機電一體化設計導論 Introduction to Mechatronic Design

本書是一本講解機電一體化理論與實踐的經典著作。全書分為五個部分32章，前四個部分主要講解機電一體化涉及的專業知識，第五部分以項目開發為例，介紹機電一體化集成解決方案和組織管理方法。第一部分為概述，主要介紹本書的結構及使用方法。第二部分介紹軟件，討論了微控制器，微控制器的數學和數字操作，編程語言，嵌入式系統的程序結構，軟件設計，處理器間通信，以及微控制器外設。第三部分講解電子學，討論了基本電路分析及無源元件，半導體，運算放大器，實際運算放大器與比較器，傳感器，信號調理，有源數字濾波器，數字輸入/輸出，數字輸出和電路驅動，數字邏輯和集成電路，A/D和D/A轉換器，穩壓器、電源和電池，以及噪聲、接地和隔離。第四部分介紹執行器，討論了永磁有刷直流電機的特性，永磁有刷直流電機的應用，螺線管，無刷直流電機，步進電機，其他執行器技術，以及基本閉環控制。第五部分講解機電一體化項目與系統工程，討論了快速原型製作，項目規劃和管理，故障排查，以及機電一體化系統集成與融合。

J. Edward Carryer於1975年畢業於伊利諾伊理工大學，獲得了BSE，他是工程教育實踐班的第一期畢業生；1992年， Carryer在斯坦福大學的引擎實驗室獲得博士學位。
在攻讀博士學位期間，他開始參與講授研究生的機電一體化課程。 1989年，他首次兼職授課，在獲博士學位後即開始全職授課。
在機電一體化課程的講授過程中，Carryer將機械、電子和軟件設計相結合，並將其應用於新產品開發，他也因此聲名鵲起。
Carryer目前擔任諮詢教授、Smart Product Design Lab (SPDL)主任，並講授機械工程系研究生和電子工程系本科生的機電一體化課程。

韓慶文，高級工程師，博士，重慶大學微電子與通信工程學院通信專業實驗室主任，長期與企業在智能車設計、智能交通領域密切合作，設計開發和工程經驗豐富，並將其應用於理論與實驗教學工作，致力於創新性設計項目開發，成效顯著。

目 錄
第一部分 概 述
第1章 全書概覽 2
1．1 寫作理念 3
1．2 內容結構 3
1．3 讀者範圍 3
1．4 本書的使用方法 4
1．5 總結 4
參考文獻 4

第二部分 軟 件
第2章 微控制器 6
2．1 引言 6
2．2 什麼是“微”設備 6
2．3 微處理器、微控制器、數字信號處理器等 6
2．4 微控制器架構 7
2．5 中央處理單元 8
2．5．1 在數字域中表示數字 9
2．5．2 算術邏輯單元 9
2．6 數據總線和地址總線 10
2．7 內存 10
2．8 子系統和外設 11
2．9 馮・諾依曼架構 12
2．10 哈佛架構 14
2．11 實例 15
2．11．1 Freescale MC9S12C32微控制器 15
2．11．2 Microchip PIC12F609微控制器 17
2．12 獲取更多信息 19
2．13 習題 19

第3章 微控制器的數學和數字操作 21
3．1 引言 21
3．2 基數和計數 21
3．3 表示負數 24
3．4 數據類型 25
3．5 常見數據類型的大小 26
3．6 固定長度變量的計算方法 26
3．7 模運算 27
3．8 數學快捷鍵 28
3．9 布爾代數 28
3．10 操作單個字節 29
3．11 測試單個位 30
3．12 習題 31

第4章 編程語言 33
4．1 引言 33
4．2 機器語言 34
4．3 彙編語言 34
4．4 高級語言 35
4．5 解釋器 35
4．6 編譯器 36
4．7 混合編譯/解釋器 37
4．8 集成開發環境(IDE) 39
4．9 選擇一種編程語言 39
4．10 習題 40
參考文獻 40

第5章 嵌入式系統的程序結構 41
5．1 背景 41
5．2 事件驅動編程 41
5．3 事件檢測器 42
5．4 服務 44
5．5 事件驅動程序的建立 45
5．6 示例 46
5．7 事件驅動編程綜述 47
5．8 狀態機 48
5．9 軟件狀態機 49
5．10 蟑螂示例的狀態機 51
5．11 習題 52
參考文獻 53

第6章 軟件設計 54
6．1 引言 54
6．2 軟件設計與房屋建造 54
6．3 軟件設計技術簡介 55
6．3．1 分解 55
6．3．2 抽象、信息隱藏 55
6．3．3 偽代碼 56
6．4 軟件設計流程 57
6．4．1 需求分析 58
6．4．2 定義程序結構 58
6．4．3 性能規範 59
6．4．4 接口規範 59
6．4．5 詳細設計 59
6．4．6 實現 59
6．4．7 單元測試 61
6．4．8 集成 61
6．5 示例 61
6．5．1 莫爾斯碼接收機的需求分析 62
6．5．2 莫爾斯碼接收機的系統架構 62
6．5．3 莫爾斯碼接收機的軟件架構 63
6．5．4 莫爾斯碼接收機的性能規範 65
6．5．5 莫爾斯碼接收機的接口規範 65
6．5．6 莫爾斯碼接收機的詳細設計 67
6．5．7 莫爾斯碼接收機的實現 76
6．5．8 莫爾斯碼接收機的單元測試 76
6．5．9 莫爾斯碼接收機的集成 77
6．6 習題 78
參考文獻 78

第7章 處理器間通信 79
7．1 引言 79
7．2 沒有媒質就沒有消息 79
7．3 位並行和位串行通信 80
7．3．1 位串行通信 81
7．3．2 位並行通信 88
7．4 信號電平 89
7．4．1 TTL/CMOS電平 89
7．4．2 RS-232 89
7．4．3 RS-485 90
7．5 帶限信道上的通信 91
7．5．1 有限的帶寬和調製解調器 91
7．6 紅外光通信 93
7．7 無線電通信 94
7．7．1 RF遙控器 95
7．7．2 RF數據鏈路 95
7．7．3 RF網絡 95
7．8 習題 95
參考文獻 96
擴展閱讀 96

第8章 微控制器外設 97
8．1 訪問控制寄存器 97
8．2 並行輸入/輸出子系統 97
8．2．1 數據方向存儲器 98
8．2．2 輸入/輸出寄存器 98
8．2．3 共享功能引腳 99
8．3 定時器子系統 99
8．3．1 定時器基礎 100
8．3．2 定時器溢出 100
8．3．3 輸出比較 101
8．3．4 輸入捕獲 102
8．3．5 基於輸入捕獲和輸出比較的發動機控制 103
8．4 脈衝寬度調製(PWM) 104
8．5 PWM使用輸出比較系統 105
8．6 模數(A/D)轉換器子系統 106
8．6．1 A/D轉換過程 106
8．6．2 A/D轉換器時鐘 107
8．6．3 自動A/D轉換處理 107
8．7 中斷 107
8．8 習題 108
參考文獻 108

第三部分 電 子 學
第9章 基本電路分析及無源元件 110
9．1 電壓、電流和功率 110
9．2 電路和地 111
9．3 相關定律 112
9．4 電阻 113
9．4．1 串聯電阻和並聯電阻 114
9．4．2 分壓器 115
9．5 戴維南等效電路 115
9．6 電容 116
9．6．1 串聯電容和並聯電容 117
9．6．2 電容和時變信號 118
9．7 電感 119
9．7．1 電感和時變信號 120
9．8 時域法和頻域法 120
9．9 包含多種元件的電路分析 121
9．9．1 基本RC電路結構 121
9．9．2 低通RC濾波器的時域特性 121
9．9．3 高通RC濾波器的時域特性 123
9．9．4 RL電路的時域特性 124
9．9．5 低通RC濾波器的頻域特性 125
9．9．6 高通RC濾波器的頻域特性 126
9．9．7 直流偏壓的高通RC濾波器 127
9．10 仿真工具 128
9．10．1 仿真工具的局限性 128
9．11 實際電壓源 128
9．12 實際測量 129
9．12．1 電壓測量 129
9．12．2 電流測量 130
9．13 實際電阻 130
9．13．1 實際電阻模型 130
9．13．2 電阻構造基礎 130
9．13．3 碳膜電阻 131
9．13．4 金屬膜電阻 132
9．13．5 電阻的功耗 132
9．13．6 電位器 133
9．13．7 電阻的選擇 134
9．14 實際電容 134
9．14．1 實際電容模型 135
9．14．2 電容構造基礎 135
9．14．3 極性和非極性電容 136
9．14．4 陶瓷圓盤電容 136
9．14．5 多層陶瓷電容(獨石電容) 136
9．14．6 鋁電解電容 136
9．14．7 鉭電容 137
9．14．8 薄膜電容 137
9．14．9 雙電層電容/超級電容 138
9．14．10 電容標識 138
9．14．11 電容的選擇 140
9．15 習題 140
擴展閱讀 142

第10章 半導體 143
10．1 摻雜、空穴和電子 143
10．2 二極管 144
10．2．1 二極管的V-I特性 144
10．2．2 Vf的大小 145
10．2．3 反向恢復 145
10．2．4 肖特基二極管 145
10．2．5 齊納二極管 146
10．2．6 發光二極管 147
10．2．7 光電二極管 147
10．3 雙極結型晶體管(BJT) 148
10．3．1 複合晶體管對(達林頓對) 151
10．3．2 光電晶體管 152
10．4 金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET) 152
10．5 如何選擇BJT和MOSFET 155
10．5．1 何時BJT是最好(唯一)的選擇 155
10．5．2 何時MOSFET是最好(唯一)的選擇 155
10．5．3 當MOSFET和BJT均可行時如何選擇 156
10．6 多晶體管電路 156
10．7 查閱晶體管數據表 157
10．7．1 查閱BJT數據表 157
10．7．2 查閱MOSFET數據表 159
10．7．3 應用實例 160
10．7．4 各種晶體管電路 161
10．8 習題 162
擴展閱讀 166

第11章 運算放大器 167
11．1 運算放大器的特徵 167
11．2 負反饋 167
11．3 理想運算放大器 168
11．4 分析運算放大器電路 168
11．4．1 黃金準則 168
11．4．2 同相運算放大器結構 168
11．4．3 反相運算放大器結構 169
11．4．4 單位增益緩衝器 171
11．4．5 差分放大器結構 172
11．4．6 求和器結構 173
11．4．7 跨阻放大器結構 174
11．4．8 運算放大器上的計算 174
11．5 比較器 175
11．5．1 比較器電路 176
11．6 習題 178
擴展閱讀 179

第12章 實際運算放大器與比較器 180
12．1 實際運算放大器的特性――理想假設的失效 180
12．1．1 非無窮大增益 180
12．1．2 開環增益隨頻率的變化 181
12．1．3 輸入電流不為零 181
12．1．4 輸出電壓源的非理想特性 182
12．1．5 其他非理想特性 183
12．2 查閱運算放大器數據表 185
12．2．1 最大值、最小值和典型值 185
12．2．2 數據表首頁 185
12．2．3 絕對最大定額 186
12．2．4 電氣特性 187
12．2．5 封裝 189
12．2．6 典型應用 189
12．3 比較器數據表的讀取 189
12．3．1 比較器封裝 190
12．4 運算放大器的對比 190
12．5 習題 192
擴展閱讀 193

第13章 傳感器 194
13．1 引言 194
13．2 傳感器輸出和微控制器輸入 194
13．3 傳感器設計 195
13．3．1 用熱敏電阻測量溫度 195
13．3．2 測量加速度 195
13．3．3 傳感器性能術語定義 196
13．4 基本傳感器與接口電路 202
13．4．1 開關傳感器 202
13．4．2 開關接口 203
13．4．3 電阻式傳感器 205
13．4．4 電阻式傳感器接口 205
13．4．5 電容式傳感器 208
13．4．6 電容式傳感器接口 208
13．5 傳感器縱覽 209
13．5．1 光敏元件 209
13．5．2 應變傳感器 215
13．5．3 溫度傳感器 218
13．5．4 磁場傳感器 222
13．5．5 接近傳感器 224
13．5．6 位置傳感器 225
13．5．7 加速度傳感器 231
13．5．8 壓力傳感器 232
13．5．9 壓強傳感器 233
13．6 習題 235
參考文獻 237
擴展閱讀 237

第14章 信號調理 238
14．1 信號調理的基本操作 238
14．2 去除偏置 238
14．2．1 放大值與偏置的相對值 239
14．2．2 交流耦合的偏置去除 240
14．3 放大 241
14．3．1 直流耦合多級放大 241
14．3．2 交流耦合多級放大 242
14．4 濾波 242
14．4．1 濾波器相關的專業術語 242
14．4．2 噪聲 243
14．4．3 無源濾波器 244
14．5 其他信號調理技術 245
14．5．1 儀表放大器 245
14．5．2 峰值檢測 246
14．6 實例分析 247
14．6．1 幅度信息提取 247
14．6．2 定時信息提取 248
14．7 習題 250
擴展閱讀 250

第15章 有源數字濾波器 251
15．1 有源濾波器 251
15．1．1 相位延遲 251
15．1．2 濾波器響應特性 252
15．1．3 有源濾波器的拓撲結構 252
15．2 數字技術 256
15．2．1 數字濾波 256
15．2．2 數字信號處理 258
15．2．3 同步採樣 259
15．3 習題 259
參考文獻 260
擴展閱讀 260

第16章 數字輸入/輸出 261
16．1 引言 261
16．2 邏輯狀態表示 261
16．3 數字器件的理想特性 261
16．4 數字器件的實際特性 262
16．5 查閱數據表 263
16．6 數字輸入 263
16．6．1 輸入電壓要求 264
16．6．2 輸入電流要求 266
16．6．3 上拉電阻和下拉電阻 266
16．6．4 數字輸入時序 268
16．7 數字輸出 270
16．7．1 數字輸出電壓和電流 270
16．7．2 數字輸出的時序特性 271
16．8 輸入、輸出匹配 272
16．8．1 匹配特性評價 272
16．8．2 懸空和不確定輸入端的上拉和下拉 273
16．8．3 不兼容器件 276
16．9 習題 279

第17章 數字輸出和電路驅動 282
17．1 圖騰柱輸出 282
17．1．1 圖騰柱輸出特性 283
17．2 集電極開路/漏極開路輸出 284
17．2．1 集電極開路/漏極開路輸出特性 285
17．3 三態輸出 286
17．3．1 三態輸出特性 286
17．4 低端驅動器 287
17．4．1 低端驅動器數據表 288
17．5 高端驅動器 288
17．5．1 高端驅動器數據表 289
17．6 半橋和全橋 289
17．6．1 擊穿電流和死區時間 290
17．6．2 H橋數據表 290
17．7 溫升問題 291
17．8 習題 293
擴展閱讀 293

第18章 數字邏輯和集成電路 294
18．1 基本組合邏輯 294
18．1．1 真值表 295
18．1．2 用組合邏輯描述微控制器子系統 295
18．2 組合邏輯功能實現 295
18．2．1 數字比較器 296
18．2．2 數字多路復用器 296
18．2．3 解碼器 297
18．3 時序邏輯 297
18．4 時序邏輯功能實現 298
18．4．1 D觸發器 298
18．4．2 J-K觸發器 298
18．4．3 計數器 298
18．4．4 移位寄存器 300
18．5 邏輯系列 300
18．6 基於邏輯器件的微控制器功能擴展 301
18．6．1 基於多路復用器的輸入功能擴展 301
18．6．2 基於解碼器的輸出功能擴展 302
18．6．3 基於移位寄存器的輸入功能擴展 302
18．6．4 基於移位寄存器的輸出功能擴展 304
18．6．5 使用SPI子系統與移位寄存器 305
18．7 555定時器 305
18．7．1 555定時器的內部結構 305
18．7．2 非穩態操作 306
18．7．3 單穩態操作 306
18．7．4 其他用途的555定時器 307
18．8 習題 307
參考文獻 308

第19章 A/D和D/A轉換器 309
19．1 數字域和模擬域的接口 309
19．2 連續信號的數字化 310
19．3 A/D和D/A轉換器的性能 311
19．3．1 理想A/D轉換器的性能 313
19．3．2 A/D轉換器的誤差 314
19．3．3 理想D/A轉換器的性能 315
19．3．4 D/A轉換器的誤差 316
19．4 D/A轉換器設計 317
19．4．1 基於脈衝寬度調製生成模擬電壓 317
19．4．2 基於求和放大器的D/A轉換器 317
19．4．3 串行D/A轉換器 319
19．4．4 R-2R階梯D/A轉換器 320
19．5 A/D轉換器設計 321
19．5．1 單斜率A/D轉換器和雙斜率A/D轉換器 322
19．5．2 並行比較A/D轉換器 323
19．5．3 串並行比較A/D轉換器 324
19．5．4 逐次逼近寄存器A/D轉換器 325
19．5．5 Σ-Δ A/D轉換器 326
19．6 習題 327
擴展閱讀 328

第20章 穩壓器、電源和電池 329
20．1 引言 329
20．2 功率需求與電源 329
20．3 穩壓器 329
20．3．1 穩壓器的相關指標與定義 330
20．3．2 線性穩壓器 332
20．3．3 開關穩壓器 338
20．4 電源 343
20．4．1 線性電源 343
20．4．2 開關電源 345
20．5 電池和電化學單電池 347
20．5．1 電池性能和特性 349
20．5．2 原電池 351
20．5．3 二次電池 352
20．5．4 電池的安全和環境問題 356
20．6 習題 357
擴展閱讀 358

第21章 噪聲、接地和隔離 359
21．1 噪聲耦合通道 359
21．2 傳導耦合噪聲 360
21．2．1 傳導耦合通道原型 360
21．2．2 減少傳導耦合噪聲 360
21．2．3 減少噪聲源的影響：去耦 361
21．2．4 減少傳導噪聲的耦合 362
21．2．5 減少接收端的傳導噪聲：電源濾波 362
21．2．6 減少傳導噪聲的有效方法 362
21．3 電容耦合噪聲 363
21．3．1 電容耦合通道原型 363
21．3．2 減少電容耦合噪聲 364
21．3．3 噪聲源電容耦合噪聲的消減 365
21．3．4 減少電容耦合噪聲的耦合 365
21．3．5 屏蔽 366
21．3．6 減少接收端的電容耦合噪聲 367
21．3．7 減少電容耦合噪聲的有效方法 367
21．4 電感耦合噪聲 368
21．4．1 電感耦合通道原型 368
21．4．2 噪聲源電感耦合噪聲的消減 368
21．4．3 減少電感耦合噪聲的耦合 369
21．4．4 減少接收端的電感耦合噪聲 369
21．4．5 減少電感耦合噪聲的有效方法 369
21．5 隔離 369
21．5．1 光隔離 369
21．5．2 電容隔離 371
21．5．3 電感隔離 371
21．5．4 隔離技術對比 371
21．6 習題 371
擴展閱讀 373

第四部分 執 行 器
第22章 永磁有刷直流電機的特性 376
22．1 引言 376
22．2 次分馬力永磁有刷直流電機 376
22．3 電氣模型 379
22．4 反電動勢與發電機效應 379
22．5 永磁有刷直流電機的特性參數 379
22．6 恆定電壓特性方程 380
22．7 功率特性 383
22．8 直流電機效率 385
22．9 減速器 388
22．10 習題 389
參考文獻 390
擴展閱讀 390

第23章 永磁有刷直流電機的應用 391
23．1 引言 391
23．2 電感反沖 391
23．2．1 電感反沖小結 396
23．3 電機的雙向控制 396
23．3．1 商用H橋集成電路 398
23．3．2 用於大電流的H橋 400
23．4 基於脈衝寬度調製的轉速控制 400
23．5 習題 404
參考文獻 405
擴展閱讀 405

第24章 螺線管 406
24．1 引言 406
24．2 螺線管的結構 406
24．3 螺線管的性能 407
24．4 螺線管的驅動 409
24．5 機械響應時間 410
24．6 螺線管的應用 410
24．7 習題 411
擴展閱讀 414

第25章 無刷直流電機 415
25．1 引言 415
25．2 無刷直流電機的結構 415
25．3 無刷直流電機的運行 416
25．3．1 傳感換向器 417
25．3．2 無傳感換向器 417
25．4 BLDC 電機驅動 418
25．5 無刷直流電機的換向 419
25．6 BLDC電機驅動集成電路 421
25．7 有刷直流電機和無刷直流電機的對比 422
25．8 習題 422
擴展閱讀 423

第26章 步進電機 424
26．1 引言 424
26．2 步進電機的結構 424
26．3 可變反應式步進電機 426
26．4 混合式步進電機 427
26．5 不同類型步進電機的對比 427
26．6 步進電機的內部接線 428
26．7 步進電機的驅動 429
26．8 步進電機的步進順序 430
26．9 步進電機驅動順序的產生 433
26．10 步進電機的動態特性 434
26．11 步進電機性能定義 436
26．12 基於驅動部件的步進電機性能優化 437
26．13 減速 439
26．14 習題 440
擴展閱讀 441

第27章 其他執行器技術 442
27．1 引言 442
27．2 氣動液壓系統 442
27．2．1 電磁閥 443
27．2．2 伺服閥 445
27．2．3 氣動和液壓執行器 446
27．3 RC伺服系統 449
27．4 壓電執行器 451
27．4．1 壓電執行器的類型 452
27．5 形狀記憶合金執行器 455
27．6 總結 458
27．7 習題 459
擴展閱讀 459

第28章 基本閉環控制 460
28．1 引言 460
28．2 相關術語 460
28．3 開環控制 461
28．4 開/關閉環控制 462
28．5 線性閉環控制 462
28．5．1 開始設計 463
28．5．2 智能化 464
28．5．3 干擾抑制 466
28．5．4 引入微分控制進一步提高性能 468
28．5．5 增益選擇 469
28．6 系統類型與積分控制的必要性 471
28．7 控制環路率的選擇 472
28．8 ad-hoc法 473
28．9 習題 475
參考文獻 477
擴展閱讀 477

第五部分 機電一體化項目與系統工程
第29章 快速原型製作 480
29．1 引言 480
29．2 為什麼要製作原型樣機 480
29．3 原型製作理念：搭建或者仿真 481
29．4 機械系統的快速原型製作 482
29．4．1 實體建模工具 482
29．4．2 系統動力學建模 482
29．4．3 泡沫塑料板、美工刀、熱熔膠 483
29．4．4 二維快速成型激光切割機/激光刀模機 485
29．4．5 廉價的二維快速成型 486
29．4．6 凸舌/凹槽結構 486
29．4．7 玩具行業 486
29．4．8 三維快速成型(SLA、SLS、FDM)和軟模鑄件 487
29．5 電氣系統的快速原型製作 489
29．5．1 原理圖和電路仿真工具 490
29．5．2 電路原型製作：麵包板、繞線和性能板 491
29．5．3 PCB原型 493
29．5．4 焊接 494
29．6 供應商和資源選擇 496
29．7 習題 497
參考文獻 497

第30章 項目規劃和管理 498
30．1 引言 498
30．2 日益複雜的系統需要過程管理 498
30．3 項目規劃與實施 499
30．3．1 系統需求 500
30．3．2 設計備選方案遴選 501
30．3．3 設計概念評價：原型和迭代 504
30．3．4 規範 504
30．4 管理工具 505
30．4．1 項目管理 505
30．4．2 系統工程 507
30．4．3 協同設計 507
30．5 溝通與文檔化 508
30．6 問題與建議 509
30．7 習題 510
參考文獻 511
擴展閱讀 511

第31章 故障排查 512
31．1 引言 512
31．2 追根溯源找漏洞 512
31．3 預防為主，事半功倍 514
31．4 如何對待故障排查 519
31．5 總結 520
31．6 習題 520

第32章 機電一體化系統集成與融合 521
32．1 引言 521
32．2 項目描述 521
32．3 系統需求分析 522
32．4 設計方案及備選方案 523
32．4．1 零號團隊的基本設計構想 523
32．4．2 Ruff團隊的基本設計構想 526
32．4．3 備選方案的審查 528
32．5 形態圖 529
32．6 設計概念評價：原型與優化 530
32．7 項目實施階段 532
32．7．1 Ruff團隊的驅動電機選擇 532
32．7．2 零號團隊的球釋放電機選擇 533
32．7．3 零號團隊的信標傳感器電路演進 533
32．7．4 零號團隊的支撐剛度問題 534
32．7．5 零號團隊的羅盤傳感器故障 535
32．8 設計成品 535
32．8．1Ruff團隊的設計成品 535
32．8．2 零號團隊的設計成品 536
32．9 性能結果 537
32．10 學生的智慧結晶 537

致謝 538
附錄A 電阻色碼和標稱值 539
附錄B 示例C代碼 540
附錄C 第32章項目描述 551