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全书含21个实训。单片机最小系统点亮小灯、流水灯控制、按键控制继电器、单片机简单应用系统制作、简易波形发生器的设计制作、简易电压表的设计制作、数字电压表的设计制作、仿电梯数字滚动显示屏(点阵控制)、液晶显示控制、步进电机控制器、空调机温度控制系统、电动机点动正转控制装置、三相异步电动机能耗制动及反接制动控制、天塔之光控制系统、交通信号灯控制系统、三相异步电机的正反转控制、步进电机的控制、四层电梯控制系统、机器人小车控制器、自动线的总调试、四层电梯并联控制系统。适合高等院校相关专业作为教材。
现代电子系统设计与实现 第一章 绪论：电子系统设计的基石 本章旨在为读者构建一个坚实的电子系统设计基础框架。我们将深入探讨现代电子系统的演进历程，从早期的真空管电路到如今基于集成电路和微处理器的复杂系统。重点分析当前电子系统设计所面临的核心挑战，包括系统的小型化、高能效需求、实时处理能力以及日益增强的互联性。 1.1 电子系统的内涵与范畴 电子系统不再是单一的电路板，而是集硬件、软件和固件于一体的复杂实体。本节将界定电子系统的基本组成要素：传感器/执行器接口、信号调理电路、数据处理核心（如微控制器或FPGA）以及人机交互界面。通过对不同类型电子系统（如嵌入式控制系统、通信系统、电源管理系统）的案例剖析，帮助读者理解其功能划分与结构层次。 1.2 设计方法学的演变 回顾从原理图驱动设计到基于模型的设计（Model-Based Design, MBD）的转变。重点介绍MBD在系统级抽象、快速原型验证和跨领域协同工作中的优势。我们将引入系统工程（Systems Engineering）的基本理念，强调在设计初期进行需求定义、架构选择和接口规范化的重要性。 1.3 设计流程与工具链概述 详细梳理一个典型的电子产品设计生命周期，包括概念定义、需求分析、系统架构设计、详细设计（硬件/软件）、集成测试与验证。介绍当前业界主流的设计工具链，例如EDA（Electronic Design Automation）软件在电路仿真、PCB布局布线中的应用，以及软件开发环境（IDE）和调试工具的使用规范。 第二章 模拟前端设计与信号调理 模拟电路是连接物理世界与数字世界的桥梁。本章聚焦于如何准确、可靠地采集和处理来自真实环境的模拟信号。 2.1 传感器接口技术 深入分析各类常用传感器（如温度、压力、光照、加速度计）的工作原理、输出特性及其与微控制器的接口要求。探讨信号失真、噪声耦合的物理根源，并介绍抗干扰设计的基本原则。重点讲解如何选择合适的激励源和匹配电路。 2.2 滤波器设计与噪声抑制 系统的性能往往受限于噪声。本节详细讲解有源滤波器和无源滤波器的设计，包括巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）等经典拓扑的选择与参数计算。分析高频噪声对信号完整性的影响，并引入电磁兼容性（EMC/EMI）设计中关于滤波布局和屏蔽技术的应用。 2.3 模数转换器（ADC）与数据采集 阐述不同类型ADC（如逐次逼近式、Sigma-Delta、流水线式）的工作原理、精度、速度与功耗的权衡。讲解采样定理（Nyquist-Shannon）在实际应用中的约束，以及量化误差、非线性误差的评估方法。讨论多通道数据同步采集的技术挑战。 第三章 嵌入式处理器核心与软件架构 嵌入式系统是现代电子设备的大脑。本章侧重于处理器选型、固件开发及其高效运行的软件架构设计。 3.1 处理器选型与架构分析 对比微控制器（MCU）、微处理器（MPU）以及现场可编程门阵列（FPGA）在不同应用场景下的适用性。深入剖析主流指令集架构（如ARM Cortex-M系列）的特点，包括流水线、中断处理机制和内存保护单元（MPU）。 3.2 实时操作系统（RTOS）与任务调度 在需要确定性响应的应用中，RTOS是关键。本节介绍RTOS的核心概念，如任务优先级、上下文切换、信号量、互斥锁和消息队列。通过实例分析死锁、竞态条件等实时系统常见问题及其避免策略。 3.3 设备驱动与底层软件开发 讲解如何编写稳定、高效的设备驱动程序，包括寄存器级操作、中断服务程序（ISR）的编写规范和时序控制。强调代码的可移植性和模块化设计在驱动层面的重要性。 第四章 电源管理与系统可靠性 电子系统的稳定运行离不开高效、可靠的电源供给和健壮的系统保护机制。 4.1 线性稳压器与开关电源设计 对比LDO（低压差线性稳压器）和开关模式电源（Buck, Boost, Buck-Boost）在效率、噪声和瞬态响应上的差异。详细讲解开关电源的环路补偿设计，确保系统的稳定性和负载适应性。 4.2 电池管理系统（BMS）基础 对于便携式设备，电池的管理至关重要。本章介绍电池充电控制（CC/CV算法）、电量计量（Fuel Gauging）技术，以及过充、过放、过流保护电路的设计要点。 4.3 系统的热管理与失效分析 探讨功率耗散与热设计之间的关系。介绍导热路径分析、散热器的选择与优化。引入FMEA（失效模式与影响分析）方法论，指导设计者在初期识别潜在的系统弱点，并提出预防措施。 第五章 通信接口与互联技术 现代电子系统需要与其他设备和网络进行高效、可靠的数据交换。 5.1 有线通信协议栈 全面解析工业控制和消费电子中常用的有线协议，如UART、SPI、I2C的电气特性与时序要求。深入探讨工业现场总线，如CAN和Ethernet（包括工业以太网协议如EtherCAT/Profinet）在数据一致性和实时性方面的实现细节。 5.2 无线通信模块集成 介绍低功耗广域网（LPWAN，如LoRa/NB-IoT）和近场通信（如蓝牙/Wi-Fi）模块的集成挑战。重点讨论射频（RF）前端电路的设计，包括阻抗匹配网络、天线选择与布局对无线性能的影响。 5.3 数据完整性与错误校验 讲解CRC（循环冗余校验）、奇偶校验等错误检测机制在通信链路中的应用。讨论在存在高频干扰的环境下，如何通过协议层的重传机制和数据的冗余编码来保障数据的可靠性传输。 第六章 系统集成、测试与验证 设计周期的最后阶段，是将各个子模块整合成一个功能完备、性能达标的最终产品。 6.1 PCB设计进阶 超越简单的元件布局，本章深入探讨高速信号完整性（SI）和电源完整性（PI）的设计规则。涵盖差分对布线、阻抗控制、电源平面设计、去耦电容的优化选型及其在PCB上的具体布局策略。 6.2 固件与硬件的集成调试 介绍JTAG/SWD等硬件调试接口的使用方法，以及逻辑分析仪、示波器在系统级故障排查中的应用。讨论如何设计合理的“上电自检”（POST）程序，以快速定位硬件初始化失败的原因。 6.3 实验室测试与环境适应性验证 阐述如何搭建有效的测试平台。讲解功能测试、性能测试和压力测试的设计思路。重点介绍环境测试标准（如温湿度循环、振动冲击测试）对电子产品可靠性的意义，并指导如何根据测试结果反馈优化设计。 第七章 嵌入式系统的安全防护 随着万物互联时代的到来，电子系统的安全性已成为设计不可或缺的一环。 7.1 物理安全与防篡改 探讨防止物理接触攻击的方法，如保护敏感电路的布局、增加物理封装的复杂性。引入安全元件（Secure Element）的概念及其在密钥存储中的作用。 7.2 软件安全与固件更新 分析固件的空中下载（OTA）更新机制中的安全挑战。讲解代码签名、安全启动（Secure Boot）的流程，确保只有授权的、未被篡改的固件能够加载运行。讨论内存隔离和防止缓冲区溢出等软件漏洞的对策。 7.3 数据加密与隐私保护 介绍对称加密（AES）和非对称加密（RSA）在嵌入式环境中的应用场景。讨论如何在资源受限的MCU上高效地实现TLS/DTLS协议栈，以保护设备与云端传输的数据隐私。
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