了得網工業技術_基於ARM的嵌入式繫統和物聯網開發

內容簡介

本書重點介紹利用ARM?MPEA-平臺開發嵌入式繫統和物聯網，其中NXP LPC1768和K64 F具有快速微控制器、各種數字和模擬I/O、各種串行通信接口和易於使用的基於網絡的編譯器等強大特性，是嵌入開發工程師*受歡迎的工具之一。包含大量的原創開發技術和案例，是開發項目的實用指南。

作者簡介

佩裡·肖（Perry Xiao）博士，英國倫敦南岸大學工程學院副教授，英國Biox Systems有限公司的董事和聯合創始人。他是特許工程師、技術學會會士和高等教育學會會士。近20年來他一直開設電子學、軟件、計算機網絡、無線通信對像等本科和研究生課程。他獲得2項英國專利應用，發表了100餘篇學術論文，擔任9個期刊的編審，獲得了近100萬英鎊的研究基金。

譯者序
前言
部分Arm? Mbed?和物聯網
第1章Arm? Mbed? 2
1.1什麼是嵌入式繫統 2
1.2微控制器和微處理器 3
1.3ARM?處理器架構 6
1.4Arm? Mbed?繫統 8
1.4.1NXP LPC1768 10
1.4.2NXP LPC11U24 13
1.4.3BBC Micro:bit 14
1.4.4Arm? Mbed?以太物聯網入門工具包 16
1.5小結 20
1.6問題 20譯者序
前言
部分Arm? Mbed?和物聯網
第1章Arm? Mbed? 2
1.1什麼是嵌入式繫統 2
1.2微控制器和微處理器 3
1.3ARM?處理器架構 6
1.4Arm? Mbed?繫統 8
1.4.1NXP LPC1768 10
1.4.2NXP LPC11U24 13
1.4.3BBC Micro:bit 14
1.4.4Arm? Mbed?以太物聯網入門工具包 16
1.5小結 20
1.6問題 20
第2章物聯網 21
2.1什麼是物聯網 21
2.2物聯網如何運行 22
2.3物聯網如何改變我們的生活 22
2.4物聯網應用前景 24
2.4.1家居 24
2.4.2醫療 25
2.4.3交通 25
2.4.4能源 25
2.4.5制造 25
2.4.6環境 26
2.5小結 26
2.6問題 26
第3章物聯網驅動技術 27
3.1傳感器和致動器 27
3.2通信 27
3.2.1無線射頻識別（RFID）和近場通信（NFC） 27
3.2.2藍牙低功耗（BLE） 28
3.2.3可見光通信（LiFi） 28
3.2.46LowPAN 29
3.2.5ZigBee 29
3.2.6Z-Wave 29
3.2.7LoRa 30
3.3協議 30
3.3.1超文本傳輸協議 30
3.3.2WebSocket 31
3.3.3消息隊列遙測傳輸 32
3.3.4受限應用層協議 33
3.3.5可擴展消息處理現場協議 33
3.4Node-RED 33
3.5平臺 35
3.5.1IBM Watson物聯網——Bluemix 35
3.5.2Eclipse物聯網 36
3.5.3AWS物聯網 37
3.5.4微軟Azure物聯網套件 37
3.5.5谷歌雲物聯網 38
3.5.6ThingWorx 38
3.5.7GE Predix 39
3.5.8Xively 39
3.5.9macchina.io 39
3.5.10Carriots 39
3.6小結 40
3.7問題 40
第二部分Arm? Mbed?開發
第4章Arm? Mbed?入門 42
4.1簡介 42
4.2所需硬件和軟件 43
4.2.1硬件 43
4.2.2軟件 43
4.3你的個程序：Blinky LED 46
4.3.1將Mbed連接到一臺計算機 46
4.3.2單擊“mbed.htm”登錄 46
4.3.3添加FRDM-K64F平臺到編譯器 46
4.3.4導入一個已有程序 48
4.3.5編譯、下載並運行程序 49
4.3.6下載並運行其他已有程序 49
4.4創建你自己的程序 50
4.5C/C++編程語言 50
4.6函數與模塊化編程 50
4.7管理平臺 53
4.8復制你的程序 55
4.9搜索和替換 56
4.10編譯可在多平臺運行的程序 57
4.11刪除你的程序 58
4.12災備流程 58
4.13更新固件 58
4.14幫助 60
4.15小結 61
第5章輸入和輸出 62
5.1數字輸入和輸出 62
5.1.1數字輸入 62
5.1.2數字輸出 64
5.1.3總線輸入（BusIn）、總線輸出（BusOut）、總線輸入和輸出（BusInOut） 69
5.2模擬輸入和輸出 70
5.2.1模擬輸入 70
5.2.2模擬輸出 71
5.3脈寬調制 74
5.4加速計和磁力計 76
5.5SD卡 82
5.6本地文件繫統（LPC1768） 84
5.7中斷 85
5.8小結 86
第6章數字接口 87
6.1串行接口 87
6.2串行外圍接口 90
6.3內部集成電路 91
6.4控制器局域網 93
6.5小結 95
第7章網絡與通信 96
7.1以太網 96
7.2以太網網頁客戶端和網頁
服務器 100
7.3TCP接口和UDP接口 103
7.4WebSocket 106
7.5WiFi 109
7.6小結 112
第8章數字信號處理和控制 113
8.1低通濾波器 113
8.2高通濾波器 116
8.3帶通濾波器 118
8.4帶阻濾波器和陷波濾波器 120
8.5快速傅裡葉變換 123
8.6比例積分微分控制器 133
8.7小結 136
第9章調試、計時器、多線程和實時編程 137
9.1調試 137
9.2計時器、超時、斷續器、時間 138
9.3網絡時間協議 142
9.4多線程和實時編程 143
9.5小結 148
第10章庫與程序 149
10.1導入庫和程序 149
10.2導出你的程序 150
10.3編寫你自己的庫 152
10.4發布你的庫 156
10.5發布你的程序 157
10.6版本控制 160
10.7協作 166
10.8更新你的庫和程序 171
10.9小結 172
第三部分物聯網入門工具包和物聯網應用
第11章Arm? Mbed?以太物聯網入門工具包 174
11.1128×32 LCD 174
11.2控制杆 175
11.3兩個電位計 176
11.4揚聲器 177
11.5三軸加速計 178
11.6LM75B溫度傳感器 179
11.7RGB LED 179
11.8小結 180
第12章Arm? Mbed? 物聯網應用 181
12.1基於互聯網的溫度監測 181
12.2智能照明 189
12.3聲控門禁 194
12.4RFID讀寫器 200
12.5基於IBM Watson Bluemix的雲示例 204
12.5.1IBM快速入門服務 205
12.5.2IBM注冊服務（Bluemix） 206
12.5.3將IBM Watson物聯網服務添加到應用中 213
12.5.4將Mbed設備添加到Watson物聯網架構 216
12.5.5將證書添加到Mbed設備 218
12.5.6將IBM物聯網Watson應用連接到Mbed設備 220
12.5.7從IBM物聯網Watson應用發送命令到Mbed板 222
12.5.8更多關於Node-RED 225
12.6實時信號處理 230
12.7小結 235
第四部分附錄
附錄A示例代碼 238
附錄BHiveMQ MQTT代理 241
附錄C樹莓派Node-RED 250
附錄

前言

很多年前次從同事那裡拿到Arm? Mbed? LiB工具的時候，我的激動之情難以掩飾。它是一個由ARM大學計劃捐贈的NXP LPC1768開發板。Arm? Mbed?的主要特征是可通過一個網頁瀏覽器在線編寫和編譯代碼，這讓我耳目一新。我畢生都在用各種微控制器。在20世紀80年代，我做本科畢業設計時，我研究的課題是使用Intel 8051單芯片微控制器進行激光能量控制。這其中的概念非常簡單：從激光能量監測器上讀取電壓值，並與期望值進行對比，計算所需調整值後反饋給激光器，從而增加或減少激光輸出。但是我們必須設計和制作自己的印制電路板，編寫代碼，並在8051微控制器上運行。那時，單片機編程不是一項簡單的任務，需要用彙編語言編寫程序。那時我們經常在實驗室通宵調試代碼。因此我曾使用過許多基於微控制器的嵌入式繫統，可以說經歷很豐富。有些嵌入式繫統使用非常不方便，必須下載軟件、下載工具鏈等。用我學生的話來說，得要一名博士生纔能使編譯器軟件得以運行。代碼也很復雜，需要配置寄存器和配置端口。即使生成無數行代碼都不夠！很多年前次從同事那裡拿到Arm? Mbed? LiB工具的時候，我的激動之情難以掩飾。它是一個由ARM大學計劃捐贈的NXP LPC1768開發板。Arm? Mbed?的主要特征是可通過一個網頁瀏覽器在線編寫和編譯代碼，這讓我耳目一新。我畢生都在用各種微控制器。在20世紀80年代，我做本科畢業設計時，我研究的課題是使用Intel 8051單芯片微控制器進行激光能量控制。這其中的概念非常簡單：從激光能量監測器上讀取電壓值，並與期望值進行對比，計算所需調整值後反饋給激光器，從而增加或減少激光輸出。但是我們必須設計和制作自己的印制電路板，編寫代碼，並在8051微控制器上運行。那時，單片機編程不是一項簡單的任務，需要用彙編語言編寫程序。那時我們經常在實驗室通宵調試代碼。因此我曾使用過許多基於微控制器的嵌入式繫統，可以說經歷很豐富。有些嵌入式繫統使用非常不方便，必須下載軟件、下載工具鏈等。用我學生的話來說，得要一名博士生纔能使編譯器軟件得以運行。代碼也很復雜，需要配置寄存器和配置端口。即使生成無數行代碼都不夠！
令我印像深刻的兩個嵌入式繫統是樹莓派和Arduino。樹莓派價格優惠，規格緊湊，隻有信用卡那麼大。這是一個很好的用於學習計算和編碼的工具包，它采用的是基於Debian的、完整的Linux操作繫統和圖形用戶界面。但是對於很多學生項目來說，並不需要一個完整的操作繫統，而且缺少模數轉換器和數模轉換器也是很大的缺點。Arduino的價格和規格也很有優勢，但令我印像深刻的是它在硬件和軟件上的簡易性。我曾經讀過很多所謂的“24小時”書，而Arduino是真正的你能夠在24小時內就學會的東西。它就是那麼簡單。但是，它隻有有限的存儲容量，也就意味著你不能寫太長的程序，10位模數轉換器在諸多應用中常被證明是不夠用的。
因此，當我向學生們介紹Arm? Mbed? NXP LPC1768開發板時，他們很快就喜歡上了它。他們喜歡基於網頁的編譯器。正是因為不需要在電腦上下載和安裝任何軟件就可以運行，它讓生活變得簡單了許多，代碼也更簡單和易於理解，真是太棒了。正如Arm? Mbed? 網站上所述，隻需30秒即可從盒子裡獲取開發板，並運行一個應用，無須安裝任何軟件！
Arm? Mbed? NXP LPC1768是常用的單片機開發板之一，被學生和電子愛好者廣泛應用。它基於32位ARM? Cortex? -M3微控制器，擁有96 MHz主頻速度，512 KB閃存，32 KB內存，而且重要的是，它有12位數模轉換器。相比於Arduino，它的功能更強大，運行速度更快。它還有很多類型的接口，包括以太網、USB、CAN、SPI、I2C、DAC、PWM，以及其他I/O接口。
但是，32位ARM? Cortex? -M3微控制器已經逐漸走向了被淘汰的邊緣，它將被32位ARM? Cortex? -M4微控制器取代。因此本書將重點關注新型的、令人期待的Arm? Mbed?以太物聯網入門工具包，包括Arm? Mbed? NXP FRDM-K64F開發板和一個應用板。Arm? Mbed? NXP FRDM-K64F是新一代旗艦開發板，基於ARM? Cortex? -M4微控制器，CPU頻率高達120 MHz，1024 KB閃存，256 KB內存，並驚人地擁有2個16位模數轉換器。它比NXP LPC1768速度更快，功能更強大。它還有數模轉換器和計時器，以及其他接口如以太網、非透明USB設備和串行接口。Arm? Mbed?以太物聯網入門工具包是一個基於雲的開發工具包，由ARM公司和IBM公司聯合開發。它可為用戶提供靈活的體驗，用戶可以順暢地從開發板的傳感器上發送數據到IBM雲。它可以讓用戶通過IBM BlueMix平臺進入IBM雲應用。它尤其適合沒有特定嵌入式或網頁開發經驗的用戶，因為它提供了一種學習新理念和創建工作原型的平臺。用戶還可以對入門工具包硬件進行修改，以便滿足個性需求。
由於擁有後向兼容性，許多示例代碼也適用於NXP LPC1768開發板及其Mbed應用板。
在編寫本書的時候，Arm? Mbed?剛發行了版本Arm? Mbed?操作繫統5.7，這個版本與之前的Mbed 操作繫統3.0和2.0相比，有很多變化。本書主要基於Arm? Mbed?操作繫統5.7，關於該新操作繫統的更多詳情可參考Arm? Mbed?文檔網站（https://os.mbed.com/docs）。
我非常喜歡運用Arm? Mbed?開發板，希望你們也能喜歡。
本書結構
本書旨在教授學生如何運用Arm? Mbed?開發板設計和開發嵌入式繫統以及物聯網應用。本書分為四個部分。
部分：Arm? Mbed?和物聯網（第1～3章），介紹嵌入式繫統、微控制器和微處理器、Arm?架構和Arm? Mbed?繫統。同時對物聯網進行了介紹，包括物聯網應用和物聯網驅動技術。
第二部分：Arm? Mbed?開發（第4～10章），介紹如何入門Arm? Mbed?開發，以及如何進行模擬輸入/輸出、數字輸入/輸出、通信接口、調試、在線庫和項目管理。
第三部分：物聯網入門工具包和物聯網應用（第11～12章），介紹Arm? Mbed?以太物聯網入門工具包和物聯網應用實例。
第四部分：附錄，包括附錄A（示例代碼）、附錄B（HiveMQ MQTT代理）、附錄C（樹莓派Node-RED）、附錄D（字符串和數組運算）和附錄E（常用在線資源）。
讀者對像
本書適合嵌入式繫統開發工程師、電子工程專業本科生或研究生，以及電子愛好者閱讀。讀者需知曉一些基本的計算機運行原理，並能夠很好地使用計算機，如打開電腦、登錄、運行一些程序和從USB存儲器與計算機上雙向拷貝文件。
讀者需曾接觸過一些電子器械，如電路試驗板、電線、電阻器、電源和LED。讀者還需有一些編程經驗（好是C/C++，不過其他語言也可以），了解基本的語法、不同類型的變量、條件選擇、循環和子程序。若還擁有一些關於微控制器的知識和經驗更好，不過這不是必需的。
後，讀者需了解一些關於計算機網絡和互聯網的基本概念，如理解IP地址和端口號碼的概念，知道如何找到一臺計算機的IP地址，能夠使用一些常用的互聯網服務，如萬維網、郵箱、下載/上傳文件、在線音頻、在線視頻，甚至一些雲服務。
本書既可用作核心教材，也可用作背景閱讀材料。
建議先讀材料
電子學
Electronics All-in-One for Dummies, 2nd edition, Doug Lowe, ISBN: 978-1-119-32079-1, March 2017.
C/C++編程：
Beginning Programming with C for Dummies, Dan Gookin, ISBN: 978-1-118-73763-7, November 2013.
C++ Primer, 5th edition, Stanley B. Lippman, Josée Lajoie, Barbara E. Moo, Addison Wesley, ISBN: 978-0-321-71411-4, August 2012.
計算機網絡和互聯網：
Computing Fundamentals: Digital Literacy Edition, Faithe Wempen with Rosemary Hattersley, Richard Millett, Kate Shoup, ISBN: 978-1-118-97474-2, August 2014.
Understanding Data Communications: From Fundamentals to Networking, 3rd edition, Gilbert Held, ISBN: 978-0-471-62745-6, October 2000.
關於所需設備
學習本書，你需要準備：
Arm? Mbed?以太物聯網入門工具包
NXP FRDM-K64F開發板
Mbed應用板
帶跨接線的電路試驗板
各種傳感器
數字或模擬示波器（可選）
NXP LPC1768開發板及其應用板（可選）
樹莓派（http://www.raspberrypi.org/）（可選）
Java JDK軟件（http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/index.html）
Python軟件（http://www.python.org/downloads/）（可選）
致謝
誠摯地感謝Wiley出版社給我這次機會，也感謝Ella Mitchell的堅持和耐心，使得本書得以面世。
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