本书是一本讲解机电一体化理论与实践的经典著作。全书分为五个部分32章，前四个部分主要讲解机电一体化涉及的专业知识，第五部分以项目开发为例，介绍机电一体化集成解决方案和组织管理方法。第一部分为概述，主要介绍本书的结构及使用方法。第二部分介绍软件，讨论了微控制器，微控制器的数学和数字操作，编程语言，嵌入式系统的程序结构，软件设计，处理器间通信，以及微控制器外设。第三部分讲解电子学，讨论了基本电路分析及无源元件，半导体，运算放大器，实际运算放大器与比较器，传感器，信号调理，有源数字滤波器，数字输入/输出，数字输出和电路驱动，数字逻辑和集成电路，A/D和D/A转换器，稳压器、电源和电池，以及噪声、接地和隔离。第四部分介绍执行器，讨论了永磁有刷直流电机的特性，永磁有刷直流电机的应用，螺线管，无刷直流电机，步进电机，其他执行器技术，以及基本闭环控制。第五部分讲解机电一体化项目与系统工程，讨论了快速原型制作，项目规划和管理，故障排查，以及机电一体化系统集成与融合。

J. Edward Carryer于1975年毕业于伊利诺伊理工大学，获得了BSE，他是工程教育实践班的第一期毕业生；1992年， Carryer在斯坦福大学的引擎实验室获得博士学位。在攻读博士学位期间，他开始参与讲授研究生的机电一体化课程。1989年，他首次兼职授课，在获博士学位后即开始全职授课。在机电一体化课程的讲授过程中，Carryer将机械、电子和软件设计相结合，并将其应用于新产品开发，他也因此声名鹊起。Carryer目前担任咨询教授、Smart Product Design Lab (SPDL)主任，并讲授机械工程系研究生和电子工程系本科生的机电一体化课程。
韩庆文，高级工程师，博士，重庆大学微电子与通信工程学院通信专业实验室主任，长期与企业在智能车设计、智能交通领域密切合作，设计开发和工程经验丰富，并将其应用于理论与实验教学工作，致力于创新性设计项目开发，成效显著。

目 录
第一部分 概 述
第1章 全书概览 2
1.1 写作理念 3
1.2 内容结构 3
1.3 读者范围 3
1.4 本书的使用方法 4
1.5 总结 4
参考文献 4
第二部分 软 件
第2章 微控制器 6
2.1 引言 6
2.2 什么是“微”设备 6
2.3 微处理器、微控制器、数字信号处理器等 6
2.4 微控制器架构 7
2.5 中央处理单元 8
2.5.1 在数字域中表示数字 9
2.5.2 算术逻辑单元 9
2.6 数据总线和地址总线 10
2.7 内存 10
2.8 子系统和外设 11
2.9 冯·诺依曼架构 12
2.10 哈佛架构 14
2.11 实例 15
2.11.1 Freescale MC9S12C32微控制器 15
2.11.2 Microchip PIC12F609微控制器 17
2.12 获取更多信息 19
2.13 习题 19
第3章 微控制器的数学和数字操作 21
3.1 引言 21
3.2 基数和计数 21
3.3 表示负数 24
3.4 数据类型 25
3.5 常见数据类型的大小 26
3.6 固定长度变量的计算方法 26
3.7 模运算 27
3.8 数学快捷键 28
3.9 布尔代数 28
3.10 操作单个字节 29
3.11 测试单个位 30
3.12 习题 31
第4章 编程语言 33
4.1 引言 33
4.2 机器语言 34
4.3 汇编语言 34
4.4 高级语言 35
4.5 解释器 35
4.6 编译器 36
4.7 混合编译/解释器 37
4.8 集成开发环境(IDE) 39
4.9 选择一种编程语言 39
4.10 习题 40
参考文献 40
第5章 嵌入式系统的程序结构 41
5.1 背景 41
5.2 事件驱动编程 41
5.3 事件检测器 42
5.4 服务 44
5.5 事件驱动程序的建立 45
5.6 示例 46
5.7 事件驱动编程综述 47
5.8 状态机 48
5.9 软件状态机 49
5.10 蟑螂示例的状态机 51
5.11 习题 52
参考文献 53
第6章 软件设计 54
6.1 引言 54
6.2 软件设计与房屋建造 54
6.3 软件设计技术简介 55
6.3.1 分解 55
6.3.2 抽象、信息隐藏 55
6.3.3 伪代码 56
6.4 软件设计流程 57
6.4.1 需求分析 58
6.4.2 定义程序结构 58
6.4.3 性能规范 59
6.4.4 接口规范 59
6.4.5 详细设计 59
6.4.6 实现 59
6.4.7 单元测试 61
6.4.8 集成 61
6.5 示例 61
6.5.1 莫尔斯码接收机的需求分析 62
6.5.2 莫尔斯码接收机的系统架构 62
6.5.3 莫尔斯码接收机的软件架构 63
6.5.4 莫尔斯码接收机的性能规范 65
6.5.5 莫尔斯码接收机的接口规范 65
6.5.6 莫尔斯码接收机的详细设计 67
6.5.7 莫尔斯码接收机的实现 76
6.5.8 莫尔斯码接收机的单元测试 76
6.5.9 莫尔斯码接收机的集成 77
6.6 习题 78
参考文献 78
第7章 处理器间通信 79
7.1 引言 79
7.2 没有媒质就没有消息 79
7.3 位并行和位串行通信 80
7.3.1 位串行通信 81
7.3.2 位并行通信 88
7.4 信号电平 89
7.4.1 TTL/CMOS电平 89
7.4.2 RS-232 89
7.4.3 RS-485 90
7.5 带限信道上的通信 91
7.5.1 有限的带宽和调制解调器 91
7.6 红外光通信 93
7.7 无线电通信 94
7.7.1 RF遥控器 95
7.7.2 RF数据链路 95
7.7.3 RF网络 95
7.8 习题 95
参考文献 96
扩展阅读 96
第8章 微控制器外设 97
8.1 访问控制寄存器 97
8.2 并行输入/输出子系统 97
8.2.1 数据方向存储器 98
8.2.2 输入/输出寄存器 98
8.2.3 共享功能引脚 99
8.3 定时器子系统 99
8.3.1 定时器基础 100
8.3.2 定时器溢出 100
8.3.3 输出比较 101
8.3.4 输入捕获 102
8.3.5 基于输入捕获和输出比较的发动机控制 103
8.4 脉冲宽度调制(PWM) 104
8.5 PWM使用输出比较系统 105
8.6 模数(A/D)转换器子系统 106
8.6.1 A/D转换过程 106
8.6.2 A/D转换器时钟 107
8.6.3 自动A/D转换处理 107
8.7 中断 107
8.8 习题 108
参考文献 108
第三部分 电 子 学
第9章 基本电路分析及无源元件 110
9.1 电压、电流和功率 110
9.2 电路和地 111
9.3 相关定律 112
9.4 电阻 113
9.4.1 串联电阻和并联电阻 114
9.4.2 分压器 115
9.5 戴维南等效电路 115
9.6 电容 116
9.6.1 串联电容和并联电容 117
9.6.2 电容和时变信号 118
9.7 电感 119
9.7.1 电感和时变信号 120
9.8 时域法和频域法 120
9.9 包含多种元件的电路分析 121
9.9.1 基本RC电路结构 121
9.9.2 低通RC滤波器的时域特性 121
9.9.3 高通RC滤波器的时域特性 123
9.9.4 RL电路的时域特性 124
9.9.5 低通RC滤波器的频域特性 125
9.9.6 高通RC滤波器的频域特性 126
9.9.7 直流偏压的高通RC滤波器 127
9.10 仿真工具 128
9.10.1 仿真工具的局限性 128
9.11 实际电压源 128
9.12 实际测量 129
9.12.1 电压测量 129
9.12.2 电流测量 130
9.13 实际电阻 130
9.13.1 实际电阻模型 130
9.13.2 电阻构造基础 130
9.13.3 碳膜电阻 131
9.13.4 金属膜电阻 132
9.13.5 电阻的功耗 132
9.13.6 电位器 133
9.13.7 电阻的选择 134
9.14 实际电容 134
9.14.1 实际电容模型 135
9.14.2 电容构造基础 135
9.14.3 极性和非极性电容 136
9.14.4 陶瓷圆盘电容 136
9.14.5 多层陶瓷电容(独石电容) 136
9.14.6 铝电解电容 136
9.14.7 钽电容 137
9.14.8 薄膜电容 137
9.14.9 双电层电容/超级电容 138
9.14.10 电容标识 138
9.14.11 电容的选择 140
9.15 习题 140
扩展阅读 142
第10章 半导体 143
10.1 掺杂、空穴和电子 143
10.2 二极管 144
10.2.1 二极管的V-I特性 144
10.2.2 Vf的大小 145
10.2.3 反向恢复 145
10.2.4 肖特基二极管 145
10.2.5 齐纳二极管 146
10.2.6 发光二极管 147
10.2.7 光电二极管 147
10.3 双极结型晶体管(BJT) 148
10.3.1 复合晶体管对(达林顿对) 151
10.3.2 光电晶体管 152
10.4 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 152
10.5 如何选择BJT和MOSFET 155
10.5.1 何时BJT是最好(唯一)的选择 155
10.5.2 何时MOSFET是最好(唯一)的选择 155
10.5.3 当MOSFET和BJT均可行时如何选择 156
10.6 多晶体管电路 156
10.7 查阅晶体管数据表 157
10.7.1 查阅BJT数据表 157
10.7.2 查阅MOSFET数据表 159
10.7.3 应用实例 160
10.7.4 各种晶体管电路 161
10.8 习题 162
扩展阅读 166
第11章 运算放大器 167
11.1 运算放大器的特征 167
11.2 负反馈 167
11.3 理想运算放大器 168
11.4 分析运算放大器电路 168
11.4.1 黄金准则 168
11.4.2 同相运算放大器结构 168
11.4.3 反相运算放大器结构 169
11.4.4 单位增益缓冲器 171
11.4.5 差分放大器结构 172
11.4.6 求和器结构 173
11.4.7 跨阻放大器结构 174
11.4.8 运算放大器上的计算 174
11.5 比较器 175
11.5.1 比较器电路 176
11.6 习题 178
扩展阅读 179
第12章 实际运算放大器与比较器 180
12.1 实际运算放大器的特性——理想假设的失效 180
12.1.1 非无穷大增益 180
12.1.2 开环增益随频率的变化 181
12.1.3 输入电流不为零 181
12.1.4 输出电压源的非理想特性 182
12.1.5 其他非理想特性 183
12.2 查阅运算放大器数据表 185
12.2.1 最大值、最小值和典型值 185
12.2.2 数据表首页 185
12.2.3 绝对最大定额 186
12.2.4 电气特性 187
12.2.5 封装 189
12.2.6 典型应用 189
12.3 比较器数据表的读取 189
12.3.1 比较器封装 190
12.4 运算放大器的对比 190
12.5 习题 192
扩展阅读 193
第13章 传感器 194
13.1 引言 194
13.2 传感器输出和微控制器输入 194
13.3 传感器设计 195
13.3.1 用热敏电阻测量温度 195
13.3.2 测量加速度 195
13.3.3 传感器性能术语定义 196
13.4 基本传感器与接口电路 202
13.4.1 开关传感器 202
13.4.2 开关接口 203
13.4.3 电阻式传感器 205
13.4.4 电阻式传感器接口 205
13.4.5 电容式传感器 208
13.4.6 电容式传感器接口 208
13.5 传感器纵览 209
13.5.1 光敏元件 209
13.5.2 应变传感器 215
13.5.3 温度传感器 218
13.5.4 磁场传感器 222
13.5.5 接近传感器 224
13.5.6 位置传感器 225
13.5.7 加速度传感器 231
13.5.8 压力传感器 232
13.5.9 压强传感器 233
13.6 习题 235
参考文献 237
扩展阅读 237
第14章 信号调理 238
14.1 信号调理的基本操作 238
14.2 去除偏置 238
14.2.1 放大值与偏置的相对值 239
14.2.2 交流耦合的偏置去除 240
14.3 放大 241
14.3.1 直流耦合多级放大 241
14.3.2 交流耦合多级放大 242
14.4 滤波 242
14.4.1 滤波器相关的专业术语 242
14.4.2 噪声 243
14.4.3 无源滤波器 244
14.5 其他信号调理技术 245
14.5.1 仪表放大器 245
14.5.2 峰值检测 246
14.6 实例分析 247
14.6.1 幅度信息提取 247
14.6.2 定时信息提取 248
14.7 习题 250
扩展阅读 250
第15章 有源数字滤波器 251
15.1 有源滤波器 251
15.1.1 相位延迟 251
15.1.2 滤波器响应特性 252
15.1.3 有源滤波器的拓扑结构 252
15.2 数字技术 256
15.2.1 数字滤波 256
15.2.2 数字信号处理 258
15.2.3 同步采样 259
15.3 习题 259
参考文献 260
扩展阅读 260
第16章 数字输入/输出 261
16.1 引言 261
16.2 逻辑状态表示 261
16.3 数字器件的理想特性 261
16.4 数字器件的实际特性 262
16.5 查阅数据表 263
16.6 数字输入 263
16.6.1 输入电压要求 264
16.6.2 输入电流要求 266
16.6.3 上拉电阻和下拉电阻 266
16.6.4 数字输入时序 268
16.7 数字输出 270
16.7.1 数字输出电压和电流 270
16.7.2 数字输出的时序特性 271
16.8 输入、输出匹配 272
16.8.1 匹配特性评价 272
16.8.2 悬空和不确定输入端的上拉和下拉 273
16.8.3 不兼容器件 276
16.9 习题 279
第17章 数字输出和电路驱动 282
17.1 图腾柱输出 282
17.1.1 图腾柱输出特性 283
17.2 集电极开路/漏极开路输出 284
17.2.1 集电极开路/漏极开路输出特性 285
17.3 三态输出 286
17.3.1 三态输出特性 286
17.4 低端驱动器 287
17.4.1 低端驱动器数据表 288
17.5 高端驱动器 288
17.5.1 高端驱动器数据表 289
17.6 半桥和全桥 289
17.6.1 击穿电流和死区时间 290
17.6.2 H桥数据表 290
17.7 温升问题 291
17.8 习题 293
扩展阅读 293
第18章 数字逻辑和集成电路 294
18.1 基本组合逻辑 294
18.1.1 真值表 295
18.1.2 用组合逻辑描述微控制器子系统 295
18.2 组合逻辑功能实现 295
18.2.1 数字比较器 296
18.2.2 数字多路复用器 296
18.2.3 解码器 297
18.3 时序逻辑 297
18.4 时序逻辑功能实现 298
18.4.1 D触发器 298
18.4.2 J-K触发器 298
18.4.3 计数器 298
18.4.4 移位寄存器 300
18.5 逻辑系列 300
18.6 基于逻辑器件的微控制器功能扩展 301
18.6.1 基于多路复用器的输入功能扩展 301
18.6.2 基于解码器的输出功能扩展 302
18.6.3 基于移位寄存器的输入功能扩展 302
18.6.4 基于移位寄存器的输出功能扩展 304
18.6.5 使用SPI子系统与移位寄存器 305
18.7 555定时器 305
18.7.1 555定时器的内部结构 305
18.7.2 非稳态操作 306
18.7.3 单稳态操作 306
18.7.4 其他用途的555定时器 307
18.8 习题 307
参考文献 308
第19章 A/D和D/A转换器 309
19.1 数字域和模拟域的接口 309
19.2 连续信号的数字化 310
19.3 A/D和D/A转换器的性能 311
19.3.1 理想A/D转换器的性能 313
19.3.2 A/D转换器的误差 314
19.3.3 理想D/A转换器的性能 315
19.3.4 D/A转换器的误差 316
19.4 D/A转换器设计 317
19.4.1 基于脉冲宽度调制生成模拟电压 317
19.4.2 基于求和放大器的D/A转换器 317
19.4.3 串行D/A转换器 319
19.4.4 R-2R阶梯D/A转换器 320
19.5 A/D转换器设计 321
19.5.1 单斜率A/D转换器和双斜率A/D转换器 322
19.5.2 并行比较A/D转换器 323
19.5.3 串并行比较A/D转换器 324
19.5.4 逐次逼近寄存器A/D转换器 325
19.5.5 Σ-Δ A/D转换器 326
19.6 习题 327
扩展阅读 328
第20章 稳压器、电源和电池 329
20.1 引言 329
20.2 功率需求与电源 329
20.3 稳压器 329
20.3.1 稳压器的相关指标与定义 330
20.3.2 线性稳压器 332
20.3.3 开关稳压器 338
20.4 电源 343
20.4.1 线性电源 343
20.4.2 开关电源 345
20.5 电池和电化学单电池 347
20.5.1 电池性能和特性 349
20.5.2 原电池 351
20.5.3 二次电池 352
20.5.4 电池的安全和环境问题 356
20.6 习题 357
扩展阅读 358
第21章 噪声、接地和隔离 359
21.1 噪声耦合通道 359
21.2 传导耦合噪声 360
21.2.1 传导耦合通道原型 360
21.2.2 减少传导耦合噪声 360
21.2.3 减少噪声源的影响：去耦 361
21.2.4 减少传导噪声的耦合 362
21.2.5 减少接收端的传导噪声：电源滤波 362
21.2.6 减少传导噪声的有效方法 362
21.3 电容耦合噪声 363
21.3.1 电容耦合通道原型 363
21.3.2 减少电容耦合噪声 364
21.3.3 噪声源电容耦合噪声的消减 365
21.3.4 减少电容耦合噪声的耦合 365
21.3.5 屏蔽 366
21.3.6 减少接收端的电容耦合噪声 367
21.3.7 减少电容耦合噪声的有效方法 367
21.4 电感耦合噪声 368
21.4.1 电感耦合通道原型 368
21.4.2 噪声源电感耦合噪声的消减 368
21.4.3 减少电感耦合噪声的耦合 369
21.4.4 减少接收端的电感耦合噪声 369
21.4.5 减少电感耦合噪声的有效方法 369
21.5 隔离 369
21.5.1 光隔离 369
21.5.2 电容隔离 371
21.5.3 电感隔离 371
21.5.4 隔离技术对比 371
21.6 习题 371
扩展阅读 373
第四部分 执 行 器
第22章 永磁有刷直流电机的特性 376
22.1 引言 376
22.2 次分马力永磁有刷直流电机 376
22.3 电气模型 379
22.4 反电动势与发电机效应 379
22.5 永磁有刷直流电机的特性参数 379
22.6 恒定电压特性方程 380
22.7 功率特性 383
22.8 直流电机效率 385
22.9 减速器 388
22.10 习题 389
参考文献 390
扩展阅读 390
第23章 永磁有刷直流电机的应用 391
23.1 引言 391
23.2 电感反冲 391
23.2.1 电感反冲小结 396
23.3 电机的双向控制 396
23.3.1 商用H桥集成电路 398
23.3.2 用于大电流的H桥 400
23.4 基于脉冲宽度调制的转速控制 400
23.5 习题 404
参考文献 405
扩展阅读 405
第24章 螺线管 406
24.1 引言 406
24.2 螺线管的结构 406
24.3 螺线管的性能 407
24.4 螺线管的驱动 409
24.5 机械响应时间 410
24.6 螺线管的应用 410
24.7 习题 411
扩展阅读 414
第25章 无刷直流电机 415
25.1 引言 415
25.2 无刷直流电机的结构 415
25.3 无刷直流电机的运行 416
25.3.1 传感换向器 417
25.3.2 无传感换向器 417
25.4 BLDC 电机驱动 418
25.5 无刷直流电机的换向 419
25.6 BLDC电机驱动集成电路 421
25.7 有刷直流电机和无刷直流电机的对比 422
25.8 习题 422
扩展阅读 423
第26章 步进电机 424
26.1 引言 424
26.2 步进电机的结构 424
26.3 可变反应式步进电机 426
26.4 混合式步进电机 427
26.5 不同类型步进电机的对比 427
26.6 步进电机的内部接线 428
26.7 步进电机的驱动 429
26.8 步进电机的步进顺序 430
26.9 步进电机驱动顺序的产生 433
26.10 步进电机的动态特性 434
26.11 步进电机性能定义 436
26.12 基于驱动部件的步进电机性能优化 437
26.13 减速 439
26.14 习题 440
扩展阅读 441
第27章 其他执行器技术 442
27.1 引言 442
27.2 气动液压系统 442
27.2.1 电磁阀 443
27.2.2 伺服阀 445
27.2.3 气动和液压执行器 446
27.3 RC伺服系统 449
27.4 压电执行器 451
27.4.1 压电执行器的类型 452
27.5 形状记忆合金执行器 455
27.6 总结 458
27.7 习题 459
扩展阅读 459
第28章 基本闭环控制 460
28.1 引言 460
28.2 相关术语 460
28.3 开环控制 461
28.4 开/关闭环控制 462
28.5 线性闭环控制 462
28.5.1 开始设计 463
28.5.2 智能化 464
28.5.3 干扰抑制 466
28.5.4 引入微分控制进一步提高性能 468
28.5.5 增益选择 469
28.6 系统类型与积分控制的必要性 471
28.7 控制环路率的选择 472
28.8 ad-hoc法 473
28.9 习题 475
参考文献 477
扩展阅读 477
第五部分 机电一体化项目与系统工程
第29章 快速原型制作 480
29.1 引言 480
29.2 为什么要制作原型样机 480
29.3 原型制作理念：搭建或者仿真 481
29.4 机械系统的快速原型制作 482
29.4.1 实体建模工具 482
29.4.2 系统动力学建模 482
29.4.3 泡沫塑料板、美工刀、热熔胶 483
29.4.4 二维快速成型激光切割机/激光刀模机 485
29.4.5 廉价的二维快速成型 486
29.4.6 凸舌/凹槽结构 486
29.4.7 玩具行业 486
29.4.8 三维快速成型(SLA、SLS、FDM)和软模铸件 487
29.5 电气系统的快速原型制作 489
29.5.1 原理图和电路仿真工具 490
29.5.2 电路原型制作：面包板、绕线和性能板 491
29.5.3 PCB原型 493
29.5.4 焊接 494
29.6 供应商和资源选择 496
29.7 习题 497
参考文献 497
第30章 项目规划和管理 498
30.1 引言 498
30.2 日益复杂的系统需要过程管理 498
30.3 项目规划与实施 499
30.3.1 系统需求 500
30.3.2 设计备选方案遴选 501
30.3.3 设计概念评价：原型和迭代 504
30.3.4 规范 504
30.4 管理工具 505
30.4.1 项目管理 505
30.4.2 系统工程 507
30.4.3 协同设计 507
30.5 沟通与文档化 508
30.6 问题与建议 509
30.7 习题 510
参考文献 511
扩展阅读 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 预防为主，事半功倍 514
31.4 如何对待故障排查 519
31.5 总结 520
31.6 习题 520
第32章 机电一体化系统集成与融合 521
32.1 引言 521
32.2 项目描述 521
32.3 系统需求分析 522
32.4 设计方案及备选方案 523
32.4.1 零号团队的基本设计构想 523
32.4.2 Ruff团队的基本设计构想 526
32.4.3 备选方案的审查 528
32.5 形态图 529
32.6 设计概念评价：原型与优化 530
32.7 项目实施阶段 532
32.7.1 Ruff团队的驱动电机选择 532
32.7.2 零号团队的球释放电机选择 533
32.7.3 零号团队的信标传感器电路演进 533
32.7.4 零号团队的支撑刚度问题 534
32.7.5 零号团队的罗盘传感器故障 535
32.8 设计成品 535
32.8.1 Ruff团队的设计成品 535
32.8.2 零号团队的设计成品 536
32.9 性能结果 537
32.10 学生的智慧结晶 537
致谢 538
附录A 电阻色码和标称值 539
附录B 示例C代码 540
附录C 第32章项目描述 551