机电一体化设计导论

目 录 **部分 概 述 第1章 全书概览 2 1.1 写作理念 3 1.2 内容结构 3 1.3 读者范围 3 1.4 本书的使用方法 4 1.5 总结 4 参考文献 4 第二部分 软 件 第2章 微控制器 6 2.1 引言 6 2.2 什么是“微”设备 6 2.3 微处理器、微控制器、数字信号处理器等 6 2.4 微控制器架构 7 2.5 中央处理单元 8 2.5.1 在数字域中表示数字 9 2.5.2 算术逻辑单元 9 2.6 数据总线和地址总线 10 2.7 内存 10 2.8 子系统和外设 11 2.9 冯·诺依曼架构 12 2.10 哈佛架构 14 2.11 实例 15 2.11.1 Freescale MC9S12C32微控制器 15 2.11.2 Microchip PIC12F609微控制器 17 2.12 获取更多信息 19 2.13 习题 19 第3章 微控制器的数学和数字操作 21 3.1 引言 21 3.2 基数和计数 21 3.3 表示负数 24 3.4 数据类型 25 3.5 常见数据类型的大小 26 3.6 固定长度变量的计算方法 26 3.7 模运算 27 3.8 数学快捷键 28 3.9 布尔代数 28 3.10 操作单个字节 29 3.11 测试单个位 30 3.12 习题 31 第4章 编程语言 33 4.1 引言 33 4.2 机器语言 34 4.3 汇编语言 34 4.4 高级语言 35 4.5 解释器 35 4.6 编译器 36 4.7 混合编译/解释器 37 4.8 集成开发环境(IDE) 39 4.9 选择一种编程语言 39 4.10 习题 40 参考文献 40 第5章 嵌入式系统的程序结构 41 5.1 背景 41 5.2 事件驱动编程 41 5.3 事件检测器 42 5.4 服务 44 5.5 事件驱动程序的建立 45 5.6 示例 46 5.7 事件驱动编程综述 47 5.8 状态机 48 5.9 软件状态机 49 5.10 蟑螂示例的状态机 51 5.11 习题 52 参考文献 53 第6章 软件设计 54 6.1 引言 54 6.2 软件设计与房屋建造 54 6.3 软件设计技术简介 55 6.3.1 分解 55 6.3.2 抽象、信息隐藏 55 6.3.3 伪代码 56 6.4 软件设计流程 57 6.4.1 需求分析 58 6.4.2 定义程序结构 58 6.4.3 性能规范 59 6.4.4 接口规范 59 6.4.5 详细设计 59 6.4.6 实现 59 6.4.7 单元测试 61 6.4.8 集成 61 6.5 示例 61 6.5.1 莫尔斯码接收机的需求分析 62 6.5.2 莫尔斯码接收机的系统架构 62 6.5.3 莫尔斯码接收机的软件架构 63 6.5.4 莫尔斯码接收机的性能规范 65 6.5.5 莫尔斯码接收机的接口规范 65 6.5.6 莫尔斯码接收机的详细设计 67 6.5.7 莫尔斯码接收机的实现 76 6.5.8 莫尔斯码接收机的单元测试 76 6.5.9 莫尔斯码接收机的集成 77 6.6 习题 78 参考文献 78 第7章 处理器间通信 79 7.1 引言 79 7.2 没有媒质就没有消息 79 7.3 位并行和位串行通信 80 7.3.1 位串行通信 81 7.3.2 位并行通信 88 7.4 信号电平 89 7.4.1 TTL/CMOS电平 89 7.4.2 RS-232 89 7.4.3 RS-485 90 7.5 带限信道上的通信 91 7.5.1 有限的带宽和调制解调器 91 7.6 红外光通信 93 7.7 无线电通信 94 7.7.1 RF遥控器 95 7.7.2 RF数据链路 95 7.7.3 RF网络 95 7.8 习题 95 参考文献 96 扩展阅读 96 第8章 微控制器外设 97 8.1 访问控制寄存器 97 8.2 并行输入/输出子系统 97 8.2.1 数据方向存储器 98 8.2.2 输入/输出寄存器 98 8.2.3 共享功能引脚 99 8.3 定时器子系统 99 8.3.1 定时器基础 100 8.3.2 定时器溢出 100 8.3.3 输出比较 101 8.3.4 输入捕获 102 8.3.5 基于输入捕获和输出比较的发动机控制 103 8.4 脉冲宽度调制(PWM) 104 8.5 PWM使用输出比较系统 105 8.6 模数(A/D)转换器子系统 106 8.6.1 A/D转换过程 106 8.6.2 A/D转换器时钟 107 8.6.3 自动A/D转换处理 107 8.7 中断 107 8.8 习题 108 参考文献 108 第三部分 电 子 学 第9章 基本电路分析及无源元件 110 9.1 电压、电流和功率 110 9.2 电路和地 111 9.3 相关定律 112 9.4 电阻 113 9.4.1 串联电阻和并联电阻 114 9.4.2 分压器 115 9.5 戴维南等效电路 115 9.6 电容 116 9.6.1 串联电容和并联电容 117 9.6.2 电容和时变信号 118 9.7 电感 119 9.7.1 电感和时变信号 120 9.8 时域法和频域法 120 9.9 包含多种元件的电路分析 121 9.9.1 基本RC电路结构 121 9.9.2 低通RC滤波器的时域特性 121 9.9.3 高通RC滤波器的时域特性 123 9.9.4 RL电路的时域特性 124 9.9.5 低通RC滤波器的频域特性 125 9.9.6 高通RC滤波器的频域特性 126 9.9.7 直流偏压的高通RC滤波器 127 9.10 仿真工具 128 9.10.1 仿真工具的局限性 128 9.11 实际电压源 128 9.12 实际测量 129 9.12.1 电压测量 129 9.12.2 电流测量 130 9.13 实际电阻 130 9.13.1 实际电阻模型 130 9.13.2 电阻构造基础 130 9.13.3 碳膜电阻 131 9.13.4 金属膜电阻 132 9.13.5 电阻的功耗 132 9.13.6 电位器 133 9.13.7 电阻的选择 134 9.14 实际电容 134 9.14.1 实际电容模型 135 9.14.2 电容构造基础 135 9.14.3 极性和非极性电容 136 9.14.4 陶瓷圆盘电容 136 9.14.5 多层陶瓷电容(独石电容) 136 9.14.6 铝电解电容 136 9.14.7 钽电容 137 9.14.8 薄膜电容 137 9.14.9 双电层电容/超级电容 138 9.14.10 电容标识 138 9.14.11 电容的选择 140 9.15 习题 140 扩展阅读 142 第10章 半导体 143 10.1 掺杂、空穴和电子 143 10.2 二极管 144 10.2.1 二极管的V-I特性 144 10.2.2 Vf的大小 145 10.2.3 反向恢复 145 10.2.4 肖特基二极管 145 10.2.5 齐纳二极管 146 10.2.6 发光二极管 147 10.2.7 光电二极管 147 10.3 双极结型晶体管(BJT) 148 10.3.1 复合晶体管对(达林顿对) 151 10.3.2 光电晶体管 152 10.4 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 152 10.5 如何选择BJT和MOSFET 155 10.5.1 何时BJT是*好(唯一)的选择 155 10.5.2 何时MOSFET是*好(唯一)的选择 155 10.5.3 当MOSFET和BJT均可行时如何选择 156 10.6 多晶体管电路 156 10.7 查阅晶体管数据表 157 10.7.1 查阅BJT数据表 157 10.7.2 查阅MOSFET数据表 159 10.7.3 应用实例 160 10.7.4 各种晶体管电路 161 10.8 习题 162 扩展阅读 166 第11章 运算放大器 167 11.1 运算放大器的特征 167 11.2 负反馈 167 11.3 理想运算放大器 168 11.4 分析运算放大器电路 168 11.4.1 黄金准则 168 11.4.2 同相运算放大器结构 168 11.4.3 反相运算放大器结构 169 11.4.4 单位增益缓冲器 171 11.4.5 差分放大器结构 172 11.4.6 求和器结构 173 11.4.7 跨阻放大器结构 174 11.4.8 运算放大器上的计算 174 11.5 比较器 175 11.5.1 比较器电路 176 11.6 习题 178 扩展阅读 179 第12章 实际运算放大器与比较器 180 12.1 实际运算放大器的特性――理想假设的失效 180 12.1.1 非无穷大增益 180 12.1.2 开环增益随频率的变化 181 12.1.3 输入电流不为零 181 12.1.4 输出电压源的非理想特性 182 12.1.5 其他非理想特性 183 12.2 查阅运算放大器数据表 185 12.2.1 *大值、*小值和典型值 185 12.2.2 数据表首页 185 12.2.3 绝对*大定额 186 12.2.4 电气特性 187 12.2.5 封装 189 12.2.6 典型应用 189 12.3 比较器数据表的读取 189 12.3.1 比较器封装 190 12.4 运算放大器的对比 190 12.5 习题 192 扩展阅读 193 第13章 传感器 194 13.1 引言 194 13.2 传感器输出和微控制器输入 194 13.3 传感器设计 195 13.3.1 用热敏电阻测量温度 195 13.3.2 测量加速度 195 13.3.3 传感器性能术语定义 196 13.4 基本传感器与接口电路 202 13.4.1 开关传感器 202 13.4.2 开关接口 203 13.4.3 电阻式传感器 205 13.4.4 电阻式传感器接口 205 13.4.5 电容式传感器 208 13.4.6 电容式传感器接口 208 13.5 传感器纵览 209 13.5.1 光敏元件 209 13.5.2 应变传感器 215 13.5.3 温度传感器 218 13.5.4 磁场传感器 222 13.5.5 接近传感器 224 13.5.6 位置传感器 225 13.5.7 加速度传感器 231 13.5.8 压力传感器 232 13.5.9 压强传感器 233 13.6 习题 235 参考文献 237 扩展阅读 237 第14章 信号调理 238 14.1 信号调理的基本操作 238 14.2 去除偏置 238 14.2.1 放大值与偏置的相对值 239 14.2.2 交流耦合的偏置去除 240 14.3 放大 241 14.3.1 直流耦合多级放大 241 14.3.2 交流耦合多级放大 242 14.4 滤波 242 14.4.1 滤波器相关的专业术语 242 14.4.2 噪声 243 14.4.3 无源滤波器 244 14.5 其他信号调理技术 245 14.5.1 仪表放大器 245 14.5.2 峰值检测 246 14.6 实例分析 247 14.6.1 幅度信息提取 247 14.6.2 定时信息提取 248 14.7 习题 250 扩展阅读 250 第15章 有源数字滤波器 251 15.1 有源滤波器 251 15.1.1 相位延迟 251 15.1.2 滤波器响应特性 252 15.1.3 有源滤波器的拓扑结构 252 15.2 数字技术 256 15.2.1 数字滤波 256 15.2.2 数字信号处理 258 15.2.3 同步采样 259 15.3 习题 259 参考文献 260 扩展阅读 260 第16章 数字输入/输出 261 16.1 引言 261 16.2 逻辑状态表示 261 16.3 数字器件的理想特性 261 16.4 数字器件的实际特性 262 16.5 查阅数据表 263 16.6 数字输入 263 16.6.1 输入电压要求 264 16.6.2 输入电流要求 266 16.6.3 上拉电阻和下拉电阻 266 16.6.4 数字输入时序 268 16.7 数字输出 270 16.7.1 数字输出电压和电流 270 16.7.2 数字输出的时序特性 271 16.8 输入、输出匹配 272 16.8.1 匹配特性评价 272 16.8.2 悬空和不确定输入端的上拉和下拉 273 16.8.3 不兼容器件 276 16.9 习题 279 第17章 数字输出和电路驱动 282 17.1 图腾柱输出 282 17.1.1 图腾柱输出特性 283 17.2 集电极开路/漏极开路输出 284 17.2.1 集电极开路/漏极开路输出特性 285 17.3 三态输出 286 17.3.1 三态输出特性 286 17.4 低端驱动器 287 17.4.1 低端驱动器数据表 288 17.5 高端驱动器 288 17.5.1 高端驱动器数据表 289 17.6 半桥和全桥 289 17.6.1 击穿电流和死区时间 290 17.6.2 H桥数据表 290 17.7 温升问题 291 17.8 习题 293 扩展阅读 293 第18章 数字逻辑和集成电路 294 18.1 基本组合逻辑 294 18.1.1 真值表 295 18.1.2 用组合逻辑描述微控制器子系统 295 18.2 组合逻辑功能实现 295 18.2.1 数字比较器 296 18.2.2 数字多路复用器 296 18.2.3 解码器 297 18.3 时序逻辑 297 18.4 时序逻辑功能实现 298 18.4.1 D触发器 298 18.4.2 J-K触发器 298 18.4.3 计数器 298 18.4.4 移位寄存器 300 18.5 逻辑系列 300 18.6 基于逻辑器件的微控制器功能扩展 301 18.6.1 基于多路复用器的输入功能扩展 301 18.6.2 基于解码器的输出功能扩展 302 18.6.3 基于移位寄存器的输入功能扩展 302 18.6.4 基于移位寄存器的输出功能扩展 304 18.6.5 使用SPI子系统与移位寄存器 305 18.7 555定时器 305 18.7.1 555定时器的内部结构 305 18.7.2 非稳态操作 306 18.7.3 单稳态操作 306 18.7.4 其他用途的555定时器 307 18.8 习题 307 参考文献 308 第19章 A/D和D/A转换器 309 19.1 数字域和模拟域的接口 309 19.2 连续信号的数字化 310 19.3 A/D和D/A转换器的性能 311 19.3.1 理想A/D转换器的性能 313 19.3.2 A/D转换器的误差 314 19.3.3 理想D/A转换器的性能 315 19.3.4 D/A转换器的误差 316 19.4 D/A转换器设计 317 19.4.1 基于脉冲宽度调制生成模拟电压 317 19.4.2 基于求和放大器的D/A转换器 317 19.4.3 串行D/A转换器 319 19.4.4 R-2R阶梯D/A转换器 320 19.5 A/D转换器设计 321 19.5.1 单斜率A/D转换器和双斜率A/D转换器 322 19.5.2 并行比较A/D转换器 323 19.5.3 串并行比较A/D转换器 324 19.5.4 逐次逼近寄存器A/D转换器 325 19.5.5 Σ-Δ A/D转换器 326 19.6 习题 327 扩展阅读 328 第20章 稳压器、电源和电池 329 20.1 引言 329 20.2 功率需求与电源 329 20.3 稳压器 329 20.3.1 稳压器的相关指标与定义 330 20.3.2 线性稳压器 332 20.3.3 开关稳压器 338 20.4 电源 343 20.4.1 线性电源 343 20.4.2 开关电源 345 20.5 电池和电化学单电池 347 20.5.1 电池性能和特性 349 20.5.2 原电池 351 20.5.3 二次电池 352 20.5.4 电池的安全和环境问题 356 20.6 习题 357 扩展阅读 358 第21章 噪声、接地和隔离 359 21.1 噪声耦合通道 359 21.2 传导耦合噪声 360 21.2.1 传导耦合通道原型 360 21.2.2 减少传导耦合噪声 360 21.2.3 减少噪声源的影响：去耦 361 21.2.4 减少传导噪声的耦合 362 21.2.5 减少接收端的传导噪声：电源滤波 362 21.2.6 减少传导噪声的有效方法 362 21.3 电容耦合噪声 363 21.3.1 电容耦合通道原型 363 21.3.2 减少电容耦合噪声 364 21.3.3 噪声源电容耦合噪声的消减 365 21.3.4 减少电容耦合噪声的耦合 365 21.3.5 屏蔽 366 21.3.6 减少接收端的电容耦合噪声 367 21.3.7 减少电容耦合噪声的有效方法 367 21.4 电感耦合噪声 368 21.4.1 电感耦合通道原型 368 21.4.2 噪声源电感耦合噪声的消减 368 21.4.3 减少电感耦合噪声的耦合 369 21.4.4 减少接收端的电感耦合噪声 369 21.4.5 减少电感耦合噪声的有效方法 369 21.5 隔离 369 21.5.1 光隔离 369 21.5.2 电容隔离 371 21.5.3 电感隔离 371 21.5.4 隔离技术对比 371 21.6 习题 371 扩展阅读 373 第四部分 执 行 器 第22章 永磁有刷直流电机的特性 376 22.1 引言 376 22.2 次分马力永磁有刷直流电机 376 22.3 电气模型 379 22.4 反电动势与发电机效应 379 22.5 永磁有刷直流电机的特性参数 379 22.6 恒定电压特性方程 380 22.7 功率特性 383 22.8 直流电机效率 385 22.9 减速器 388 22.10 习题 389 参考文献 390 扩展阅读 390 第23章 永磁有刷直流电机的应用 391 23.1 引言 391 23.2 电感反冲 391 23.2.1 电感反冲小结 396 23.3 电机的双向控制 396 23.3.1 商用H桥集成电路 398 23.3.2 用于大电流的H桥 400 23.4 基于脉冲宽度调制的转速控制 400 23.5 习题 404 参考文献 405 扩展阅读 405 第24章 螺线管 406 24.1 引言 406 24.2 螺线管的结构 406 24.3 螺线管的性能 407 24.4 螺线管的驱动 409 24.5 机械响应时间 410 24.6 螺线管的应用 410 24.7 习题 411 扩展阅读 414 第25章 无刷直流电机 415 25.1 引言 415 25.2 无刷直流电机的结构 415 25.3 无刷直流电机的运行 416 25.3.1 传感换向器 417 25.3.2 无传感换向器 417 25.4 BLDC 电机驱动 418 25.5 无刷直流电机的换向 419 25.6 BLDC电机驱动集成电路 421 25.7 有刷直流电机和无刷直流电机的对比 422 25.8 习题 422 扩展阅读 423 第26章 步进电机 424 26.1 引言 424 26.2 步进电机的结构 424 26.3 可变反应式步进电机 426 26.4 混合式步进电机 427 26.5 不同类型步进电机的对比 427 26.6 步进电机的内部接线 428 26.7 步进电机的驱动 429 26.8 步进电机的步进顺序 430 26.9 步进电机驱动顺序的产生 433 26.10 步进电机的动态特性 434 26.11 步进电机性能定义 436 26.12 基于驱动部件的步进电机性能优化 437 26.13 减速 439 26.14 习题 440 扩展阅读 441 第27章 其他执行器技术 442 27.1 引言 442 27.2 气动液压系统 442 27.2.1 电磁阀 443 27.2.2 伺服阀 445 27.2.3 气动和液压执行器 446 27.3 RC伺服系统 449 27.4 压电执行器 451 27.4.1 压电执行器的类型 452 27.5 形状记忆合金执行器 455 27.6 总结 458 27.7 习题 459 扩展阅读 459 第28章 基本闭环控制 460 28.1 引言 460 28.2 相关术语 460 28.3 开环控制 461 28.4 开/关闭环控制 462 28.5 线性闭环控制 462 28.5.1 开始设计 463 28.5.2 智能化 464 28.5.3 干扰抑制 466 28.5.4 引入微分控制进一步提高性能 468 28.5.5 增益选择 469 28.6 系统类型与积分控制的必要性 471 28.7 控制环路率的选择 472 28.8 ad-hoc法 473 28.9 习题 475 参考文献 477 扩展阅读 477 第五部分 机电一体化项目与系统工程 第29章 快速原型制作 480 29.1 引言 480 29.2 为什么要制作原型样机 480 29.3 原型制作理念：搭建或者仿真 481 29.4 机械系统的快速原型制作 482 29.4.1 实体建模工具 482 29.4.2 系统动力学建模 482 29.4.3 泡沫塑料板、美工刀、热熔胶 483 29.4.4 二维快速成型激光切割机/激光刀模机 485 29.4.5 廉价的二维快速成型 486 29.4.6 凸舌/凹槽结构 486 29.4.7 玩具行业 486 29.4.8 三维快速成型(SLA、SLS、FDM)和软模铸件 487 29.5 电气系统的快速原型制作 489 29.5.1 原理图和电路仿真工具 490 29.5.2 电路原型制作：面包板、绕线和性能板 491 29.5.3 PCB原型 493 29.5.4 焊接 494 29.6 供应商和资源选择 496 29.7 习题 497 参考文献 497 第30章 项目规划和管理 498 30.1 引言 498 30.2 日益复杂的系统需要过程管理 498 30.3 项目规划与实施 499 30.3.1 系统需求 500 30.3.2 设计备选方案遴选 501 30.3.3 设计概念评价：原型和迭代 504 30.3.4 规范 504 30.4 管理工具 505 30.4.1 项目管理 505 30.4.2 系统工程 507 30.4.3 协同设计 507 30.5 沟通与文档化 508 30.6 问题与建议 509 30.7 习题 510 参考文献 511 扩展阅读 511 第31章 故障排查 512 31.1 引言 512 31.2 追根溯源找漏洞 512 31.3 预防为主，事半功倍 514 31.4 如何对待故障排查 519 31.5 总结 520 31.6 习题 520 第32章 机电一体化系统集成与融合 521 32.1 引言 521 32.2 项目描述 521 32.3 系统需求分析 522 32.4 设计方案及备选方案 523 32.4.1 零号团队的基本设计构想 523 32.4.2 Ruff团队的基本设计构想 526 32.4.3 备选方案的审查 528 32.5 形态图 529 32.6 设计概念评价：原型与优化 530 32.7 项目实施阶段 532 32.7.1 Ruff团队的驱动电机选择 532 32.7.2 零号团队的球释放电机选择 533 32.7.3 零号团队的信标传感器电路演进 533 32.7.4 零号团队的支撑刚度问题 534 32.7.5 零号团队的罗盘传感器故障 535 32.8 设计成品 535 32.8.1 Ruff团队的设计成品 535 32.8.2 零号团队的设计成品 536 32.9 性能结果 537 32.10 学生的智慧结晶 537 致谢 538 附录A 电阻色码和标称值 539 附录B 示例C代码 540 附录C 第32章项目描述 551