本書根據(jù)自動化專業(yè)“工程教育專業(yè)認證”“新工科建設”等需求編寫而成，旨在培養(yǎng)學生在面向特定需求情況下嵌入式控制系統(tǒng)的設計能力，并通過多個工程應用案例講解，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。全書分為3個部分，共12章。其中，第1部分由第1～3章組成，主要講解嵌入式控制系統(tǒng)基礎、嵌入式控制系統(tǒng)典型開發(fā)流程、STM32處理器及最小系統(tǒng)設計。第2部分由第4～8章組成，主要面向建筑智能化應用場景，詳細闡述了標準開發(fā)流程下典型裝置和平臺的設計過程。第3部分由第9～12章組成，主要面向工業(yè)智能化應用場景下鋁電解智能監(jiān)控系統(tǒng)的典型裝置和平臺的設計開發(fā)流程。
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目錄
第1章 嵌入式控制系統(tǒng)基礎 1
1.1 嵌入式控制系統(tǒng)概述 1
1.1.1 嵌入式控制系統(tǒng)的定義 1
1.1.2 嵌入式控制系統(tǒng)的特點 1
1.1.3 嵌入式控制系統(tǒng)的分類 3
1.1.4 嵌入式控制系統(tǒng)的應用 4
1.2 嵌入式控制系統(tǒng)的基本組成 5
1.2.1 嵌入式控制系統(tǒng)硬件結構 5
1.2.2 嵌入式控制系統(tǒng)軟件結構 7
1.3 嵌入式處理器概述 8
1.3.1 嵌入式處理器體系架構 8
1.3.2 嵌入式處理器的分類 10
1.4 ARM處理器概述 11
1.4.1 ARM內核與產(chǎn)品系列 11
1.4.2 ARM內核體系架構 13
1.4.3 Cortex內核系列 15
1.5 STM32開發(fā)工具及平臺搭建 16
1.5.1 開發(fā)工具介紹 16
1.5.2 Keil的版本與安裝 17
1.5.3 硬件仿真器的驅動安裝 20
1.5.4 驅動程序的配置 21
1.5.5 STM32CubeMX軟件簡介 23
本章小結 28
思考題 28
第2章 嵌入式控制系統(tǒng)典型開發(fā)流程 29
2.1 需求分析 29
2.2 系統(tǒng)總體設計 30
2.2.1 設計方案描述 30
2.2.2 工作總框圖繪制 30
2.2.3 總體結構設計 32
2.2.4 設計工作籌備 33
2.3 系統(tǒng)硬件設計 33
2.3.1 處理器選型 33
2.3.2 元器件選擇 35
2.3.3 系統(tǒng)硬件電路設計 35
2.3.4 系統(tǒng)硬件電路的計算機輔助設計 36
2.3.5 系統(tǒng)硬件電路調試 37
2.3.6 系統(tǒng)硬件可靠性設計 38
2.4 系統(tǒng)軟件設計 39
2.4.1 軟件方案設計 39
2.4.2 驅動程序設計 40
2.4.3 軟件抽象層設計 42
2.4.4 軟件應用層設計 42
2.4.5 軟件可靠性設計 43
2.5 系統(tǒng)電磁兼容性設計 44
2.5.1 電磁干擾及其危害 44
2.5.2 電磁兼容性基本概念 45
2.5.3 電磁兼容性設計 46
2.6 系統(tǒng)仿真與聯(lián)合調試 48
2.6.1 軟件調試 48
2.6.2 系統(tǒng)仿真 49
2.6.3 軟硬件聯(lián)合調試 49
2.7 系統(tǒng)測試與可靠性評估 50
2.7.1 系統(tǒng)硬件測試 50
2.7.2 系統(tǒng)軟件測試 51
2.7.3 系統(tǒng)軟硬件集成測試 53
2.7.4 系統(tǒng)可靠性評估 54
本章小結 55
思考題 56
第3章 STM32處理器及最小系統(tǒng)設計 57
3.1 STM32芯片結構 57
3.1.1 Cortex-M3/M4內核 57
3.1.2 STM32系統(tǒng)結構 58
3.1.3 STM32存儲器映射 59
3.1.4 STM32時鐘系統(tǒng) 60
3.2 STM32典型外設接口 61
3.2.1 通用型輸入輸出接口 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/異步接收/發(fā)送器 65
3.2.5 可變靜態(tài)存儲器控制器 66
3.3 STM32典型硬件電路設計 68
3.3.1 STM32最小系統(tǒng)設計 68
3.3.2 STM32典型外設接口電路設計 70
本章小結 79
思考題 80
第4章 建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)工程實例設計 81
4.1 系統(tǒng)功能說明 81
4.2 系統(tǒng)總體設計 81
4.2.1 系統(tǒng)總體方案設計 81
4.2.2 相關模塊選型 81
4.3 硬件設計 84
4.3.1 系統(tǒng)硬件框架 84
4.3.2 電能計量采集通道設計 84
4.3.3 電能計量主電路設計 85
4.3.4 電力線載波通信模塊電路接口設計 87
4.3.5 Flash存儲電路設計 88
4.4 軟件設計 89
4.4.1 軟件整體框架 89
4.4.2 電能計量任務設計 89
4.4.3 通信模塊軟件設計 90
4.4.4 中斷任務 92
4.4.5 報文處理任務 93
4.4.6 電能計量裝置校準 93
本章小結 95
思考題 95
第5章 室內環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)工程實例設計 96
5.1 系統(tǒng)功能說明 96
5.2 系統(tǒng)總體設計 96
5.2.1 應用系統(tǒng)的結構設計 96
5.2.2 相關模塊選型 96
5.3 硬件設計 104
5.3.1 系統(tǒng)硬件框架 104
5.3.2 微處理器模塊設計 104
5.3.3 電源模塊設計 105
5.3.4 溫濕度采集模塊設計 107
5.3.5 PM2.5采集模塊設計 107
5.3.6 CO2采集模塊設計 108
5.3.7 甲醛采集模塊設計 108
5.3.8 TVOC采集模塊設計 109
5.3.9 屏幕顯示模塊設計 109
5.3.10 載波通信模塊設計 110
5.3.11 存儲模塊設計 110
5.4 軟件設計 111
5.4.1 軟件設計結構 111
5.4.2 系統(tǒng)主程序軟件設計 111
5.4.3 檢測模塊驅動軟件設計 111
5.4.4 通信模塊驅動軟件設計 116
5.4.5 屏幕顯示模塊驅動軟件設計 117
5.5 系統(tǒng)集成與調試 119
本章小結 120
思考題 120
第6章 室內窗戶狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)工程實例設計 121
6.1 系統(tǒng)功能說明 121
6.2 系統(tǒng)總體設計 121
6.2.1 應用系統(tǒng)結構設計 121
6.2.2 相關模塊選型 122
6.3 硬件設計 125
6.3.1 系統(tǒng)硬件框架 125
6.3.2 微處理器模塊設計 125
6.3.3 超聲波測距模塊設計 126
6.3.4 LoRa無線通信模塊設計 127
6.4 軟件設計 128
6.4.1 軟件結構設計 128
6.4.2 系統(tǒng)主程序軟件設計 128
6.4.3 超聲波測距模塊驅動軟件設計 128
6.4.4 LoRa通信模塊驅動軟件設計 130
6.5 系統(tǒng)集成與調試 132
6.5.1 系統(tǒng)測量窗戶開啟寬度功能測試 132
6.5.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸功能測試 132
本章小結 133
思考題 133
第7章 建筑智能網(wǎng)關工程實例設計 134
7.1 概述 134
7.2 系統(tǒng)功能說明 135
7.2.1 需求分析 135
7.2.2 功能設計 136
7.3 系統(tǒng)總體設計 139
7.3.1 嵌入式處理器選型 139
7.3.2 嵌入式外圍設備選型 140
7.3.3 嵌入式軟件設計架構 141
7.4 系統(tǒng)軟硬件詳細設計 142
7.4.1 硬件詳細設計 142
7.4.2 軟件詳細設計 155
7.5 系統(tǒng)集成與調試 164
本章小結 165
思考題 165
第8章 基于Java的建筑智能化上位機工程實例設計 166
8.1 系統(tǒng)功能說明 166
8.2 系統(tǒng)總體設計 166
8.3 服務器端軟件設計介紹 167
8.3.1 Java編程語言 167
8.3.2 IDEA編程工具 169
8.3.3 SpringBoot架構 169
8.3.4 SpringMVC架構 174
8.4 服務器端與智能網(wǎng)關通信設計 175
8.4.1 服務器端與智能網(wǎng)關的通信協(xié)議 175
8.4.2 376.1協(xié)議 176
8.4.3 Netty架構 181
8.5 數(shù)據(jù)庫存儲設計 186
8.5.1 MySQL數(shù)據(jù)庫簡介 186
8.5.2 MyBatis架構 186
8.6 基于Vue的前端設計 188
8.6.1 搭建開發(fā)環(huán)境 188
8.6.2 搭建Vue工程 189
8.6.3 官方周邊庫 189
8.6.4 Element UI組件庫 191
8.6.5 數(shù)據(jù)可視化的實現(xiàn) 191
8.6.6 前端與后端的數(shù)據(jù)交換格式 194
8.6.7 前端與后端的通信設計 195
8.7 基于Java的工程實例設計 197
8.7.1 服務器端與智能網(wǎng)關的通信實現(xiàn) 197
8.7.2 服務器端的數(shù)據(jù)幀判斷 197
8.7.3 服務器端的數(shù)據(jù)處理 198
8.7.4 服務器端與客戶端的通信實現(xiàn) 200
8.7.5 前后端跨域處理 201
8.7.6 客戶端的人機界面設計 201
本章小結 204
思考題 204
第9章 鋁電解陽極電流測量裝置工程實例設計 205
9.1 鋁電解生產(chǎn)工藝概述 205
9.2 陽極電流檢測原理與測量儀技術指標 206
9.3 系統(tǒng)總體設計 207
9.4 系統(tǒng)硬件設計 208
9.4.1 MCU模塊設計 209
9.4.2 自校準電路設計 209
9.4.3 放大電路設計 211
9.4.4 濾波電路設計 211
9.4.5 A/D采樣電路 214
9.4.6 溫度采集模塊的設計 215
9.4.7 電源模塊的設計 216
9.4.8 RS485通信電路設計 216
9.4.9 數(shù)據(jù)存儲模塊設計 217
9.5 系統(tǒng)軟件設計 218
9.5.1 軟件總體框架 218
9.5.2 主程序設計 219
9.5.3 陽極溫度采集軟件設計 219
9.5.4 等距壓降采集軟件設計 220
9.5.5 數(shù)據(jù)存儲軟件設計 221
9.5.6 通信模塊軟件設計 221
9.6 測量裝置系統(tǒng)測試 224
本章小結 225
思考題 226
第10章 基于溫差發(fā)電的鋁電解槽溫度監(jiān)測裝置工程實例設計 227
10.1 需求分析 227
10.2 系統(tǒng)總體設計 227
10.2.1 總體方案設計 227
10.2.2 溫度采集方案設計 228
10.2.3 無線通信方案設計 229
10.2.4 無線供電方案設計 230
10.3 系統(tǒng)硬件設計 231
10.3.1 溫差發(fā)電裝置設計 231
10.3.2 電源電路設計 232
10.3.3 MCU模塊電路設計 233
10.3.4 溫度采集電路設計 235
10.4 系統(tǒng)軟件設計 235
10.4.1 軟件總體框架 235
10.4.2 溫差發(fā)電軟件設計 236
10.4.3 溫度采集軟件設計 237
10.4.4 無線傳輸軟件設計 238
10.5 系統(tǒng)性能測試 240
10.5.1 測試平臺搭建 240
10.5.2 溫差發(fā)電性能測試 241
10.5.3 溫度采集性能測試 244
本章小結 245
思考題 245
第11章 鋁電解邊緣計算智能網(wǎng)關工程實例設計 246
11.1 概述 246
11.2 系統(tǒng)需求分析及功能設計 247
11.2.1 需求分析 247
11.2.2 功能設計 248
11.3 系統(tǒng)總體設計 251
11.3.1 嵌入式處理器選型 252
11.3.2 嵌入式外圍設備選型 252
11.3.3 嵌入式軟件設計結構 253
11.4 系統(tǒng)軟硬件詳細設計 254
11.4.1 硬件詳細設計 254
11.4.2 軟件詳細設計 262
11.5 系統(tǒng)集成與調試 276
本章小結 278
思考題 278
第12章 基于LabVIEW的鋁電解槽監(jiān)測上位機工程實例設計 279
12.1 系統(tǒng)功能說明 279
12.2 系統(tǒng)總體設計 279
12.3 LabVIEW介紹 280
12.3.1 LabVIEW數(shù)據(jù)類型 281
12.3.2 LabVIEW常用函數(shù) 285
12.4 數(shù)據(jù)庫存儲設計 289
12.4.1 MySQL數(shù)據(jù)庫協(xié)議 289
12.4.2 ODBC數(shù)據(jù)源介紹 289
12.4.3 LabVIEW訪問MySQL數(shù)據(jù)庫 290
12.5 LabVIEW客戶端設計 291
12.5.1 人機界面設計要點 291
12.5.2 顏色的使用 292
12.5.3 LabVIEW控件 293
12.5.4 插入圖片和裝飾 293
12.5.5 界面分隔和自定義窗口大小 294
12.5.6 程序中字體的使用 296
12.5.7 客戶端與服務端的數(shù)據(jù)通信格式 297
12.5.8 客戶端與服務端的通信設計 298
12.6 基于LabVIEW的工程實例設計 299
12.6.1 服務器端與智能網(wǎng)關的連接實現(xiàn) 299
12.6.2 服務端的數(shù)據(jù)幀判斷 301
12.6.3 服務端的數(shù)據(jù)處理 301
12.6.4 數(shù)據(jù)庫操作 302
12.6.5 服務端對客戶端顯示數(shù)據(jù)的組幀 302
12.6.6 服務端與客戶端的連接 305
12.6.7 客戶端人機界面設計 307
本章小結 309
思考題 309
參考文獻 310
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