微处理器无处不在，它为汽车、手机、家居和办公设备、电视和娱乐系统、药品、飞机等无穷无尽的事物提供“智力”。这些日常用品内部都隐藏着一个微处理器使其智能化，我们称之为嵌入式系统。
　不久前，嵌入式系统的设计者必须是电子学专家或软件专家，或者两者都要是。现在，无论是专业人员还是初学者，使用界面友好的复杂的积木式构件，便可以很快参与嵌入式系统设计。这种积木式构件便是最近由著名的计算机巨头ARM推出的mbed。本书的主题就是mbed，通过mbed旨在介绍嵌入式系统设计的所有主要议题。本书的目的就在于通过mbed的使用教会读者嵌入式系统设计的要素。

mbed是由嵌入式领域的领导厂商ARM在全球大力推广的开源硬件项目。
本书是首本针对mbed开源硬件项目的书籍。
理论与实践相结合，对嵌入式系统设计每个环节的讲解都入木三分。
本书是开源硬件、积木式中间件、快速系统原型设计三大核心理念的载体。

Fast and Effective Embedded Systems Design
Applying the ARM mbed
ARM快速嵌入式系统原型设计
基于开源硬件mbed
［英］ Rob Toulson　Tim Wilmshurst　著　 韩德强 鲁鹏程 等译

本书使用极具创新性的mbed开源硬件，基于Web开发环境，介绍了嵌入式系统设计的各个方面。每个章节引入嵌入式系统设计中的一个主题，并通过边做边学的方式进行一系列的实践验证。介绍完基本内容后，本书逐步讲解了嵌入式设计的热点应用领域，如智能仪器仪表、网络系统、闭环控制和数字信号处理。
本书由嵌入式领域的两位知名专家撰写，通过实验结果，验证了从开发到理论与实践相结合的全过程，并对相关技术的引入及其优缺点进行了评估，探讨了更加广泛的应用范围。

本书特点：
实践驱动的嵌入式系统设计教学，重点关注快速原型
通过简单而有效的实验，覆盖关键的嵌入式系统设计概念
覆盖面广，从简单的数字输入/输出到高级的网络与控制
基于嵌入式领域中最易学、最易获取的工具
对ARM技术和微控制器架构的深刻见解

作者简介：
Rob Toulson 英国剑桥安格利亚鲁斯金大学研究员，主要致力于推进技术和创意产业相结合方向的研究。博士毕业后的几年里，Rob主要在音频与汽车领域从事数字信号处理和控制系统工程项目。
Tim Wilmshurst 英国德比大学电子专业负责人。在德比大学任职之前，Tim负责剑桥大学工程系的电子开发小组多年，亲历了很多微控制器和嵌入式系统的发展过程。

前：
韩德强 高级工程师，研究生导师，主要从事嵌入式系统方面的教学、科研工作，从事教学工作前具有12年X86工控机主板开发、控制工程研发经验。现兼任中国计算机学会微机（嵌入式）专委会委员，中文核心期刊《电子技术应用》杂志编委，中文优秀科技期刊《微型机与应用》杂志编委，北京高教学会实验室工作研究会理事，嵌入式系统联谊会委员，“教育部-微软精品课程建设项目”嵌入式系统课程负责人，“教育部-英特尔精品课程建设项目”嵌入式体系结构课程负责人。同时还是北京市精品教材建设项目负责人，英特尔杯大学生电子设计竞赛嵌入式专题邀请赛评委，全国大学生物联网创新应用设计大赛评委，2006年获“北京优秀青年工程师”荣誉称号，2008~2013年连续6年获微软Windows Embedded全球最有价值专家（MVP）称号。

微处理器无处不在，它为汽车、手机、家居和办公设备、电视和娱乐系统、药品、飞机等无穷无尽的产品提供“智力”。这些司空见惯的产品内部都隐藏着一个微处理器使其智能化，我们称这些产品为嵌入式系统。
　　不久前，嵌入式系统的设计者必须是电子或软件方面的专家，或者两者都是。现在，无论是专业人员还是初学者，使用界面友好的、复杂的积木式构件，便可以很快设计出嵌入式系统。这种积木式构件便是最近由著名的计算机巨头ARM推出的mbed。本书将围绕mbed介绍嵌入式系统设计的所有主要议题，目的在于通过mbed的使用教会读者嵌入式系统设计的要素。
　　本书分为两部分。第1～10章广泛介绍嵌入式系统，使用mbed展示如何应用它快速地进行成功的嵌入式系统设计。这几章旨在全力帮助读者掌握一系列精心构建的概念和练习，从基本的原理和简单的项目入手，逐步完成更高级的系统设计。第11～15章在此基础上进入到了许多更高级的系统设计领域。这里讲的速度可能会有点快，你会发现需要进行更多的背景研究。
　　本书仅要求读者具备基本的电工电子理论知识。本书采用“在实践中学习”的方法，为了更好地使用本书，你需要一块mbed开发板，一台连接到因特网的计算机，还需要书中指定的各种额外的电子元器件。如果不做某一个实验或者实践书中某一部分的内容，就不需要准备其中所需的东西。你还会用到数字电压表，不过最好使用示波器，这样能看到更多细节。
　　全书每章围绕一个嵌入式系统主题展开。每一章或多或少都有一些理论的介绍，其中很多章需要更多的理论基础，然后才能进行一系列实际的实验。准备好将你的mbed连接到下一个电路，下载并编译下一个示例程序，然后运行该程序以理解到底是怎么回事。随着你对mbed信心的增长，你的创造力和原创性会随之增加，开始将你的想法变成可行的项目吧！
　　本书会快速地帮助你：
　　理解和应用嵌入式系统的关键环节。
　　理解和应用ARM mbed的关键环节。
　　从头学起或提高嵌入式C/C++编程技巧。
　　加深对电子元器件及配置的理解。
　　了解mbed如何被应用到一些新兴的、最令人兴奋的、创新的智能产品中。
　　完成你从未想过自己会有能力完成的设计和创新！
　　如果你遇到问题或者有任何疑问，可以通过本书的网站和mbed的网站寻求技术支持，你也可以通过电子邮件与作者讨论。
　　如果你是一位大学教师，本书为你的嵌入式系统课程提供“完整的解决方案”。两位作者都是经验丰富的大学讲师，他们在写书时考虑到了你的学生。本书包含一个实践和理论学习活动的组织顺序。理想状态下，你需要为每个或每对学生配备一套mbed（一块原型面包板和一个套件），因其高度便携，开发工作不必局限在学校的实验室中进行。在后面的课程中，学生们将会用他们的mbed开发板联网。教师可以在本书配套网站（www.embeddedacademic.com）下载每一章的完整PPT演示文稿，也可以下载测验题的答案以及练习题和小项目的示例代码。
　　本书第一部分（第1～10章）使用mbed项目示例提供了一个完整的嵌入式系统设计入门课程。第二部分（第11～15章）用于提高课程，为进一步阅读或学习更高级的课程打基础。
　　本书采用了一种亲身实践的有趣学习方式，适用于任何想要引入嵌入式系统概念的课程。因为仅需要一点电子学理论，所以本书更适用于那些不以使用嵌入式系统为目的的学科。本书原本供工程学、物理学或计算机科学等学科大学一年级本科生使用，但我们希望学生们能更多地在高年级使用它。实践类的专业人员和业余爱好者也会对本书感兴趣。
　　本书由位于英国剑桥的安格利亚鲁斯金大学的研究员Rob Toulson和英国德比大学电子专业负责人Tim Wilmshurst编写。博士毕业后的几年里，Rob主要在音频和汽车领域从事数字信号处理与控制系统工程项目。之后，他成为了一名研究员，当前主要致力于推进技术和创意产业的合作研究。到德比大学之前，Tim负责剑桥大学工程系的电子开发小组多年，他的设计生涯见证了很多微控制器和嵌入式系统的发展过程。除了分享对嵌入式系统的兴趣之外，我们还分享对音乐和音乐技术的兴趣。这本书汇集了我们广泛的经验。规划好书的整体布局，进行了一些最初的准备工作后，我们对章节进行了划分。Tim负责前几章大部分内容的撰写，并负责电子和计算机硬件相关的章节。Rob主要负责后面几章的撰写以及mbed高级应用。这种工作分工主要是为了方便，而在出版物中我们彼此都对所有章节承担责任。由于Tim之前写过一些嵌入式系统方面的书籍，本书中的一些背景知识和图表就取自这些书，这主要是因为在需要解释背景的地方“从零开始”似乎是没有意义的。

计算机\程序设计

本书使用创新的ARM mbed开发板及其基于Web的开发环境，介绍了嵌入式系统设计的各个方面。每个章节引入嵌入式系统中的一个主题，并通过边做边学的方式进行一系列的实验验证，而且无需太多背景知识。应用C/C++编程，渐进式地让新手迅速获得程序代码。介绍完基本内容后，本书逐步讲述了嵌入式设计的热点领域：智能仪器仪表、网络系统、闭环控制和数字信号处理。
本书由该领域的两位专家撰写，通过实验结果，验证了从开发到理论匹配再到实践的全过程，对相关技术的引入及其优缺点进行了评估，并探讨了更加广泛的应用范围。本书提供了大量的习题和章节总结。

本书特色：
 对嵌入式系统领域的实践型介绍，重点关注快速原型
 通过简单而有效的实验，覆盖关键的嵌入式系统概念
 覆盖面广，从简单的数字输入/输出到先进的网络和控制
 运用嵌入式领域中最易学、最易获取的工具
 mbed硬件支持及本书网站可供查询，包括常见问题解答和所有代码示例
 对ARM技术和微控制器架构的深刻见解
 教学指导，包括PowerPoint幻灯片、相关问题和练习的解决方案

Rob Toulson 是一位电子领域的研究员，擅长音频与音乐技术，任职于英国剑桥的安格利亚鲁斯金大学。
Tim Wilmshurst 是英国德比大学电子专业的主任。

(英)Rob Toulson　　Tim Wilmshurst 著：暂无简介

韩德强 鲁鹏程 等译：暂无简介

近年来，基于ARM处理器的嵌入式系统飞速发展，遍及各种移动设备及工业和家庭控制系统。
　　介绍基于ARM处理器的嵌入式系统的书籍琳琅满目，这些书籍或以某个或某类处理器为基础，又或者以某个嵌入式系统为基础介绍嵌入式系统的概念及应用开发。而本书的两位作者均是大学教师，具有丰富的嵌入式系统教学和工程实践经验，他们倡导“在实践中学习”的先进理念，在书中给出了大量基于ARM mbed的动手实验教程，在突出实践能力培养的同时，又在每章中针对嵌入式系统的各个功能模块给出了相应基础知识的介绍，免除了读者再去翻阅其他书籍的麻烦。本书的另一个亮点就是不需读者安装软件和配置繁琐的软件开发环境，只需一台能够上网的PC即可，通过特有的Web软件开发环境，即可完成应用程序的开发过程。以译者20多年的嵌入式系统教学与开发经验来看，本书非常适合作为本科、高职高专各专业的嵌入式系统基础课程教材。
　　本书由北京工业大学计算机学院的部分教师翻译，其中韩德强翻译了前言和第1～2章，鲁鹏程翻译了第3～6章和附录，张丽艳翻译了第7～9章，杨淇善翻译了第10章，王宗侠翻译了第11～12章，邵温翻译了第13～15章，全书的审校由韩德强完成。
　　在本书的翻译过程中得到了ARM公司中国大学计划经理时昕博士的大力支持与关注，并提供了ARM mbed开发板，在此对时博士表示由衷的感谢！
　　限于译者的水平，翻译中难免有错误或不妥之处，真诚希望各位读者批评指正。

韩德强
2014年1月于北京工业大学

译者序
前　言
第一部分　嵌入式系统概述与玩转mbed
第1章　嵌入式系统、微控制器与ARM　2
1.1　嵌入式系统简介　2
1.1.1　什么是嵌入式系统　2
1.1.2　嵌入式系统示例　3
1.2　微处理器与微控制器　4
1.2.1　计算机主要组件　5
1.2.2　微控制器　6
1.3　嵌入式系统的开发流程　7
1.3.1　程序语言：C/C++有什么特别之处　7
1.3.2　开发周期　7
1.4　进入ARM世界　8
1.4.1　关于ARM的历史　8
1.4.2　技术细节：RISC的意义　9
1.4.3　Cortex内核　10
本章回顾　11
习题　11
参考文献　11
第2章　mbed开发板　12
2.1　mbed简介　12
2.1.1　mbed体系结构　14
2.1.2　LPC1768微控制器　15
2.2　mbed入门教程　16
2.2.1　步骤1：连接mbed到PC　17
2.2.2　步骤2：创建mbed账户　17
2.2.3　步骤3：运行程序　17
2.2.4　步骤4：编译程序　18
2.2.5　步骤5：下载程序二进制代码　19
2.2.6　步骤6：修改程序代码　19
2.3　开发环境　19
2.3.1　mbed编译器和API　19
2.3.2　C/C++的使用　20
本章回顾　20
习题　20
参考文献　21
第3章　数字输入和输出　22
3.1　开始编写程序　22
3.1.1　思考第一个程序　22
3.1.2　了解mbed的API函数　25
3.1.3　分析while循环　25
3.2　用电压表示逻辑值　27
3.3　mbed数字输出　27
3.3.1　发光二极管的使用　28
3.3.2　mbed外部引脚的使用　29
3.4　mbed数字输入　30
3.4.1　开关与数字系统的连接　30
3.4.2　DigitalIn API　31
3.4.3　用if语句响应开关输入　31
3.5　简单的光电设备接口　33
3.5.1　光敏反射和透射传感器　33
3.5.2　光敏传感器与mbed开发板的连接　34
3.5.3　七段数码管显示　35
3.5.4　七段数码管与mbed开发板的连接　36
3.6　驱动大型直流负载　39
3.6.1　使用晶体管驱动　39
3.6.2　用mbed进行电机驱动控制　40
3.6.3　驱动多个七段数码管　41
3.7　小项目：字母计数器　42
本章回顾　42
习题　43
参考文献　44
第4章　模拟输出　45
4.1　数据转换简介　45
4.2　mbed开发板上的模拟输出　46
4.2.1　产生恒定的输出电压　47
4.2.2　锯齿波　47
4.2.3　测试DAC分辨率　50
4.2.4　产生正弦波　50
4.3　另一种形式的模拟量输出：脉冲宽度调制　51
4.4　mbed开发板上的脉冲宽度调制　52
4.4.1　使用mbed的PWM信号源　52
4.4.2　一些PWM输出实验　53
4.4.3　控制小电机的速度　55
4.4.4　用软件方式产生PWM　55
4.4.5　伺服控制　56
4.4.6　输出到一个压电转换器　57
本章回顾　59
习题　60
参考文献　60
第5章　模拟输入　61
5.1　数模转换　61
5.1.1　模-数转换器　61
5.1.2　范围、分辨率和量化　62
5.1.3　采样频率　64
5.1.4　mbed开发板上的模拟输入　64
5.2　模拟输入和输出混合应用　65
5.2.1　用可变电压控制LED亮度　65
5.2.2　用PWM控制LED亮度　66
5.2.3　PWM频率控制　67
5.3　模拟输入数据的处理　68
5.3.1　在计算机屏幕上显示数值　68
5.3.2　将ADC输出调整到识别范围内　69
5.3.3　采用平均值降低噪声　69
5.4　一些简单的模拟传感器　70
5.4.1　光敏电阻　70
5.4.2　集成电路温度传感器　71
5.5　分析数据转换时间　71
5.6　小项目：二维光跟踪　73
本章回顾　73
习题　74
参考文献　74
第6章　高级编程技术　75
6.1　思考程序设计和程序结构带来的好处　75
6.2　函数　75
6.3　程序设计　76
6.3.1　使用流程图定义代码结构　76
6.3.2　伪代码　77
6.4　在mbed开发板上使用函数　78
6.4.1　实现七段数码管计数器　79
6.4.2　函数重用　80
6.4.3　一个使用函数且更复杂的程序　81
6.5　在C/C++中使用多个文件　83
6.5.1　C/C++程序编译过程概述　83
6.5.2　C/C++预处理器和预处理器指令　84
6.5.3　#ifndef伪指令　85
6.5.4　全局地使用mbed对象　86
6.6　模块化程序示例　86
本章回顾　89
习题　90
第7章　串行通信　91
7.1　同步串行通信简介　91
7.2　串行外围接口　92
7.2.1　SPI简介　93
7.2.2　mbed开发板上的SPI　94
7.2.3　设置mbed SPI主设备　94
7.2.4　创建SPI数据链路　95
7.3　智能仪表和SPI加速器　99
7.3.1　ADXL345加速器简介　99
7.3.2　简单ADXL345程序开发　100
7.4　SPI评估　102
7.5　I2C总线　103
7.5.1　I2C总线简介　103
7.5.2　mbed开发板上的I2C总线　105
7.5.3　设置I2C数据链路　105
7.6　用I2C总线标准的温度传感器通信　108
7.7　SRF08超声波测距仪的使用　110
7.8　I2C总线评估　112
7.9　异步串行数据通信　112
7.9.1　异步串行通信简介　113
7.9.2　mbed开发板上的异步串行通信应用　113
7.9.3　同宿主计算机的同步串行通信应用　116
7.10　小项目：多节点I2C总线　116
本章回顾　116
习题　116
参考文献　117
第8章　液晶显示器　118
8.1　显示技术　118
8.1.1　液晶技术简介　118
8.1.2　液晶字符显示　119
8.2　使用PC1602F LCD　120
8.2.1　PC1602F显示器简介　121
8.2.2　连接PC1602F到mbed开发板　121
8.2.3　LCD接口的模块化编程　122
8.2.4　初始化显示　123
8.2.5　向LCD发送显示数据　124
8.2.6　完整的LCP.cpp定义　125
8.2.7　使用LCD函数　126
8.2.8　向指定位置添加数据　127
8.3　使用mbed开发板的TextLCD库　128
8.4　在LCD上显示模拟输入数据　130
8.5　更先进的LCD　131
8.5.1　彩色LCD　131
8.5.2　控制SPI标准的LCD手机显示屏　132
8.6　小项目：数字水平仪　134
本章回顾　134
习题　135
参考文献　135
第9章　中断、定时器和任务　136
9.1 嵌入式系统中的定时和任务　136
9.1.1 定时器和中断　136
9.1.2 任务　136
9.1.3 事件触发任务和时间触发任务　137
9.2 响应事件触发的事件　137
9.2.1 轮询　137
9.2.2 中断简介　138
9.3 简单的mbed中断　139
9.4 深入理解中断　140
9.4.1 LPC1768中断　142
9.4.2 测试中断延迟　142
9.4.3 禁用中断　143
9.4.4 模拟输入中断　144
9.4.5 中断总结　145
9.5 定时器　145
9.5.1　数字计数器　145
9.5.2 使用计数器作为定时器　146
9.5.3 mbed上的定时器　146
9.6 使用mbed定时器　146
9.6.1 使用多个mbed定时器　147
9.6.2 测试定时器延迟　148
9.7 使用mbed超时　150
9.7.1 超时应用简单示例　150
9.7.2 超时进阶应用　151
9.7.3　用超时测试反应时间　152
9.8 使用mbed断续装置　153
9.8.1 节拍器中使用断续装置　154
9.8.2 思考多任务节拍器程序　156
9.9　实时时钟　157
9.10 开关去除抖动　157
9.11 小项目　159
　9.11.1 独立节拍器　159
　9.11.2 加速度计阈值中断　159
本章回顾　160
习题　160
第10章　存储器与数据管理　161
10.1 存储器综述　161
　10.1.1 存储器功能类型　161
　10.1.2 基本电子存储器类型　161
10.2 使用mbed的数据文件　163
　10.2.1 回顾部分所需的C/C++库函数　164
　10.2.2 定义mbed的本地文件系统　164
　10.2.3 打开和关闭文件　164
　10.2.4 写入和读取文件数据　165
10.3 mbed数据文件存取示例　165
　10.3.1 文件存取　165
　10.3.2 字符串文件存取　166
　10.3.3　使用格式化数据　167
10.4 使用mbed的外部存储器　168
10.5 指针简介　170
10.6 小项目：加速度计阈值的记录　172
本章回顾　173
习题　173
参考文献　173
第二部分　高级和专家级应用
第11章　数字信号处理　176
11.1　数字信号处理器简介　176
11.2　数字滤波示例　176
11.3 mbed DSP示例　178
　11.3.1　数字数据的输入和输出　178
　11.3.2　信号重构　180
　11.3.3　添加一个数字低通滤波器　182
　11.3.4　添加一个激活按钮　183
　11.3.5　数字高通滤波器　184
11.4　延迟/回声效果　184
11.5　使用wave音频文件　187
　11.5.1 波形信息的头部　187
　11.5.2 用mbed读取wave文件的头部　189
　11.5.3　读取、输出单声道wave数据　191
11.6 DSP小结　194
11.7　小项目：立体声播放器　194
　11.7.1　基本功能的立体声播放器　194
　11.7.2　拥有PC接口的立体声播放器　194
　11.7.3　拥有手机显示接口的便携式立体声播放器　194
本章回顾　194
习题　195
参考文献　195
第12章　高级串行通信　196
12.1　高级串行通信协议简介　196
12.2　蓝牙串行通信　196
　12.2.1　蓝牙简介　196
　12.2.2　蓝牙模块RN-41和RN-42的接口　197
　12.2.3 通过蓝牙发送mbed数据　197
　12.2.4　从主机终端应用程序接收的蓝牙数据　199
　12.2.5　两个mbed之间通过蓝牙通信　199
12.3　USB简介　202
　12.3.1　使用mbed模拟USB鼠标　203
　12.3.2　从mbed端发送USB MIDI数据　203
12.4　以太网简介　206
　12.4.1　以太网概述　206通信　207
　12.4.3 mbed之间的以太网通信　209
12.5　用mbed进行本地网络和Internet通信　211
　12.5.1 用mbed作为HTTP客户端　211
　12.5.2　用mbed作为HTTP文件服务器　213
　12.5.3 用远程过程调用修改mbed输出　214
　12.5.4 用远程JavaScript接口控制mbed　216
本章回顾　218
习题　219
参考文献　219
第13章　控制系统　220
13.1　控制系统简介　220
　13.1.1　闭环和开环控制系统　220
　13.1.2　闭环巡航控制示例　221
　13.1.3　比例控制　223
　13.1.4　PID控制　224
13.2　闭环数字罗盘示例　225
　13.2.1　HMC6352数字罗盘的使用　225
　13.2.2　360°旋转伺服系统的实现　227
　13.2.3　闭环控制算法的实现　229
13.3　基于控制器局域网控制数据通信　231
　13.3.1　控制器局域网　231
　13.3.2　mbed上的CAN总线　232
本章回顾　237
习题　237
参考文献　237
第14章　mbed库函数入门　238
14.1　简介　238
14.2　控制寄存器概念　238
14.3　数字输入/输出　240
　14.3.1　mbed数字输入/输出控制寄存器　240
　14.3.2　数字输出的应用　241
　14.3.3　添加第二个数字输出　242
　14.3.4　数字输入　243
14.4　深入了解控制寄存器　244
　14.4.1　引脚功能选择寄存器和引脚模式寄存器　245
　14.4.2　功率控制寄存器和时钟选择寄存器　246
14.5　使用DAC　248
　14.5.1　mbed DAC控制寄存器　248
　14.5.2　DAC的应用　249
14.6　使用ADC　250
　14.6.1　mbed ADC控制寄存器　250
　14.6.2　ADC应用　251
　14.6.3　改变ADC转换速度　253
14.7　控制寄存器使用小结　255
本章回顾　255
习题　256
参考文献　256
第15章　项目扩展　257
15.1　去往何方　257
15.2　mbed Pololu机器人　257
15.3　高级音频项目　258
15.4　物联网　258
15.5　mbed LPC11U24简介　259
15.6　从mbed到实际生产　260
15.7　结束语　262
参考文献　263
附录A　数制系统　264
附录B　C语言基础　269
附录C　mbed技术资料　286
附录D　配件清单　290
附录E　Tera Term终端模拟器　292