面向工程应用的嵌入式控制系统实践教程

目录 第1章 嵌入式控制系统基础 1 1.1 嵌入式控制系统概述 1 1.1.1 嵌入式控制系统的定义 1 1.1.2 嵌入式控制系统的特点 1 1.1.3 嵌入式控制系统的分类 3 1.1.4 嵌入式控制系统的应用 4 1.2 嵌入式控制系统的基本组成 5 1.2.1 嵌入式控制系统硬件结构 5 1.2.2 嵌入式控制系统软件结构 7 1.3 嵌入式处理器概述 8 1.3.1 嵌入式处理器体系架构 8 1.3.2 嵌入式处理器的分类 10 1.4 ARM处理器概述 11 1.4.1 ARM内核与产品系列 11 1.4.2 ARM内核体系架构 13 1.4.3 Cortex内核系列 15 1.5 STM32开发工具及平台搭建 16 1.5.1 开发工具介绍 16 1.5.2 Keil的版本与安装 17 1.5.3 硬件仿真器的驱动安装 20 1.5.4 驱动程序的配置 21 1.5.5 STM32CubeMX软件简介 23 本章小结 28 思考题 28 第2章 嵌入式控制系统典型开发流程 29 2.1 需求分析 29 2.2 系统总体设计 30 2.2.1 设计方案描述 30 2.2.2 工作总框图绘制 30 2.2.3 总体结构设计 32 2.2.4 设计工作筹备 33 2.3 系统硬件设计 33 2.3.1 处理器选型 33 2.3.2 元器件选择 35 2.3.3 系统硬件电路设计 35 2.3.4 系统硬件电路的计算机辅助设计 36 2.3.5 系统硬件电路调试 37 2.3.6 系统硬件可靠性设计 38 2.4 系统软件设计 39 2.4.1 软件方案设计 39 2.4.2 驱动程序设计 40 2.4.3 软件抽象层设计 42 2.4.4 软件应用层设计 42 2.4.5 软件可靠性设计 43 2.5 系统电磁兼容性设计 44 2.5.1 电磁干扰及其危害 44 2.5.2 电磁兼容性基本概念 45 2.5.3 电磁兼容性设计 46 2.6 系统仿真与联合调试 48 2.6.1 软件调试 48 2.6.2 系统仿真 49 2.6.3 软硬件联合调试 49 2.7 系统测试与可靠性评估 50 2.7.1 系统硬件测试 50 2.7.2 系统软件测试 51 2.7.3 系统软硬件集成测试 53 2.7.4 系统可靠性评估 54 本章小结 55 思考题 56 第3章 STM32处理器及*小系统设计 57 3.1 STM32芯片结构 57 3.1.1 Cortex-M3/M4内核 57 3.1.2 STM32系统结构 58 3.1.3 STM32存储器映射 59 3.1.4 STM32时钟系统 60 3.2 STM32典型外设接口 61 3.2.1 通用型输入输出接口 61 3.2.2 同步串行口SPI 62 3.2.3 同步串行口IIC 63 3.2.4 通用同步/异步接收/发送器 65 3.2.5 可变静态存储器控制器 66 3.3 STM32典型硬件电路设计 68 3.3.1 STM32*小系统设计 68 3.3.2 STM32典型外设接口电路设计 70 本章小结 79 思考题 80 第4章 建筑能耗监控系统工程实例设计 81 4.1 系统功能说明 81 4.2 系统总体设计 81 4.2.1 系统总体方案设计 81 4.2.2 相关模块选型 81 4.3 硬件设计 84 4.3.1 系统硬件框架 84 4.3.2 电能计量采集通道设计 84 4.3.3 电能计量主电路设计 85 4.3.4 电力线载波通信模块电路接口设计 87 4.3.5 Flash存储电路设计 88 4.4 软件设计 89 4.4.1 软件整体框架 89 4.4.2 电能计量任务设计 89 4.4.3 通信模块软件设计 90 4.4.4 中断任务 92 4.4.5 报文处理任务 93 4.4.6 电能计量装置校准 93 本章小结 95 思考题 95 第5章 室内环境参数监测系统工程实例设计 96 5.1 系统功能说明 96 5.2 系统总体设计 96 5.2.1 应用系统的结构设计 96 5.2.2 相关模块选型 96 5.3 硬件设计 104 5.3.1 系统硬件框架 104 5.3.2 微处理器模块设计 104 5.3.3 电源模块设计 105 5.3.4 温湿度采集模块设计 107 5.3.5 PM2.5采集模块设计 107 5.3.6 CO2采集模块设计 108 5.3.7 甲醛采集模块设计 108 5.3.8 TVOC采集模块设计 109 5.3.9 屏幕显示模块设计 109 5.3.10 载波通信模块设计 110 5.3.11 存储模块设计 110 5.4 软件设计 111 5.4.1 软件设计结构 111 5.4.2 系统主程序软件设计 111 5.4.3 检测模块驱动软件设计 111 5.4.4 通信模块驱动软件设计 116 5.4.5 屏幕显示模块驱动软件设计 117 5.5 系统集成与调试 119 本章小结 120 思考题 120 第6章 室内窗户状态监测系统工程实例设计 121 6.1 系统功能说明 121 6.2 系统总体设计 121 6.2.1 应用系统结构设计 121 6.2.2 相关模块选型 122 6.3 硬件设计 125 6.3.1 系统硬件框架 125 6.3.2 微处理器模块设计 125 6.3.3 超声波测距模块设计 126 6.3.4 LoRa无线通信模块设计 127 6.4 软件设计 128 6.4.1 软件结构设计 128 6.4.2 系统主程序软件设计 128 6.4.3 超声波测距模块驱动软件设计 128 6.4.4 LoRa通信模块驱动软件设计 130 6.5 系统集成与调试 132 6.5.1 系统测量窗户开启宽度功能测试 132 6.5.2 系统数据传输功能测试 132 本章小结 133 思考题 133 第7章 建筑智能网关工程实例设计 134 7.1 概述 134 7.2 系统功能说明 135 7.2.1 需求分析 135 7.2.2 功能设计 136 7.3 系统总体设计 139 7.3.1 嵌入式处理器选型 139 7.3.2 嵌入式外围设备选型 140 7.3.3 嵌入式软件设计架构 141 7.4 系统软硬件详细设计 142 7.4.1 硬件详细设计 142 7.4.2 软件详细设计 155 7.5 系统集成与调试 164 本章小结 165 思考题 165 第8章 基于Java的建筑智能化上位机工程实例设计 166 8.1 系统功能说明 166 8.2 系统总体设计 166 8.3 服务器端软件设计介绍 167 8.3.1 Java编程语言 167 8.3.2 IDEA编程工具 169 8.3.3 SpringBoot架构 169 8.3.4 SpringMVC架构 174 8.4 服务器端与智能网关通信设计 175 8.4.1 服务器端与智能网关的通信协议 175 8.4.2 376.1协议 176 8.4.3 Netty架构 181 8.5 数据库存储设计 186 8.5.1 MySQL数据库简介 186 8.5.2 MyBatis架构 186 8.6 基于Vue的前端设计 188 8.6.1 搭建开发环境 188 8.6.2 搭建Vue工程 189 8.6.3 官方周边库 189 8.6.4 Element UI组件库 191 8.6.5 数据可视化的实现 191 8.6.6 前端与后端的数据交换格式 194 8.6.7 前端与后端的通信设计 195 8.7 基于Java的工程实例设计 197 8.7.1 服务器端与智能网关的通信实现 197 8.7.2 服务器端的数据帧判断 197 8.7.3 服务器端的数据处理 198 8.7.4 服务器端与客户端的通信实现 200 8.7.5 前后端跨域处理 201 8.7.6 客户端的人机界面设计 201 本章小结 204 思考题 204 第9章 铝电解阳极电流测量装置工程实例设计 205 9.1 铝电解生产工艺概述 205 9.2 阳极电流检测原理与测量仪技术指标 206 9.3 系统总体设计 207 9.4 系统硬件设计 208 9.4.1 MCU模块设计 209 9.4.2 自校准电路设计 209 9.4.3 放大电路设计 211 9.4.4 滤波电路设计 211 9.4.5 A/D采样电路 214 9.4.6 温度采集模块的设计 215 9.4.7 电源模块的设计 216 9.4.8 RS485通信电路设计 216 9.4.9 数据存储模块设计 217 9.5 系统软件设计 218 9.5.1 软件总体框架 218 9.5.2 主程序设计 219 9.5.3 阳极温度采集软件设计 219 9.5.4 等距压降采集软件设计 220 9.5.5 数据存储软件设计 221 9.5.6 通信模块软件设计 221 9.6 测量装置系统测试 224 本章小结 225 思考题 226 第10章 基于温差发电的铝电解槽温度监测装置工程实例设计 227 10.1 需求分析 227 10.2 系统总体设计 227 10.2.1 总体方案设计 227 10.2.2 温度采集方案设计 228 10.2.3 无线通信方案设计 229 10.2.4 无线供电方案设计 230 10.3 系统硬件设计 231 10.3.1 温差发电装置设计 231 10.3.2 电源电路设计 232 10.3.3 MCU模块电路设计 233 10.3.4 温度采集电路设计 235 10.4 系统软件设计 235 10.4.1 软件总体框架 235 10.4.2 温差发电软件设计 236 10.4.3 温度采集软件设计 237 10.4.4 无线传输软件设计 238 10.5 系统性能测试 240 10.5.1 测试平台搭建 240 10.5.2 温差发电性能测试 241 10.5.3 温度采集性能测试 244 本章小结 245 思考题 245 第11章 铝电解边缘计算智能网关工程实例设计 246 11.1 概述 246 11.2 系统需求分析及功能设计 247 11.2.1 需求分析 247 11.2.2 功能设计 248 11.3 系统总体设计 251 11.3.1 嵌入式处理器选型 252 11.3.2 嵌入式外围设备选型 252 11.3.3 嵌入式软件设计结构 253 11.4 系统软硬件详细设计 254 11.4.1 硬件详细设计 254 11.4.2 软件详细设计 262 11.5 系统集成与调试 276 本章小结 278 思考题 278 第12章 基于LabVIEW的铝电解槽监测上位机工程实例设计 279 12.1 系统功能说明 279 12.2 系统总体设计 279 12.3 LabVIEW介绍 280 12.3.1 LabVIEW数据类型 281 12.3.2 LabVIEW常用函数 285 12.4 数据库存储设计 289 12.4.1 MySQL数据库协议 289 12.4.2 ODBC数据源介绍 289 12.4.3 LabVIEW访问MySQL数据库 290 12.5 LabVIEW客户端设计 291 12.5.1 人机界面设计要点 291 12.5.2 颜色的使用 292 12.5.3 LabVIEW控件 293 12.5.4 插入图片和装饰 293 12.5.5 界面分隔和自定义窗口大小 294 12.5.6 程序中字体的使用 296 12.5.7 客户端与服务端的数据通信格式 297 12.5.8 客户端与服务端的通信设计 298 12.6 基于LabVIEW的工程实例设计 299 12.6.1 服务器端与智能网关的连接实现 299 12.6.2 服务端的数据帧判断 301 12.6.3 服务端的数据处理 301 12.6.4 数据库操作 302 12.6.5 服务端对客户端显示数据的组帧 302 12.6.6 服务端与客户端