硬件工程师要求

电子硬件工程师要求掌握的东西

第一部分：硬件知识

一、数字信号

1、 TTL和带缓冲的TTL信号

TTL和带缓冲的TTL信号

输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0. 2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4 V。

2，CMOS电平：

1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。而且具有很宽的噪声容限。

3，电平转换电路：

因为TTL和COMS的高低电平的值不一样（ttl 5v<＝＝>cmos 3.3v），所以互相连接时需要电平的转换：就是用两个电阻对电平分压，没有什么高深的东西。哈哈

4，OC门，即集电极开路门电路，OD门，即漏极开路门电路，必须外界上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载，所以又叫做驱动门电路。

5，TTL和COMS电路比较：

1）TTL电路是电流控制器件，而coms电路是电压控制器件。

2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片集越热，这是正常现象。

3）COMS电路的锁定效应：

COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。

防御措施：1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定电压。

2）芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。

3）在VDD和外电源之间加线流电阻，即使有大的电流也不让它进去。

4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启COMS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭COM S电路的电源。

6，COMS电路的使用注意事项

1）COMS电路时电压控制器件，它的输入总抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强。所以，不用的管脚不要悬空，要接上拉电阻或者下拉电阻，给它一个恒定的电平。

2）输入端接低内组的信号源时，要在输入端和信号源之间要串联限流电阻，使输入的电流限制在1mA之内。

3）当接长信号传输线时，在COMS电路端接匹配电阻。

4）当输入端接大电容时，应该在输入端和电容间接保护电阻。电阻值为R=V0/1mA.V0是外界电容上的电压。

5）COMS的输入电流超过1mA，就有可能烧坏COMS。

7，TTL门电路中输入端负载特性（输入端带电阻特殊情况的处理）：

1）悬空时相当于输入端接高电平。因为这时可以看作是输入端接一个无穷大的电阻。

2）在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平，输入端出呈现的是高电平而不是低电平。因为由TTL门电路的输入端负载特性可知，只有在输入端接的串联电阻小于910欧时，它输入来的低电平信号才能被门电路识别出来，串联电阻再大的话输入端就一直呈现高电平。这个一定要注意。COMS门电路就不用考虑这些了。

8，TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。OC门在截止时有漏电流输出，那就是漏电流，为什么有漏电流呢？那是因为当三机管截止的时候，它的基极电流约等于0，但是并不是真正的为0，经过三极管的集电极的电流也就不是真正的0，而是约0。而这个就是漏电流。开漏输出：OC门的输出就是开漏输出；OD门的输出也是开漏输出。它可以吸收很大的电流，但是不能向外输出的电流。所以，为了能输入和输出电流，它使用的时候要跟电源和上拉电阻一齐用。OD 门一般作为输出缓冲/驱动器、电平转换器以及满足吸收大负载电流的需要。

2、 RS232和RS485/RS422（平衡信号）

什么是RS232接口，什么是RS485接口。

RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。DB25的串口一般只用到的管脚只有2（RXD）、3（TXD）、7（GND）这三个，随着设备的不断改进，现在DB25针很少看到了，

代替他的是DB9的接口，DB9所用到的管脚比DB25有所变化，是2（RXD）、3（TXD）、5（GND）这三个。因此现在都把RS232接口叫做DB9。

元器件常识：市场上把公头的接插件叫做DRXX，母头的叫DBXX，比如我们电脑上的串口，在市场上叫做DR9，不是DB9，很多人都误叫做DB9，实际上的DB9是两个把两个DR9互相连接在一起的接口。

在文章中，我把所有的串口设备接口都统一叫做RS232接口。

三、什么是RS485接口

由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：

（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；因此在“南方的老树51CPLD开发板”中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。

（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。

针对RS232接口的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具有以下特点：

1. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。

2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。

3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。

4. RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线（我们一般叫AB线），所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。由于RS-232-C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：??

（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。??

（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。??

（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。??

（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。??

针对RS-232-C的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具有以下特点：??

1. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2—6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2—6）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。??

2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps??

3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。??

4. RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。??

因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。

3. 采用RS485接口时，传输电缆的长度如何考虑？??

在使用RS485接口时，对于特定的传输线经，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。下图所示的最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用24AWG铜芯双绞电话电缆（线径为0.51mm），线间旁路电容为52.5PF/M，终端负载电阻为100欧时所得出。（曲线引自GB11014-89附录A）。由图中可知，当数据信号速率降低到90Kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200M。实际上，图中的曲线是很保守的，在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。当使用不同线径的电缆。则取得的最大电缆长度是不相同的。例如：当数据信号速率为600Kbit/S时，采用24AWG电缆，由图可知最大电缆长度是200m，若采用19AWG电缆（线径为0。91mm）则电缆长度将可以大于200m；若采用28AWG 电缆（线径为0。32mm）则电缆长度只能小于200m。

RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

以往，PC与智能设备通讯多借助RS232、RS485、以太网等方式，主要取决于设备的接口规范。但RS232、RS485只能代表通讯的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通讯应用程序，但这种程序多数都不能符合

ISO/OSI的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。在RS232或RS485设备联成的设备网中，如果设备数量超过2台，就必须使用RS485做通讯介质，RS485网的设备间要想互通信息只有通过“主（Master）”设备中转才能实现，这个主设备通常是PC，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全部是从（Slave）设备。而现场总线技术是以ISO/OSI模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题

RS232/RS485转换电路

由于有的设备是232接口的，有的是485接口的，如果有一台232接口的设备与一台485接口的设备通信，那就需要一个转换器，把232接口的设备的232信号转换成485信号，然后再与485接口的设备通信，这个转换器就是RS232/RS485转换电路。如果是两台232接口的设备要进行远距离的通信，那只要加上两个RS232/RS485转换电路就可以了。

以上的RS232/RS485转换电路上采用从计算机串口偷电技术，市场上称之为“无源RS232/RS485转换电路”，而“有源

RS232/RS485转换电路”，电路原理图与上图差不多，只是电源部分改点而已，有兴趣的朋友可以到网上搜索下这方面的资料，很多的。

面对市场，我们提供“无源RS232/RS485转换电路”、“有源RS232/RS485转换电路”，对于工程应用上，我们还有导轨式的安装方式，工程上安装、维护都比较方便。有做工程的朋友如果有需要，可以跟我或者我们公司销售部联系。

五、485工作站

由于232是点对点的通信，不能实现多机之间互相通信，而485就可以实现多机通信，因此，越来越被多数工程师所采用。485工作站示意图如图

现在市场上有很多设备都同时带有232接口与485接口，比如华为的光端机。很多设备都说带485接口，其实就是把

S232/RS485转换电路集成到设备上。

示意图中，也可以把PC机当成一个终端设备。在整个工作站中，只要终端设备具有共同收与发的协议，中间的区别只是设备地址不同的话，那任意一个终端设备都可以对其他终端设备进行操作。

这个跟我们电脑网络中的局域网很像吧，时不时的到“网上邻居”玩玩也是挺好玩的。

六、工程应用案例一：高速公路监控系统

在高速公路收费站，一般在它附近两公里内，必然要安装一些必要的监控设备，以便及时掌握路况信息，并对突发事件进行处理。

监控设备到监控中心，通信线路很多采用多种方式，有光纤传输，232接口加猫，485工作站方式等等。这里主要对工作站方式做个说明。

第一，监控中心有PC机，PC机主要是对底下终端设备操作，有下发指令与读取数据的功能。

第二，终端设备一般有线圈式车辆检测器，微波车检器，广场云台摄像机，气象仪，可变情报板，可变限速标志，外场监视摄像机，等等。

第三，PC机通过不同的协议就可以跟这些终端设备进行通信。

实际上，在工程上很多都是采用光端机传送的，加入光端机的方法也是非常简单的，只要串在AB线两端即可.

RS422接口的特点（下文翻译自《DATA COMMUNICATIONS AND NETWORKING》）

RS422是一条平衡型的电路方式，这意味着它为每个信号定义了两条线用于传播。多个信号又使用“接地”作为信号的返回。RS422的传输速率与距离之比远远高于非平衡的标准-RS232。在距离40英尺内，传输速率可以达到10Mbps；距离为4000英尺时，传输速率为1Kbps。

在平衡型的传输模式中，两条线承载同样的传输，但是它们承载的并不是完全相同的信号。一条线上的信号是另一条线信号的反相（某个时间点上，假设另一条线信号是1，那么这个线的信号是0），反相信号看上去就像源信号在镜子中的映像。接收端并不侦听任何一个实际的信号，而是检测两个信号的差别。这种机制使平衡型电路传输不容易受到噪音的干扰，比起非平衡型电路来说，大大提升了传输的性能。

当反相信号抵达接收端时，它们被投入到一个减法（一种电路调制方式）。因为两个信号互为反相，两者相减的结果就是第一个信号值的两倍。比如，在某个特定时间点，第一个信号为+5V，那么第二个信号就是-5V，两者相减5-（-5）＝10。

如果噪音加入到传输过程中，那么噪音将以同样的方式影响两个信号。比如，在某个特定时间点，第一个信号为+5V，那么第二个信号就是-5V，该噪音为+1V，则第一个信号受干扰后为+6V，第二个信号受干扰后为-4V。如果噪音为-1V，则第一个信号受干扰后为+4V，第二个信号受干扰后为-6V。这时候接收端取两个信号的差值，大家可以看到，不论噪音是正还是负，不论噪音有多大，在相减的过程中都被抵消了，出来的差值就是10V。经过再调整10V变成5V，接收端可以收到和发送端一模一样的信号。这是这种抵消的能力，使得平衡型传输获得超级的传输速率。

RS422接口使得连接的电缆至少采用4芯屏蔽双绞线。4芯用于2个全双工信号，屏蔽层用于信号接地。

RS422唯一区别于RS485的就是：RS485是半双工的传输方式（同一时间只能发送或只能接收），RS422

是全双工的传输方式（同一时间既可以发送，又可以接收）。两种接口都是接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，在抗干扰和传输距离上一样。

3、干接点信号

干接点的定义：

无源开关；具有闭合和断开的2种状态；2个接点之间没有极性，可以互换；

常见的干接点信号有：

各种开关如：限位开关、行程开关、脚踏开关、旋转开关、温度开关、液位开关等；

各种按键；

各种传感器的输出，如：环境动力监控中的传感器：水浸传感器、火灾报警传感器、玻璃破碎、振动、烟雾和凝结传感器；

继电器、干簧管的输出；

有干接点就有湿接点。

湿接点的定义是：

有源开关；具有有电和无电的2种状态；2个接点之间有极性，不能反接；

常见的湿接点信号有：

1、????如果把以上的干接点信号，接上电源，再跟电源的另外一极，作为输出，就是湿接点信号；工业控制上，常用的湿接点的电压范围是DC0～30V，比较标准的是DC24V；AC110～220V的输出也可以是湿接点，尽管这样做比较少；

2、????把TTL电平输出作为湿接点，也未尝不可；一般情况下，TTL电平需要带缓冲输出的，例如：7407、245、244等，与VCC等构成回路；244、245也可以跟gnd构成回路；才能驱动远方的光耦。

3、????NPN三极管的集电极输出和VCC；

4、????达林顿管的集电极输出和VCC；

5、????红外反射传感器和对射传感器的输出；

在工业控制领域中，采用干接点要远远多于湿接点，这是因为干接点没有极性带来的优点：

1、????随便接入，降低工程成本和工程人员要求，提高工程速度

2、????处理干接点开关量数量多

3、????连接干接点的导线即使长期短路既不会损坏本地的控制设备，也不会损坏远方的设备

4、????接入容易，接口容易统一

二、模拟信号视频

1、非平衡信号/ 平衡信号

声波转变成电信号后，如果直接传送就是非平衡信号，如果把信号反相（中间差一个Pi），然后同时传送反相的信号和原始信号，就叫做平衡信号，平衡信号送入差动放大器，原信号和反相位信号相减，得到加强的原始信号，由于在传送中，两条线路受到的干扰差不多，在相减的过程中，减掉了一样的干扰信号，因此更加抗干扰。这种在平衡式信号线中抑制两极导线中所共同有的噪声的现象便称为共模抑制。所以平衡线路只需要在输入输出信号增加一个差动放大器就可以实现。

三、芯片

1、封装

2、 7407（）

3、 7404（非门）

4、 7400（与非门）

5、 74LS573（8D透明锁存器）

6、 ULN2003(7路反向器)

7、54/74LS244(三态输出的八组缓冲器和总线驱动器)

8、 54/74LS240(三态输出的八组反相缓冲器和总线驱动器)

9、 74LS245(三态输出的八组双向总线发送器/接收器)

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MOXA C168P的接口板

1) 电源：DC5V

2) 接口：PCL725/MOXA 8个RS232

1. PCL725，直立DB37，孔

2. MOXA C168P，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/can bus/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/can bus/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atmel ARM91系列开发的1个室外使的产品，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些知识，是所有产品都具备的要素。所以要学，再具体应用。