综合电子系统设计(一) 再启航

2017年春天，第一次讲实践课程。太多话想说，太多内容想教，因为我就是一个实干的典型。记得2007年在海格通信做了卫星领域第一个项目——双模地球站。带着十几个不懂通信的硕士干，几乎每天都干到晚上十点多。无数个疲惫的夜晚。但当年就对硕士阶段的教学提出了质疑，好在很多硕士肯学。可是现在的好多学士却不爱学，逃课现象太普遍了！

回到校园了，就要改变，能改变多少是多少。欣慰的是，看到了几个好苗子。总算讲有所值。开始讲课。什么是系统？英文叫system。

《信号与系统》课本中有关于这个的定义。同学们复习一下。我的理解就是有输入和输出的一个东东。这么说是不是简单易懂？

人是不是系统？——生物系统

最简系统——课程目标

一个单片机加个数码管，加个开关就是一个系统，不过确实简单了点。好比一个机器人只有脑袋和身体，没有臂膀和腿。没关系，我们慢慢安装上去。

警示：一口吃不成一个胖子，不能好高骛远！

我在课上发现有些同学单片机还没有玩的很6，就要玩一些复杂的设备。比如无人机系统。这是开国际玩笑！

2026年，时隔十年更新本系列文章，是因为在暑假重启课外培训，讲的知识难度远超十年前，会涉及单片机和FPGA的知识，硬件编程能力的培养需要大量实践，AI很难取代。不过这些知识的学习可以借助AI实现加速。在本版本中将展示通过AI调试单片机串口、蓝牙的过程。FPGA呢？也会借助。

单片机最简系统——由哪些构成？

电源、芯片、外部设备（传感器等）？这些足够搭建出一个系统了。请细看每个组成部分！

电源必不可少。

51系列单片机是本次课程使用的芯片，具体型号不限制。到了2026年，基本都是低功耗芯片的天下了，51系列也就在实验室用用而已。

脉搏测量传感器

GPS模块NEO-6M UBLOXAPM2.5

（图片来源于网络）

淘 宝确实功能强大，这些器件都能买到。不过要是能深入的了解一下原理知识，那就能懂得更多，这有助于同学们应聘上好单位。

系统的外设可以是各种传感器、可以是AD、DA芯片、GPS定位芯片、烟雾传感器、计步器、脉搏传感器等等，当然也可以是一些声光电的显示设备。现在市场上那些手环啊、温度显示器啊就是这么来的！所以同学们学好了，就业根本不愁！这样搭建出来的系统已经蛮好的了（对于本科生而言已经是非常好的一次实践设计过程）。

同学们需要为进入企业做准备。在公司，系统设计是项目研制过程的重要内容。什么是项目？大凡要研制一个设备的过程都可以称为项目。不论设备大小。（同学们暂且这么理解即可！）

项目的第一要素：规范。没有规范，就没有继承，就没有发展。如何就能规范了呢？文档是规范的基石。文档是什么样子呢？

任何项目离不开文档，因为铁打的营盘，流水的兵。公司会不断地更换员工，但研发工作不能出现中断或者停止。靠什么保证？只有靠文档！

那就别卖关子了，直接上实例！举例说明最合适同学们的胃口！直观！但有个前提：你要看，仔细地看！

什么是技术方案？

一个项目有包含很多文档，我以后都会举例。但对于同学们，本次课程只要一个文档，即系统设计技术文档。不过此文档会浓缩多个文档的精华。

然后要有硬件设计文档。下面一个文档估计会被猜到。

对了，就是软件设计文档。任何数字电子系统都是由硬件和软件组成的。当然早期很多模拟系统中是没有软件的。做完项目，还需要对产品进行测试。于是，项目测试记录文档登场了。

好吧，这些文档的精华部分需要浓缩到同学们的系统设计技术文档中。至于怎么写会在下一章节慢慢讲。先请同学们思考一下：项目研制过程——哪几个部分组成呢？下一章节会娓娓道来。

有了文档，企业就不担心员工离职，新员工进入企业后可以快速上手。对于在校学生而言，提前了解和实践各种研发规范，这才是真正的工科教学。这样的文档对于后续师弟师妹的学习也同样有帮助。在学校，进行单片机和FPGA的系统设计和项目开发一般都基于开发板，省去硬件设计过程，不过学生要在板卡上开发软件首先要能看懂原理图。那原理图怎么看呢？2026年，问问AI吧，解答得非常到位，一起来看看吧！

同学拿到开发板原理图（比如STM32核心板、Xilinx/Altera FPGA开发板）时，面对密密麻麻的线条和标号，第一反应就是“头大”。

其实，开发板原理图本质上是“芯片数据手册”的“连线图”。它不是为了让你计算电路参数，而是为了让你看懂“哪个引脚连到了哪个外设”。

看这种原理图，不用逐行逐句读，记住“三步走”的口诀就行：

第一步：先找“心脏”和“大脑”——确立全局坐标

不要从左上角开始看，先找核心芯片：

• MCU/FPGA主芯片：这是绝对中心，通常画在图纸正中间。

• 电源网络：在图纸角落找到电源入口（比如5V、3.3V、1.2V）。FPGA通常有多路电源，一定要先分清哪路是IO电压（Bank Voltage），哪路是内核电压（Core Voltage）——这对FPGA来说至关重要，插错了会烧片子。

第二步：只看“接口名”，不看“序号名”（关键技能）

这是新手最容易卡住的地方。主芯片周围有几百个引脚，你不需要管它是“Pin 123”还是“Pin 456”，你只需要看旁边的网络标号（Net Label）。

• 原理图上那些带字母的标签（如 GPIOA_0、UART_TX、DDR_DQ0），这才是灵魂。

• 怎么看？ 直接搜这些标号在开发板排针（Header）上的位置。比如，你想用按键，就在原理图里搜索 KEY 或 SW，找到它连到了主芯片的哪个标号，再反查这个标号对应的物理引脚号，写进代码的引脚约束文件（.xdc 或 .ioc）里。

记住：代码里约束的是“引脚号（Pin Number）”，但原理图帮你找的是“功能标号（Net Name）”。

第三步：分模块“隔离”阅读——庖丁解牛

不要试图一次性看懂全图。一张A2或A3的原理图，肯定被画成了若干块“电路模块”。按功能把它们拆开看：

1. 电源模块（Power）：看降压芯片（LDO/DC-DC），输入多少伏，输出多少伏。注意看磁珠（FB）或0欧电阻，它们经常用来隔离数字地和模拟地。

2. 时钟模块（Clock）：看晶振（Y/Xtal）旁边接的电容。FPGA的全局时钟引脚（MRCC/SRCC）必须接有源晶振或专用时钟芯片，注意看标号是不是 CLK 开头，这是时序逻辑的“心跳”。

3. 下载/调试模块（JTAG/SWD）：看连接JTAG口的几根线（TMS, TCK, TDO, TDI）接在主芯片的哪些引脚上。这些引脚通常固定，不能乱用。

4. 外设接口（Peripheral）：看LED、按键、数码管、UART串口芯片（如CH340）、SDRAM/DDR等。重点看数据总线（D0-D7）和地址总线（A0-Axx）是否一一对应。

未完，待续！

 传感器模块！

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

DS18B20传感器进行的功能操作是在发送命令的基础上完成的，上电后传感器处于空闲状态，需要控制器发送命令才能完成温度转换。对传感器的功能操作的次序是首先完成对芯片内部的ROM操作，有5条操作ROM的指令可用于器件识别，它们分别是：ReadROM（33H）、Match ROM（55H）、Skip ROM（CCH）、SearchROM（F0H）、Alarm Search（ECH）。

ReadROM：用于读出64位ROM数据，适用于仅有1个DS18B20的场合。MatchROM：查找与给定64位ROM数据相匹配的DS18B20。SkipROM：适用于仅有1个DS18B20的场合，无需给出64位码就能快速选定器件。SearchROM：适用于多个DS18B 20的场合，该指令可识别出每个器件的ID号。Alarm Search：用于温度报警查询。

独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。提问：采用了什么协议呢？2026年，求助AI解答又快又准！

它采用的协议是：1-Wire（单总线）协议。这是美国达拉斯半导体（Dallas Semiconductor，现隶属Maxim）独有的专有通信协议。为了在开发板上玩转它，需要把这个协议的核心门槛和实战要点进行拆解。

1. 为什么叫“1-Wire”？

顾名思义，数据线和电源线（地线除外）合二为一。它既传输时钟信号，又传输数据信号，还是半双工双向的。这就好比一条单行道上，车辆（数据）和交警的指挥哨声（时钟）都通过同一根线传播。

2. 学校实验室必须注意的“硬伤”

虽然它只用了1条口线，但这条线上必须接一个上拉电阻（通常为4.7kΩ）。

• 如果你在开发板原理图上搜索 DS18B20 或 DQ，一定要看它的旁边是否连着一个电阻到电源（VCC）。

• 为什么？因为单总线是“漏极开路（Open-Drain）”结构。微处理器（MCU/FPGA）只能把这条线拉低（输出0），或者释放（输入状态），无法主动输出高电平。高电平完全靠这个上拉电阻“拉”上去。

3. 通信的“铁律”——时序极其严苛

在FPGA开发中，这个协议对时间要求非常苛刻，比UART、I2C都难伺候。你在写代码（Verilog/VHDL）时，必须精确控制微秒级（μs）的延时：

• 复位脉冲：MCU/FPGA先将总线拉低至少 480μs，然后释放；DS18B20会在释放后的 15~60μs 内拉低总线作为“存在脉冲”回应。如果没检测到这个回应，说明传感器没焊好或上拉电阻没接。

• 写“1”：拉低总线 1~15μs 后必须释放（靠电阻拉高）。

• 写“0”：拉低总线至少 60μs。

• 读数据：MCU/FPGA先拉低总线 1μs 释放，然后在释放后的 15μs内 必须采样读取总线电平。

给FPGA新手的忠告：千万不要用 delay 循环去数时钟周期，那样极不精确。必须用计数器（Counter） 来产生微秒级的定时中断，否则温度读出来永远是 0xFFFF 或 0x0000。

如果你在原理图上看到DS18B20，除了找它的DQ引脚连到主芯片哪个IO口外，一定要顺藤摸瓜确认这个IO口是否支持“开漏输出（OD）”模式。如果主芯片该引脚不支持开漏，光靠代码是拉不低电平的，必须外接一个三极管。

到了AI时代，代码也不需要写了，能看懂然后再会调试即可。这些方面后续再聊！

修订记录

20170228 完成初稿；

20170413 修订文字；

20181201 修订文字；

20190805 修订文字；

20260718 修订内容；