2024年5月22日发(作者：普新洁)
2009
年
1
月
第
1
期
电子测试
ELECTRONICTEST
Jan.2009
No.1
SPI
总线数据远距离传输实现
梁德坚
,
刘玉琼
(
柳州运输职业技术学院 柳州
545007
)
摘 要
:SPI
总线是一种应用广泛的短距离串行同步通信协议
,
针对
SPI
总线数据不能进行远距离传输的问题
,
本文介绍了采用
RS422/RS485
通信协议
,
利用
MAX3045
和
MAX3093
芯片构成
RS422/RS485
收发电路
,
将
SPI
总线数据由单端不平衡传输方式转换为双端平衡传输方式
,
利用
5
类双绞线作为传输介质
,
使得
SPI
总线数
据可靠传输距离延长至
1200m,
扩展了
SPI
总线的应用范围。
关键词
:SPI
总线
;
远距离数据传输
;RS422/RS485
通信协议
中图分类号
:TN919.71
文献标识码
:B
RemotetransmissionofSPIbusdata
LiangDejian,LiuYuqiong
(
LiuzhouTransportVocationalTechnicalCollege,Liuzhou545007,China
)
Abstract:TheSPIbusisakindofcommunicationprotocolsthatserialsynchronouswerefound
unteredthequestionthattheSPIbusdatacan
π
tberemote
(
data
)
text,weintroducetousecommunicationprotocolofRS422/RS485.
UseMAX3045&MAX3093chipstoconstituteRS422/nsmis
2
sionmodeoftheSPIbusdataischangedfromimbalancetransmissionmodetobebalancetrans
2
.5twisted
2
pairtobetransmissionmedium;tomakethatthereliabledis
2
ndedtheappliedrange
oftheSPIbus.
Keywords:theSPIbus;remotedatatransmission;protocolofRS422/RS48
A/D
、
D/A
、实时时钟、以及
LED
、
LCD
驱动器件
0
引 言
SPI
总线是
Motorola
公司提出的一种同步串
等
,
是一种非常基本的外设接口
,
得到了广泛地应
用。
SPI
使用
4
条线
:
串行时钟线
(
SLCK
)
、低电平
有效的从机选择线
(
SS
)
、主机输入
/
从机输出线
(
MOSI
)
、主机输出
/
从机输入线
(
MOSI
)
,
其接口连
接如图
1
所示。
SPI
总线通信协议简单
,
传输速度
快
,
通信效率高等诸多优点
,
但其传输距离较近的
行外设接口协议
,
它可以使
MCU
与各种外围设备
以串行方式进行通信以交换信息。由于该总线占
用的接口线少
,
而且速度快
,
能够同时收发
,
通信效
率高
,
支持这种总线的器件众多
,
包括
E
2
PROM
、
72
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
测试工具与解决方案
缺点
,
限制了它的使用的范围
,
如果在保持相当的
传输速率
,
并能解决
SPI
总线传输距离近
,
可以极
大地拓展
SPI
总线应用的范围。
2009.1
2
实现
SPI
总线数据远距离传输电路
实现平衡传输的电路有多种
,RS422
和
RS485
是工业中远距离传送数据信号使用最多的一种方
式。
MAX3045
和
MAX3093
芯片是美国美信公司
出品的多路
RS422/RS485
收发器芯片
,
其中
MAX3045
是四通道
RS422/RS485
发送器
,
设计用
图
1
SPI
接口连接示意图
1
SPI
总线传输距离短的原因分析及解决
办法
SPI
数据总线传输距离近的主要原因是因为
SPI
总线采用的是单端不平衡传输的数据传输方
于通过双绞线传送数字数据。
MAX3093
芯片是四
通道
RS485/RS422
接收器
,
两芯片均为
5V
单电
源供电
,
支持热插拔输入能够在电路启动过程中禁
止错误数据的传输
,
具有
ESD
保护电路
,
可用于对
ESD
敏感的应用系统中。本电路中仅使用其中三
式。
在信号传输过程中
,
对信号产生干扰的不仅仅
是电场
,
诸如磁场、振动、温度等均可对信号造成干
扰、在信号传输过程中受到干扰的程度与信号线质
量和传输距离有很大关系
,
信号频率越高、信号传
输线质量越差、传输距离越长则受到干扰的程度就
越大。在单端不平衡传输过程中
,
对于已引入到信
号线中的干扰是无法消除或削弱的
,
严重的话会造
成数据传输的错误。另外
,
在单端不平衡传输方式
中
,
需要一个公共的地线作为参考点
,
地线同时也
是信号电流的回线
,
存在着信号电流
,
当被此传输
线连接着的两个系统之间存在着交流电位差时
,
这
个交流电位差将直接窜到信号中
,
造成噪声干扰。
基于上述原因使得
SPI
总线数据的传输距离仅局
限于板、卡级别的短距离数据传输。
采用双端平衡传输是长距离数据传输常用的
一种方式。双端平衡传输的信号为幅度相等、相位
相反的信号
,
传输线一般为双绞电缆
,
这两根线走
向、材质一致
,
因此对地阻抗一致。在双端平衡传
输通道中
,
所接收的外部电磁干扰在导线内产生的
干扰是一致的
,
对信号接收端来说这是一种共模干
扰
,
这种共模干扰可用适当的电路加以消除或极大
的抑制
,
在很大程度上提高了信号传输的质量。
将
SPI
数据总线由单端不平衡传输方式改为
双端平衡传输方式
,
可以极大地提高其数据传输的
距离
,
实现
SPI
数据远距离的传输。
个通道
,
各线对数据信号为单方向传输
,
也就是采
用
RS422
的通信方式。主设备处为发送端
,
远端为
接收端
,
两者通过
5
类双绞线连接
,
构成高速单向
RS422
数据传输系统
,
图
2
为电路原理图。
图
2
电路原理图
3
系统测试
将主设备端
(
一般为单片机
)
产生的
SCLK
、
73
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2009.1
MOSI
、
SS
信号接至数据传送端
,
接收端用串行接口的
MAX7221
显示驱动芯片
,
驱动
8
位
LED
数码管显示
,
TestTools&Solutions
发送器
,
以实现
SPI
总线数据的双向传输。此时
,
传输时序就显得尤为重要
,
时序只有匹配
,
数据传
输才能正常进行。当传输速率较高时
,
主设备处接
收的数据发生错误
,
这主要是传输时延造成的影
响
,
可以通过降低数据的传输速率解决这个问题。
实验表明
,
当
SPI
时钟频率控制在
40kHz
左右时
,
主设备处数据接收稳定可靠无差错。
(
2
)
注意传输介质对数据传输的影响。在选择
传输介质时
,
应选择优质的
5
类或
5
类以上的双绞
线作为传输线路
,
线路的连接需牢固可靠。劣质的
双绞线
,
线路阻抗大
,
更有甚者同一根双绞线内各
线对之间的电阻和信号传输时延有很大差异
,
给数
字信号传输带来很大的影响。
(
3
)
RS422/RSv485
网络中需要终接电阻
,
要
求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离
传输时可以不接终接电阻
,
即一般在
300m
以下不
需终接电阻。在
RS422
网络中终接电阻接在传输
电缆的最远端
,
终接电阻一般取值
100
Ω
,
相当于电
缆特性阻抗的电阻
,
因为大多数非屏蔽双绞线电缆
的特性阻抗大约在
100
Ω
左右。这种匹配方法简
单有效
,
但有一个缺点
,
匹配电阻要消耗较大功率
,
对于功耗限制比较严格的系统
,
可采用比较省电的
RC
匹配方式
,
如图
5,
利用一只电容
C
隔断直流成
数据接收端接
MAX7221
芯片的相应的数据输入端
口
,
传输介质采用
4
箱
(
305m/
箱
)
5
类双绞线连接起
来作为传输介质
,
经实际测试
,
传输距离为
1220m
时
,
数据传输速率达到
100kHz
时
,MAX7221
仍可正常工
作
,
所接
LED
数码管显示数据正确。图
3
为发送端和
接收端的实测串行时钟
(
SCLK
)
信号的波形图。图
4
为接收端串行时钟信号的传输时延
,
通过图
4
可以看
出
,
经过
1200m
长距离的信号传输
,
接收端的信号较
发送端有
7.3
μ
s
的时延
,
因为
SPI
总线是一个同步数
据通信协议
,
它是以串行时钟信号
SCLK
上升沿或下
降沿
,
作为接收端数据采集的时刻
,
只要接收端的
SCLK
与
MOSI
信号的时延基本保持一致
,
就可以保
证数据的正确性。
分
,
可以节省大部分功率。
图
5
RC
匹配方式
5
结 论
4
使用中的注意事项
(
1
)
当
SPI
总线数据需要双向传输时
,
需要在
通过将
SPI
数据总线由单端不平衡传输变换
为双端平衡传输方式
,
解决了
SPI
数据信号仅适用
于近距离数据传输的弊端
,
使得
SPI
数据信号能可
靠地传送至
1200
米的远距离。若应用系统中
SPI
主设备处增加
RS422
接收器
,
在远端增加
RS422
74
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测试工具与解决方案
总线数据仅为单方向传输时
,
还可以并接多个相同
的
SPI
设备
,
达到同时向不同地域多个器件传送数
据的目的。该电路简单可靠
,
在地理空间位置上
,
极大地拓展了
SPI
器件使用的范围
,
已在多个项目
中得到使用
,
并取得良好的效果。
参考文献
[1]
孙东
,
韩绍坤
,
邢怀飞
.
自制
RS232/RS485
转换器应
2009.1
[6]
黄军飞
.
改单端不平衡为双端平衡传输转换器的设
计制作
.
西部广播电视
,2000
(
6
)
:1
2
3.
[7]
://
2
/pdfserv/
en/ds/MAX3093E
2
[EB/OL].
[8]
://
2
/pdfserv/
en/ds/MAX3040
2
[EB/OL].
作者简介
梁德坚
(
1964
2
)
,
男
,
实验师
,
华中科技
大学控制工程研究生
,
研究方向为计算机
在工业控制中的应用
,
智能控制。
E
2
mail:ldj@
用
[J].
电子测量技术
,2005
(
3
)
:11
2
13.
[2]
冯娟
,
黄宏光
,
金晶
.
基于
RS485
协议的解码器及转
换器
[J].
电子测量技术
,2006
(
3
)
:22
2
26.
[3]
成晓庆
,
晏波
,
黄自祥
.RS422
、
RS
2
485
接口电路设计
中应注意的几个问题
[J].
电子工程
,2005
(
1
)
:32
2
35.
[4]
李德庆
,
宋斌
.RS422/RS485
总线模型分析与应用
[J].
电子元器件应用
,2008
(
1
)
:41
2
43.
[5]
郭静华
,
欧阳斌林
.SPI
总线从机接口实时模拟的实
刘玉琼
(
1965
2
)
,
女
,
实验师
,
桂林电子
科技大学计算机应用
,
研究方向为自动控
制。
E
2
mail:liu_yuqiong@
现
[J].
东北农业大学学报
,2007
(
10
)
:212
2
214.
(
上接第
67
页
)
2001:45
2
73.
4
结 论
本文设计的基于
MSP430F149
单片机的
LDB
型电磁流量计实物如图
6
所示
,
该流量计是用来测
量各种导电液体或液固两相介质的体积流量
,
包括
变送器和智能转换积算仪两部分。经实际应用表
明
,
该仪表具有测量精度高、显示读数直观、功耗
低、无可动件、可靠性强、寿命长、防爆、防酸、防碱
等优点
,
基本满足设计要求。适合水、酸、碱、盐、泥
浆等导电流体测量
,
可广泛适用于钢铁、石油、化
工、水厂、医药、酿造等行业的流体测量及控制
[8]
。
参考文献
[1]
蔡武昌
.
电磁流量计的现状和发展
[M].
北京
:
机械
[4]
魏小龙
.MSP430
系列单片机接口技术及系统设计实
例
[M].
北京
:
北京航空航天大学出版社
,2002:56
2
62.
[5]
LowPower,HighPrecisionOperationalAmplifiers
OP97Datasheet[M].2003:3
2
5.
[6]
UltraslowOffsetVoltageOperationalAmplifiers
OP07Datasheet[M].2002:2
2
5.
[7]
何立民
.
单片机应用系统设计
[M].
北京
:
北京航空
航天大学出版社
,1998:82
2
104.
[8]
温州诚展测控有限责任公司
.LDB
型电磁流量计使
用说明书
[M].2006:1
2
4.
作者简介
汉泽西
,
男
,1948
年生
,1982
年毕业于
西安交通大学信息与控制工程系无线电技
术专业。现为西安石油大学电子工程学院
教授
,
硕士研究生导师
,
多年从事测试计量
技术与仪器的教学和科研工作。
E
2
mail:zxhann@
工业出版社
,2002:6
2
10.
[2]
蔡武昌
,
马中元
.
电磁流量计
[M].
北京
:
中国石化出
版社
,2004:5
2
16.
[3]
胡大可
.MSP430
系列
FLASH
型超低功耗电量
16
徐岳
,
男
,
在读硕士研究生
,1984
年生
,
主要研究方向为
测试计量技术及仪器。
E
2
mail:yuex217@
位单片机
[M].
北京
:
北京航空航天大学出版社
,
75
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2024年5月22日发(作者：普新洁)
2009
年
1
月
第
1
期
电子测试
ELECTRONICTEST
Jan.2009
No.1
SPI
总线数据远距离传输实现
梁德坚
,
刘玉琼
(
柳州运输职业技术学院 柳州
545007
)
摘 要
:SPI
总线是一种应用广泛的短距离串行同步通信协议
,
针对
SPI
总线数据不能进行远距离传输的问题
,
本文介绍了采用
RS422/RS485
通信协议
,
利用
MAX3045
和
MAX3093
芯片构成
RS422/RS485
收发电路
,
将
SPI
总线数据由单端不平衡传输方式转换为双端平衡传输方式
,
利用
5
类双绞线作为传输介质
,
使得
SPI
总线数
据可靠传输距离延长至
1200m,
扩展了
SPI
总线的应用范围。
关键词
:SPI
总线
;
远距离数据传输
;RS422/RS485
通信协议
中图分类号
:TN919.71
文献标识码
:B
RemotetransmissionofSPIbusdata
LiangDejian,LiuYuqiong
(
LiuzhouTransportVocationalTechnicalCollege,Liuzhou545007,China
)
Abstract:TheSPIbusisakindofcommunicationprotocolsthatserialsynchronouswerefound
unteredthequestionthattheSPIbusdatacan
π
tberemote
(
data
)
text,weintroducetousecommunicationprotocolofRS422/RS485.
UseMAX3045&MAX3093chipstoconstituteRS422/nsmis
2
sionmodeoftheSPIbusdataischangedfromimbalancetransmissionmodetobebalancetrans
2
.5twisted
2
pairtobetransmissionmedium;tomakethatthereliabledis
2
ndedtheappliedrange
oftheSPIbus.
Keywords:theSPIbus;remotedatatransmission;protocolofRS422/RS48
A/D
、
D/A
、实时时钟、以及
LED
、
LCD
驱动器件
0
引 言
SPI
总线是
Motorola
公司提出的一种同步串
等
,
是一种非常基本的外设接口
,
得到了广泛地应
用。
SPI
使用
4
条线
:
串行时钟线
(
SLCK
)
、低电平
有效的从机选择线
(
SS
)
、主机输入
/
从机输出线
(
MOSI
)
、主机输出
/
从机输入线
(
MOSI
)
,
其接口连
接如图
1
所示。
SPI
总线通信协议简单
,
传输速度
快
,
通信效率高等诸多优点
,
但其传输距离较近的
行外设接口协议
,
它可以使
MCU
与各种外围设备
以串行方式进行通信以交换信息。由于该总线占
用的接口线少
,
而且速度快
,
能够同时收发
,
通信效
率高
,
支持这种总线的器件众多
,
包括
E
2
PROM
、
72
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
测试工具与解决方案
缺点
,
限制了它的使用的范围
,
如果在保持相当的
传输速率
,
并能解决
SPI
总线传输距离近
,
可以极
大地拓展
SPI
总线应用的范围。
2009.1
2
实现
SPI
总线数据远距离传输电路
实现平衡传输的电路有多种
,RS422
和
RS485
是工业中远距离传送数据信号使用最多的一种方
式。
MAX3045
和
MAX3093
芯片是美国美信公司
出品的多路
RS422/RS485
收发器芯片
,
其中
MAX3045
是四通道
RS422/RS485
发送器
,
设计用
图
1
SPI
接口连接示意图
1
SPI
总线传输距离短的原因分析及解决
办法
SPI
数据总线传输距离近的主要原因是因为
SPI
总线采用的是单端不平衡传输的数据传输方
于通过双绞线传送数字数据。
MAX3093
芯片是四
通道
RS485/RS422
接收器
,
两芯片均为
5V
单电
源供电
,
支持热插拔输入能够在电路启动过程中禁
止错误数据的传输
,
具有
ESD
保护电路
,
可用于对
ESD
敏感的应用系统中。本电路中仅使用其中三
式。
在信号传输过程中
,
对信号产生干扰的不仅仅
是电场
,
诸如磁场、振动、温度等均可对信号造成干
扰、在信号传输过程中受到干扰的程度与信号线质
量和传输距离有很大关系
,
信号频率越高、信号传
输线质量越差、传输距离越长则受到干扰的程度就
越大。在单端不平衡传输过程中
,
对于已引入到信
号线中的干扰是无法消除或削弱的
,
严重的话会造
成数据传输的错误。另外
,
在单端不平衡传输方式
中
,
需要一个公共的地线作为参考点
,
地线同时也
是信号电流的回线
,
存在着信号电流
,
当被此传输
线连接着的两个系统之间存在着交流电位差时
,
这
个交流电位差将直接窜到信号中
,
造成噪声干扰。
基于上述原因使得
SPI
总线数据的传输距离仅局
限于板、卡级别的短距离数据传输。
采用双端平衡传输是长距离数据传输常用的
一种方式。双端平衡传输的信号为幅度相等、相位
相反的信号
,
传输线一般为双绞电缆
,
这两根线走
向、材质一致
,
因此对地阻抗一致。在双端平衡传
输通道中
,
所接收的外部电磁干扰在导线内产生的
干扰是一致的
,
对信号接收端来说这是一种共模干
扰
,
这种共模干扰可用适当的电路加以消除或极大
的抑制
,
在很大程度上提高了信号传输的质量。
将
SPI
数据总线由单端不平衡传输方式改为
双端平衡传输方式
,
可以极大地提高其数据传输的
距离
,
实现
SPI
数据远距离的传输。
个通道
,
各线对数据信号为单方向传输
,
也就是采
用
RS422
的通信方式。主设备处为发送端
,
远端为
接收端
,
两者通过
5
类双绞线连接
,
构成高速单向
RS422
数据传输系统
,
图
2
为电路原理图。
图
2
电路原理图
3
系统测试
将主设备端
(
一般为单片机
)
产生的
SCLK
、
73
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2009.1
MOSI
、
SS
信号接至数据传送端
,
接收端用串行接口的
MAX7221
显示驱动芯片
,
驱动
8
位
LED
数码管显示
,
TestTools&Solutions
发送器
,
以实现
SPI
总线数据的双向传输。此时
,
传输时序就显得尤为重要
,
时序只有匹配
,
数据传
输才能正常进行。当传输速率较高时
,
主设备处接
收的数据发生错误
,
这主要是传输时延造成的影
响
,
可以通过降低数据的传输速率解决这个问题。
实验表明
,
当
SPI
时钟频率控制在
40kHz
左右时
,
主设备处数据接收稳定可靠无差错。
(
2
)
注意传输介质对数据传输的影响。在选择
传输介质时
,
应选择优质的
5
类或
5
类以上的双绞
线作为传输线路
,
线路的连接需牢固可靠。劣质的
双绞线
,
线路阻抗大
,
更有甚者同一根双绞线内各
线对之间的电阻和信号传输时延有很大差异
,
给数
字信号传输带来很大的影响。
(
3
)
RS422/RSv485
网络中需要终接电阻
,
要
求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离
传输时可以不接终接电阻
,
即一般在
300m
以下不
需终接电阻。在
RS422
网络中终接电阻接在传输
电缆的最远端
,
终接电阻一般取值
100
Ω
,
相当于电
缆特性阻抗的电阻
,
因为大多数非屏蔽双绞线电缆
的特性阻抗大约在
100
Ω
左右。这种匹配方法简
单有效
,
但有一个缺点
,
匹配电阻要消耗较大功率
,
对于功耗限制比较严格的系统
,
可采用比较省电的
RC
匹配方式
,
如图
5,
利用一只电容
C
隔断直流成
数据接收端接
MAX7221
芯片的相应的数据输入端
口
,
传输介质采用
4
箱
(
305m/
箱
)
5
类双绞线连接起
来作为传输介质
,
经实际测试
,
传输距离为
1220m
时
,
数据传输速率达到
100kHz
时
,MAX7221
仍可正常工
作
,
所接
LED
数码管显示数据正确。图
3
为发送端和
接收端的实测串行时钟
(
SCLK
)
信号的波形图。图
4
为接收端串行时钟信号的传输时延
,
通过图
4
可以看
出
,
经过
1200m
长距离的信号传输
,
接收端的信号较
发送端有
7.3
μ
s
的时延
,
因为
SPI
总线是一个同步数
据通信协议
,
它是以串行时钟信号
SCLK
上升沿或下
降沿
,
作为接收端数据采集的时刻
,
只要接收端的
SCLK
与
MOSI
信号的时延基本保持一致
,
就可以保
证数据的正确性。
分
,
可以节省大部分功率。
图
5
RC
匹配方式
5
结 论
4
使用中的注意事项
(
1
)
当
SPI
总线数据需要双向传输时
,
需要在
通过将
SPI
数据总线由单端不平衡传输变换
为双端平衡传输方式
,
解决了
SPI
数据信号仅适用
于近距离数据传输的弊端
,
使得
SPI
数据信号能可
靠地传送至
1200
米的远距离。若应用系统中
SPI
主设备处增加
RS422
接收器
,
在远端增加
RS422
74
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测试工具与解决方案
总线数据仅为单方向传输时
,
还可以并接多个相同
的
SPI
设备
,
达到同时向不同地域多个器件传送数
据的目的。该电路简单可靠
,
在地理空间位置上
,
极大地拓展了
SPI
器件使用的范围
,
已在多个项目
中得到使用
,
并取得良好的效果。
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作者简介
梁德坚
(
1964
2
)
,
男
,
实验师
,
华中科技
大学控制工程研究生
,
研究方向为计算机
在工业控制中的应用
,
智能控制。
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刘玉琼
(
1965
2
)
,
女
,
实验师
,
桂林电子
科技大学计算机应用
,
研究方向为自动控
制。
E
2
mail:liu_yuqiong@
现
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东北农业大学学报
,2007
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10
)
:212
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214.
(
上接第
67
页
)
2001:45
2
73.
4
结 论
本文设计的基于
MSP430F149
单片机的
LDB
型电磁流量计实物如图
6
所示
,
该流量计是用来测
量各种导电液体或液固两相介质的体积流量
,
包括
变送器和智能转换积算仪两部分。经实际应用表
明
,
该仪表具有测量精度高、显示读数直观、功耗
低、无可动件、可靠性强、寿命长、防爆、防酸、防碱
等优点
,
基本满足设计要求。适合水、酸、碱、盐、泥
浆等导电流体测量
,
可广泛适用于钢铁、石油、化
工、水厂、医药、酿造等行业的流体测量及控制
[8]
。
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作者简介
汉泽西
,
男
,1948
年生
,1982
年毕业于
西安交通大学信息与控制工程系无线电技
术专业。现为西安石油大学电子工程学院
教授
,
硕士研究生导师
,
多年从事测试计量
技术与仪器的教学和科研工作。
E
2
mail:zxhann@
工业出版社
,2002:6
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胡大可
.MSP430
系列
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型超低功耗电量
16
徐岳
,
男
,
在读硕士研究生
,1984
年生
,
主要研究方向为
测试计量技术及仪器。
E
2
mail:yuex217@
位单片机
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北京
:
北京航空航天大学出版社
,
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