嵌入式系统接口：面向物联网与CPS设计 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子版 mobi 在线

本书是对作者所著《嵌入式计算系统设计原理（第4版）》的有益补充，对嵌入式系统与软件之间的接口进行了系统的介绍，更侧重于硬件方面的知识。通过阅读本书，你将了解数字接口和模拟接口的工作原理，以及如何为给定的应用程序设计新的接口。全书内容自成体系，包含大量实际应用中的真实案例，通过这些设计实例来说明重要的概念。相对于其他聚焦于软件的书籍，本书侧重于讲解围绕CPU的各类硬件。

出版者的话

译者序

前言

第1章　绪论 1

1.1　将计算机连接到物理世界 1

1.2　目标和技术 1

1.3　各种微处理器 3

1.4　信号 3

1.5　电阻电路 6

1.6　电容和电感电路 9

1.7　电路分析 10

1.8　非线性和有源器件 13

1.9　设计方法和工具 15

1.10　如何阅读本书 17

问题 18

第2章　标准接口 21

2.1　简介 21

2.2　RS-232 22

2.3　I2C、CAN和I2S 26

2.4　USB 28

2.5　WiFi 32

2.6　ZigBee 33

2.7　蓝牙和低功耗蓝牙 34

2.8　LoRaWAN 35

2.9　联网设备 35

问题 36

第3章　逻辑 37

3.1　简介 37

3.2　数字逻辑规范 37

3.3　CMOS逻辑电路 38

3.4　高阻抗和漏极开路输出 42

3.5　示例：漏极开路和高阻抗总线 44

3.6　寄存器 45

3.7　可编程逻辑 47

3.8　CPU接口结构 49

3.9　逻辑电路保护和噪声 50

3.10　辅助器件和电路 51

3.11　示例：轴角编码器 53

延伸阅读 56

问题 56

第4章　放大器 57

4.1　简介 57

4.2　放大器规范 57

4.3　电路分析方法 58

4.4　MOSFET晶体管模型 59

4.5　MOSFET放大器拓扑 62

4.6　示例：驱动低阻抗负载 67

4.7　功率放大器 71

4.8　集成放大器 72

4.9　运算放大器 73

4.10　噪声、干扰和串扰 75

4.11　示例：驻极体麦克风放大电路 77

延伸阅读 78

问题 79

第5章　滤波器、信号发生器和探测器 80

5.1　简介 80

5.2　滤波器规范 80

5.3　RLC槽路 83

5.4　传递函数 86

5.5　从滤波器规范到传递函数 89

5.6　运算放大器滤波器 91

5.7　示例：低音增强滤波器 93

5.8　高级滤波器类型 96

5.9　数字滤波器 97

5.10　脉冲和定时电路 98

5.11　信号发生器 100

5.12　示例：任意波形发生器 104

5.13　信号检测器 105

5.14　示例：耳机插孔检测器 107

延伸阅读 110

问题 111

第6章　模拟/数字和数字/模拟转换 112

6.1　简介 112

6.2　奈奎斯特速率 112

6.3　转换规范 113

6.4　数字/模拟转换 114

6.5　模拟/数字转换 116

6.6　示例：R-2R数字/模拟转换器 118

问题 120

第7章　电源 122

7.1　简介 122

7.2　电源规范 122

7.3　交直流电源 123

7.4　电源变换器 127

7.5　电池 129

7.6　示例：线性稳压电源 130

7.7　热特性及散热 134

7.8　电源管理 136

延伸阅读 136

问题 136

第8章　接口设计 138

8.1　简介 138

8.2　嵌入式系统应用案例 138

8.3　接口规格 139

8.4　接口的体系结构 139

8.5　选择正确的平台 140

8.6　构建技术 143

8.7　控制和闭环系统 144

8.8　硬件/软件边界 146

8.9　示例：一个简单的驱动器 148

8.10　模拟/数字边界 150

8.11　接口设计方法 150

8.12　示例：拍手检测器 152

8.13　示例：电机控制器 153

延伸阅读 161

问题 161

附录A　TTL逻辑 162

附录B　双极放大器 166

参考文献 182

---作者简介---

玛里琳·沃尔夫（Marilyn Wolf）　佐治亚理工学院教授，佐治亚研究联合会学者，IEEE会士，ACM会士。1984~1989年任职于贝尔实验室，1989~2007年执教于普林斯顿大学。她于2003年获得ASEE Frederick E. Terman奖，于2006年获得IEEE电路与系统教育奖。

---译者简介---

林水生 电子科技大学通信与信息工程学院教授，物联网工程系主任，全国物联网工程及相关专业教学指导小组成员。目前主要从事无线通信系统、无线传感器网络、通信集成电路设计等方面的研究工作。

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前言

所有计算机都需要输入和输出设备才能完成有用的工作, I/O系统对嵌入式计算机尤为重要。虽然我们可以在嵌入式系统中使用标准输入输出设备，但通常需要设计专用接口。即使在使用标准输入输出设备时，也需要确保所选接口符合系统要求。本书致力于介绍嵌入式系统接口的艺术、科学和工艺。

我搭建了自己的Heathkit无线收发器：GR-64短波接收器、HD-10电子键控器和HW-16新手收发器。我和我的朋友Art Witulski试图建立一个基于开关的加法器，但当意识到我们的焊接技术远远达不到PCB图案化技术要求时，我们放弃了。

我的爱好让我学会了很多，我的父亲也教会了我很多。我在斯坦福大学的教授让我成为一名称职的电气工程师，在这里请允许我向教我8年电路知识的教授致敬，他们是Aldo Da Rosa、Robert Dutton、Umram Inan、Malcolm McWhorter、Ralph Smith和David Tuttle。

我和Perry Cook在普林斯顿大学教授“普适信息系统”课程多年。我们会教学生如何设计嵌入式系统。“物联网”一词尚未出现之前，我们的学生就早已接触了许多与物联网相关的概念。Perry是硬件设计师，他构建了一个用于电源插头的电感耦合器环路，以确保学生不会触电伤亡。

但是现在构建自己的电子产品远不如半个世纪前有意义。手工制造的电子设备的衰落有利于高度集成设备的发展，其中有几个原因：无线电以更高的频率工作，许多组件是表面贴装的，且集成电路可提供更高水平的集成。集成电子设备比你在电路板上设计的更好，比如噪声更低、失真更低（因为匹配更好）、功耗更低等。

有些嵌入式接口书籍采用食谱的形式，即为特定应用提供示例化设计。虽然这类书籍确实占有一席之地，但我认为技术概要类书籍可以成为食谱式书籍的重要补充。在食谱式书籍中找到的解决方案可能没有足够的解释，修改原设计来实现自己的特定目标并不容易。而原理可以帮助你了解如何制定设计决策，也可以帮助你修改现有设计或从头开始构建新的设计。

为了使对电路设计的介绍相对简短和独立，我对一些传统的电气工程教学法进行了简化。我对传统的无源/有源电路的区别不感兴趣，在某种程度上，我并不担心数字与模拟，而是更侧重于功能，包括从简单到复杂的各类功能。书中设计的东西价值有限，从这个意义上来说，逻辑非常简单，我还专注于驱动和负载的电气特性。如放大器只是改变信号的功率；滤波器和检测器修改信号；数据转换建立在这些技术的基础上，以弥合模拟信号和数字信号之间的差距。电源中也会用到这些电路原理，所以了解电路特性也有助于我们确定电源的重要特性。

在此过程中，我强调一种自上而下的方法。在进行设计之前，需要清楚地理解给定功能的规范。

正如我所写到的，我认为接口设计中的关键决策存在两个边界：CPU上运行的软件与连接到CPU的接口之间的软件/硬件边界，以及接口内的模拟/数字边界。系统规范有助于确定这些边界的位置，也就是说，对于简单的消费电子设备而言，高速且高价值系统的一系列决策可能没有意义。

写作本书的初衷是提供关于该领域的概要描述。本书适用于混合信号设计的短期课程，对有趣且重要的技术主题做了概述。如果你想了解有关某个主题的更多信息，请深入阅读其他资料。互联网使各种各样的资料更易于获得，本书的参考文献中提供了相关技术主题的来源。

自20世纪70年代和80年代以来，有些技术没有大的变化。在这种情况下，早期的书籍仍然可以作为参考。下面给出一些有用的书：

ARRL Handbook，每年更新一次，近一个世纪以来成为所有EE项目的指南。

Lancaster抯 Active Filter Cookbook，该书介绍了有源滤波器的理论和实践，还提供了20世纪70年代的电子产品集锦，包括生物反馈和迷幻照明设备。

Walter G. Jung的IC Op-Amp Cookbook，涵盖了线性和非线性运算放大器电路的所有方面。

其他一些技术发生了深刻的变化。比如，FPGA从根本上改变了我们的逻辑设计方法，现场可编程模拟阵列（FPAA）使微控制器能够提供简单、集成、可配置的模拟功能。

我的网站（marilynwolf.us）上提供了实验练习及本书问题部分的具体操作，还包括相关的其他资源。

非常感谢密歇根大学的Robert Dick教授给出了全面而深刻的评论。

电子设计给我的生活带来了快乐。我希望你能像我一样享受这种快乐。

Marilyn Wolf, W2MCW

美国佐治亚州，亚特兰大