本书是美国西北大学机电一体化系列课程的教材，选择PIC32MX795F512H微控制器 + NU32开发板，基础知识部分重点讲解PIC32的硬件、C语言编程以及与传感器和执行机构的接口，应用部分关注机电一体化技术，包括传感器、传动装置和电机的选择等。各章节全面融合PIC32参考手册、数据表、XC32 C编译器用户指南、Harmony帮助文档等内容，并配有丰富的教辅资源，适合PIC32初学者、Arduino爱好者以及对传感器和嵌入式控制感兴趣的技术人员阅读。
无
本书是一本关于Microchip 32位PIC32微控制器的图书，主要包括PIC32微控制器的硬件、C语言编程以及与传感器和执行机构相关的接口技术。本书还涵盖有关机电一体化的主题，如电机理论、电机传动装置的选择，以及对数字信号处理和反馈控制的实用介绍。本书适合下列读者：
Microchip 32位PIC32微控制器的初学者。Microchip的说明文档可能难以快速读懂，因此在刚开始学习时，希望读者能够阅读本书。
准备深入探索Arduino的业余爱好者。Arduino软件及其大型用户支持社区，允许用户在Atmel微控制器中快速启动和运行。但是，对Arduino软件的过分依赖会阻碍用户对微控制器性能的充分利用或理解。
机电一体化领域的老师和学生。本书提供了大量的练习题、在线资料和相关套件，旨在支持机电一体化应用的入门级、高级、翻转课程或者线上课程。
对机电一体化、执行机构、传感器和嵌入式控制感兴趣的人员。
内容概览
本书内容源于美国西北大学的机电一体化系列课程“ME 333机电一体化导论”和“ME 433高级机电一体化”。在ME 333课程中，学生会学习PIC32硬件、PIC32的C语言基础编程、基本外设的使用，以及PIC32与传感器和执行机构的接口技术。对于ME 433课程，本书的其余内容可以作为项目小组的参考资料。该系列课程适合大学二年级到研究生阶段的学生阅读。学习该课程的唯一要求是有电路分析和设计的预备知识，而C语言编程经验不是必需的。虽然C语言编程经验有助于更快地学习课程，但是我们决定不作要求，以满足对该课程内容感兴趣的广大学生的阅读需要。为了部分地弥补C语言编程经验（从专家级到无经验）的差异，在ME 333课程中提供了为期两周的强化学习，重点介绍C语言的基本概念和语法。我们还会通过同伴指导来促进学生间的互相学习。
本书的目标与西北大学的机电一体化系列课程是一致的，主要包括：
使用现代32位架构的PIC32微控制器，为初学者提供对微控制器的科学介绍；
首先概述微控制器硬件，让读者坚信微控制器编程在与硬件连接、实现时会更有效；
提供对PIC32专业级C语言编程的清晰理解，为使用Microchip文档和其他高级参考资料进一步探索PIC32的性能打下基础；
提供关于PIC32主要外设和特性的参考资料和示例代码；
帮助读者理解电机运行和控制理论；
讲授微控制器外设与传感器、电机的接口技术。
为了实现这些目标，本书分成以下四个主要部分：
1. 快速入门。这个部分由第1章构成，可以让学生很快熟悉和运行PIC32微控制器。
2. 基础知识。在快速入门后，基础知识部分包括5章，即第2～6章，探讨PIC32微控制器的硬件、C语言编程过程、代码与硬件的连接、函数库的使用以及实时嵌入式计算的两个重要主题（中断和代码的时间效率与空间效率）。为了快速过渡到后面的章节以及从其他参考资料（如Microchip的PIC32参考手册、数据表和XC32 C/C++编译器用户指南）中获益，在这些章节上投入时间是值得的。
3. 外设参考。该部分由第7～20章构成，给出了不同外设在PIC32微控制器中的具体操作、示例代码和应用。尽管我们推荐按顺序阅读，如数字输入/输出、计数器/定时器、输出比较以及模拟输入，但是读者也可以以任意顺序阅读。在外设参考部分的最后，给出了Harmony架构的介绍，这是Microchip为PIC32微控制器高级编程研发的最新架构。
4. 机电一体化应用。该部分由第21～29章构成，聚焦于传感器与微控制器的接口技术、数字信号处理、反馈控制、有刷直流电机理论、电机的选择与传动装置、微控制器的控制以及无刷电机、步进电机、伺服电机等其他执行机构。
在ME 333课程中，涵盖了C语言速成、快速入门、基础知识，以及从外设参考资料中选择的一些主题（如数字输入/输出、计数器/定时器、输出比较/PWM和模拟输入），并从机电一体化应用中选择了简单的传感器接口、直流电机理论、电机的选择与传动装置、直流电机的控制等内容。其他章节用作ME 433课程以及学生从事其他项目的参考资料。
本书的选择
针对ME 333课程中的机电一体化教学所进行的一些选择，体现在本书的编排中。我们选择内容的第一个原则是，向学生展示集成传感器、执行机构和微控制器的主题，同时又克服大多数学生在机电一体化课程中只有一门或两门选修课程的限制。内容选择的第二个原则是，用最少的篇幅来教授一名机电一体化工程师所需的知识。例如，我们不会从计算机工程师的角度去讲授微控制器的结构，因为机电一体化工程师不太可能去设计微控制器。另一方面，我们也不依赖抽象的软件和硬件，从必要的概念到超出业余爱好者水平的进阶，一切都在初级机电一体化工程师可掌握的范围内。秉持这些原则和理念，下面给出为ME 333课程和本书所做的一些选择。
微控制器vs.传感器和执行机构。机电一体化工程集成了传感器、执行机构和微控制器。只要给学生提供微控制器开发板和示例代码，就可以让他们聚焦于传感器和执行机构。然而，在ME 333课程中，我们用大约50%的课时去理解微控制器的软硬件。这种选择承认了微控制器在机电一体化中的基础作用，同时，机电一体化工程师必须要学会编程。
微控制器厂商的选择。市场上有许多不同特性的微控制器。生产厂商包括Microchip、
Atmel、Freescale、Texas Instruments、STMicroelectronics以及许多其他厂商。特别是Atmel的微控制器，专门使用在Arduino开发板上。由于Arduino提供大型的在线用户支持社区、大量的附加板和用户开发的软件库，所以被业余爱好者、K-12以及大学课程广泛使用。本书选择流行的商用Microchip PIC系列微控制器，避免了与Arduino同义的高级软件抽象。（Arduino被用于西北大学的其他课程，尤其是只需少量机电一体化设计的产品原型的快速开发。）
微控制器型号的选择。Microchip的微控制器产品线拥有数百个不同型号且包括8位、16位和32位架构，我们选择了现代的32位架构。本书不打算介绍所有的PIC32型号（写作本书时已有6个不同的PIC32系列），而是专注于一个特定型号PIC32MX795F512H。原因主要有：（1）这是一款功能强大的芯片，拥有大量的外设和内存（128KB的数据RAM和512KB的程序闪存）；（2）选择单个芯片使我们能集中精力研究其中的操作细节。在学习如何关联硬件和软件时，这是非常重要的。（Microchip文档提供了许多异常和特殊案例。Microchip文档难以阅读的原因之一是，它是适用于所有通用的PIC32系列的参考手册，或者适用于PIC32中某一个特定系列的数据表。）读者一旦掌握了某个特定PIC32的操作，那么再来学习其他不同PIC32型号的差异就不会太难了。
编程语言：C++ vs. C语言vs.汇编语言。C++是一种相对高级的语言，C是较低级语言，而汇编语言也是较低级的。我们选择用C语言编程，是因为C语言的可移植性，这既保持了相对接近于汇编语言的级别，又可以最小化由C++带来的抽象性。
集成开发环境vs.命令行。MPLAB X是Microchip为PIC系列微控制器的软件开发提供的集成开发环境（IDE）。在本书中我们为什么要避免使用它呢？因为我们认为，它隐藏了一些关键的步骤，这对于理解程序代码如何转换为PIC32中的可执行文件至关重要。本书中的代码是用文本编辑器编写的，C语言编译器是在命令行中调用的。显然，这里没有任何的隐藏步骤。一旦掌握了本书前几章的知识，MPLAB将不再那么神秘。
使用还是不使用Harmony软件。Microchip提供了大量的中间件库、设备驱动程序、系统服务程序和其他软件，以支持所有的PIC32型号。该软件的一个目标是，允许编写适用于不同PIC32型号的可移植程序。然而，为了实现这一目标，需要引入大量的抽象内容，将读者编写的代码与实际的硬件实现分离开来。这对于PIC32的学习是不利的。相反，我们使用低级软件命令来控制PIC32的外设，从而强化了本书、数据表和参考手册中的硬件文档。只有在使用更复杂的外设时，我们才使用Harmony软件，比如在第20章的USB通信中。
使用示例代码还是自己编写代码。学习编程PIC32的有效方法是，使用可正常运行的示例代码并尝试修改它，以执行其他任务。在通常情况下，除非修改代码失败，否则你并不知道该做什么，这是正常现象。本书中提供了大量的示例代码，同时也将重点放在编程PIC32时所需的基础知识上，以便学习从零开始编写代码以及在代码出错时的调试方法（如图0-1所示）。
图0-1 PIC32编程能力关于时间的变化轨迹（常用的复制和修改方法与本书中基础方法的比较）。两条曲线在几个星期内就会发生交叉
综上所述，可以简洁地总结这些选择所代表的哲理：没有魔法步骤！你应该知道自己编写的代码是如何运行的，为什么能够运行，以及它是如何与硬件连接的。你不应该只是简单地修改那些模糊和抽象的代码，也不应该使用一个神秘的IDE去编译代码，更不应该期待有最好的效果。
NU32开发板
NU32开发板是专门用来支持本书内容的。如果没有NU32开发板，那么阅读本书依然可以学到大量关于PIC32工作原理的知识。然而，我们强烈建议你使用NU32开发板和机电一体化套件，这样可以更加顺利地再现本书的示例。
为了保持“没有魔法”的学习理念，NU32开发板的主要功能是将PIC32MX795F512H的引脚分解到一个无焊原型的面包板上，这样可以轻松地连接引脚。另外，我们会尽量保持开发板的基本框架，并且尽可能地控制成本，同时将需要外接的电路留给读者去完成。为了尽可能快地启动并运行，NU32开发板仍然为PIC32提供了少量的外接元器件：两个LED和两个按钮可用于简单的人机交互；3.3V稳压器可为PIC32提供电源；5V稳压器用来提供常用的电源电压；一个振荡器用来提供时钟信号；一个USB-UART转换芯片用来简化计算机与PIC32之间的通信。
NU32开发板上的PIC32带有预装的引导加载程序，允许你仅使用USB连线就可以对PIC32进行编程。此外，也可以使用编程器设备（如PICkit 3）对NU32开发板进行编程。相关内容请参阅3.6节。
如何在课程中使用本书
从根本上讲，机电一体化是一门综合性学科，需要掌握微控制器、编程、电路设计、传感器、信号处理、反馈控制和电机等方面的知识。本书包含了对这些主题的实用介绍。
然而，鉴于大多数学生在学习机电一体化时仅选修其中的一门或两门课程，因此本书并没有深入地研究线性系统、电路分析、信号处理、控制理论等基础课题的数学理论。取而代之的是，通过展示一些实际应用来激发学生未来对这些学科的理论学习产生兴趣。
因此，学生只需具备电路和编程的基础知识，就可以学习本书。在西北大学，学生在大三时就可以学习ME 333的课程了。ME 333课程需要11周的学习时间，课程内容依次包括：
C语言速成课程。（大约2周时间。）
第1～6章，阐述PIC32微控制器的硬件和软件基础。（大约3周时间。）
第7～10章，涵盖数字输入/输出、计数器/定时器、输出比较/PWM以及模拟输入。这些内容主要作为后面作业的参考。
第23章和第24章，这是关于反馈控制以及使用光电晶体管对LED亮度进行PI控制的内容。这是学生使用PIC32进行嵌入式控制的第一个项目，也是最终项目的热身项目。（大约2周时间。）
第25章是关于有刷直流电机的理论和实验特性的内容。（大约1周时间。）
第21章是关于编码器和电流感应的介绍，第27章和第28章是关于直流电机控制的介绍。第27章介绍了专业直流电机控制系统中的所有硬件和软件，包括带有外环运动控制器和内环电流控制器的嵌套环控制系统。第28章是专门阐述项目设计方法的，通过一个软件设计项目来引导学生开发一个与MATLAB菜单系统进行交互的电机控制系统。这个特色项目始于专业的电机放大器设计，并且融合了PIC32、C语言编程、有刷直流电机、反馈控制，以及传感器和执行机构与PIC32之间的接口知识。（大约3周时间。）
这是一个非常充实的学期（约11周）。如果学生在课程开始之前就了解了C语言，那么就不会感到太紧张。
西北大学的ME 333课程是一个翻转课堂。学生可以根据自己的时间观看带文本说明的视频，然后在课堂上完成作业和项目，而教师和助教则会帮忙回答问题。上课时，学生要带上笔记本电脑和便携式机电一体化套件。这个套件包括一台便宜的函数发生器和示波器nScope，可以使用笔记本电脑作为显示器。因此在ME 333课程中，学生只需要使用教室和宿舍，而不需要使用实验室设施。他们在课堂上一起学习，但每名学生需要独自完成作业。ME 433的后续课程聚焦于更多的开放式机电一体化项目，并会大量使用全天候为学生开放的机电一体化实验室。
对于15周的学期，课程还会花上2周的时间来学习不同的传感器技术（见第21章）和传感器数据的数字信号处理（见第22章）。此外，还需要1周时间来搭建最终的电机控制项目（见第28章），从而让学生可以尝试各种扩展实验。如果时间允许，可以参阅第29章中介绍的其他常见执行机构，如步进电机、RC伺服电机和无刷电机。
对于两个季度或者两个学期的课程来说，第二门课程可以专注于开放式的团队设计项目，这类似于西北大学的ME 433课程，本书可以作为参考资料。其他合适的参考内容包括通信协议和支持PIC32外设（如UART、SPI、I2C、USB和CAN）等。
网站、视频和翻转课堂
本书网站www.nu32.org提供了可下载的数据表、示例代码、PCB布局图和电路原理图、章节扩展、勘误表以及其他有用的信息和更新。网站上还链接了许多章节的总结性小视频。正如ME 333课程一样，这些视频可以用来翻转传统的教室，允许学生在家里观看讲座，利用上课时间提出问题和完成项目。
其他PIC32参考资料
本书的一个目标是以逻辑方式来为初学者组织Microchip参考资料，另一个目标是让读者学会自己解析Microchip文档。这种能力可帮助你继续提高超越本书范围的PIC32编程能力。读者应该下载并准备好如下所述的前两个参考文献，其他资料根据个人需要自行选择。这些参考资料的总结如图0-2所示。
PIC32参考手册。参考手册为所有的PIC32系列提供了软件和硬件描述，以至于读者有时会被它们的通用性所迷惑。然而，它们确实是详细理解PIC32功能的绝佳资料。其中有些章节（特别是后面的章节）专注于介绍PIC32MZ，这与PIC32MX795F512H
不相关。
图0-2 其他参考资料及其对应的PIC32型号
PIC32MX5xx/6xx/7xx系列数据表。该数据表为PIC32MX5xx/6xx/7xx系列提供了详细信息。特别是数据表的存储器组织阐明了哪些特殊功能寄存器（SFR）包含在PIC32MX795F512H中，以及参考手册中的哪些功能适用于该型号。
（可选）Microchip MPLAB XC32 C编译器用户指南，汇编器、连接器和实用程序用户指南。这些资料都随XC32 C编译器一起安装，因此无须单独下载。
（可选）MPLAB Harmony帮助文档。在需要使用Harmony软件开始编写更加复杂的代码时，这份伴随Harmony安装的文档会很有帮助。
（可选）MIPS32架构的程序员手册和其他MIPS32文档。如果对在PIC32MX795F512H中使用的MIPS32 M4K CPU及其汇编语言指令集感兴趣，那么可以在网上找到相关的在线资料。
致谢
本书的出版得益于多年来西北大学ME 333课程中许多学生和助教的反馈，特别是Alex Ansari、Philip Dames、Mike Hwang、Andy Long、David Meyer、Ben Richardson、Nelson Rosa、Jarvis Schultz、Jian Shi、Craig Shultz、Matt Turpin和Zack Woodruff的帮助。
计算机/嵌入式
本书基于Microchip PIC32微控制器，基础知识部分重点讲解PIC32的硬件、C语言编程以及与传感器和执行机构的接口，应用部分关注机电一体化技术，包括传感器、传动装置和电机的选择等。相比于复杂的器件手册，本书更适合新手阅读，可实现快速入门和进阶。各章节全面融合PIC32参考手册、数据表、XC32 C编译器用户指南、Harmony帮助文档等内容，选择PIC32MX795F512H + NU32开发板，专注于单一型号并深入其操作细节，强调基础，易于实践，而且配有丰富的教辅资源。
本书特色
·面向机电一体化工程师。在美国西北大学，本书是机电一体化系列课程的教材，核心是机电一体化工程师的必备知识，而非计算机工程师侧重的微控制器设计，因此也适合作为Arduino爱好者和嵌入式工程师的参考读物。
·消除学习中的“魔法步骤”。采用命令行而非集成开发环境，不隐藏任何关键步骤，帮助读者从零开始学会编写和调试代码，从而透彻理解代码如何运行、为何能够运行以及如何实现与硬件的连接。
·实用的在线学习资源。本书网站www.nu32.org免费提供代码、数据表、PCB布局图和扩展章节，以及可用于翻转课堂的教学视频等资源，读者亦可继续探索相关参考手册，进一步提高PIC32编程能力。
前 言
第一部分 快速入门
第1章 快速入门 2
1.1 编程资源 2
1.2 编译bootloader程序 5
1.3 编译第一个程序 6
1.4 加载第一个程序 7
1.5 使用make命令 8
1.6 小结 12
延伸阅读 12
第二部分 基础知识
第2章 硬件 14
2.1 PIC32微控制器 14
2.2 NU32开发板 23
2.3 小结 26
2.4 练习题 26
延伸阅读 28
第3章 软件 29
3.1 虚拟内存映射 29
3.2 示例：simplePIC.c 30
3.3 编译过程 31
3.4 PIC32复位过程 33
3.5 理解simplePIC.c 34
3.6 引导加载程序与独立程序 43
3.7 编译小结 44
3.8 实用命令行工具 46
3.9 小结 47
3.10 练习题 47
延伸阅读 48
第4章 函数库 49
4.1 创建talkingPIC 50
4.2 NU32函数库 51
4.3 引导加载程序 52
4.4 LCD函数库 53
4.5 Microchip函数库 55
4.6 自定义函数库 56
4.7 小结 56
4.8 练习题 57
延伸阅读 57
第5章 执行时间和存储空间 58
5.1 编译器优化 58
5.2 执行时间和反汇编文件 59
5.3 存储空间和映射文件 66
5.4 小结 70
5.5 练习题 71
延伸阅读 75
第6章 中断 76
6.1 概述 76
6.2 详述 77
6.3 配置和使用中断的步骤 84
6.4 示例代码 85
6.5 小结 92
6.6 练习题 93
延伸阅读 95
第三部分 外设参考
第7章 数字输入和输出 98
7.1 概述 98
7.2 详述 100
7.3 示例代码 102
7.4 小结 103
7.5 练习题 104
延伸阅读 104
第8章 计数器/定时器 105
8.1 概述 105
8.2 详述 107
8.3 示例代码 110
8.4 小结 113
8.5 练习题 113
延伸阅读 113
第9章 输出比较 114
9.1 概述 114
9.2 详述 115
9.3 示例代码 118
9.4 小结 121
9.5 练习题 121
延伸阅读 123
第10章 模拟输入 124
10.1 概述 124
10.2 详述 127
10.3 示例代码 130
10.4 小结 135
10.5 练习题 136
延伸阅读 136
第11章 UART 137
11.1 概述 137
11.2 详述 139
11.3 示例代码 141
11.4 使用XBee模块进行无线通信 152
11.5 小结 152
11.6 练习题 153
延伸阅读 153
第12章 SPI通信 154
12.1 概述 154
12.2 详述 155
12.3 示例代码 158
12.4 小结 165
12.5 练习题 166
延伸阅读 166
第13章 I2C通信 167
13.1 概述 167
13.2 详述 169
13.3 示例代码 171
13.4 小结 186
13.5 练习题 186
延伸阅读 186
第14章 并行主端口 187
14.1 概述 187
14.2 详述 188
14.3 示例代码 189
14.4 小结 194
14.5 练习题 194
延伸阅读 194
第15章 输入捕获 195
15.1 概述 195
15.2 详述 196
15.3 示例代码 197
15.4 小结 199
15.5 练习题 199
延伸阅读 199
第16章 比较器 200
16.1 概述 200
16.2 详述 200
16.3 示例代码 202
16.4 小结 204
16.5 练习题 204
延伸阅读 204
第17章 休眠、空闲和看门狗定时器 205
17.1 概述 205
17.2 详述 206
17.3 示例代码 207
17.4 小结 209
17.5 练习题 209
延伸阅读 209
第18章 闪速存储器 210
18.1 概述 210
18.2 详述 211
18.3 示例代码 212
18.4 小结 217
18.5 练习题 217
延伸阅读 217
第19章 控制器局域网络 218
19.1 概述 218
19.2 详述 220
19.3 示例代码 228
19.4 小结 232
19.5 练习题 233
延伸阅读 233
第20章 Harmony模块及其USB接口应用 234
20.1 概述 234
20.2 框架 235
20.3 PLIB函数库 237
20.4 Harmony概念 239
20.5 驱动程序 240
20.6 系统服务程序 251
20.7 程序结构 255
20.8 USB 260
20.9 小结 277
20.10 练习题 277
延伸阅读 277
第四部分 机电一体化应用
第21章 传感器 280
21.1 接触传感器：按钮和开关 280
21.2 光敏传感器 281
21.3 转动关节的角度 284
21.4 移动关节的位置 288
21.5 加速度和角速度：陀螺仪、加速度计和惯性测量装置 289
21.6 磁场感应：霍尔效应传感器 291
21.7 距离 292
21.8 压力 293
21.9 温度 294
21.10 电流 295
21.11 GPS 296
21.12 练习题 296
延伸阅读 297
第22章 数字信号处理 298
22.1 采样信号和混叠 298
22.2 离散傅里叶变换 300
22.3 有限脉冲响应数字滤波器 306
22.4 无限脉冲响应数字滤波器 319
22.5 基于FFT的滤波器 320
22.6 PIC32的DSP函数库 322
22.7 练习题 330
延伸阅读 331
第23章 PID反馈控制 332
23.1 PID控制器 333
23.2 PID控制器的变体 335
23.3 增益调节的经验方法 336
23.4 基于模型的控制 337
23.5 小结 338
23.6 练习题 339
延伸阅读 340
第24章 LED亮度的反馈控制 341
24.1 电路的接线和测试 342
24.2 通过OC1为LED供电 343
24.3 生成开环PWM波形 343
24.4 与MATLAB建立通信 344
24.5 在MATLAB中利用数据绘图 344
24.6 写入LCD屏幕 348
24.7 读取ADC 348
24.8 PI控制 348
24.9 其他特性 349
24.10 小结 349
24.11 练习题 349
第25章 有刷永磁直流电机 350
25.1 电机的物理知识 350
25.2 控制方程 354
25.3 速度-转矩曲线 355
25.4 摩擦力和电机效率 358
25.5 电机绕组和电机常数 360
25.6 其他电机特性 361
25.7 电机数据表 362
25.8 小结 365
25.9 练习题 366
延伸阅读 370
第26章 传动装置和电机选择 371
26.1 传动装置 371
26.2 电机和减速器的选择 375
26.3 小结 377
26.4 练习题 377
延伸阅读 378
第27章 直流电机控制 379
27.1 H桥和脉宽调制 379
27.2 直流电机的运动控制 387
27.3 小结 391
27.4 练习题 391
延伸阅读 393
第28章 电机控制项目 394
28.1 硬件 394
28.2 软件概述 395
28.3 软件开发技巧 400
28.4 基本步骤 403
28.5 扩展设计 419
28.6 小结 420
28.7 练习题 420
第29章 其他执行机构 421
29.1 螺线管 421
29.2 扬声器和音圈执行机构 422
29.3 RC伺服电机 423
29.4 步进电机 424
29.5 无刷直流电机 428
29.6 线性无刷电机 439
29.7 小结 439
29.8 练习题 439
延伸阅读 440
