偏向硬件合格的电子工程师需要掌握的知识和技能自勉.docx
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偏向硬件合格的电子工程师需要掌握的知识和技能自勉
掌握了一下的硬件和软件知识,基本上就可以成为一个合格的电子工程师:
第一部分:
硬件知识
一、数字信号
1、TTL和带缓冲的TTL信号
2、RS232和定义
3、RS485/422(平衡信号)
4、干接点信号
二、模拟信号视频
1、非平衡信号
2、平衡信号
三、芯片
1、封装
2、7407
3、7404
4、7400
5、74LS573
6、ULN2003
7、74LS244
8、74LS240
9、74LS245
10、74LS138/238
11、CPLD(EPM7128)
12、1161
13、max691
14、max485/75176
15、mc1489
16、mc1488
17、ICL232/max232
18、89C51
四、分立器件
1、封装
2、电阻:
功耗和容值
3、电容
1)独石电容
2)瓷片电容
3)电解电容
4、电感
5、电源转换模块
6、接线端子
7、LED发光管
8、8字(共阳和共阴)
9、三极管2N5551
10、蜂鸣器
五、单片机最小系统
1、单片机
2、看门狗和上电复位电路
3、晶振和瓷片电容
六、串行接口芯片
1、eeprom
2、串行I/O接口芯片
3、串行AD、DA
4、串行LED驱动、max7129
七、电源设计
1、开关电源:
器件的选择
2、线性电源:
1)变压器
2)桥
3)电解电容
3、电源的保护
1)桥的保护
2)单二极管保护
八、维修
1、电源
2、看门狗
3、信号
九、设计思路
1、电源:
电压和电流
2、接口:
串口、开关量输入、开关量输出
3、开关量信号输出调理
1)TTL―>继电器
2)TTL―>继电器(反向逻辑)
3)TTL―>固态继电器
4)TTL―>LED(8字)
5)继电器―>继电器
6)继电器―>固态继电器
4、开关量信号输入调理
1)干接点―>光耦
2)TTL―>光耦
5、CPU处理能力的考虑
6、成为产品的考虑:
1)电路板外形:
大小尺寸、异形、连接器、空间体积
2)电路板模块化设计
3)成本分析
4)器件的冗余度
1.电阻的功耗
2.电容的耐压值等
5)机箱
6)电源的选择
7)模块化设计
8)成本核算
1.如何计算电路板的成本?
2.如何降低成本?
选用功能满足价格便宜的器件
十、思考题
1、如何检测和指示RS422信号
2、如何检测和指示RS232信号
3、设计一个4位8字的显示板
1)电源:
DC12
2)接口:
RS232
3)4位3”8字(连在一起)
4)亮度检测
5)二级调光
4、设计一个33位1”8字的显示板
1)电源:
DC5V
2)接口:
RS232
3)3排11位8字,分4个、3个、4个3组,带行与行之间带间隔
4)单片机最小系统
5)译码逻辑
6)显示驱动和驱动器件
5、设计一个PCL725和MOXAC168P的接口板
1)电源:
DC5V
2)接口:
PCL725/MOXA8个RS232
1.PCL725,直立DB37,孔
2.MOXAC168P,DB62弯
3)开关量输出信号调理:
6个固态继电器和8个继电器,可以被任何一路信号控制和驱动,接口:
固态继电器5.08直立,继电器3.81直立
4)开关量输入调理:
干接点闭合为1或0可选,接口:
3.81直立
5)RS232调理:
1.LED指示
2.前4路RS232全信号,后4路只需要TX、RX、0
3.无需光电隔离
4.接口形式:
DB9(针)直立
第二部分:
软件知识
一、汇编语言
二、C51
该部分可以从市场上买到的N种开发板上学到,至于第一部分,需要人来带吧。
为什么要掌握这些知识?
实际上,电子工程师就是将一堆器件搭在一起,注入思想(程序),完成原来的这
些器件分离时无法完成的功能,做成一个成品。
所需要的技能越高、功能越复杂、
成本越低、市场上对相应的东东的需求越大,就越成功。
这就是电子工程师的自身
的价值。
从成本到产品售出,之间的差价就是企业的追求。
作为企业的老板,是在
市场上去寻找这样的应用;对电子工程师而言,是将老板提出的需求或者应用按照
一定的构思原则(成本最低、可靠性最高、电路板最小、功能最强大等)在最短的
时间内完成。
最短的时间,跟电子工程师的熟练程度、工作效率和工作时间直接有
关。
这就是电子工程师的价值。
将电子产品抽象成一个硬件的模型,大约有以下组成:
1)输入
2)处理核心
3)输出
输入基本上有以下的可能:
1)键盘
2)串行接口(RS232/485/canbus/以太网/USB)
3)开关量(TTL,电流环路,干接点)
4)模拟量(4~20ma、0~10ma、0~5V(平衡和非平衡信号))
输出基本上有以下组成:
1)串行接口(RS232/485/canbus/以太网/USB)
2)开关量(TTL、电流环路、干接点、功率驱动)
3)模拟量(4~20ma,0~10ma,0~5V(平衡和非平衡信号))
4)LED显示:
发光管、八字
5)液晶显示器
6)蜂鸣器
处理核心主要有:
1)8位单片机,主要就是51系列
2)32位arm单片机,主要有atmel和三星系列
51系列单片机现在看来,只能做一些简单的应用,说白了,这个芯片也就是做单一
的一件事情,做多了,不如使用arm来做;还可以在arm上加一个操作系统,程序既
可靠又容易编写。
最近三星的arm受到追捧,价格便宜,以太网和USB的接口也有,周立功的开发系统
也便宜,作为学习ARM的产品来说,应该是最好的;作为工业级的控制,是不是合
适,在网友中有不同的看法和争议。
本公司使用atmelARM91系列开发的1个室外使
用的产品,在北京室外使用,没有任何的通风和加热的措施,从去年的5月份到现
在,运行情况良好。
已经有个成功应用的案例。
但对于初学者来说,应该从51着手,一方面,51还是入门级的芯片,作为初学者练
手还是比较好的,可以将以上的概念走一遍;很多特殊的单片机也是在51的核的基
础上增加了一些I/O和A/D、D/A;也为今后学习更高一级的单片机和ARM打下基础。
再说了,哪个老板会将ARM级别的开发放在连51也没有学过的新手手中?
在51上面去做复杂的并行扩展是没有必要的,比如,扩展I/O口和A/D、D/A等等,
可以直接买带有A/D、D/A的单片机;或者直接使用ARM,它的I/O口线口多。
可以使
用I2C接口的芯片,扩展I/O口和A/D、D/A,以及SPI接口扩展LED显示,例如:
MAX7219等芯片。
市面上一些比较古老的书籍中还有一些并行扩展的例子,如:
RAM、EPROM、A/D、
D/A等,我觉得已经没有必要去看了,知道历史上有这些一回事就行了;
这知识,是所有产品都具备的要素。
所以要学,再具体应用。
说一个小的故事:
野人献曝。
从前,有一个农民,冬天干了活后,休息晒太阳。
好舒服呀。
他想,这么舒服的享受,我要献给国王,让他也能得到享受。
于是他兴冲冲地到了王宫,将他的宝贵经验献给了国王。
我现在就象这个农民,把自己认为很宝贵的经验献给大家。
希望大家多提宝贵意见
;拍板砖也可以,骂我也无所谓,呵呵,随便。
第一课:
51单片机最小系统
实际上,51单片机核心外围电路是很简单的,一个单片机+一个看门狗+一个晶振
+2个磁片电容;
1.单片机:
atmel的89C51系列、winbond的78E52系列,还有philips的系列,都差
不多;现在有一些有ISP(在线下载的),就更好用了;
2.看门狗:
种类很多,我常用的有max691/ca1161和DS1832等,具体看个人习惯、
芯片工作电压、封装等。
Max系列和DS系列,还有IMP公司的,种类很多,一般只需
要有最基本的功能就可以了;原来我使用max691,但是max691比较贵,因为它有电
池切换功能,后来新设计电路板,就都采用ca1161了。
很早以前的电路设计中,现在可能还有人使用,使用一个电阻和一个电容达成的上
电复位电路;但是,这样的复位电路一个是不可靠,为什么不可靠,网络上能找得
到专门论述复位电路的文章;更重要的是,51系列的单片机比较容易受到干扰;没
有看门狗电路是不行的,当程序跑飞时,回不来了,死在那里。
常规的做法是买一个专门的看门狗电路,完成复位电路和看门狗电路的功能。
单片机和单片机抗干扰能力是不一样的。
如果你的产品是工作在干扰比较大的环境
,可以试试选用不同品牌的单片机;原来我在一个光电所,做YAG激光治疗机的控
制部分,脉冲激光机的电源放电的时候,能量是很大的,在采取了所有能够想到的
光电隔离等措施之后,还是不行;后来,选用了intel的8031,就可以了。
小声的
说:
当时的philips的单片机抗干扰性能是最差的,可能跟Philips主要是用在民用
领域有关。
现在不知道怎么样了,有人知道的话告诉我。
单片机的输入输出口线是最容易引进干扰的地方;在严重干扰的情况下,需要将所
有的口线光电隔离。
3.晶振:
一般选用11.0592M,因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率;也
可以使用36.864M,这个频率是1.8432M的20倍,看别人的电路板上用过,我也没有
用到。
这2种晶振很容易买到,价钱跟12M的一样。
书上说,12M的晶振也能得到
9600的波特率,但是,实际用的时候,会每隔一段时间就出错一次,好像累积误差
一样,比较奇怪。
即使你的单片机系统不使用RS232接口,也可以做一个Rs232,留着做测试,或者预
留等等,没有坏处。
除非你的单片机系统的口线不够用了。
4.磁片电容:
22pf~30pf,可以在有些书上找到什么晶振频率对应什么容量的磁
片电容,但是,我都是随便拿来使用,反正在11.0592M下,都没有问题;如果你用
到了更高的频率,最好还是找找资料看看。
参见以下电路图:
如果你的单片机系统没有工作,检查步骤如下:
1.查看门狗的复位输出,可能的话在电路板上加一个LED,下拉,这样看起来就更
方便;要是看门狗复位信号有,往下;
2.查单片机,看看管脚有没有问题;一般编程器能够将程序写入,说明单片机是
好的;最好手头上准备一个验证过的单片机,内部有一个简单的程序,比如,在某
个口线上输出1个1秒占空比的方波等,可以使用万用表测量。
加一句:
设计产品时,要在关键的地方:
电源、串口、看门狗的输出和输入、I/O
口等加不同颜色的LED指示,便于调试;作为批量大的产品,可以去掉部分LED,一
方面是降低成本、一方面是流程保密;
3.再查磁片电容,有些瓷片电容质量不行,干脆换了;顺便说一下,换器件最好
使用吸锡带,将焊盘内的锡吸干净,再将器件拔出,这样不会损伤焊盘内的过孔;
再将新的瓷片电容焊接上去的时候,用万用表量量是好的再焊;
4.最后只有换晶振了;切记要买好的晶振,有些品牌质量比较好。
5.以上按照以上步骤检测时,将无关的外围芯片去掉;因为有一些是外围器件的
故障导致单片机最小系统没有工作。
第二课基本的芯片和分立器件
2.1简述
2.274系列
2.3CD4000系列
2.4光耦与光电管
2.5三极管
2.6电容电阻
2.7固态继电器
2.8继电器
2.9变压器和三端稳压器
2.10开关电源芯片
2.11封装知识、芯片批号等
2.12接插件
2.13器件选购的知识
第三课数字量的输入输出
第四课单片机的通讯接口
第五课单片机系统设计的硬件构思
第六课单片机程序的框架(汇编版本)
第七课模拟量的输入输出
……
各位多提宝贵意见。
保证实用。
如果程序里面有一些例程,也是已经经过测试可以拿来就用的;实际上
是我早年的一些产品的程序的一部分;不好意思,都是汇编的。
写的时间只有周末会多一些,可以保证做到一周一课;尽量能够提前,但是这要看
看工作忙不忙了。
坊间有一些参考书,准备今天上午到北京中发市场转了一圈,我记得以下参考书目
较好:
1.周航慈:
《单片机程序设计》
2.徐涵芳:
《MCS-51单片机结构与设计》
3.何立民:
《......》
有了这些就基本够用了;其它的很多都是资料的翻译;如果英文不好,可以看看;
英文好的话,可以不必了,省电钱买开发系统和编程器、开发板什么的,需要什么
资料直接下载PDF文件好了。
要想成为电子工程师,需要宽带,在家里安装包月的adsl或者长宽,绝对值得。
实际上,网络上什么都有了,就是一个网络数据库,要好好利用。
网上自有黄金屋,网上自有颜如玉……
第二课基本的芯片和分立器件
2.1简述
有必要对以下系列的芯片和分立器件进行介绍。
除了单片机作为控制器的核心外,作为一个产品,由很多东西构成;所以,在讲系
统之前,先将这些零零碎碎的东西一并交待。
就好像一栋房子,有各种各样的构件
组成,下面的这些东东就像砖瓦一样,没有不行。
2.274系列芯片
74系列的芯片的下载地址:
.tw/asp/class36_40.htm
74系列的芯片是古老的一族,大部分的芯片现在均已不用了,但是,实际上,在目
前的系统中,还能看到一些芯片,有些芯片现在还在系统中使用,例如:
1、7404–6个反相门
下载地址:
将输入的TTL逻辑反相,如:
0->1,1->0
2、7407–6个集电极开路门
下载地址:
由于集电极开路门可以外接高电压,可以最高到DC30V,电流最大到39mA,通常我
用它驱动8字数码管和继电器等大电流的负载;开路门内部结构是达林顿管的,输
出的逻辑是正的;
与其类似的芯片是7406,只不过是反相开路门。
3、74LS573与74LS373–8数据锁存器
74LS373下载地址:
74LS573下载地址:
引入几个概念:
1.真值表
参见74LS373的PDF的第2页:
DnLEOEOn
HHLH
LHLL
XLLQo
XXHZ
这个就是真值表,表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。
每个芯片的数据手册(datasheet)中都有真值表。
布尔逻辑比较简单,在此不赘述;
2.高阻态
就是输出既不是高电平,也不是低电平,而是高阻抗的状态;在这种状态下,可以
多个芯片并联输出;但是,这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态,否则会将芯
片烧毁;
高阻态的概念在RS232和RS422通讯中还可以用到。
3.数据锁存
当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持;
这个概念在并行数据扩展中经常使用到。
4.数据缓冲
加强驱动能力。
74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。
OE:
output_enable,输出使能;
LE:
latch_enable,数据锁存使能,latch是锁存的意思;
Dn:
第n路输入数据;
On:
第n路输出数据;
再看这个真值表,意思如下:
第四行:
当OE=1是,无论Dn、LE为何,输出端为高阻态;
第三行:
当OE=0、LE=0时,输出端保持不变;
第二行第一行:
当OE=0、LE=1时,输出端数据等于输入端数据;
结合下面的波形图,在实际应用的时候是这样做的:
a.OE=0;
b.先将数据从单片机的口线上输出到Dn;
c.再将LE从0->1->0
d.这时,你所需要输出的数据就锁存在On上了,输入的数据在变化也影响不到输
出的数据了;实际上,单片机现在在忙着干别的事情,串行通信、扫描键盘……单
片机的资源有限啊。
在单片机按照RAM方式进行并行数据的扩展时,使用movx@dptr,A这条指令时,这
些时序是由单片机来实现的。
后面的表格中还有需要时间的参数,你不需要去管它,因为这些参数都是几十ns级
别的,对于单片机在12M下的每个指令周期最小是1us的情况下,完全可以实现;如
果是你自己来实现这个逻辑,类似的指令如下:
movP0,A;将数据输出到并行数据端口
clrLE
setbLE
clrLE;上面三条指令完成LE的波形从0->1->0的变化
74ls573跟74LS373逻辑上完全一样,只不过是管脚定义不一样,数据输入和输出端
各在一侧,PCB容易走线;所以大家都喜欢使用这个芯片。
4、74LS244–数据缓冲器
下载地址:
数据输出能力比较强,输出电流可以到40mA以上;
4个缓冲器分成2组,具有高阻态控制端口
5、74LS245–总线缓冲器
双向数据接口,通常在ISA板卡上可以看到;
早期的51系统中,为了扩展RAM、eprom、A/D、D/A、I/O等经常可以看到这个片子
;
为了增强驱动能力,有时是为了隔离输入和输出,主要是布线方便,象74LS573一
样,输入、输出在一侧,经常用到这个片子
6、74LS138–三-八译码器
在早期的51系统的扩展中,作为地址选通的片子,可以经常看到。
另外一个类似的芯片是74LS154,是4-16译码器,现在更是少见了。
有兴趣的可以研究一下何立民的经典著作中的有关章节。
知道有这么一个芯片就可以了。
2.3CD4000系列
CD4000系列的芯片,除了跟74系列的电气特性有所区别外,例如:
1)电压范围宽,应该可以工作在3V~15V,输入阻抗高,驱动能力差外,跟74系列
的功能基本没有区别;
2)输入时,1/2工作电压以下为0,1/2工作电压以上为1;
3)输出时,1=工作电压;0=0V
4)驱动能力奇差,在设计时最多只能带1个TTL负载;
5)如果加上拉电阻的话,至少要100K电阻;
6)唯一现在使用的可能就是计数器,CD4060的计数器可以到14级二进制串行计数/
分频器,这个74系列的做不到这么高;
下载地址:
.tw/asp/class36_40.htm
.tw/pdf_file/CD4060.PDF
2.4ULN2003/ULN2008
它的内部结构也是达林顿的,专门用来驱动继电器的芯片,甚至在芯片内部做了一
个消线圈反电动势的二极管。
ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA,饱和压降
VCE约1V左右,耐压BVCEO约为36V。
用户输出口的外接负载可根据以上参数估算
。
采用集电极开路输出,输出电流大,故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)
等外接控制器件,也可直接驱动低压灯泡。
经常在工控的板卡中见到这个芯片。
有个完全一样的型号:
MC1413,不过现在好像不怎么见到这个型号了,但是管脚与
2003完全兼容。
ULN2003可以驱动7个继电器;ULN2008驱动8个继电器。
ULN2003下载地址:
ULN2008下载地址:
没有找到。
奇怪啊。
2.5光耦
光耦是做什么用的?
光耦是用来隔离输入输出的,主要是隔离输入的信号。
在各种应用中,往往有一些远距离的开关量信号需要传送到控制器,如果直接将这
些信号接到单片机的I/O上,有以下的问题:
1)信号不匹配,输入的信号可能是交流信号、高压信号、按键等干接点信号;
2)比较长的连接线路容易引进干扰、雷击、感应电等,不经过隔离不可靠
所以,需要光耦进行隔离,接入单片机系统。
常见的光耦有:
1)TLP521-1/TLP521-2/TLP521-4,分别是1个光耦、2个光耦和4个光耦,HP公司
和***的东芝公司生产。
下载地址:
.tw/pdf_file/TLP521-1-2,4.PDF
发光管的工作电流要在10mA时,具有较高的转换速率;
在5V工作时,上拉电阻不小于5K,一般是10K;太小容易损坏光耦;
2)4N25/4N35,motorola公司生产
下载地址:
.tw/pdf_file/4N25-8,35-7,H11A1-5.PDF
隔离电压高达5000V;
3)6N136,HP公司生产
下载地址:
.tw/pdf_file/6N135-6.PDF
要想打开6N136,需要比较大的电流,大概在15~20mA左右,才能发挥高速传输数据
的作用。
如果对速率要求不高,其实TLP521-1也可以用,实际传输速率可以到19200波特率
。
选择光耦看使用场合,tlp521-1是最常用的,也便宜,大概0.7~1元;
要求隔离电压高的,选用4N25/4N35,大概在3元左右;
要求在通讯中高速传输数据的,选用6N136,大概在4元左右。
光耦应用的原理框图如下所示:
1.输入干接点隔离
2.输入TTL电平隔离
3.输入交流信号隔离
4.输出RS232信号隔离
5.输出RS422信号隔离
光耦除了隔离数字量外,还可以用来隔离模拟量。
将在今后的章节中描述。
2.6三极管
2.7光电管
2.8电容
2.9电阻
2.10固态继电器
2.11继电器
2.12变压器与整流桥
2.13三端稳压器
2.14开关电源芯片
2.15封装知识、芯片批号等
2.1