出色硬體工程師要求具備的知識體系

第一部分：硬體知識

一、數字信號

1、TTL和帶緩衝的TTL信號：邏輯門電路

2、RS232和定義：非同步傳輸標準介面，通常以9個引腳(DB-9)或是25個引腳(DB-25)的型態出現，一般個人計算機上會有兩組RS-232介面，分別稱為COM1和COM2。數據傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。

3、RS485/422（平衡信號）半雙工/全雙工

4、干接點信號：無源開關，具有閉合和斷開的2種狀態，2個接點之間沒有極性，可以互換。各種開關如：限位開關、行程開關、腳踏開關、旋轉開關、溫度開關、液位開關等；各種按鍵；各種感測器的輸出，如：環境動力監控中的感測器、水浸感測器、火災報警感測器、玻璃破碎、振動、煙霧和凝結感測器；繼電器、干簧管的輸出。

濕接點信號：有源開關；具有有電和無電的2種狀態；2個接點之間有極性，不能反接。

二、模擬信號視頻

1、非平衡信號：非平穩信號是指分布參數或者分布律隨時間發生變化的信號。現實世界中我們所碰到的信號大都是非平穩信號。平穩和非平穩都是針對隨機信號說的，非平穩信號分析和處理的一般方法有時域分析、頻域分析、時頻聯合分析。

2、平衡信號：信號在傳輸過程中，如果被直接傳送就是非平衡信號，如果把信號反相，然後同時傳送反相的信號和原始信號，就叫做平衡信號，平衡信號送入差動放大器，原信號和反相位信號相減，得到加強的原始信號，由於在傳送中，兩條線路受到的干擾差不多，在相減的過程中，減掉了一樣的干擾信號，因此更加抗干擾。這種在平衡式信號線中抑制兩極導線中所共同有的雜訊的現象便稱為共模抑制。所以平衡線路只需要在輸入輸出信號增加一個差動放大器就可以實現。

三、晶元

1、封裝

2、7407：TTL集電極開路六正相高壓驅動器。1入2出3進4輸出5進6輸出9進8輸出11進10輸出13進12輸出。

3、7404：六組反向器。1入2出3進4輸出5進6輸出9進8輸出11進10輸出13進12輸出。

4、7400：四組與門。1.2入3出，4.5入6出，9.10入8出，12.13入11出。

5、74LS573：八位三狀態輸出D觸發器。

6、ULN2003：高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN達林頓管組成。

7、74LS244：3態8位緩衝器，一般用作匯流排驅動器，沒有鎖存的功能。

8、74LS240：3態匯流排轉換器，一般用於匯流排的電平匹配問題，為單向傳送。

9、74LS245：3態匯流排轉換器，一般用於匯流排的電平匹配問題，為雙向傳送。

10、74LS138：3線-8線解碼器

74LS238：加法器

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、封裝

2、電阻：功耗和容值

3、電容

1)獨石電容

2)瓷片電容

3)電解電容

4、電感

5、電源轉換模塊

6、接線端子

7、LED發光管

8、8字（共陽和共陰）

9、三極體2N5551

10、蜂鳴器

五、單片機最小系統

1、單片機

2、看門狗和上電複位電路

3、晶振和瓷片電容

六、串列介面晶元

1、eeprom

2、串列I/O介面晶元

3、串列AD、DA

4、串列LED驅動、max7129

七、電源設計

1、開關電源：器件的選擇

2、線性電源：

1)變壓器

2)橋

3)電解電容

3、電源的保護

1)橋的保護

2)單二極體保護

八、維修

1、電源

2、看門狗

3、信號

九、設計思路

1、電源：電壓和電流

2、介面：串口、開關量輸入、開關量輸出

3、開關量信號輸出調理

1)TTL―>繼電器

2)TTL―>繼電器（反向邏輯）

3)TTL―>固態繼電器

4)TTL―>LED（8字）

5)繼電器―>繼電器

6)繼電器―>固態繼電器

4、開關量信號輸入調理

1)干接點―>光耦

2)TTL―>光耦

5、CPU處理能力的考慮

6、成為產品的考慮：

1)電路板外形：大小尺寸、異形、連接器、空間體積

2)電路板模塊化設計

3)成本分析

4)器件的冗餘度

1.電阻的功耗

2.電容的耐壓值等

5)機箱

6)電源的選擇

7)模塊化設計

8)成本核算

1.如何計算電路板的成本？

2.如何降低成本？選用功能滿足價格便宜的器件

十、思考題

1、如何檢測和指示RS422信號

2、如何檢測和指示RS232信號

3、設計一個4位8字的顯示板

1)電源：DC12

2)介面：RS232

3)4位3」8字（連在一起）

4)亮度檢測

5)二級調光

4、設計一個33位1」8字的顯示板

1)電源：DC5V

2)介面：RS232

3)3排11位8字，分4個、3個、4個3組，帶行與行之間帶間隔

4)單片機最小系統

5)解碼邏輯

6)顯示驅動和驅動器件

5、設計一個PCL725和MOXAC168P的介面板

1)電源：DC5V

2)介面：PCL725/MOXA8個RS232

1.PCL725，直立DB37，孔

2.MOXAC168P，DB62彎

3)開關量輸出信號調理：6個固態繼電器和8個繼電器，可以被任何一路信號控制和驅動，介面：固態繼電器5.08直立，繼電器3.81直立

4)開關量輸入調理：干接點閉合為1或0可選，介面：3.81直立

5)RS232調理：

1.LED指示

2.前4路RS232全信號，後4路只需要TX、RX、0

3.無需光電隔離

4.介面形式：DB9（針）直立

第二部分：軟體知識

一、彙編語言

二、C51

該部分可以從市場上買到的N種開發板上學到，至於第一部分，需要人來帶吧。

為什麼要掌握這些知識？

實際上，電子工程師就是將一堆器件搭在一起，注入思想（程序），完成原來的這些器件分離時無法完成的功能，做成一個成品。所需要的技能越高、功能越複雜成本越低、市場上對相應的東東的需求越大，就越成功。這就是電子工程師的自身的價值。從成本到產品售出，之間的差價就是企業的追求。作為企業的老闆，是在市場上去尋找這樣的應用；對電子工程師而言，是將老闆提出的需求或者應用按照一定的構思原則（成本最低、可靠性最高、電路板最小、功能最強大等）在最短的時間內完成。最短的時間，跟電子工程師的熟練程度、工作效率和工作時間直接有關。這就是電子工程師的價值將電子產品抽象成一個硬體的模型，大約有以下組成：

1)輸入

2)處理核心

3)輸出

輸入基本上有以下的可能：

1)鍵盤

2)串列介面（RS232/485/canbus/乙太網/USB）

3)開關量（TTL，電流環路，干接點）

4)模擬量（4~20ma、0~10ma、0~5V（平衡和非平衡信號））

輸出基本上有以下組成：

1)串列介面（RS232/485/canbus/乙太網/USB）

2)開關量（TTL、電流環路、干接點、功率驅動）

3)模擬量（4~20ma，0~10ma，0~5V（平衡和非平衡信號））

4)LED顯示：發光管、八字

5)液晶顯示器

6)蜂鳴器

處理核心主要有：

1)8位單片機，主要就是51系列

2)32位arm單片機，主要有atmel和三星系列

51系列單片機現在看來，只能做一些簡單的應用，說白了，這個晶元也就是做單一的一件事情，做多了，不如使用arm來做；還可以在arm上加一個操作系統，程序既可靠又容易編寫最近三星的arm受到追捧，價格便宜，乙太網和USB的介面也有，周立功的開發系統也便宜，作為學習ARM的產品來說，應該是最好的；作為工業級的控制，是不是合適，在網友中有不同的看法和爭議。本公司使用atmelARM91系列開發的1個室外使的產品，在北京室外使用，沒有任何的通風和加熱的措施，從去年的5月份到現在，運行情況良好。已經有個成功應用的案例。

但對於初學者來說，應該從51著手，一方面，51還是入門級的晶元，作為初學者練手還是比較好的，可以將以上的概念走一遍；很多特殊的單片機也是在51的核的基礎上增加了一些I/O和A/D、D/A；也為今後學習更高一級的單片機和ARM打下基礎。

再說了，哪個老闆會將ARM級別的開發放在連51也沒有學過的新手手中在51上面去做複雜的並行擴展是沒有必要的，比如，擴展I/O口和A/D、D/A等等，

可以直接買帶有A/D、D/A的單片機；或者直接使用ARM，它的I/O口線口多。可以使用I2C介面的晶元，擴展I/O口和A/D、D/A，以及SPI介面擴展LED顯示，例如MAX7219等晶元。

市面上一些比較古老的書籍中還有一些並行擴展的例子，如：RAM、EPROM、A/D、D/A等，我覺得已經沒有必要去看了，知道歷史上有這些一回事就行了。

這些知識，是所有產品都具備的要素。所以要學，再具體應用。
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