《嵌入式系统电子应用设计》—

嵌入式系统电子应用设计

刘晓敏, 刘阳译

出版时间：2025年07月

页数：602

“本书是每位从事嵌入式系统工作的工程师必备的参考书。作者出色地介绍了基本组件，以及如何确保你考虑到所有因素以设计一个稳健的电子系统。”
——Jacob Beningo
嵌入式系统顾问，贝宁戈嵌入式集团
嵌入式控制器电子学拥有每年超过几百亿美元的市场且还在不断增长的市场，是当今几乎所有现代电子设备的核心。为了满足这个庞大市场中设计产品的设计师们的需求，这本实用的书涵盖了现代电子设计的关键主题。
本书作者Jerry Twomey探讨了帮助你为产品创建一个无故障集成系统所必需的方法，重点在于硬件设计。你将从实际应用的角度探索主题，包括关于非理想组件、噪声，以及避免问题场景的方法的讨论。
主题包括：
● 理想与现实：连接、组件、数字、信号。
● 嵌入式系统架构设计。
● 根据应用、速度、距离选择数字接口。
● 多电压电源供应。
● 高频电源完整性。
● 电池和充电系统。
● EMI（电磁干扰）抑制和ESD（静电放电）保护。
● 驱动和传感外围设备。
● 数字反馈控制系统。
● 功耗和成本优化。
● 特殊系统：消费类、医疗类、工业类、汽车类、航空航天类。
● 包括可制造性、产量和低噪声的PCB（印刷电路板）设计。

目录
产品信息
关于作者
封面介绍

前言
第1章基本概念
1.1 基础电子学
1.2 学术界的理想简化
1.3 互连
1.4 基本组件
1.4.1 电容
1.4.2 电阻
1.4.3 电感器
1.4.4 电压源和电池
1.4.5 电流源
1.4.6 开关和继电器
1.4.7 运算放大器
1.4.8 电压比较器
1.5 非理想数字设备
1.6 信号完整性
1.7 总结和结论
1.8 拓展阅读
第2章系统架构
2.1 传统设计方法
2.1.1 仿真或构建
2.1.2 通孔/引线元件（已过时）
2.1.3 离散门电路（已过时）
2.2 现代设计方法
2.2.1 主流数字设计
2.2.2 DSP方法：多功能性和局限性
2.2.3 数字控制方法：DCU、MCU、MPU、FPGA、CPLD、ASIC
2.3 MCU和MPU规范中的术语
2.4 硬件控制器
2.5 软件控制器
2.6 计算机与控制器
2.6.1 树莓派RPi（MPU）与Arduino（MCU）
2.6.2 多用途MCU和专用MCU
2.7 芯片集方法
2.8 系统架构选项
2.8.1 确定外设和互连
2.8.2 避免串行通信瓶颈
2.8.3 使用直接内存访问（DMA）传输数据
2.8.4 确定DSP的方法
2.8.5 检查DSP瓶颈
2.8.6 提高DSP速度
2.8.7 确定DCU内部功能
2.9 物理封装注意事项
2.10 片外功能和支持
2.11 整合
2.12 选择DCU配置和MCU/MPU
2.12.1 特色功能或特点
2.12.2 多MCU系统
2.12.3 通用MCU系统
2.12.4 选择特定的MCU
2.13 总结和结论
2.14 拓展阅读
第3章鲁棒的数字通信
3.1 数字信号、物理考虑因素和连接
3.1.1 地参考数字信号的局限性
3.1.2 低压差分信号
3.1.3 组织互连以提高速度和信号完整性
3.1.4 集合式网络与分布式网络
3.1.5 时钟分配
3.2 数字通信：并行端口与串行端口
3.3 串行端口的时钟方法
3.3.1 起始边沿同步
3.3.2 并行时钟
3.3.3 曼彻斯特代码自时钟
3.3.4 嵌入式时钟和游程长度受限码
3.4 数字通信：特征和定义
3.5 串行数据：共享接地，低速
3.5.1 通用异步收发器
3.5.2 集成电路和系统管理总线
3.5.3 串行外设接口
3.5.4 单线接口
3.6 串行数据：共享接地，高速
3.7 板之间或系统之间的数据：有线方法
3.7.1 RS-232：通过电缆传输的串行数据
3.7.2 RS-485：通过电缆传输的差分串行数据
3.7.3 控制器局域网
3.8 计算机系统的串行数据
3.8.1 通用串行总线
3.8.2 串行ATA
3.8.3 快速外设组件互连PCIe
3.8.4 以太网
3.9 无线串行接口
3.9.1 无线网络Wi-Fi
3.9.2 蓝牙
3.9.3 低功耗蓝牙
3.9.4 ZigBee
3.9.5 Z-Wave
3.9.6 自适应网络拓扑
3.10 其他数据通信方法
3.10.1 红外线
3.10.2 光纤数据：又快又远
3.10.3 JTAG：用于测试和配置的PCB访问
3.11 总结和结论
3.12 拓展阅读
第4章电力系统
4.1 分相交流电源
4.2 交流电源安全性：定义问题
4.2.1 高低压分区
4.2.2 安全故障方法和单一故障安全场景
4.2.3 过流保护方法和最薄弱环节
4.3 交流/直流转换
4.3.1 经典方法：60Hz变压器
4.3.2 离线切换器
4.4 多PCB系统：使用局部电源调节
4.5 直流/直流转换：线性与开关
4.5.1 线性稳压器：概念
4.5.2 发射极跟随稳压器与低压差线性稳压器LDO
4.5.3 开关降压转换器
4.5.4 开关升压转换器
4.5.5 开关降压–升压转换器
4.6 选择稳压器并配置电源系统
4.6.1 使用电源监视器
4.6.2 电源旁路、去耦和滤波
4.6.3 降低辐射噪声：RC缓冲器、铁氧体和滤波器
4.6.4 降低功率输出噪声：阻尼LPF网络和级联稳压器
4.7 数字逻辑导致电网电流浪涌
4.7.1 低阻抗电源和接地层
4.7.2 电源旁路滤波：分布式稳定
4.7.3 高频旁路电容器
4.7.4 电源旁路电容值和分布
4.8 总结和结论
4.9 拓展阅读
第5章电池电源
5.1 电池基础知识：定义
5.1.1 可充电或一次性电池的决策指南
5.1.2 定义电源要求
5.1.3 电池放电与功能电压范围的关系
5.1.4 按化学成分分类的电池类型
5.1.5 电池的放电行为
5.2 设计电池组：单次使用和多节电池
5.3 设计可充电定制电池组
5.4 电池充电
5.5 智能电池
5.6 电池法规和安全
5.7 其他能量存储和访问方法
5.7.1 超级电容
5.7.2 氢燃料电池
5.7.3 液流电池
5.7.4 无线充电
5.7.5 固态电池
5.8 总结和结论
5.9 拓展阅读
第6章电磁干扰和静电放电
6.1 初步想法
6.1.1 固有噪声
6.1.2 处理EMI的总体策略
6.1.3 法规和要求
6.1.4 噪声耦合的可视化
6.1.5 EMI频域分析
6.2 接地
6.3 减少交流电源的传导辐射
6.4 电缆互连策略
6.5 从源头减少噪声产生
6.5.1 时钟更慢，过渡更柔和
6.5.2 使用LVDS的数字数据可降低EMI
6.5.3 使用扩频时钟降低EMI
6.5.4 降低开关模式电源的EMI
6.5.5 意料之外的EMI天线
6.5.6 电机上的EMI抑制
6.6 减少板载设备之间的噪声耦合
6.6.1 识别“大话家”和敏感的“倾听者”
6.6.2 针对噪声对PCB进行平面规划
6.6.3 遏制或防止EMI的法拉第笼方法
6.7 降低电路对噪声的敏感度
6.7.1 噪声敏感的高阻抗节点
6.7.2 差分信号的抗噪性
6.7.3 通过带宽限制实现抗噪性
6.8 抑制进出系统的噪声：法拉第笼技术
6.9 静电放电保护
6.10 总结和结论
6.11 拓展阅读
第7章数据转换器：ADC和DAC
7.1 DAC性能基础知识
7.2 ADC性能基础
7.3 ADC输入的抗混叠滤波器
7.4 脉冲宽度调制DAC
7.5 通过直接数字合成生成任意波形
7.6 总结和结论
7.7 拓展阅读
第8章驱动外围设备
8.1 开关驱动电路
8.1.1 高压侧和低压侧开关
8.1.2 大功率负载隔离
8.1.3 驱动信号策略
8.1.4 功率晶体管选择
8.1.5 功率晶体管热性能
8.1.6 驱动LED和蜂鸣器
8.2 选择静态显示器
8.3 流媒体视频输出
8.4 驱动感性负载
8.4.1 开关电感器中的瞬态电流
8.4.2 驱动电磁阀和继电器
8.5 H桥驱动电路
8.6 驱动直流电机
8.6.1 电机选择
8.6.2 有刷直流电机驱动电路
8.6.3 无刷直流电机：单相和三相
8.6.4 带集成控制电子设备的电机
8.6.5 步进电机
8.6.6 音圈电机
8.6.7 滞流和防止自毁
8.7 音频输出
8.8 总结和结论
8.9 拓展阅读
第9章传感外围设备
9.1 无处不在的传感器
9.2 传感器输出类型
9.3 传感器数据采集和校准
9.3.1 数据采集方法
9.3.2 传感器校准
9.3.3 传感器响应时间
9.4 双状态器件：开关、光断路器和霍尔传感器
9.5 位置和旋转编码器
9.6 模拟线性传感器：近距离观察
9.6.1 模拟传感器的特性
9.6.2 模拟传感器的信号处理
9.6.3 传感器校准
9.6.4 电流检测方法
9.6.5 电压检测
9.7 传感器的具体应用
9.7.1 压力传感器
9.7.2 温度传感器
9.7.3 应变仪
9.7.4 声音和麦克风
9.7.5 图像传感器和摄像机
9.7.6 触摸屏
9.8 总结和结论
9.9 拓展阅读
第10章数字反馈控制
10.1 顺序控制和反馈控制概述
10.2 数字与模拟电路方法
10.3 初步定义和概念
10.3.1 传递函数、框图和基本反馈
10.3.2 瞬态响应术语
10.4 DUC性能选择
10.5 顺序控制
10.6 模拟控制系统的选择重点
10.6.1 线性系统和近似值
10.6.2 稳定控制环的波特图
10.6.3 增益和相位响应的波特图
10.6.4 控制环路增益和相位的波特图
10.6.5 积分和微分响应的波特图
10.6.6 固定时间延迟的波特图
10.7 过渡到数字控制
10.7.1 确定DUC的稳定性
10.7.2 DAC的性能要求
10.7.3 控制数学的准确性
10.7.4 ADC的性能要求
10.7.5 ADC采样率确定
10.7.6 ADC和DAC的最终选择
10.7.7 提高相位裕度的双时钟策略
10.7.8 数字梯形积分
10.7.9 数字积分：限制积分饱和
10.7.10 基于相邻样本的数字微分
10.7.11 DSP中的附加时间延迟
10.8 PID控制实现
10.8.1 响应变量：P、I、PI和PID
10.8.2 增益调整的典型效果
10.8.3 Ziegler Nichols（Z-N）调谐
10.8.4 Chien-Hrones-Reswick（CHR）调谐
10.9 组件方差和控制调整
10.10 自适应控制方法
10.11 轨迹控制方法
10.12 总结和结论
10.13 拓展阅读
第11章 PCB原理图
11.1 PCB术语
11.2 PCB设计（EDA）工具
11.3 入门
11.4 元件选择
11.4.1 选择RLC组件
11.4.2 选择板外电线的连接器
11.4.3 选择IC封装
11.4.4 核查元器件停产风险与批量供应能力
11.5 测试访问和接口端口
11.6 电路原理图
11.6.1 电路原理图和一般组织结构
11.6.2 集成电路的符号组织
11.6.3 占位符和“不填充”组件
11.6.4 提供清楚的注释
11.6.5 避免模棱两可
11.6.6 需要特别注意的事项
11.7 物料清单
11.8 定义物理层、控制层和数据层
11.9 定义元件封装
11.10 PCB的机械定义
11.10.1 公制与英制测量
11.10.2 PCB安装
11.10.3 通过机械安装进行电气接地
11.10.4 钻孔间距和保留区
11.10.5 连接PCB的电缆
11.10.6 PCB对齐参考
11.10.7 保形涂层
11.10.8 使用钉床的测试夹具
11.11 定义PCB层堆叠
11.12 层间电容
11.13 物理设计规则
11.14 元件布局策略
11.15 一般互连方法
11.15.1 RLC寄生效应的简单估计
11.15.2 最大走线电流
11.15.3 确定最小几何走线要求
11.16 通孔和微通孔
11.17 导热通孔
11.18 专用互连方法
11.18.1 差分信号布线
11.18.2 微带传输线
11.18.3 带状线传输线
11.18.4 差分微带线和带状线
11.18.5 开尔文连接
11.19 EMI和ESD策略
11.19.1 完整的接地层以降低EMI
11.19.2 淹没式信号层接地以降低EMI
11.19.3 ESD互连
11.19.4 高频电源旁路方法
11.20 制造和装配特性
11.20.1 一致的铜覆盖率
11.20.2 面板化和分割方法
11.20.3 制作说明
11.20.4 制造（Gerber）文件
11.21 总结和结论
11.22 拓展阅读
第12章软件和编码
12.1 编码语言
12.2 操作系统
12.2.1 选择RTOS
12.2.2 其他RTOS注意事项
12.3 配置端口和处理器
12.4 设备驱动程序
12.4.1 可移植性问题
12.4.2 外设通信
12.4.3 启动外设通信
12.4.4 设备驱动特性
12.4.5 DD代码的模块化/层次结构
12.4.6 DD测试
12.5 防御性编码方法
12.5.1 预处理数据输入（无效数据）
12.5.2 预处理数据输入（带宽限制）
12.5.3 预处理数据（人工输入）
12.5.4 后台重新初始化
12.5.5 看门狗定时器
12.5.6 多控制器编码
12.6 对条理清晰代码的几点建议
12.7 总结和结论
12.8 拓展阅读
第13章特殊系统和应用
13.1 不同电子产品用于不同的优先事项
13.2 设计重点事项
13.2.1 产品成本
13.2.2 质量和可靠性
13.2.3 功耗
13.2.4 安全性
13.2.5 向后兼容性
13.2.6 坚固耐用和用户滥用
13.2.7 维修能力
13.3 对开发流程的合规监管要求
13.4 风险分析
13.5 航空电子（航空电子设备）
13.5.1 设计重点
13.5.2 特殊需求
13.5.3 法规、认证和批准
13.6 卫星和航天器（航天电子设备）
13.6.1 辐射
13.6.2 热极限
13.6.3 振动、冲击和加速
13.6.4 真空环境
13.6.5 部件选择和NASA批准的零件
13.6.6 PCB材料和布局
13.6.7 航天器的有限寿命
13.6.8 法规、认证和批准
13.7 军事电子
13.7.1 设计重点和独特要求
13.7.2 法规、认证和批准
13.8 医疗器械
13.8.1 法规、认证和批准
13.8.2 整个EMC测试中的功能正常
13.8.3 特殊需求
13.8.4 软件和固件的监管要求
13.9 汽车
13.9.1 典型电子控制单元
13.9.2 设计重点和特殊需求
13.9.3 法规、认证和批准
13.10 消费电子产品
13.10.1 设计重点
13.10.2 特殊兴趣团体、技术联盟和技术标准
13.10.3 法规、认证和批准
13.10.4 限制有害物质
13.10.5 化学品注册、评估、许可和限制（REACH）
13.11 工业自动化
13.12 总结和结论
13.13 拓展阅读
第14章创造杰出的产品
14.1 创造能解决问题或满足需求的产品
14.2 确定目标市场
14.3 确定客户想要什么
14.4 研究竞争产品
14.5 定义价值主张
14.6 确定可行的定价
14.7 确定适当的市场窗口时间
14.8 建立联盟和战略合作伙伴
14.9 注重易用性
14.10 确定所需资源
14.11 获得设计规范共识
14.12 最小设计和功能迭代
14.13 尽早识别障碍
14.14 获取用户对原型的反馈
14.15 易于制造
14.16 总结和结论
14.17 拓展阅读
缩略语

书名：嵌入式系统电子应用设计

作者：Jerry Twomey 著

译者：刘晓敏, 刘阳译

国内出版社：中国电力出版社

出版时间：2025年07月

页数：602

书号：978-7-5198-9960-8

原版书书名：Applied Embedded Electronics

原版书出版商：O'Reilly Media

Jerry Twomey

Jerry Twomey设计了大量消费品、医疗设备、航空航天产品和商业产品，其中包括高速数据通信、卫星芯片组、医疗仪器、手机、射频设备等。他在集成电路、PCB以及系统设计方面拥有丰富经验，掌握了设计可靠电子设备所需的技术。

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本书封面上的动物是一只黄脚岩袋鼠（学名：Petrogale xanthopus），这是一种澳大利亚袋类动物，分布在新南威尔士州西部、南澳大利亚州东部和昆士兰州的部分地区。
这种袋鼠拥有健壮的身体和浓密的尾巴，灰色或棕色的皮毛在岩石环境中能有效伪装。值得注意的是，它的爪子和尾巴基部有鲜艳的黄色斑纹，这也是该物种名称的由来。
黄脚岩袋鼠生活在悬崖、峡谷和岩石露头等崎岖的岩石地貌中，在充满挑战的地形中表现出非凡的灵活性。它们主要以草为食，辅以各种草本植物、灌木和树叶。
这种生物是昼伏夜出的，也就是说，它们在黎明和黄昏时最为活跃，白天会躲进岩石缝隙或洞穴中避暑。这种袋鼠喜欢社交，它们组成小群体或队伍，通常由一只占统治地位的雄性袋鼠带着几只雌性袋鼠和它们的后代。雌性袋鼠有一个育儿袋，可以长期哺育和携带发育不全的幼崽，即小袋鼠。
黄脚岩袋鼠被世界自然保护联盟列为近危物种，面临着栖息地丧失、与外来物种竞争和捕食等威胁。奥莱利封面上的许多动物都濒临灭绝；它们对世界都很重要。

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定价：148.00元

书号：978-7-5198-9960-8

出版社：中国电力出版社

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