙中，只選用一種電路圖符號(hào)，免得造成混亂。1.2電感電感（Inductanceofanidealinductor）是一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象，，一般討論穿過(guò)線圈截面的磁通量的改變所感應(yīng)出的感應(yīng)電壓大小。當(dāng)線圈通過(guò)電流后，在線圈中形成磁場(chǎng)感應(yīng)，感應(yīng)磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流來(lái)抵制通過(guò)線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關(guān)系稱為電的感抗，也就是電感，單位是“亨利（H）”。電感線圈是用絕緣導(dǎo)線（例如漆包線、紗包線等）繞制而成的電磁感應(yīng)元件，也是電子電路中常用的元器件之一，其符號(hào)和實(shí)物見(jiàn)圖1-2。電感是用漆包線、紗包線或塑皮線等在絕緣骨架或磁心、鐵心上繞制成的一組串聯(lián)的同軸線匝，它在電路中用字母L表示，主要作用是對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行隔離、濾波或與電容器、電阻器等組成諧振電路。1.2電感圖1-2電感的符號(hào)及實(shí)物電感是一個(gè)儲(chǔ)能元器件，當(dāng)其中有電流時(shí)，就會(huì)將能量?jī)?chǔ)存在電感中；當(dāng)流過(guò)電感的電流變化時(shí)，電感儲(chǔ)存的能量也跟著變化。電感現(xiàn)象分自感和互感，自感電壓決定于自感系數(shù)和電流變化快慢，如下：1.3磁珠磁珠是一種特殊的元器件，兼具電阻和電感的特性，可以等效為電阻和電感的串聯(lián)。磁珠比普通的電感有更好的高頻特性，即有更好的阻高頻的能力，可以用于高頻濾波。雖然磁珠和電感都具有“隔交通直”的功能，但是也有不小的區(qū)別。比如，電感的磁材料是開(kāi)放的，磁力線一部分通過(guò)磁芯，一部分通過(guò)空氣；而磁珠的磁材料是封閉的，幾乎所有的磁力線都封閉在磁環(huán)內(nèi)，更“干凈”。電感的單位是電感值（H），磁珠的單位是阻抗（歐姆），一般是100MHz時(shí)的阻抗值。另外，即使參數(shù)相同的磁珠，其在濾波性能上也會(huì)有巨大差異。電感的濾波原理是把電能轉(zhuǎn)化為磁能，再把磁能重新轉(zhuǎn)化為電能（噪聲）或者輻射（EMI），而磁珠是將電能轉(zhuǎn)化為熱能。電感是儲(chǔ)能元件，在濾波時(shí)可能會(huì)和電容自激；而磁珠是耗能元件（R），和電容協(xié)同工作時(shí)不會(huì)自激。1.3磁珠在電路中，為了描述磁珠和電阻、電感的區(qū)別，往往用FB等符號(hào)代表磁珠，但圖形符號(hào)往往用電感的，如圖1-3所示：圖1-3磁珠在電源濾波電路中的使用1.4電容電容，電容量的簡(jiǎn)稱，是電子設(shè)備中大量使用的電子元件之一，廣泛應(yīng)用于隔直、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧回路、能量轉(zhuǎn)換、控制電路等方面。電容（Capacitance）亦稱作電容量，是指在給定電位差下的電荷儲(chǔ)藏量，記為C，國(guó)際單位是法拉（F）。一般來(lái)說(shuō)，電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動(dòng)而使得電荷累積在導(dǎo)體上，造成電荷的累積儲(chǔ)存，儲(chǔ)存的電荷量則稱為電容。電容分為電解電容，固體電容等。1.4電容圖1-4普通電容和極性電容圖1-4是電容器的電路符號(hào)和實(shí)物，其中C1是普通電容，C2和C3是極性電容。104表示C3的容量是10*10^4pF=0.1uF，105表示C4的容量是10*10^5pF=1uF。1.5二極管二極管是最常用的電子元件之一，它最大的特性就是單向?qū)щ?，也就是電流只可以從二極管的一個(gè)方向流過(guò)。二極管的作用有整流、檢波、穩(wěn)壓電路、調(diào)制等。二極管可用作開(kāi)關(guān)，完成開(kāi)關(guān)作用的二極管稱為開(kāi)關(guān)二極管。由于二極管具有單向?qū)щ娦?，在正向電壓作用下電阻很小，相?dāng)于通路，類似于開(kāi)關(guān)打開(kāi)狀態(tài)；而在反向電壓作用下電阻很大，相當(dāng)于斷路，類似于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)。二極管具有的這種開(kāi)關(guān)特性，使得其可以組成各種邏輯電路。

1.5二極管穩(wěn)壓二極管是一種工作于反向擊穿狀態(tài)的面結(jié)型硅二極管，在穩(wěn)壓電路中串入限流電阻，限制穩(wěn)壓二極管擊穿后電流值，使得其擊穿狀態(tài)可以一直保持下去。起到顯示作用的二極管稱為發(fā)光二極管(LED)，經(jīng)常應(yīng)用于VCD、DVD、計(jì)算器等顯示器上，例如電腦硬盤的指示燈、充電器的指示燈等都是發(fā)光二極管在生活中的應(yīng)用。發(fā)光二極管是一種常見(jiàn)的指示型二極管，在其通過(guò)mA量級(jí)的電流時(shí)，能發(fā)出光線，起到指示的作用。目前的發(fā)光二極管可以發(fā)出紅、白、黃、綠、藍(lán)、紫等多種顏色。圖1-6

LED電路圖1-6是LED控制電路，LED1用來(lái)指示是否有3.3V的電壓，有3.3V，LED1點(diǎn)亮，沒(méi)有3.3V，LED1熄滅；LED2可以受單片機(jī)或ARM的某引腳如PA0的控制，PA0輸出低電平，LED2點(diǎn)亮，反之熄滅。1.6三極管三極管，全稱為半導(dǎo)體三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種電流控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用是把微弱信號(hào)放大成幅度值較大的電信號(hào)，也用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。三極管是半導(dǎo)體基本元器件之一，是電子電路的核心元件。三極管的結(jié)構(gòu)是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種，見(jiàn)圖1-7。三極管有三種工作狀態(tài)，即放大、飽和、截止，這三種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)兩種應(yīng)用，即把三極管用作放大管，或者把其用作開(kāi)關(guān)管。放大管工作在放大狀態(tài)，開(kāi)關(guān)關(guān)工作在飽和及截止?fàn)顟B(tài)。圖1-7

NPN及PNP三極管1.7晶振晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱，是一種利用晶體作為頻率選擇元件來(lái)獲得逆壓電效應(yīng)的電子振蕩器。晶振工作的基礎(chǔ)是晶體的壓電特性，壓電特性是指晶體表面上的電壓信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào)而使得晶體產(chǎn)生變形，反過(guò)來(lái)如外力使晶片變形，則兩極上金屬片又會(huì)產(chǎn)生電壓。如果給晶片加上適當(dāng)?shù)慕蛔冸妷?，晶片就?huì)產(chǎn)生諧振（諧振頻率與石英斜面傾角等有關(guān)系，且頻率一定）。晶振工作時(shí)電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化，在共振的狀態(tài)下工作可以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。石英晶體振蕩器的特性優(yōu)于陶瓷諧振器，因?yàn)槠渚哂懈叩姆€(wěn)定性、更高的質(zhì)量、更低的成本和更小的尺寸。1.7晶振圖1-8是晶振及其典型應(yīng)用電路，其電路符號(hào)是Y。晶振頻率的選擇和單片機(jī)、ARM等的特性有關(guān)，如STM32F1系列的ARM要求晶振頻率4--16MHz，那么選擇晶振時(shí)就需要在這個(gè)范圍之內(nèi)，比如8MHz或12MHz都是常見(jiàn)的選項(xiàng)。晶振的兩個(gè)引腳一般用小電容接到地，這兩個(gè)引腳同時(shí)接到微控制器的高速OSC_IN和OSC_OUT。項(xiàng)目小結(jié)本項(xiàng)目介紹了幾種最常用的電子元器件及其使用方法，這些元器件的在電路中扮演著不可或缺的重要作用，需要大家在后續(xù)的學(xué)習(xí)中，多思考，多提問(wèn)，如某個(gè)電阻的阻值為什么取這個(gè)數(shù)據(jù)？其可變化范圍是多少？或者某電容器在電路中起了什么作用？是否可去掉或替換等。這些思考有助于同學(xué)們?cè)趯?lái)取得更大的成績(jī)和進(jìn)步。習(xí)題1、圖1-3中的電容分別起什么作用？2、圖1-6中的電阻是什么樣的電阻（請(qǐng)說(shuō)明其功能）。3、三極管有幾種工作狀態(tài)？如果一個(gè)三極管用作開(kāi)關(guān)管，那么其工作在哪兩種工作狀態(tài)？4、三極管可用作（）管，或（）管。項(xiàng)目2常見(jiàn)集成電路任務(wù)目標(biāo)1、了解集成邏輯門電路及其使用，尤其是74系列芯片。2、了解運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握其基本應(yīng)用電路。3、了解單片機(jī)及ARM，為后續(xù)程序設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備，4、了解CPLD和FPGA。常見(jiàn)集成電路集成電路（integratedcircuit）的簡(jiǎn)寫是IC，俗稱芯片，是一種微型電子器件或部件。集成電路采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)；其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。下面僅介紹幾款常用的IC。2.1邏輯門電路邏輯門電路是指用于實(shí)現(xiàn)各種各樣的基本邏輯運(yùn)算、常用復(fù)合邏輯運(yùn)算的電子電路,簡(jiǎn)稱門電路。按集成度劃分，可分為分立元件門電路和數(shù)字集成門電路。分立元件門電路用若干分立的半導(dǎo)體器件和電阻、電容等元件連接形成。數(shù)字集成電路將大量的分立元件和門電路單元集成在一塊很小的半導(dǎo)體基片上，形成一個(gè)微縮化的“片上系統(tǒng)”目前，應(yīng)用最廣泛的集成門電路有CMOS和TTL兩大類。TTL集成邏輯門速度更快，但功耗較大，不適于制造超大規(guī)模集成電路。CMOS集成邏輯門功耗非常低,發(fā)熱量小，易于集成。在所有門電路芯片中，74系列的門電路是一大類功能完備的集成門電路，如7400是2輸入端與非門，7401是集電極開(kāi)路2輸入端四與非門，7402是2輸入端四或非門，7404是六反相器等。該系列的集成門電路超過(guò)160種。2.2運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器是一個(gè)內(nèi)含多級(jí)放大電路的電子集成電路。其輸入級(jí)是差分放大電路，具有高輸入電阻和抑制零點(diǎn)漂移能力，其中eim是反向輸入端，eip是同相輸入端，如圖2-1所示。中間級(jí)主要進(jìn)行電壓放大，具有高電壓放大倍數(shù)，一般由共射極放大電路構(gòu)成；輸出極eo與負(fù)載相連，具有帶載能力強(qiáng)、低輸出電阻特點(diǎn)。運(yùn)算放大器的應(yīng)用非常廣泛，一般有同相比例運(yùn)算放大、反相比例運(yùn)算放大、加法器、微分、積分、有源濾波等很多類型的應(yīng)用電路。圖2-1運(yùn)算放大器及內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.3單片機(jī)單片機(jī)是集成電路的在一種，是將具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上而構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而得名。雖然單片機(jī)只是一個(gè)芯片，但從組成和功能上看,它已具有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，為此稱它為單片微型計(jì)算機(jī)SCMC(SingleChipMicroComputer)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。2.3單片機(jī)單片機(jī)以INTEL的8031、8051最為出名，其中8051單片機(jī)（簡(jiǎn)稱：51單片機(jī)）曾經(jīng)是流行了很多年的代表性產(chǎn)品，目前在好多設(shè)備中還有應(yīng)用。圖2-2顯示的是STC公司的8H1K08單片機(jī)。圖2-2STC公司的8H1K08單片機(jī)2.4ARM微控制器ARM處理器是ARM公司設(shè)計(jì)的低功耗成本的第一款RISC微處理器。全稱為AdvancedRISCMachine。ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集，一般來(lái)講比等價(jià)32位代碼節(jié)省達(dá)35%，卻能保留32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。ARM公司設(shè)計(jì)集成電路版圖，然后通過(guò)授權(quán)的方式提供版圖給其他的半導(dǎo)體制造公司，因此，目前市面上有很多公司都有ARM產(chǎn)品。ARM引進(jìn)了操作系統(tǒng)，使得其很多的應(yīng)用都可以在操作系統(tǒng)側(cè)面完成，這也是其最大的優(yōu)勢(shì)之一。2.4ARM微控制器圖2-3顯示的是一款A(yù)RM芯片，名稱為STM32F407ZGT6，也是本書(shū)選用的控制芯片。圖2-3

ARM芯片STM32F407ZGT62.5CPLD/FPGACPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）是ComplexPLD的簡(jiǎn)稱，一種較PLD為復(fù)雜的邏輯元件。CPLD是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。以硬件描述語(yǔ)言（Verilog或VHDL）所完成的電路設(shè)計(jì)，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合與布局，快速的燒錄至FPGA上進(jìn)行測(cè)試，是現(xiàn)代IC設(shè)計(jì)驗(yàn)證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flip－Flop）或者其他更加完整的記憶塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需要通過(guò)可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來(lái)，就好像一個(gè)電路試驗(yàn)板被放在了一個(gè)芯片里。一個(gè)出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計(jì)者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。項(xiàng)目小結(jié)本項(xiàng)目介紹了幾類最常用的集成電路，主要分為邏輯門電路、單片機(jī)、ARM、CPLD、FPGA等。由于集成電路種類繁雜，很難給出一個(gè)統(tǒng)一的分類，還有就是每個(gè)人對(duì)常用集成電路的理解不一樣，因此這部分內(nèi)容僅是為了后續(xù)的而學(xué)習(xí)而提供的基礎(chǔ)性知識(shí)，部分內(nèi)容需要在后續(xù)加深理解，提高認(rèn)知。習(xí)題1、請(qǐng)查找7404的真值表，并簡(jiǎn)述該芯片的使用方法。2、請(qǐng)查找單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，并簡(jiǎn)述其基本電路構(gòu)成。項(xiàng)目3常見(jiàn)電路模塊任務(wù)目標(biāo)1、學(xué)會(huì)分析常見(jiàn)、基本的電源電路模塊，理解電源電路在一個(gè)電路中的重要性。2、掌握回收桶控制基礎(chǔ)電路模塊，如開(kāi)關(guān)電路，運(yùn)放類電路，ADC轉(zhuǎn)換。3、掌握晶振電路、復(fù)位電路等這些嵌入式電路基礎(chǔ)單元。3.1電源電路電源電路是指提供給用電設(shè)備電力供應(yīng)的電源部分的電路及其電路形式，一般有交流電源也有直流電源之分。電源電路一般可分為開(kāi)關(guān)電源電路，穩(wěn)壓電源電路，穩(wěn)流電源電路，功率電源電路，逆變電源電路，DC-DC電源電路，保護(hù)電源電路等。以下介紹幾種常用的電源電路：3.1.1三端集成穩(wěn)壓電源三端集成穩(wěn)壓電源以正電壓輸出的78××系列和負(fù)電壓輸出的79××系列比較常見(jiàn)，其中xx表示固定電壓輸出的數(shù)值。如：7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指輸出電壓是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。79xx系列也與之對(duì)應(yīng)，只不過(guò)是負(fù)電壓輸出。這類穩(wěn)壓器的最大輸出電流為1.5A，塑料封裝(TO-220)最大功耗為10W(加散熱器)；金屬殼封裝(TO-3)外形，最大功耗為20W（加散熱器）。LM7805的典型應(yīng)用電路見(jiàn)圖3-1。圖3-17805典型應(yīng)用3.1.25V電源電路示例輸出5V的電源有多種選擇，如降壓型電源管理芯片LM2596S-5.0，其應(yīng)用電路如圖3-2所示，輸入的12V直流電壓經(jīng)LM2596S-5.0后輸出穩(wěn)定的5V直流電壓，輸出電流可達(dá)3A。圖3-2降壓型芯片LM2596S-5.0輸出5V3.1.25V電源電路示例圖3-3開(kāi)關(guān)電源芯片TPS54332輸出5V

也有采用開(kāi)關(guān)電源方式的，如圖3-3所示，TPS54332輸出1MHz的開(kāi)關(guān)信號(hào)，該開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比受外電路參數(shù)的調(diào)節(jié)，當(dāng)參數(shù)選定后，電路的輸出電壓可以穩(wěn)定到5V。3.1.35V轉(zhuǎn)3.3V電源電路示例電路中，ARM芯片等一般需要3.3V的供電電壓，這時(shí)候，5V轉(zhuǎn)3.3V的電路就成為必要。常見(jiàn)的芯片有ASM1117-3.3V或REG1117-3.3V，圖3-4顯示的是利用REG1117-3.3V將5V轉(zhuǎn)成3.3V的電路。圖3-4

5V轉(zhuǎn)3.3V電源芯片3.2開(kāi)關(guān)電路開(kāi)關(guān)電路有數(shù)字開(kāi)關(guān)電路、模擬開(kāi)關(guān)電路、機(jī)械開(kāi)關(guān)電路等。開(kāi)關(guān)電路的輸入和輸出一般都是開(kāi)關(guān)兩，即高電平或低電平。如圖3-5（a）所示，當(dāng)DI01的輸入是高電平時(shí)，NPN晶體管Q1飽和導(dǎo)通，DO01被拉到低電位；當(dāng)DI01的輸入是低電平時(shí)，Q1截止，DO01被拉到高電位。如圖3-5（b）所示，當(dāng)DI02的輸入是高電平時(shí)，PNP晶體管Q2截止，DO02輸出低電位；當(dāng)DI02的輸入是低電平時(shí)，Q2飽和導(dǎo)通，DO02被拉到高電位。圖3-5由三極管所構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路3.3同相比例運(yùn)算放大電路同相輸入放大電路的典型電路如圖3-6所示，信號(hào)電壓vin通過(guò)電阻R46加到運(yùn)放的同相輸入端，輸出電壓vout通過(guò)電阻R37和R47反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路。根據(jù)虛短、虛斷的概念可求得：vout=（1+R47/R37)vin所以該電路實(shí)現(xiàn)同相比例運(yùn)算。圖3-6同相比例運(yùn)算放大器電路3.4反相比例運(yùn)算放大電路反相輸入放大電路的典型電路如圖3-7所示，信號(hào)電壓vin通過(guò)電阻R30加到運(yùn)放的反相輸入端，輸出電壓vout通過(guò)反饋電阻R32反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路。根據(jù)虛短、虛斷的概念可求得：vout=-(R32/R30)*vin該電路實(shí)現(xiàn)反相比例運(yùn)算放大，輸出反相。圖3-7反相比例運(yùn)算放大電路3.5運(yùn)算放大器構(gòu)成比較器圖3-8顯示的是一個(gè)比較器電路，輸入電壓vin經(jīng)R10、R12分壓后，和U6B同相輸入端的電壓值進(jìn)行比較，大于U6B同相輸入端的電壓時(shí)，輸出接近VEE，小于U6B同相輸入端的電壓時(shí)，輸出接近VCC。圖3-8比較器電路3.6運(yùn)算放大器構(gòu)成加法器用運(yùn)算放大器可以構(gòu)成反相加法器電路，實(shí)現(xiàn)若干個(gè)電壓信號(hào)的加法運(yùn)算如圖3-9所示。由于虛斷特性，輸入運(yùn)算放大器的電流為0；又由于虛短特性，u-=u+，因此有：因此有如果R1=R2=R3，則圖3-9反相加法器電路3.6運(yùn)算放大器構(gòu)成加法器圖3-10是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相放大器，輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系為：如果R1=R2=R3，則圖3-10同相加法器3.7ADCADC(analogtodigitalconverter）是數(shù)模轉(zhuǎn)換的意思，即將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。ADC的基本轉(zhuǎn)換原理可分為：采樣保持電路（Sampleandhold）、量化（Quantizer）、編碼（Coder）等，所謂采樣就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為時(shí)間上離散變化的模擬量。將采樣結(jié)果儲(chǔ)存起來(lái)，直到下次采樣，這個(gè)過(guò)程叫作保持。模擬信號(hào)通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的這一過(guò)程稱為量化；將量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，即可輸出的數(shù)字信號(hào)。ADC(analogtodigitalconverter）是數(shù)模轉(zhuǎn)換的意思，即將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。ADC的基本轉(zhuǎn)換原理可分為：采樣保持電路（Sampleandhold）、量化（Quantizer）、編碼（Coder）等，所謂采樣就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為時(shí)間上離散變化的模擬量。將采樣結(jié)果儲(chǔ)存起來(lái)，直到下次采樣，這個(gè)過(guò)程叫作保持。模擬信號(hào)通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的這一過(guò)程稱為量化；將量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，即可輸出的數(shù)字信號(hào)。3.7ADC圖3-11顯示的是量化編碼示意圖，如果按照1V的間隔編碼，則可用000代表電壓0≤V＜1，001代表電壓1≤V＜2，010代表電壓2≤V＜3，011代表電壓3≤V＜4，100代表電壓4≤V＜5，101代表電壓5≤V＜6，110代表電壓6≤V＜7，111代表電壓7≤V＜8。如果將量化臺(tái)階間隔減小，則測(cè)量的精度會(huì)更高。圖3-11量化編碼示意圖3.7ADC微控制單元(MicrocontrollerUnit;MCU)均具有ADC功能，一般都有很多個(gè)ADC輸入通道。以STM32F407為例，共中有三個(gè)ADC（ADC1-3），每個(gè)ADC有12位、10位、8位和6位可選，每個(gè)ADC有16個(gè)外部通道。如果選12位ADC，如果輸入?yún)⒖茧妷?.3V，則0V對(duì)應(yīng)0x000，3.3V對(duì)應(yīng)0xFFF，其他的電壓值可按比例計(jì)算。編寫好程序后，獲得的ADC值即是12位的數(shù)字量。3.8晶振電路在數(shù)字電路中，時(shí)鐘起著至關(guān)重要的作用。時(shí)鐘電路提供數(shù)字電路的時(shí)序控制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻，以便讓數(shù)字電路在特定時(shí)刻完成特定任務(wù)。如果沒(méi)有一個(gè)時(shí)序控制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻，整個(gè)數(shù)字電路就會(huì)成為“聾子”，就不知道什么時(shí)刻該做什么事情了?？梢杂肦C、LC等的諧振電路獲得時(shí)鐘信號(hào)，但這些電路的振蕩頻率并不穩(wěn)定，在對(duì)時(shí)鐘要求較高的電路中，必須使用石英晶體振蕩電路。石英振蕩器簡(jiǎn)稱晶振，英文名為Crystal，它是時(shí)鐘電路中最重要的部件，它的主要作用是向顯卡、網(wǎng)卡、主板等配件的各部分提供基準(zhǔn)頻率，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。3.8晶振電路圖3-12是典型的晶振電路，其中a圖是普通的晶振電路，需2個(gè)小電容以及MCU內(nèi)部的放大器構(gòu)成晶振電路；b圖是有源晶振，通電即可以輸出時(shí)鐘信號(hào)。圖3-12無(wú)源及有源晶振電路3.9復(fù)位電路復(fù)位電路，就是讓電路尤其是有MCU、CPU等電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路。有幾種手段都可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位，一是在電路通電時(shí)馬上進(jìn)行復(fù)位操作，名為上電復(fù)位；一是在必要時(shí)手動(dòng)操作，名為按鍵復(fù)位；三是根據(jù)程序或者電路運(yùn)行的需要自動(dòng)地進(jìn)行，名為軟件或程序復(fù)位。圖3-13中由R23、S3、EEC4所構(gòu)成的電路是比較常見(jiàn)的復(fù)位電路。在通電瞬間，電容器EEC4兩端沒(méi)有電荷，因此RESET端的電壓為低電平，系統(tǒng)復(fù)位，即上電復(fù)位。為了確保復(fù)位，EEC4和R23可以取得較大一點(diǎn)，以使低電平的時(shí)間較長(zhǎng)（一般需要20ms以上）。隨著電容器充電的進(jìn)行，RST電位逐漸升高，超過(guò)復(fù)位閾值電壓后，復(fù)位結(jié)束，系統(tǒng)正常工作。復(fù)位電路的參數(shù)能否滿足要求，可以用公式=RC進(jìn)行計(jì)算。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如果按下按鍵S3，則RESET電位又被拉低，可以實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位。圖3-13復(fù)位電路項(xiàng)目小結(jié)本項(xiàng)目介紹了幾類最常用的集成電路，其中電源電路幾乎是每個(gè)電路都有的電路模塊，也是一個(gè)電路最容易產(chǎn)生故障的地方，開(kāi)關(guān)電路、運(yùn)算放大器電路等是后續(xù)必須用到的基礎(chǔ)電路模塊，需要學(xué)習(xí)者掌握其工作原理。習(xí)題1、查找ASM1117-3.3芯片的典型應(yīng)用電路，并在圖紙上自己設(shè)計(jì)一個(gè)5V轉(zhuǎn)3.3V的單元電路。2、寫出同相比例運(yùn)算放大器和反相比例運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)計(jì)算公式。項(xiàng)目4STM32知識(shí)基礎(chǔ)任務(wù)目標(biāo)1、學(xué)會(huì)并掌握STM32F40X的基礎(chǔ)架構(gòu)、時(shí)鐘系統(tǒng)、庫(kù)函數(shù)等2、學(xué)會(huì)KeilMDKARM軟件的使用。4.1STM32F40x系列芯片的系統(tǒng)架構(gòu)及總線STM32F40x系列芯片的總線結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4-1，該總線結(jié)構(gòu)是一個(gè)“CPU+外設(shè)”的系統(tǒng)。圖4-1STM32F40x系列芯片的總線結(jié)構(gòu)4.1STM32F40x系列芯片的系統(tǒng)架構(gòu)及總線原理上來(lái)說(shuō)，除Cortex-M3內(nèi)核以及相關(guān)總線之外的單元，均可以被稱為外設(shè)（Peripherals），如通用輸入輸出端口（GeneralPurposeInput/OutputPort，GPIO）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）、通用同步/異步串行接收/發(fā)送器(UniversalSynchronous/AsynchronousReceiver/Transmitter，USART/UART)、定時(shí)器（Timer，TIM）、閃存（FLASH）、直接內(nèi)存訪問(wèn)（DirectMemoryAccess，DMA）等。要使用相關(guān)外設(shè)，需要對(duì)外設(shè)相關(guān)的寄存器進(jìn)行正確的配置，而后面要介紹的標(biāo)準(zhǔn)可，在配置寄存器方面具備很大的便利，減輕了學(xué)習(xí)者的工作量，降低了入門臺(tái)階。STM32內(nèi)核可通過(guò)AHB總線、AHB/APB橋控制外設(shè)，也可以通過(guò)DMA模塊，直接操作或讀取外設(shè)。4.2STM32F40x系列芯片的時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘電路主要給CortexM3內(nèi)核及外設(shè)提供時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)對(duì)ARM就像心跳對(duì)人一樣重要。ARM內(nèi)部都是由許多諸如觸發(fā)器等構(gòu)成的時(shí)序邏輯電路組成的，只有通過(guò)時(shí)鐘才能驅(qū)動(dòng)ARM一步步地工作。如果沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)，觸發(fā)器的狀態(tài)就不能改變，相應(yīng)的電路就不能正常工作。另外，為了降低功耗，可以選擇性的打開(kāi)需要使用的外設(shè)時(shí)鐘。4.2STM32F40x系列芯片的時(shí)鐘系統(tǒng)STM32F40x系列芯片的時(shí)鐘系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖4-2，又稱時(shí)鐘樹(shù)。STM32F40x系列芯片的時(shí)鐘系統(tǒng)需要通過(guò)時(shí)鐘輸入、倍頻、分頻等實(shí)現(xiàn)對(duì)各部分的時(shí)鐘輸出。圖4-2STM32F407的時(shí)鐘樹(shù)

4.2STM32F40x系列芯片的時(shí)鐘系統(tǒng)STM32F40x有多個(gè)時(shí)鐘源，分別是高速外部時(shí)鐘（HighSpeedExternalClock，HSE）、低速外部時(shí)鐘（LowSpeedExternalClock，LSE）、高速內(nèi)部時(shí)鐘（HighSpeedInternalClock，HSI）、低速內(nèi)部時(shí)鐘（LowSpeedInternalClock，LSI）。HSE一般在4-26MHz之間，由外部晶體振蕩器提供，并經(jīng)鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop，PLL）倍頻等處理后作為系統(tǒng)時(shí)鐘；LSE為也由外部晶體振蕩器提供，一般取32.768KHz，常用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real_TimeClock，RTC)；HSI為16MHz，上電默認(rèn)啟動(dòng)，精度不高；LSI約30KHz，精度不高，一般用于看門狗定時(shí)器等。對(duì)時(shí)鐘源信號(hào)處置有切換、配置、倍頻、分頻等程序設(shè)計(jì)內(nèi)容。對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者需要關(guān)注時(shí)鐘源、系統(tǒng)時(shí)鐘、相關(guān)外設(shè)時(shí)鐘等，這些通過(guò)軟件STM32CubeMX均可以輕松配置。4.3STM32標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、HAL庫(kù)、LL庫(kù)簡(jiǎn)介嵌入式技術(shù)通過(guò)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶康?。嵌入式技術(shù)表現(xiàn)出來(lái)均是對(duì)芯片引腳的讀寫，但是根本上來(lái)說(shuō)，則在于對(duì)嵌入式芯片內(nèi)部寄存器的讀寫，即向寄存器寫入數(shù)據(jù)，或從寄存器讀出數(shù)據(jù)。編寫程序的過(guò)程，即是對(duì)寄存器的讀寫過(guò)程。有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的操作，一是直接操作寄存器，一是通過(guò)庫(kù)函數(shù)操作寄存器。下面的程序是直接操作寄存器，讓PA0置1的例子。GPIOA->BSRR|=0x00000001;//直接操作寄存器，PA0置14.3STM32標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、HAL庫(kù)、LL庫(kù)簡(jiǎn)介ST公司為開(kāi)發(fā)者提供了非常方便的開(kāi)發(fā)庫(kù)，主要有標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)SPL(StandardPeripheralLibrary，SPL庫(kù))、HAL庫(kù)（HardwareAbstractionLayer）、LL庫(kù)（LowLayer）三種。標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)提供了很多的庫(kù)函數(shù)，使用時(shí)只需要進(jìn)行庫(kù)函數(shù)的調(diào)用即可，程序的編寫、維護(hù)效率很高；HAL庫(kù)基于一個(gè)配置軟件STM32CubeMX，類似于圖形化編程，在配置方面非常直觀形象，使用簡(jiǎn)單，程序的可讀性很強(qiáng)，尤其是適合于初學(xué)者。LL庫(kù)也可以通過(guò)STM32CubeMX產(chǎn)生，更加的小型化，更加的精簡(jiǎn)，只是硬件的覆蓋率還不是很高。下面提供引腳控制的幾個(gè)例子，以體現(xiàn)幾種編程方式的差異：GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);//SPL庫(kù)，PA0置1HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_Pin_0,GPIO_PIN_SET)；//HAL庫(kù)，PA0置1LL_GPIO_SetOutputPin(GPIOA,GPIO_PIN_0);//LL庫(kù)，PA0置14.3STM32標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、HAL庫(kù)、LL庫(kù)簡(jiǎn)介相對(duì)而言，標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫(kù)開(kāi)發(fā)最早，也較為成熟，因此本書(shū)的開(kāi)發(fā)均采用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。HAL庫(kù)具有輕便、易使用、可讀性強(qiáng)、硬件覆蓋率高等特點(diǎn)，有興趣的同學(xué)可以自己依據(jù)二維碼開(kāi)發(fā)使用。圖4-3STM標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)圖4-3顯示的是STM32標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，其中Libraries是最重要的一個(gè)目錄，該目錄包含了庫(kù)函數(shù)與啟動(dòng)文件等，是標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的實(shí)體部分。Libraries文件夾下又有兩個(gè)子文件夾：CMSIS和STM32F10x_StdPeriph_Driver。CMSIS子目錄：CMSIS子目錄是STM32F10x的內(nèi)核庫(kù)目錄，核心子目錄為CM3，其余目錄可忽略。CM3下又有兩個(gè)子目錄：CoreSupport和DeviceSupportCoreSupport子目錄：內(nèi)有2個(gè)重要文件，一個(gè)是core_cm3.c（內(nèi)核通用源文件），另一個(gè)是core_cm3.h（內(nèi)核通用頭文件）。上述文件位于CMSIS核心層的核內(nèi)外設(shè)訪問(wèn)層，由ARM公司提供，包含用于訪問(wèn)內(nèi)核寄存器的名稱、地址定義等內(nèi)容。4.4STM32F407ZGT6的端口、引腳、外設(shè)STM32F407ZGT6有144個(gè)引腳，有PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG共7個(gè)完整的端口，這7個(gè)完整的端口共有16*7=112個(gè)獨(dú)立引腳。以PA端口為例，有PA0—PA15共16個(gè)引腳。打開(kāi)STM32F407的文檔，可以看到引腳說(shuō)明，如查找USART1關(guān)鍵詞，可以找到如圖4-4所示的引腳描述，即PA9可以是普通的引腳，也具有第二功能，即可以是USART1的發(fā)送引腳；PA9還有第三功能，可以是TIM1的脈沖編碼調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）信號(hào)輸出引腳之一。PA9還有其他的功能。

圖4-4STM32F407ZGT6的USART1引腳4.4STM32F407ZGT6的端口、引腳、外設(shè)其他的引腳也有類似的功能，即有第一、第二等功能。在不同功能間期切換，稱為引腳的復(fù)用，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。STM32F407的端口和引腳還有一個(gè)稱謂，即通用輸入輸出，英文縮寫為GPIO，因此，PA等同于GPIOA，PB等同于GPIOB，PA0等同于GPIOA.0，PC10等同于GPIOC.10，依次類推。STM32的所有GPIO引腳都可以配置成輸入或輸出模式。輸入模式又分為模擬輸入、浮空輸入、上拉輸入、下拉輸入；輸出模式又分為推挽輸出、開(kāi)漏輸出、推挽式復(fù)用功能、開(kāi)漏復(fù)用等。STM32F407ZGT6有6個(gè)串口，分別是USART1-3、USART6、UART4-5；STM32F407ZGT6有14個(gè)定時(shí)器，即TIM1-TIM14；STM32F407ZGT6有三個(gè)ADC，即ADC1-3，其他外設(shè)可查找資料去了解。4.5KeilMDK編程軟件介紹本書(shū)采用MDK集成開(kāi)發(fā)工具，使用的版本是KEILMDK5.24(以下簡(jiǎn)稱Keil)。Keil軟件可在Keil官網(wǎng)下載并安裝。安裝成功Keil后，還需要安裝STM的器件包，比如“Keil.STM32F1xx_DFP.1.1.0.pack”等。為了下載程序到開(kāi)發(fā)板，需要安裝ST-LINK仿真器驅(qū)動(dòng)，或者JTAG仿真驅(qū)動(dòng)（JLink/JTrace）。如果要進(jìn)行串行通訊，還需要安裝CH340或CP2102等串口驅(qū)動(dòng)。安裝完成后，可以新建或打開(kāi)一個(gè)現(xiàn)有的工程，如圖4-5。圖4-5工程界面4.5KeilMDK編程軟件介紹在工程的左邊是工程欄，右邊會(huì)顯示每個(gè)文件中的內(nèi)容，例如雙擊工程中的main.c文件，就會(huì)在右邊顯示這個(gè)文件的內(nèi)容，見(jiàn)圖4-5。點(diǎn)擊圖4-5左上角標(biāo)記為①的編譯按鈕（Bulid），就會(huì)開(kāi)始編譯，并在BuildOutput區(qū)顯示編譯結(jié)果，例如“……0Error(s),0Warning(s)”，表示0個(gè)錯(cuò)誤和0個(gè)警告。如有錯(cuò)誤，則需要排除掉錯(cuò)誤后再下載程序。項(xiàng)目小結(jié)本項(xiàng)目介紹了STM公司的一款A(yù)RM芯片大類STM32F40X，該系列芯片又可以分為STM32F407、STM32F429等芯片系列，每個(gè)系列芯片包含很多芯片。在后續(xù)的開(kāi)發(fā)中，主要用STM32F407，因此這部分內(nèi)容是最為基礎(chǔ)性的內(nèi)容。本教材的編程軟件是Keil，因此在4.5小節(jié)對(duì)此集成開(kāi)發(fā)環(huán)境做了介紹。習(xí)題1、STM32F40x系列芯片的時(shí)鐘源有哪些？2、STM32F40x系列芯片的開(kāi)發(fā)，有哪些庫(kù)函數(shù)？本書(shū)采用哪種庫(kù)函數(shù)？3、Keil能進(jìn)行軟件仿真嗎？項(xiàng)目5嵌入式C語(yǔ)言任務(wù)目標(biāo)1、通過(guò)對(duì)嵌入式C語(yǔ)言的學(xué)習(xí)，溫習(xí)C語(yǔ)言基本語(yǔ)法，并了解嵌入式C語(yǔ)言的若干要點(diǎn)。2、學(xué)會(huì)分析程序的執(zhí)行過(guò)程，進(jìn)而理解嵌入式C語(yǔ)言的普通C語(yǔ)言的區(qū)別，即嵌入式C語(yǔ)言需要驅(qū)動(dòng)硬件，因此更多地處于往復(fù)循環(huán)過(guò)程中。5.1數(shù)據(jù)類型在C語(yǔ)言中有int、char、float等數(shù)據(jù)類型，在嵌入式程序編寫時(shí)，這些數(shù)據(jù)類型依然可用，不過(guò)嵌入式C語(yǔ)言中，對(duì)正整數(shù)做了一些特殊的定義，如uint8_t、uint16_t、uint32_t等，uint8_t表示8位的無(wú)符號(hào)字符型數(shù)據(jù)，可從0取到0xFF，uint16_t表示16位的無(wú)符號(hào)字符型數(shù)據(jù)，可從0取到0xFFFF，uint32_t表示32位的無(wú)符號(hào)字符型數(shù)據(jù)，可從0取到0xFFFFFFFF。舉例來(lái)說(shuō)，如果寫定義一個(gè)名為n1的變量，可寫：uint8_tn1=0xFF;但是，如果uint8_tn1=0xFFF;在編譯時(shí)會(huì)有警告，因?yàn)閡int8_t的最大值是0xFF，0XFFF已經(jīng)超過(guò)其取值范圍。在有些系統(tǒng)中，也有用U8、U16、U32分別表示8位、16位、32位無(wú)符號(hào)字符型數(shù)據(jù)的。uint16_t比uint8_t多占用了1倍的存儲(chǔ)空間，因此在編寫程序時(shí)，可依據(jù)數(shù)據(jù)的大小選用不同的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)定義。5.2結(jié)構(gòu)體5.2.1C語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體是C語(yǔ)言中的一種數(shù)據(jù)類型，是由不同類型的數(shù)據(jù)組合成的一個(gè)整體，這些組合在一個(gè)整體中的數(shù)據(jù)是互相聯(lián)系的，這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為結(jié)構(gòu)體。舉例來(lái)說(shuō)：structdate//聲明一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型{intyear;intmonth;intday;}data是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，也是一種數(shù)據(jù)類型，其中的三個(gè)成員用來(lái)表示年、月、日，具有明顯的共性聯(lián)系。5.2.1C語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)體再舉例來(lái)說(shuō)：

structstudent{intnum;charname[20];charsex;intage;structdatebirthday;charaddr[30];}student1,student2;student是一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型，其中的一個(gè)成員是structdatebirthday;這個(gè)成員本身也是一個(gè)data類型的結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體變量名是birthday。student1和student2是student類型的結(jié)構(gòu)體變量。成員的賦值方式舉例如下：student1.num=10010;student1.birthday.month=7;此時(shí)，如果再定義一個(gè)指針變量p，指向結(jié)構(gòu)體student，即structstudent*p;5.2.1C語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)體再舉例來(lái)說(shuō)：

structstudent{intnum;charname[20];charsex;intage;structdatebirthday;charaddr[30];}student1,student2;此時(shí)，如果再定義一個(gè)指針變量p，指向結(jié)構(gòu)體student，即structstudent*p;則可以通過(guò)指針p給結(jié)構(gòu)體變量student1或student2賦值。方法如下：p=&student1；（*p).num=10011;等價(jià)于student1.num=10011；在C語(yǔ)言中，為了使用方便和使之直觀，可以把(*p).num改用p->num來(lái)代替，它表示*p所指向的結(jié)構(gòu)體變量中的num成員，同樣，(*p).name等價(jià)于p->name。5.2.2嵌入式語(yǔ)句中的結(jié)構(gòu)體舉例嵌入式系統(tǒng)中大量用到結(jié)構(gòu)體，在使用時(shí)，也可以把其看成一種特殊的數(shù)據(jù)類型。比如typedefstruct{__IOuint32_tCRL;__IOuint32_tCRH;__IOuint32_tIDR;__IOuint32_tODR;

__IOuint32_tBSRR;__IOuint32_tBRR;__IOuint32_tLCKR;}GPIO_TypeDef;就是定義了一個(gè)名為GPIO_TypeDef的結(jié)構(gòu)體，其含有CRL等7個(gè)成員。5.2.2嵌入式語(yǔ)句中的結(jié)構(gòu)體舉例#defineGPIOA_BASE(APB2PERIPH_BASE+0x00000800UL)語(yǔ)句表示將GPIOA端口的地址賦給GPIOA_BASE。#defineGPIOA((GPIO_TypeDef*)GPIOA_BASE)語(yǔ)句中，((GPIO_TypeDef*)GPIOA_BASE)表示將GPIOA_BASE強(qiáng)轉(zhuǎn)換為指針類型的結(jié)構(gòu)體，而整句表示用GPIOA替代(GPIO_TypeDef*)GPIOA_BASE。那么現(xiàn)在GPIOA就表示以GPIOA_BASE為基地址、類型為GPIO_TypeDef結(jié)構(gòu)體的一個(gè)指針，所以程序里可以用GPIOA->CRL=……等給成員賦值。如果沒(méi)有指向，單純用GPIO_TypeDef->ODR=……賦值沒(méi)有任何意義，因?yàn)椴](méi)有明確的指向。

5.3順序、循環(huán)與選擇C語(yǔ)言的語(yǔ)句執(zhí)行有順序、循環(huán)、選擇三種次序。下面以某個(gè)程序段為例來(lái)說(shuō)明。程序如下：5.3順序、循環(huán)與選擇順序語(yǔ)句：語(yǔ)句2-3，語(yǔ)句5-7均是順序執(zhí)行的語(yǔ)句，如果持續(xù)執(zhí)行到這里，則按照從上到下的順序依次執(zhí)行。循環(huán)語(yǔ)句：while(a>b){…….}是一個(gè)while循環(huán)，如果a>b一直成立，則此while循環(huán)會(huì)一直循環(huán)下去，即一直會(huì)執(zhí)行HAL_GPIO_ReadPin、HAL_GPIO_WritePin等函數(shù)。出了while外，還有for循環(huán)、do{……}while循環(huán)等。選擇語(yǔ)句：if(key_value==0){……}/else{……}語(yǔ)句是一個(gè)選擇語(yǔ)句，在執(zhí)行完HAL_GPIO_ReadPin函數(shù)后，if和else只能二選一，即要么執(zhí)行語(yǔ)句2-4，要么執(zhí)行語(yǔ)句5-7。5.4程序執(zhí)行過(guò)程分析、中斷如前所述的while(a>b){…….}循環(huán)，在實(shí)際應(yīng)用中，往往寫成while(1){…….}，即將比較的結(jié)果直接設(shè)定為1，即永遠(yuǎn)為真。進(jìn)入這個(gè)循環(huán)后，就是進(jìn)入一個(gè)無(wú)窮循環(huán)，或者說(shuō)會(huì)一直循環(huán)下去的循環(huán)。嵌入式系統(tǒng)還有一種機(jī)制，叫中斷，中斷后，可以離開(kāi)此while(1){…….}循環(huán)而去做其他的事情。能夠引起中斷的因素有定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出、外部中斷、串口中斷等。當(dāng)有若干個(gè)中斷事件同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，優(yōu)先級(jí)較高的中斷優(yōu)先處理；高優(yōu)先級(jí)的中斷會(huì)打斷低優(yōu)先級(jí)的中斷去執(zhí)行。5.5指針、函數(shù)指針、指針函數(shù)指針。指針是C語(yǔ)言中的一個(gè)重要概念及其特點(diǎn)，也是掌握C語(yǔ)言比較困難的部分。指針也就是內(nèi)存地址，指針變量是用來(lái)存放內(nèi)存地址的變量，在同一CPU構(gòu)架下，不同類型的指針變量所占用的存儲(chǔ)單元長(zhǎng)度是相同的，而存放數(shù)據(jù)的變量因數(shù)據(jù)的類型不同，所占用的存儲(chǔ)空間長(zhǎng)度也不同。有了指針以后，不僅可以對(duì)數(shù)據(jù)本身，也可以對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的變量地址進(jìn)行操作。指針運(yùn)算符*。指針運(yùn)算符*的功能是取指針變量所指向地址中的內(nèi)容，與取地址運(yùn)算符&的運(yùn)算是互逆的，它是單目運(yùn)算符。指針運(yùn)算符的運(yùn)算對(duì)象必須是地址，可以是已賦值的指針變量，也可以是變量或數(shù)組元素的地址，但不能是整數(shù)，也不能是非地址型的變量。運(yùn)算結(jié)果就是地址對(duì)應(yīng)的變量。取地址運(yùn)算符&。取地址運(yùn)算符&的功能是取變量的地址，它是單目運(yùn)算符。取地址運(yùn)算符的運(yùn)算對(duì)象必須是已經(jīng)定義的變量或數(shù)組元素，但不能是數(shù)組名。運(yùn)算結(jié)果是運(yùn)算對(duì)象的地址。5.5.1指針的聲明指針的標(biāo)識(shí)是*號(hào)，指針的聲明舉例如下：int*p;//聲明一個(gè)int類型的指針pchar*p//聲明一個(gè)char類型的指針pint*arr[10]//聲明一個(gè)指針數(shù)組，該數(shù)組有10個(gè)元素，其中每個(gè)元素都是一個(gè)指向int類型對(duì)象的指針int(*arr)[10]//聲明一個(gè)數(shù)組指針，該指針指向一個(gè)int類型的一維數(shù)組int**p;//聲明一個(gè)指針p，該指針指向一個(gè)int類型的指針5.5.2指針函數(shù)指針函數(shù)：顧名思義，它的本質(zhì)是一個(gè)函數(shù)，不過(guò)它的返回值是一個(gè)指針。其聲明的形式如下所示：ret*func(args,...)；其中，func是一個(gè)函數(shù)，args是形參列表，ret*作為一個(gè)整體，是func函數(shù)的返回值，是一個(gè)指針的形式5.5.3函數(shù)指針與指針函數(shù)不同，函數(shù)指針的本質(zhì)是一個(gè)指針，該指針的地址指向了一個(gè)函數(shù)，所以它是指向函數(shù)的指針。函數(shù)的定義是存在于代碼段，因此，每個(gè)函數(shù)在代碼段中，也有著自己的入口地址，函數(shù)指針就是指向代碼段中函數(shù)入口地址的指針。其聲明形式如下所示：ret(*p)(args,...);其中，ret為返回值，*p作為一個(gè)整體，代表的是指向該函數(shù)的指針，args為形參列表。其中p被稱為函數(shù)指針變量。項(xiàng)目小結(jié)本項(xiàng)目介紹了嵌入式C語(yǔ)言，通過(guò)學(xué)習(xí)知道，嵌入式C語(yǔ)言保持了C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，語(yǔ)法，結(jié)構(gòu)等，但是嵌入式C語(yǔ)言又有其自己的特點(diǎn)及特殊性，這主要體現(xiàn)在嵌入式C語(yǔ)言用來(lái)驅(qū)動(dòng)硬件，嵌入式C語(yǔ)言需要應(yīng)對(duì)異常，嵌入式C語(yǔ)言需要循環(huán)反復(fù)執(zhí)行。習(xí)題1、各寫一個(gè)for循環(huán)、while循環(huán)、do-while循環(huán)。2、簡(jiǎn)述函數(shù)的形參和實(shí)參的含義，以及其使用場(chǎng)合。項(xiàng)目6電平與信號(hào)任務(wù)目標(biāo)1、學(xué)習(xí)和數(shù)電、通信相關(guān)的一些概念，如電平、差分、串行、并行等。2、掌握一些串行信號(hào)，如485、IIC、SPI等。6.1電平與數(shù)字信號(hào)在模擬電路中，有電壓的概念，即電壓屬于模擬量，表示的是兩點(diǎn)電位之間的電勢(shì)差，而電平則是邏輯量，有邏輯高，邏輯低等不同的值，是數(shù)字電子技術(shù)的基本概念。電平其實(shí)就是電壓的不同電位。高低電平是電路上某個(gè)點(diǎn)的電壓的高低，比如在邏輯電路里面，高于某個(gè)數(shù)值被稱之為是高電平，而低于這個(gè)數(shù)值，就可以稱之為是低電平。在數(shù)字通信中，一般用二進(jìn)制數(shù)字1和0的組合來(lái)表示數(shù)字量。二進(jìn)制數(shù)字1和0在電路中，體現(xiàn)為不同的電壓值，或電壓范圍。比如，對(duì)于3.3V供電的ARM系統(tǒng)，1對(duì)應(yīng)高電平即3.3V；0對(duì)應(yīng)低電平，即0V。對(duì)于5V供電的單片機(jī)電路系統(tǒng)，1對(duì)應(yīng)高電平即5V；0對(duì)應(yīng)低電平，即0V。6.2TTL與RS232TTL(Transistor-TransistorLogic)電平信號(hào)規(guī)定，+5V等價(jià)于邏輯1，0V等價(jià)于邏輯0（采用二進(jìn)制來(lái)表示數(shù)據(jù)時(shí)）。這樣的數(shù)據(jù)通信及電平規(guī)定方式，被稱做TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）信號(hào)系統(tǒng)。這是計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。3.3V供電的ARM系統(tǒng)，也稱為L(zhǎng)VTTL，即低壓TTLRS-232C標(biāo)準(zhǔn)(協(xié)議)的全稱是EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA(ElectronicIndustryAssociation)代表美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，RS(recommendedstandard)代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，C代表RS232的最新一次修改(1969)，在這之前，有RS232B、RS232A。它規(guī)定連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過(guò)程。常用物理標(biāo)準(zhǔn)還有EIARS-422A、EIARS-423A、EIARS-485。這里只介紹EIARS-232C(簡(jiǎn)稱232，RS232)。例如，目前在IBMPC機(jī)上的COM1、COM2接口，就是RS-232C接口。EIA-RS-232C對(duì)電氣特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定。在TxD和RxD上:邏輯1(MARK)=-3V~-15V，邏輯0(SPACE)=+3V~+15V，即所謂的負(fù)邏輯。RS232電平常見(jiàn)于計(jì)算機(jī)的COM口，接口即常見(jiàn)的DB9。6.3串行信號(hào)與并行信號(hào)串行(serial)與并行(parallel)相對(duì)應(yīng)。串行通信是指使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。并行通信一般指用若干根數(shù)據(jù)線同時(shí)傳送若干位數(shù)據(jù)，如用8根數(shù)據(jù)線傳輸8位數(shù)據(jù)。串行信號(hào)和并行信號(hào)均是所謂的單端信號(hào)，即均是相對(duì)于地線的信號(hào)。在非計(jì)算機(jī)的電子電路中，串行通信最為普遍。6.4差分信號(hào)與單端信號(hào)差分傳輸是一種信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的一根信號(hào)線一根地線的做法，差分傳輸在這兩根線上都傳輸信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的振幅相等，相位相差180度，極性相反。在這兩根線上傳輸?shù)男盘?hào)就是差分信號(hào)。信號(hào)接收端比較這兩個(gè)電壓的差值來(lái)判斷發(fā)送端發(fā)送的是邏輯0還是邏輯1。在電路板上，差分?jǐn)?shù)據(jù)線的走線必須是等長(zhǎng)、等寬、緊密靠近、且在同一層面的兩根線。6.5IICI2C串行總線一般有兩根信號(hào)線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。所有接到I2C總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設(shè)備的時(shí)鐘線SCL接到總線的SCL上。I2C的運(yùn)用比如在鐵電存儲(chǔ)器中，用鐵電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)就是用的I2C總線協(xié)議。24C0x類EEPROM存儲(chǔ)芯片，即是采用的IIC總線結(jié)構(gòu)。6.6SPISPI是串行外設(shè)接口(SerialPeripheralInterface)的縮寫。是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術(shù)，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。SPI規(guī)定了兩個(gè)SPI設(shè)備之間通信必須由主設(shè)備(Master)來(lái)控制從設(shè)備(Slave)。一個(gè)Master設(shè)備可以通過(guò)提供Clock以及對(duì)Slave設(shè)備進(jìn)行片選(SlaveSelect)來(lái)控制多個(gè)Slave設(shè)備，SPI協(xié)議還規(guī)定Slave設(shè)備的Clock由Master設(shè)備通過(guò)SCK管腳提供給Slave設(shè)備，Slave設(shè)備本身不能產(chǎn)生或控制Clock，沒(méi)有Clock則Slave設(shè)備不能正常工作Master設(shè)備會(huì)根據(jù)將要交換的數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘脈沖(ClockPulse)，時(shí)鐘脈沖組成了時(shí)鐘信號(hào)(ClockSignal)，時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位(CPHA)控制著兩個(gè)SPI設(shè)備間何時(shí)數(shù)據(jù)交換以及何時(shí)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，來(lái)保證數(shù)據(jù)在兩個(gè)設(shè)備之間是同步傳輸?shù)摹PI是一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，由由NSS、SCK、MISO、MOSI構(gòu)成，主要是在SCK的控制下，兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。6.6SPISPI有主從兩種工作方式。在主模式下，SPI為其他節(jié)點(diǎn)的SCK引腳提供串行時(shí)鐘，數(shù)據(jù)從MOSI引腳輸出，從MISO引腳輸入。主控制器寫入數(shù)據(jù)到寄存器TXBUF便啟動(dòng)發(fā)送，數(shù)據(jù)從TXBUF傳送到DAT中再通過(guò)MOSI引腳發(fā)送出去，先發(fā)送最高位；同時(shí)，主控制器接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)MISO引腳移入寄存器DAT的最低位。當(dāng)選定數(shù)量的位數(shù)發(fā)送完時(shí)，整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，緊接著接收完畢（通過(guò)MOSI引腳發(fā)送的DAT的數(shù)據(jù)最高位每移出一位后就會(huì)從MISO引腳移入一位到DAT最低位）。首先將接收到的數(shù)據(jù)傳送到寄存器RXBUF，并進(jìn)行右對(duì)齊，供CPU讀取。在從動(dòng)方式下，數(shù)據(jù)從MISO引腳移出并由MOSI引腳移入。SCK引腳作為串行移位時(shí)鐘的輸入。為了接收數(shù)據(jù)，串行外設(shè)接口等待網(wǎng)絡(luò)主控制器送出的SCK信號(hào)，然后它將MOSI引腳上的數(shù)據(jù)移入到DAT寄存器。如果從控制器同時(shí)也發(fā)送數(shù)據(jù)，則必須在SCK信號(hào)開(kāi)始之前把數(shù)據(jù)寫入到RXBUF或DAT寄存器中。6.7485信號(hào)485是一種串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了信號(hào)傳輸電壓、線路阻抗等。485信號(hào)在2根傳輸線之間傳輸，這兩根傳輸線分別是A和B，A、B之間傳輸?shù)氖遣罘中盘?hào)。發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A、B之間的正電平在+2~+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2V~6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS-485中還有一使能端。使能端是用于控制發(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)使能端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作第三態(tài)，即它是有別于邏輯1與0的第三態(tài)。項(xiàng)目小結(jié)本項(xiàng)目?jī)?nèi)容偏重于信號(hào)。從信號(hào)的角度看，有模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)，串行信號(hào)與并行信號(hào)，SPI、IIC、485信號(hào)等。深入理解以上內(nèi)容，有助于提高學(xué)習(xí)效率。習(xí)題1、簡(jiǎn)述IIC信號(hào)如何區(qū)分1和0。2、如何將TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為485信號(hào)？可通過(guò)一個(gè)具體的芯片說(shuō)明。項(xiàng)目7常見(jiàn)信號(hào)傳輸技術(shù)任務(wù)目標(biāo)1、了解若干有限傳輸媒介。2、了解若干信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片及典型電路。7.1有線信號(hào)傳輸技術(shù)可以分為有線和無(wú)線。有線通信有確定的傳輸線，如計(jì)算機(jī)內(nèi)部的排線、電路中的信號(hào)走線、USB線、串口線、雙絞線、光纖等；無(wú)線通信的媒介如433MHz的射頻、2.4G的ZigBee、藍(lán)牙、LORA、WiFi、NB-IOT等。下面以STM32F407的通信為例來(lái)分別講解。STM32F407有6個(gè)串口，分別是USART1-3、USART6、UART4-5。7.1.1TTL轉(zhuǎn)USBSTM32F407的串口輸出的是TTL信號(hào)，此信號(hào)可以直接接到TTL轉(zhuǎn)USB模塊進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)上的串口助手觀察串口發(fā)送的信號(hào)，如圖7-1所示。

圖7-1TTL轉(zhuǎn)USB模塊7.1.2TTL轉(zhuǎn)232TTL信號(hào)可以通過(guò)232芯片轉(zhuǎn)換位232信號(hào)后，再通過(guò)串口線進(jìn)入計(jì)算機(jī)，或者經(jīng)過(guò)232轉(zhuǎn)USB進(jìn)入計(jì)算機(jī)，再通過(guò)串口助手接收，如圖7-2所示。

圖7-2TTL轉(zhuǎn)232電路7.1.3TTL轉(zhuǎn)485TTL信號(hào)經(jīng)485芯片后，可轉(zhuǎn)化為485差分信號(hào)，如圖7-3所示。SP3485的2、3引腳接在一起，接到485信號(hào)的控制引腳，如果CTRL_485為低電平，則485芯片可以接收485信號(hào)，即可以接收來(lái)自A-B的差分信號(hào)；如果CTRL_485為高電平，則UART4_TX信號(hào)可以經(jīng)485芯片，從A-B傳輸出去，因此，CTRL_485控制傳輸方向。

圖7-3TTL轉(zhuǎn)485接口電路7.2無(wú)線TTL信號(hào)可以直接接到無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送出去，如圖7-4所示。無(wú)線發(fā)送模塊有433MHz、2.4GHz的ZigBee、GPRS、藍(lán)牙、WiFi、LORA、NB_IOT等。無(wú)線通信的最小配置是一發(fā)一收，即必須有無(wú)線發(fā)送模塊和無(wú)線接收模塊才能構(gòu)成一個(gè)無(wú)線系統(tǒng)。

圖7-4TTL轉(zhuǎn)無(wú)線項(xiàng)目小結(jié)本項(xiàng)目介紹了若干信號(hào)傳輸技術(shù)，以及一些典型應(yīng)用電路，其中的傳輸技術(shù)均數(shù)據(jù)串行通訊，即信號(hào)沿著1根信號(hào)線進(jìn)行傳輸。信號(hào)傳輸技術(shù)，在設(shè)備間建立起通信聯(lián)系，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)。習(xí)題1、簡(jiǎn)述TTL轉(zhuǎn)USB模塊的使用。2、簡(jiǎn)述圖7-3的電路原理。項(xiàng)目8智能光電功能電路設(shè)計(jì)與仿真任務(wù)目標(biāo)1、了解遠(yuǎn)程仿真平臺(tái)的特點(diǎn)。2、學(xué)會(huì)搭建遠(yuǎn)程在線仿真平臺(tái)。3、通過(guò)編寫程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程仿真平臺(tái)的操作，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。智能光電功能電路設(shè)計(jì)與仿真智能光電產(chǎn)品涉及知識(shí)面與技術(shù)點(diǎn)較廣，智能光電產(chǎn)品或項(xiàng)目需要整體進(jìn)行規(guī)劃，通常以團(tuán)隊(duì)合作的方式進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)施。總體來(lái)說(shuō)，智能光電產(chǎn)品項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期由六部分組成，分別為階段1市場(chǎng)調(diào)研與需求分析、階段2智能光電方案設(shè)計(jì)、階段3智能光電電路設(shè)計(jì)、階段4智能光電編程設(shè)計(jì)、階段5智能光電裝調(diào)及工藝、階段6智能光電產(chǎn)品部署運(yùn)維（應(yīng)用），見(jiàn)圖8-1。圖8-1智能光電開(kāi)發(fā)的6個(gè)階段智能光電功能電路設(shè)計(jì)與仿真在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，可以把智能光電開(kāi)發(fā)的每個(gè)階段理解為一個(gè)典型工作任務(wù)，具體各階段具體實(shí)施內(nèi)容可以在典型的工作任務(wù)中的具體工作任務(wù)中體現(xiàn)。由圖8-1所示智能光電應(yīng)用開(kāi)發(fā)全生命周期流程圖可知，在階段1市場(chǎng)調(diào)研與需求分析完成后，需要進(jìn)行階段2智能光電方案設(shè)計(jì)。1.市場(chǎng)調(diào)研與需求分析市場(chǎng)調(diào)研與需求分析通常要考慮需求分析切入點(diǎn)、需求分析方法、競(jìng)品分析、需求獲取的途徑、需求分析的實(shí)際意義等幾方面，原始需求通常是由客戶或者用戶提出的，智能光電開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)需要透徹的理解客戶或用戶提出的需求，對(duì)需求加以分析，將需求與技術(shù)層面對(duì)接，然后將其轉(zhuǎn)化為技術(shù)要求，只有通過(guò)對(duì)需求進(jìn)行有效的分析，并進(jìn)行需求驗(yàn)證才能制定與實(shí)際相貼合的方案。智能光電功能電路設(shè)計(jì)與仿真智能光電方案設(shè)計(jì)是從需求、目的、方式、方法、任務(wù)進(jìn)度、人員部署安排、執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行具體、周密，并有很強(qiáng)可操作性的計(jì)劃。方案的制定是一個(gè)復(fù)雜且具有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)規(guī)劃，同時(shí)也是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，要求設(shè)計(jì)者將用戶需求分解為技術(shù)可實(shí)施的方案智能光電產(chǎn)品功能電路設(shè)計(jì)就是對(duì)技術(shù)方案的初步驗(yàn)證，為了方便于教學(xué)和快速對(duì)技術(shù)方案的驗(yàn)證，可采用遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行初步的方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，并通過(guò)編寫程序代碼，對(duì)設(shè)計(jì)方案做可行性的驗(yàn)證。智能光電產(chǎn)品常用外圍硬件功能電路通常由以下幾部分功能電路組成。智能光電功能電路設(shè)計(jì)與仿真（1）電源管理智能光電產(chǎn)品系統(tǒng)會(huì)有各種電壓需要適配，更有部分功能電路需要獨(dú)立供電，如模擬電路、數(shù)字電路、通信隔離電路都需要獨(dú)立供電，需要利用硬件電路搭配不同的電壓以滿足智能光電設(shè)備不同功能組件的電壓要求，更有需要考慮EMI/EMC等特殊等特殊情況，見(jiàn)圖8-2。圖8-2電源管理電路框架圖智能光電功能電路設(shè)計(jì)與仿真（2）輸入接口：作為一個(gè)智能光電產(chǎn)品必然會(huì)包含輸入電路，輸入電路包括模擬信號(hào)輸入電路、開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入電路、頻率信號(hào)輸入電路等電路，首先說(shuō)明的是輸入是一個(gè)統(tǒng)稱的說(shuō)法。常用的輸入功能組件有，如鍵盤、功能按鍵、a/d轉(zhuǎn)換接口電路、傳感器、音頻輸入接口、開(kāi)關(guān)信號(hào)等等，圖8-3為常用輸入接口功能電路框架圖。圖8-3輸入接口電路框架圖智能光電功能電路設(shè)計(jì)與仿真（3）輸出接口：與輸入接口電路概念相互對(duì)應(yīng)，輸出接口電路也是一種通信電路，用以微處理器與外設(shè)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制交互。常用輸出接口電路有顯示設(shè)備、指示設(shè)備、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備、可編程接口、外設(shè)適配器，見(jiàn)圖8-4。圖8-4輸出接口電路框架圖智能光電功能電路設(shè)計(jì)與仿真（4）信號(hào)調(diào)理：信號(hào)的流入流出主控系統(tǒng)時(shí)或單個(gè)信號(hào)，或是一串脈沖，可以是單一端口，也可是多個(gè)端口并行，信號(hào)調(diào)理電路是吧模擬模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定可靠可以被微處理器識(shí)別或采集的電信號(hào)的電路，見(jiàn)圖8-5。信號(hào)調(diào)理電路常用傳感器信號(hào)的調(diào)理，傳感器信號(hào)不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，當(dāng)傳感器采集到電信號(hào)后信號(hào)調(diào)理電路就信號(hào)進(jìn)行量化，如溫度、壓力、光強(qiáng)度、濕度、氣體濃度等物理量的測(cè)量應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)調(diào)理主要包括消抖、濾波、隔離、電平兼容、保護(hù)等電路。模擬信號(hào)調(diào)理主要包括放大、衰減、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、隔離、補(bǔ)償?shù)入娐贰D8-5信號(hào)調(diào)理電路框架圖智能光電功能電路設(shè)計(jì)與仿真（5）存儲(chǔ)電路：存儲(chǔ)器是一種時(shí)序邏輯電路，是一種數(shù)字器件。智能光電硬件產(chǎn)品發(fā)展日新月異，需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序存儲(chǔ)空間也在不斷加大，隨著電子技術(shù)與加工工藝的發(fā)展，存儲(chǔ)器件也在不斷的發(fā)展，小體積與大容量存儲(chǔ)器種類也比較多。存儲(chǔ)器一般分外設(shè)存儲(chǔ)器和內(nèi)部存儲(chǔ)器件，從功能上可以分為ROM和RAM存儲(chǔ)器件。良好的存儲(chǔ)電路讀寫速度應(yīng)該高于或等于主控單元電路相同，同時(shí)存儲(chǔ)容量較大，價(jià)格也相對(duì)較低。在智能光電產(chǎn)品中存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)信息的部件。常見(jiàn)的外設(shè)存儲(chǔ)芯片有SD卡、NANDFLASH、SRAM、DRAM、EEPROM等相關(guān)芯片。智能光電功能電路設(shè)計(jì)與仿真（6）接口防護(hù)電路：智能光電產(chǎn)品根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，防護(hù)級(jí)別也是不同的，防護(hù)電路的是出于智能光電產(chǎn)品保護(hù)以及產(chǎn)品安全方面考慮而設(shè)計(jì)的。總體來(lái)說(shuō)防護(hù)電路可以分為輸入輸出防護(hù)、板級(jí)防護(hù)以及整機(jī)防護(hù)等。主要涉及緩沖、防雷、浪涌、EMI、EMC、靜電、防反接、過(guò)壓過(guò)流防護(hù)等措施，見(jiàn)圖8-6。圖8-6接口防護(hù)電路框架圖智能光電功能電路設(shè)計(jì)與仿真智能光電產(chǎn)品相比于傳統(tǒng)硬件產(chǎn)品，是通過(guò)軟硬件的結(jié)合，使設(shè)備具備智能化的功能產(chǎn)品。作為一個(gè)智能光電產(chǎn)品，其用戶需求、功能定義、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等等，都離不開(kāi)方案的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)用戶進(jìn)行需求分析后并進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)方案時(shí)進(jìn)行功能驗(yàn)證，論證需求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的可行性，利用遠(yuǎn)程遠(yuǎn)端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行功能電路方案的虛擬仿真驗(yàn)證，同時(shí)為后續(xù)實(shí)體軟硬件開(kāi)發(fā)以及實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化與后期優(yōu)化升級(jí)留下余地。利用遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行虛擬仿真是智能光電應(yīng)用開(kāi)發(fā)全部設(shè)計(jì)中起到承前啟后的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，可對(duì)智能光電基本外設(shè)功能電路方案進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，為后續(xù)的方案設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。本書(shū)選用遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路虛擬仿真主控單元為STM32F4系列ARM芯片。8.1遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真及使用智能光電產(chǎn)品功能電路由多個(gè)單元模塊組成，對(duì)智能光電電路邏輯功能模塊設(shè)計(jì)首先要詳細(xì)了解設(shè)計(jì)需求和方案，從需求中整理出需要設(shè)計(jì)的功能，結(jié)合實(shí)際需求和方案對(duì)主控芯片進(jìn)行合理的選型，理清信號(hào)通路，需要細(xì)分每一個(gè)功能模塊電路，理解每一個(gè)電子元件的作用，然后選用成熟且穩(wěn)定性與可靠性較高的電路對(duì)外圍驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，最后對(duì)各部分設(shè)計(jì)好的功能模塊電路進(jìn)行實(shí)際的功能性驗(yàn)證。設(shè)計(jì)與仿真智能光電產(chǎn)品是智能光電應(yīng)用開(kāi)發(fā)中得一個(gè)典型工作任務(wù)，利用遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為工具或載體，平臺(tái)既融入了管理模式，又可進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真，在實(shí)踐環(huán)節(jié)分四個(gè)方面的典型工作任務(wù)：搭建智能光電外圍電路、硬件編程語(yǔ)言練習(xí)、學(xué)習(xí)模塊化外設(shè)編程、綜合實(shí)驗(yàn)仿真。8.1遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真及使用以本專業(yè)學(xué)科理論知識(shí)點(diǎn)為主線，利用遠(yuǎn)程云端硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)操?gòu)?qiáng)化訓(xùn)練，剖析專業(yè)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)與知識(shí)面，然后分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及到的典型工作任務(wù)，有針對(duì)性的開(kāi)展本智能光電應(yīng)用開(kāi)發(fā)相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)行項(xiàng)目方案的仿真與驗(yàn)證，完成學(xué)員技術(shù)技能的培養(yǎng)，詳見(jiàn)圖8-7。學(xué)科理論知識(shí)教學(xué)管理實(shí)踐環(huán)節(jié)典型工作任務(wù)智能硬件外圍電路硬件編程語(yǔ)言練習(xí)模塊化外設(shè)編程綜合實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)完成技能實(shí)訓(xùn)圖8-7遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成及使用框架圖8.1.1遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)平臺(tái)采用先進(jìn)的B/S架構(gòu)，即兼顧了傳統(tǒng)智能光電開(kāi)發(fā)相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)的硬件特征形式又結(jié)合了最新大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，是可以進(jìn)行線上遠(yuǎn)程操作先進(jìn)硬件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在校學(xué)生以及工程技術(shù)人員可以利用遠(yuǎn)程線上的方式隨時(shí)隨地不受時(shí)空和條件限制進(jìn)行相關(guān)智能光電產(chǎn)品方案的虛擬仿真電路設(shè)計(jì)與編程驗(yàn)證。遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后臺(tái)為真實(shí)的系統(tǒng)硬件板卡，可通過(guò)以太網(wǎng)將所有的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，并通過(guò)B/S架構(gòu)在瀏覽器界面實(shí)時(shí)反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該平臺(tái)自帶系統(tǒng)管理系統(tǒng)，分為教師端和學(xué)生端，滿足教師布置作業(yè)任務(wù)、提交作業(yè)任務(wù)、并可以實(shí)時(shí)觀察學(xué)生端操作情況等功能。8.1.1遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的登錄界面如圖8-8所示。圖8-8遠(yuǎn)程云端硬件登陸平臺(tái)眾所周知主控單元芯片是智能光電產(chǎn)品不可確實(shí)的一部分，尤其是近些年，科技飛速發(fā)展，技術(shù)領(lǐng)域也在不斷的提高，芯片制造工藝也在不斷提高，處理器性能越來(lái)越高，不斷發(fā)展的主控芯片已經(jīng)能夠滿足智能光電產(chǎn)品各方面的需求，但不同的主控單元芯片還是存在較大的差異，所以在智能光電產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初對(duì)主控芯片進(jìn)行選型，發(fā)揮芯片最佳的性能。8.1.1遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介該教學(xué)平臺(tái)采用目前主流的處理器作為主控單元芯片，運(yùn)行主頻高,可以流暢運(yùn)行各種實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)該平臺(tái)，既能在校學(xué)生以及工程技術(shù)人員既可以在平臺(tái)進(jìn)行智能光電電路方案的虛擬仿真與編程，又可以了解到嵌入式技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。是專為培養(yǎng)智能光電應(yīng)用開(kāi)發(fā)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人才提供的教育教學(xué)平臺(tái)。選擇正確的只能硬件產(chǎn)品主控單元，不僅可以節(jié)約成本還可以使設(shè)計(jì)結(jié)果更加明確。遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有四個(gè)不同的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，分別為XLINX、51單片機(jī)、STM32、altera遠(yuǎn)程云端實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)需求的綜合分析，選擇適當(dāng)?shù)闹骺貑卧酒M(jìn)行方案設(shè)計(jì)。8.1.2遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由管理端、教師端和學(xué)生端組成，其中教師端提供了登錄、學(xué)生信息監(jiān)控、學(xué)生操作記錄監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)管理、FPGA板卡連接狀態(tài)監(jiān)控、學(xué)生實(shí)時(shí)操作信息監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)面板等功能,轉(zhuǎn)為教學(xué)管理與教學(xué)實(shí)驗(yàn)量身定制。圖8-9顯示的是系統(tǒng)主頁(yè)。圖8-9系統(tǒng)主頁(yè)8.1.2遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成實(shí)驗(yàn)面板是功能是遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)核心功能，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)面板上可進(jìn)行虛擬電路框架的搭建，以及本地程序向真實(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)板卡程序燒寫的功能，見(jiàn)圖8-10。圖8-10實(shí)驗(yàn)面板8.1.2遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成

圖8-11主要器件展示8.1.2遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成在實(shí)驗(yàn)面板上有基礎(chǔ)器件、實(shí)物器件、邏輯器件等可供同學(xué)們開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)器件有PWM輸入、多位輸入、多位輸出、脈沖輸入、模擬量輸入、頻率測(cè)量輸出、位輸入、位輸出實(shí)驗(yàn)；實(shí)物器件有LED指示燈實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立按鍵控制實(shí)驗(yàn)、矩陣按鍵控制實(shí)驗(yàn)、撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)、蜂鳴器實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)、四位數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)、8*8點(diǎn)陣實(shí)驗(yàn)、16*16點(diǎn)陣實(shí)驗(yàn)、LCD1602液晶屏實(shí)驗(yàn)、LCD12864液晶實(shí)驗(yàn)、TFT全彩屏實(shí)驗(yàn)、步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)、舵機(jī)實(shí)驗(yàn)、語(yǔ)音播放實(shí)驗(yàn)；邏輯器件有：MCU、邏輯分析儀等；還有本地串口設(shè)備、串口調(diào)試助手、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手等，圖8-11對(duì)主要器件進(jìn)行了集中展示。在實(shí)驗(yàn)面板上有基礎(chǔ)器件、實(shí)物器件、邏輯器件等可供同學(xué)們開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)器件有PWM輸入、多位輸入、多位輸出、脈沖輸入、模擬量輸入、頻率測(cè)量輸出、位輸入、位輸出實(shí)驗(yàn)；實(shí)物器件有LED指示燈實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立按鍵控制實(shí)驗(yàn)、矩陣按鍵控制實(shí)驗(yàn)、撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)、蜂鳴器實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)、四位數(shù)碼管實(shí)驗(yàn)、8*8點(diǎn)陣實(shí)驗(yàn)、16*16點(diǎn)陣實(shí)驗(yàn)、LCD1602液晶屏實(shí)驗(yàn)、LCD12864液晶實(shí)驗(yàn)、TFT全彩屏實(shí)驗(yàn)、步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)、舵機(jī)實(shí)驗(yàn)、語(yǔ)音播放實(shí)驗(yàn)；邏輯器件有：MCU、邏輯分析儀等；還有本地串口設(shè)備、串口調(diào)試助手、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手等，圖8-11對(duì)主要器件進(jìn)行了集中展示。8.1.3遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真電路搭建遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供多種智能光電常用基本器件和實(shí)物器件，用戶可使用器件進(jìn)行組合，搭建基于多個(gè)場(chǎng)景的硬件電路，進(jìn)行通過(guò)編程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。下面以搭建按鍵點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)行搭建虛擬仿真電路配置實(shí)驗(yàn)演示。8.1.3遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真電路搭建1.添加自定義MCU添加自定義MCU的步驟如下。(1)打開(kāi)器件面板中的“邏輯器件”如圖8-12所示，其中基本管腳（MCU）和自定義管腳（MCU）均為邏輯器件，其中“基本管腳”中包含基本常用外設(shè)引腳，“自定義管腳”的邏輯器件模型可通過(guò)設(shè)計(jì)需要靈活配置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。圖8-12添加MCU圖8.1.3遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真電路搭建(2)鼠標(biāo)左鍵選中“自定義管腳（MCU）”并向左側(cè)實(shí)驗(yàn)圖紙區(qū)域拖拽，彈出“自定義MCU管腳設(shè)置”對(duì)話框，如圖8-13所示。在對(duì)話框中可進(jìn)行輸入與輸出管腳配置，如圖8-13對(duì)話框。圖8-13自定義MCU管腳8.1.3遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真電路搭建本案例配置一個(gè)輸入引腳和一個(gè)輸出引腳的功能。添加輸入管腳：?jiǎn)螕簟拜斎牍苣_配置”選項(xiàng)卡，單擊“添加管腳”按鈕，選擇PB0作為輸入模式，如圖8-14所示。選擇PB0的BIT位數(shù)選擇1位，然后單擊“確定”按鈕。如果是多位并行輸如引腳，則可以根據(jù)實(shí)際情況選擇添加輸如BIT位數(shù)，遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持最高16位BIT的添加。圖8-14添加MCU輸入管腳8.1.3遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真電路搭建添加輸出管腳：?jiǎn)螕簟拜敵龉苣_配置”選項(xiàng)卡，然后單擊“添加管腳”按鈕，選擇PA4作為輸出模式，如圖8-15所示。BIT位數(shù)選擇1位，如果是多位并行輸出引腳，則可以根據(jù)實(shí)際情況選擇添加輸出BIT位數(shù)，遠(yuǎn)程云端硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持最高16位BIT的添加。圖8-15添加