電子硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

1、將電子產(chǎn)品抽象成一個(gè)硬件的模型，大約有一下組成：1） 輸入2） 處理核心3） 輸出輸入基本上有一下的可能：1） 鍵盤2） 串行接口（RS232/485/ can bun/以太網(wǎng)/USB）3） 開關(guān)量（TTL，電流環(huán)路，干接點(diǎn)）4） 模擬量（420mA、010mA、05V（平衡和非平衡信號(hào)）輸出基本上有以下組成：1） 串行接口（RS232/485/can bus/以太網(wǎng)/USB）2） 開關(guān)量（TTL、電流環(huán)路、干接點(diǎn)、功率驅(qū)動(dòng)）3） 模擬量（420mA、010mA、05V（平衡和非平衡信號(hào)）4） LED顯示器：發(fā)光管、八字5） 液晶顯示器6） 蜂鳴器處理核心主要有：1）8位單片機(jī)，主要就是51系

2、列2）32位arm單片機(jī)，主要有atmel和三星系列51系列單片機(jī)現(xiàn)在看來(lái)，只能做一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用，說(shuō)白了，這個(gè)芯片也就是做單一的一件事情，做多了，不如使用arm來(lái)做；還可以在arm上加一個(gè)操作系統(tǒng)，程序及可靠有容易編寫。最近三星的arm受到追捧，價(jià)格便宜，以太網(wǎng)和USB的接口也有，周立功的開發(fā)系統(tǒng)也便宜，作為學(xué)習(xí)ARM的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是最好的；作為工業(yè)級(jí)的控制，是不是合適，在網(wǎng)友中有不同的看法和爭(zhēng)議。本公司使用atmel ARM91系列開發(fā)的一個(gè)室外使用的產(chǎn)品，在北京事兒愛使用，沒(méi)有任何的通風(fēng)和加熱措施，從去年的5月份到現(xiàn)在，運(yùn)行情況良好。已經(jīng)有個(gè)成功應(yīng)用的案例。但對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，應(yīng)該從51著

3、手，一方面，51還是入門級(jí)的芯片，作為初學(xué)者練手還是比較好的，可以將以上的概念走一遍；很多特殊的單片機(jī)也是在51的核基礎(chǔ)上增加了一些I/O和A/D,D/A;也為今后學(xué)習(xí)更高一級(jí)的單片機(jī)和ARM打下基礎(chǔ)。再說(shuō)了，哪個(gè)老板會(huì)ARM級(jí)別的開發(fā)放在連51也沒(méi)學(xué)過(guò)的新手中?在51上面去做復(fù)雜的并行擴(kuò)展是沒(méi)有必要的，比如，擴(kuò)展I/O和A/D、D/A等等，可以直接買帶有A/D D/A的單片機(jī)；或者直接使用ARM，他的I/O口線口多?？梢允褂肐2C接口的芯片，擴(kuò)展I/O口和A/D D/A，以及SPI接口擴(kuò)展LED顯示，例如：MAX7219等芯片。市面上一些比較古老的屬雞中還有一些并行擴(kuò)展的例子，如：RAM 、

4、EPROM 、A/D 、D/A等，我覺(jué)得已經(jīng)沒(méi)必要去看了，知道歷史上有這些事就行了；這些知識(shí)是所有產(chǎn)品都具備的要素。所以要學(xué)，在具體應(yīng)用.第一課：51單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)際上，51單片機(jī)外圍電路是很簡(jiǎn)單的，一個(gè)單片機(jī)+一個(gè)看門狗+一個(gè)晶振+2個(gè)瓷片電容；1.單片機(jī):atmel的89C51系列、winbond的78E52系列，還有philips的系列，都差不多；仙子阿還有一些有ISP(在線下載的)，就更好用了；2.看門狗：種類很多，我常用的有max691/ca1161和DS1832等，具體看個(gè)人習(xí)慣、芯片工作電壓、封裝等。Max系列和DS系列，還有IMP公司的，種類很多，一般只需要有最基本的功能既可

5、以了；原來(lái)我使用MAX691，但是max691比較貴，因?yàn)樗须姵厍袚Q功能，后來(lái)新設(shè)計(jì)電路板就都采用ca1161了。很在以前的電路設(shè)計(jì)中，現(xiàn)在可能還有人使用，使用一個(gè)電阻和一個(gè)電容達(dá)成上電復(fù)位電路；但是，這樣的復(fù)位電路是不可靠，為什么不可靠，網(wǎng)絡(luò)上能找得到專門論述復(fù)位電路的文章；更重要的是，51系列的單片機(jī)比較容易受到干擾；沒(méi)有看門狗電路是不行的，當(dāng)程序跑飛時(shí)回不來(lái)就死在那兒了。常規(guī)的做法是買一個(gè)專門的看門狗，完成復(fù)位電路和看門狗電路的功能。這些芯片的資料很容易在網(wǎng)上找到。3.單片機(jī)和單片機(jī)抗干擾能力是不一樣的。如果你的產(chǎn)品是工作在干擾比較大的環(huán)境，可以試試選用不同品牌的單片機(jī)；原來(lái)我在一個(gè)光

6、電所做YAG激光治療機(jī)的控制部分，脈沖激光機(jī)的電源放點(diǎn)時(shí)能量是很大的，在采取了所有能夠想到的光電隔離等措施之后，還是不行；后來(lái)選用了intel的8031就可以了，當(dāng)時(shí)philips的單片機(jī)抗干擾是最差的，可能跟philips主要做民用領(lǐng)域有關(guān)?，F(xiàn)在不知道怎么樣了。單片機(jī)的輸入輸出口線是最容易引進(jìn)干擾的地方；在嚴(yán)重的情況下所有口線要光電隔離。晶振：一般選用11.0592M，因?yàn)榭梢詼?zhǔn)確地得到9600波特率和19200波特率；也可以使用36.864M，這個(gè)頻率是1.8432M的20倍。這兩種晶振很容易買到，價(jià)格和12M的一樣。書上說(shuō)，12M的也能得到9600波特率，但實(shí)際會(huì)每隔一段時(shí)間就出錯(cuò)一次，

7、好像累積誤差一樣，比較奇怪。即使你的單片機(jī)系統(tǒng)不使用RS232接口，也可以做一個(gè)RS232，留著做測(cè)試。4.瓷片電容：22pf30pf，可以在書上找晶振頻率對(duì)應(yīng)的瓷片電容值。如果你的單片機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有工作，檢查步驟如下：1. 檢看門狗的復(fù)位輸出，可能的話在電路板上加一個(gè)LED，下拉，這樣看起來(lái)就更方便；2. 查單片機(jī)，看看管腳有沒(méi)有問(wèn)題；一般編程器能夠?qū)⒊绦驅(qū)懭?，說(shuō)明單片機(jī)是好的；最好手頭上準(zhǔn)備一個(gè)驗(yàn)證過(guò)的單片機(jī)，內(nèi)部有一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，比如，在某個(gè)口線上輸出一個(gè)一秒的占空比的方波等，可以用萬(wàn)用表測(cè)量。設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，在關(guān)鍵的地方：電源、串口、看門狗的輸出和輸入、I/O口等加不同顏色的LED指示，便于調(diào)

8、試；作為批量發(fā)的產(chǎn)品，可以去掉部分LED，一方面是降低成本、一方面流程保密。3. 再檢查瓷片電容，有些質(zhì)量不行干脆換了；順便說(shuō)一下，換器件最好使用吸錫帶，將焊盤內(nèi)的錫吸干凈，再將器件拔出，這樣就不會(huì)傷焊盤內(nèi)的過(guò)孔；4. 最后換晶振了；5. 以上檢測(cè)時(shí)，無(wú)關(guān)的外圍芯片去掉；因?yàn)橛行┩鈬骷墓收蠈?dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)不工作。第二課 基本的芯片和分立器件2.1 簡(jiǎn)述 2.2 74系列 2.3 CD4000系列 2.4 光耦與光電管 2.5 三極管 2.6 電容電阻 2.7 固態(tài)繼電器 2.8 繼電器 2.9 變壓器和三端穩(wěn)壓器 2.10 開關(guān)電源芯片 2.11 封裝知識(shí)、芯片批號(hào)等 2.12 接插件 2.

9、13 器件選購(gòu)的知識(shí) 第三課 數(shù)字量的輸入輸出 第四課 單片機(jī)的通訊接口 第五課 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件構(gòu)思 第六課 單片機(jī)程序的框架（匯編版本） 第七課 模擬量的輸入輸出 各位多提寶貴意見。 保證實(shí)用。如果程序里面有一些例程，也是已經(jīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試可以拿來(lái)就用的；實(shí)際上是我早年的一些產(chǎn)品的程序的一部分；不好意思，都是匯編的。 寫的時(shí)間只有周末會(huì)多一些，可以保證做到一周一課；盡量能夠提前，但是這要看看工作忙不忙了。 坊間有一些參考書，準(zhǔn)備今天上午到北京中發(fā)市場(chǎng)轉(zhuǎn)了一圈，我記得以下參考書目較好： 1. 周航慈：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序設(shè)計(jì) 2. 徐涵芳：MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 3.何立民：. 有了這些就基本夠用

10、了；其它的很多都是資料的翻譯；如果英文不好，可以看看；英文好的話，可以不必了，省電錢買開發(fā)系統(tǒng)和編程器、開發(fā)板什么的，需要什么資料直接下載PDF文件好了。 要想成為電子工程師，需要寬帶，在家里安裝包月的adsl或者長(zhǎng)寬，絕對(duì)值得。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)上什么都有了，就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，要好好利用。 網(wǎng)上自有黃金屋，網(wǎng)上自有顏如玉 第二課 基本的芯片和分立器件2.1簡(jiǎn)述2.2 74系列芯片74系列的芯片是古老的一族，大部分的芯片現(xiàn)在均已不用了，但是，實(shí)際上在目前的系統(tǒng)中還能看到一些芯片，例如：1、7404 6個(gè)反相門將輸入的TTL邏輯反相，如：0-1,1-02、7407 -6個(gè)集電極開路門由于集電極開路門

11、可以外接高電壓，可以最高到DC30V，電流最大到39mA，通常我用它驅(qū)動(dòng)8字?jǐn)?shù)碼管和繼電器等大殿里的負(fù)載；開路門內(nèi)部結(jié)構(gòu)是達(dá)林頓管，輸出邏輯是正的；與其類似的是7406，只不過(guò)是反相開路門。3、74LS573與74LS373 8數(shù)據(jù)鎖存器 引入幾個(gè)概念：1. 真值表 參見74LS373的PDF的第2頁(yè)： DnLEOEOn HHLH LHLL XLLQo XXHZ這個(gè)就是真值表，表示這個(gè)芯片在輸入和其它的情況下的輸出情況。 每個(gè)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)（datasheet）中都有真值表。 布爾邏輯比較簡(jiǎn)單，在此不贅述；2.高阻態(tài)就是輸出既不是高電平，也不是低電平，而是高阻抗的狀態(tài)；在這種狀態(tài)下，可以多個(gè)芯

12、片并聯(lián)輸出；但是，這些芯片中只能有一個(gè)處于非高阻態(tài)，否則將會(huì)燒毀芯片；3 數(shù)據(jù)鎖存當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)消失時(shí)，在芯片的輸出端，數(shù)據(jù)仍然保持；這個(gè)概念在并行數(shù)據(jù)擴(kuò)展中經(jīng)常使用到。4.數(shù)據(jù)緩沖加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具備數(shù)據(jù)緩沖的能力。OE:output_enable,輸出使能；LE:latch_enable,數(shù)據(jù)鎖存使能，latch是鎖存的意思；Dn：第n路輸入數(shù)據(jù)；On：第n路輸出數(shù)據(jù)；再看這個(gè)真值表意思如下：第四行：當(dāng)OE=1時(shí)，無(wú)論Dn、LE為何，輸出端為高阻態(tài)；第三行：當(dāng)OE=0時(shí)，LE=0時(shí)，輸出端數(shù)據(jù)不變；第二行第一行：當(dāng)OE=0、LE=

13、1時(shí)，輸出端數(shù)據(jù)等于輸入端數(shù)據(jù)；結(jié)合下面的波形圖，在實(shí)際應(yīng)用是這樣的：a. OE=0;b. 先將數(shù)據(jù)從單片機(jī)的口線上輸出到Dn；c. 再講LE從0-1-0;d. 這時(shí)，所需要輸出的數(shù)據(jù)就鎖存在On上了，輸入的數(shù)據(jù)在變化也影響不到輸出的數(shù)據(jù)了；實(shí)際上，單片機(jī)現(xiàn)在在忙但別的事情，串行通信、掃描鍵盤等單片機(jī)的自愿有限啊。在單片機(jī)按照RAM方式進(jìn)行并行數(shù)據(jù)的擴(kuò)展時(shí)，使用movx dptr,A這條指令時(shí)，這些時(shí)序由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。后面的表格中還有需要時(shí)間的參數(shù)，你不需要去管它，因?yàn)檫@些參數(shù)都是幾十ns級(jí)別的，對(duì)于單片機(jī)在12M下的每個(gè)指令周期最小是1us的情況下，完全可以實(shí)現(xiàn)；如果是你自己來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯

14、，類似的指令如下：Mov P0,A ; 將數(shù)據(jù)輸出到并行數(shù)據(jù)端口Clr LESetb LEClr LE ；上面三條指令完成LE的波形從0-1-0的變化74LS573跟74LLS373邏輯上完全一樣，只是管腳定義不一樣，數(shù)據(jù)輸入和輸出端各在一側(cè)，PCB容易走線；所以大家更喜歡使用這個(gè)芯片。4、74LS244 數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)輸出能力比較強(qiáng)，輸出電流可以到40mA以上；4個(gè)緩沖器分成2組，具有高阻態(tài)控制端口5、74LS245 總線緩沖器雙向數(shù)據(jù)接口，通常在ISA板上可以看到；早起的51系統(tǒng)中，為了擴(kuò)展RAM、eprom、A/D、D/A、I/O等經(jīng)?？梢钥吹竭@個(gè)片子；為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，有時(shí)事為了隔離輸

15、入和輸出，主要是布線方便，象74LS573一樣，輸入、輸出在一側(cè)，經(jīng)常用到這個(gè)片子。6、74LS138 三-八譯碼器在早期的51系統(tǒng)擴(kuò)展中作為地址選通的片子，可以經(jīng)?？吹?。另外一個(gè)類似的芯片是74LS154，是4-16譯碼器，現(xiàn)在更是少見了。2.4 ULN2003/ULN2008他的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是達(dá)林頓的，專門用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器的芯片，是指在芯片的內(nèi)部做了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管。ULN2003的輸出端允許通過(guò)IC電流200mA，飽和壓降Vce約1V左右，耐壓BVCEO約為36V。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。Vaiyong集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器（S

16、SR）等外接控制器件，可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。經(jīng)常在工控的板卡中見到這個(gè)芯片。有個(gè)完全一樣的型號(hào)：MC1413，不過(guò)現(xiàn)在好像不怎么見到這個(gè)型號(hào)了，但是管腳與2003完全兼容。ULN2003可以驅(qū)動(dòng)7個(gè)繼電器；ULN2008驅(qū)動(dòng)8個(gè)繼電器。2.5 光耦光耦用來(lái)隔離輸入輸出的，主要是隔離輸入的信號(hào)。若遠(yuǎn)距離的開關(guān)量信號(hào)傳送到控制器直接接在單片機(jī)的I/O上，有以下問(wèn)題：1） 信號(hào)不匹配，輸入的信號(hào)可能是交流信號(hào)、高壓信號(hào)、按鍵等干接點(diǎn)信號(hào)；2） 比較長(zhǎng)的連接線路容易引進(jìn)干擾、雷擊、感應(yīng)電等，不經(jīng)過(guò)隔離不可靠所以，需要光耦進(jìn)行隔離，接入單片機(jī)系統(tǒng)。常見的光耦有：1） TLP521-1/ TLP521-2/

17、TLP512-4，分別是一個(gè)光耦、2個(gè)光耦和4個(gè)光耦，HP公司和日本的東芝公司生產(chǎn)。2） 發(fā)光管的工作電流要在10mA時(shí)，具有較高的轉(zhuǎn)換速率；在5V工作時(shí)，上拉電阻不小于5K，一般是10k；太小容易損壞光耦；2） 4N25/4N35，motorola公司生產(chǎn) 隔離電壓高達(dá)5000V；3) 6N136，HP公司生產(chǎn)要想打開6N136，需要比較大的電流，大概在1520mA左右，才能發(fā)揮高速傳輸數(shù)據(jù)的作用。 如果對(duì)速率要求不高，其實(shí)TLP5211也可以用，實(shí)際傳輸速率可以到19200波特率。 選擇光耦看使用場(chǎng)合，tlp521-1是最常用的，也便宜，大概0.71元； 要求隔離電壓高的，選用4N25/4

18、N35，大概在3元左右； 要求在通訊中高速傳輸數(shù)據(jù)的，選用6N136，大概在4元左右。 光耦應(yīng)用的原理框圖如下所示： 1. 輸入干接點(diǎn)隔離 2. 輸入TTL電平隔離 3. 輸入交流信號(hào)隔離 4. 輸出RS232信號(hào)隔離 5. 輸出RS422信號(hào)隔離 光耦除了隔離數(shù)字量外，還可以用來(lái)隔離模擬量。將在今后的章節(jié)中描述。2.6.1 三極管的4種工作狀態(tài)1) 飽和導(dǎo)通狀態(tài) 飽和導(dǎo)通=0 2) 截止?fàn)顟B(tài) 截止?fàn)顟B(tài)=1 3) 線性放大狀態(tài) 作為低頻放大器時(shí)使用，具體的可參見有關(guān)電子線路的書籍； 4) 非線性工作狀態(tài) 在無(wú)線電通信系統(tǒng)中，作為混頻器等使用。具體的可參見有關(guān)電子線路的書籍；愚記得南京工學(xué)院也就是現(xiàn)在的東南大學(xué)在80年代初期有一套電子線路5本， 是電子專業(yè)的書籍，比較難懂；現(xiàn)在，即使是在電子專業(yè)的學(xué)生中，也應(yīng)該降低了對(duì)三極管的哪些復(fù)雜的參數(shù)的要求了吧；在實(shí)際使用時(shí)，即使是模擬電路、非線性 電路，也都是集成電路了，誰(shuí)還使用三極管自己做呢？如果萬(wàn)一需要，現(xiàn)學(xué)也來(lái)得及。這套書很強(qiáng)的。編寫人在那個(gè)年代肯定都是牛人。好多學(xué)校都在擴(kuò)招，很多學(xué)生念了4年下來(lái)，學(xué)了一堆過(guò)時(shí)的理論，跟實(shí)際的東西一點(diǎn)沒(méi)有接軌，不