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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

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