電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)

1、第2章 通用型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則講授內(nèi)容1 概述2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案論證 3 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總線選擇 4 電子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則 5 基于模擬器件的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 6 基于數(shù)字器件的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程7 通用型電子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試講授內(nèi)容8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法9 編寫設(shè)計(jì)報(bào)告(論文) 10 電子系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程12 智能型電子系統(tǒng)的可靠性 13 影響智能型電子系統(tǒng)可靠性的因素電子系統(tǒng)是指由電子元件和電子單元電路相互連接、相互作用而形成的電路整體，能按特定的控制信號(hào)，去執(zhí)行所設(shè)想的功能。通常分為模擬電子系統(tǒng)、數(shù)字電子系統(tǒng)和混合電子系統(tǒng)。組成模擬電子

2、系統(tǒng)的主要單元電路有放大電路、濾波電路、信號(hào)變換電路、驅(qū)動(dòng)電路等。模擬電子系統(tǒng)的主要功能是對模擬信號(hào)進(jìn)行檢測、處理、變換和產(chǎn)生。模擬信號(hào)的特點(diǎn)是，在時(shí)間上和幅值上均是連續(xù)的，在一定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)可任意取值。這些信號(hào)可以是電量(如電壓、電流等)，也可以是來自傳感器的非電量(如應(yīng)變、溫度、壓力、流量等)。2.1 概述2.1 概述數(shù)字系統(tǒng)由若干數(shù)字電路和邏輯部件組成，是能夠處理及傳送數(shù)字信號(hào)的設(shè)備。數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)是不隨時(shí)間作連續(xù)變化。一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電子系統(tǒng)可分解為控制器加若干個(gè)子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)完成的邏輯功能比較單一，一般由中、大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，如存儲(chǔ)器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器、比較器、計(jì)數(shù)器等

3、。數(shù)字電子系統(tǒng)中必須要有控制器，控制器的主要功能是來管理各個(gè)子系統(tǒng)之間的互相操作，使它們有條不紊地按規(guī)定的順序操作。2.1 概述混合電子系統(tǒng)是由模擬電子電路和數(shù)字電子電路組成的電子系統(tǒng)。在過程控制和各種儀器儀表中，完成對如溫度、壓力、流量、速度等物理量的控制、測量、顯示等功能，需要混合電子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。2.1 概述混合電子系統(tǒng)的實(shí)例電熱水器溫度控制電路框圖如圖2-1所示。首先，測溫電路把溫度的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)放大、濾波等處理，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為與溫度變化相應(yīng)的數(shù)字編碼信號(hào)。然后，微處理器系統(tǒng)根據(jù)水溫控制模型進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的控制輸出數(shù)字信號(hào)。

4、該數(shù)字信號(hào)可控制電力電子電路電流的大小，從而調(diào)整水溫高低。 2.2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案論證電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案論證包括兩個(gè)方面：第一，弄清任務(wù)要求、發(fā)展動(dòng)向和元器件、材料、開發(fā)裝置的市場情況，確定電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案。任務(wù)要求應(yīng)明確技術(shù)指標(biāo)，包括測量(控制)范圍、測量(控制)靈敏度和精度、測量(控制)速度、可靠性指標(biāo)和系統(tǒng)的工作條件(溫、濕度；電源；振動(dòng)等)；主要功能指標(biāo)包括顯示、硬拷貝方式、輸入、輸出信號(hào)特性、人機(jī)聯(lián)系功能、通信功能和測量控制功能。所確定的電子系統(tǒng)總方案包括所應(yīng)用測量(控制)原理、系統(tǒng)組成、總體的硬、軟件結(jié)構(gòu)、主要性能、功能的計(jì)算、分析和說明。2.2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案論

5、證第二，電子系統(tǒng)方案的可行性論證。從事過單片機(jī)技術(shù)研究與開發(fā)的工程師都懂得，單片機(jī)是“物”不是“神”，并非任何工程技術(shù)問題只要用上它就能圓滿解決。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，若測量方法選擇不當(dāng)，配上再好的單片機(jī)也無法得出真實(shí)的數(shù)據(jù)。又如用PC組成一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果不把包括傳感器、變送器、執(zhí)行器和控制對象在內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)的特性都加以考慮，也很難取得良好的控制效果。各種微處理器由于存在著字長、速度、存儲(chǔ)空間、中斷能力等諸多因素的制約，不是任何場合都能勝任。2.2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案論證因此在進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，要仔細(xì)研究電子系統(tǒng)的功能要求、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境因素等，與可以達(dá)到的技術(shù)水平、設(shè)備、資

6、金的擁有量、必要的實(shí)驗(yàn)場地、必備的元器件來源以及投入的人力和規(guī)定的完成時(shí)間等條件相比較，在此基礎(chǔ)上確立總體方案的可行性。2.3 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總線選擇用于設(shè)備與設(shè)備之間連接的總線稱為外總線。與內(nèi)總線相比，外總線的標(biāo)準(zhǔn)化尤為重要。在沒有標(biāo)準(zhǔn)總線以前，各研制單位、生產(chǎn)廠家各行其是，生產(chǎn)的測試設(shè)備、儀器儀表不具備通用接口，這樣不僅不便于相互連接組成系統(tǒng)，而且給用戶的維修、擴(kuò)充和更新帶來困難。近年來非標(biāo)準(zhǔn)總線的外總線主要用于各種系列化儀表，而標(biāo)準(zhǔn)外總線則被越來越多的微機(jī)化儀器儀表(無論是否系列化)所采用。2.3.1電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外總線 按照數(shù)據(jù)在總線上傳遞的方式，外總線可分為并行總線與串行總線。最流行

7、的總線有如下幾種：(1)IEEE-488并行接口總線 IEEE-488總線與IEC-625-II統(tǒng)稱通用目的接口總線(GPIB)。這是一種提出較早、應(yīng)用廣泛的系統(tǒng)級(jí)并行總線。2.3.1電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外總線(2)EIA RS-232C串行接口總線 串行總線不是象并行總線那樣以字節(jié)為單位傳送數(shù)據(jù)，而是按位傳送的。因此，串行通信傳送速度低，但數(shù)據(jù)線根數(shù)少，便于遠(yuǎn)距離傳送和利用電話線作傳輸線，EIA RS-232C是使用最廣泛的串行通信總線，它的信號(hào)電壓范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)，聯(lián)絡(luò)線功能齊全，并可配用調(diào)制解調(diào)器，使傳送距離達(dá)到數(shù)千公里。2.3.1電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外總線(3)RS-422、RS-423、RS

8、-485標(biāo)準(zhǔn) 由于RS-232傳輸距離短，而且最大數(shù)據(jù)傳輸率也受到限制，因此，EIA又公布了適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腞S-422(平衡傳輸)和 RS-423(不平衡傳輸)標(biāo)準(zhǔn)。這兩種標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是采用差分接收器接收信號(hào)電壓，從而提高了抗噪聲干擾的能力，獲得較長的傳輸距離和較高的數(shù)據(jù)傳輸率。為了減少信號(hào)線，全雙工RS-422經(jīng)演變又產(chǎn)生了半雙工RS-485。2.3.2電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)總線用于計(jì)算機(jī)設(shè)備內(nèi)部板與板之間連接的總線稱為內(nèi)總線。電子系統(tǒng)根據(jù)需要有如下3種內(nèi)部連接形式。(1)單板直接連接 單板結(jié)構(gòu)不存在板與板之間的連接問題。當(dāng)自行設(shè)計(jì)功能簡單的電子系統(tǒng)時(shí)，采用這種結(jié)構(gòu)可以簡化設(shè)計(jì)、降低成本、縮小占用

9、的立體空間。由于單板結(jié)構(gòu)無對外連接總線，設(shè)計(jì)樣機(jī)時(shí)，需先考慮好怎樣進(jìn)行硬、軟件開發(fā)調(diào)試。此外，由于所有元器件集中在一塊板上，必須合理地布局和走線以減少有害的耦合與發(fā)熱的影響。當(dāng)儀器儀表功能復(fù)雜時(shí)，采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大，難以一次成功。 2.3.2電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)總線多板非標(biāo)準(zhǔn)連接 將電子系統(tǒng)按功能劃分為模塊，每一模塊分別設(shè)計(jì)制版，然后通過自定義總線裝配連接。這種非標(biāo)準(zhǔn)總線多板結(jié)構(gòu)是自行設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)時(shí)常用的結(jié)構(gòu)形式。例如，可以把電源、模擬電路、數(shù)字電路分別制版，當(dāng)電路復(fù)雜時(shí)還可進(jìn)一步細(xì)分。這種結(jié)構(gòu)同樣要事先考慮開發(fā)問題。與單板相比，它的空間利用率高，各部分之間有害影響小，而且便于分別設(shè)計(jì)、安裝

10、、調(diào)試，如發(fā)現(xiàn)某一單元不合要求需重新設(shè)計(jì)時(shí)，其他單元不必隨之返工。2.3.2電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)總線多板標(biāo)準(zhǔn)總線連接 當(dāng)電子系統(tǒng)功能復(fù)雜時(shí)，為了避免重復(fù)設(shè)計(jì)開發(fā)，宜選用標(biāo)準(zhǔn)總線組成的多板結(jié)構(gòu)。某些通用功能如CPU控制、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、通信接口等可以通過標(biāo)準(zhǔn)總線模板實(shí)現(xiàn)，其他專用功能則要自行設(shè)計(jì)與開發(fā)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)總線模板要參照總線規(guī)約進(jìn)行，板與板之間嚴(yán)格避免總線競爭，板間負(fù)載效應(yīng)及相互影響也要充分考慮。實(shí)踐表明，采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微機(jī)化儀器儀表，可以充分利用已有的技術(shù)成果，降低硬軟件投資，并能有效地縮短開發(fā)與生產(chǎn)周期。在樣機(jī)研制和小批量試生產(chǎn)階段，這是一種十分可取的結(jié)構(gòu)。此外，把通用型微機(jī)擴(kuò)充、改造使之

11、成為儀器儀表，也可以看作屬于這種結(jié)構(gòu)形式。2.4 電子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則1根據(jù)設(shè)計(jì)對象的要求和實(shí)際的約束條件，列出詳細(xì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)任何一項(xiàng)設(shè)計(jì)都有來自用戶的要求和設(shè)計(jì)的約束條件，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)亦無例外。這些要求通常包括功能與性能兩個(gè)方面；約束條件則包含產(chǎn)品的成本與價(jià)格、開發(fā)周期、工作環(huán)境、功耗、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，平均無故障率等。如果設(shè)計(jì)的要求過高，約束條件過嚴(yán)，現(xiàn)有技術(shù)水平很難達(dá)到，就必須權(quán)衡利弊與得失，規(guī)定一個(gè)各項(xiàng)條件的優(yōu)先次序，在此基礎(chǔ)上建立詳細(xì)的切實(shí)可行的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，要反復(fù)檢驗(yàn)和對照這些目標(biāo)能否達(dá)到，有無一定的裕量。當(dāng)然，也要檢查設(shè)計(jì)方案中是否存在浪費(fèi)資源、小題大做的”過設(shè)計(jì)”，以

12、免造成成本提高和設(shè)計(jì)時(shí)間的拖延。2.4 電子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則2采用自頂向下、逐級(jí)分解的方法形成子任務(wù)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多面臨復(fù)雜而綜合的設(shè)計(jì)任務(wù)。這些任務(wù)往往不是通過一個(gè)單元電路、一段基本程序所能實(shí)現(xiàn)的。主設(shè)計(jì)師應(yīng)該對設(shè)計(jì)對象作出全面而合乎邏輯的說明，然后將設(shè)計(jì)對象連同各項(xiàng)指標(biāo)分解成一批可以相互獨(dú)立的子任務(wù)。這些子任務(wù)再逐級(jí)細(xì)分，直到每一低級(jí)的子任務(wù)可以由某種電路模塊為核心的硬件或某種算法為中心的軟件完成為止。這些細(xì)分的任務(wù)可以由一個(gè)人獨(dú)立承擔(dān)，也可以由許多設(shè)計(jì)人員分工負(fù)責(zé)。子任務(wù)完成后將所有結(jié)果匯總起來，必要時(shí)作些調(diào)整，即可完成整體設(shè)計(jì)任務(wù)。無論硬件還是軟件都可以采用這種自上而下的分解設(shè)計(jì)方法

13、。至于細(xì)分到哪一級(jí)算是最低級(jí)，要根據(jù)設(shè)計(jì)者的技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)者的人數(shù)而定。2.4 電子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則3硬/軟件協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案某些特定的任務(wù)既可以靠硬件實(shí)現(xiàn)(輔之以少量軟件)，也可以靠軟件完成(輔之以少量硬件)。如何通過硬/軟件協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案影響到產(chǎn)品質(zhì)量、性能與成本的重要問題。一般來說，以硬件為主使方案成本增加，但處理比較及時(shí)，并可減輕微處理器負(fù)擔(dān)；以軟件為主的方案則能降低成本，但要把較多的人力、時(shí)間投入軟件設(shè)計(jì)中。從可靠性指標(biāo)來看，硬件越多，由器件、焊點(diǎn)、接插件形成的潛在故障點(diǎn)越多；而軟件在排除故障以后，不會(huì)使可靠性隨時(shí)間的推移而降低。以往人們在微機(jī)化儀器儀表設(shè)計(jì)中，過多地著眼于硬件成本

14、而盡量以軟代硬。隨著LSI芯片功能的增強(qiáng)、價(jià)格的下降，為了加快產(chǎn)品的研制開發(fā)進(jìn)度，這種情況正在發(fā)生變化。在處理實(shí)際問題時(shí)，究竟哪些設(shè)計(jì)子任務(wù)應(yīng)該以硬代軟，哪些應(yīng)該以軟代硬，需作具體分析，不能一概而論。但設(shè)計(jì)者至少應(yīng)當(dāng)明確，凡簡單的硬件電路能解決的問題不必用復(fù)雜的軟件取代；反之簡短的軟件能完成的任務(wù)也不必設(shè)計(jì)復(fù)雜的硬件。此外還需注意到硬件的成本(主要是器件及印制版成本)隨產(chǎn)品批量的大小近似按線性變化；而軟件成本(指開發(fā)過程中耗費(fèi)的人力、時(shí)間等)幾乎是一次性投資。一個(gè)性能良好的設(shè)計(jì)方案往往具有硬/軟協(xié)調(diào)、“各盡所能”的特點(diǎn)。2.4 電子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則4發(fā)揮技術(shù)與設(shè)備潛力，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與開發(fā)速度即

15、便是同一類型的產(chǎn)品、同一性質(zhì)的設(shè)計(jì)任務(wù)，不同的設(shè)計(jì)師完全可能采用不同的設(shè)計(jì)方法，這是因?yàn)樗鼈兙邆涞募夹g(shù)基礎(chǔ)和技能并不相同。此外，微機(jī)化儀器儀表的研制要利用必不可少的開發(fā)、調(diào)試設(shè)備。因此，如何發(fā)揮人的技術(shù)專長，充分利用已有的設(shè)備直接影響到設(shè)計(jì)的質(zhì)量和進(jìn)度。當(dāng)然，這并不意味著排斥新技術(shù)、新器件和使用新設(shè)備。由于器件制造技術(shù)和軟件開發(fā)技術(shù)日新月異的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員只有不斷更新知識(shí)、盡快掌握新技術(shù)，并把它們應(yīng)用到設(shè)計(jì)實(shí)踐中去，才能高質(zhì)量、高速度地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。以軟件開發(fā)為例，早期微機(jī)化儀器儀表的匯編語言程序設(shè)計(jì)主要采用手工匯編，這無疑是一種費(fèi)工費(fèi)時(shí)、易錯(cuò)難改的笨拙方法?，F(xiàn)在已逐步由各種編輯、匯編等軟件開

16、發(fā)工具所取代。硬件制作過程中的印制電路版設(shè)計(jì)有條件時(shí)也應(yīng)盡量采用各種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制圖。眾所周知，20世紀(jì)80年代初期TP-801單板機(jī)曾風(fēng)靡全國，但在以后的使用中暴露出諸多問題，設(shè)想它誕生在90年代，那么無論從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到芯片選用無疑將會(huì)有很大變化?？傊?，設(shè)計(jì)方案的形成，開發(fā)、調(diào)試手段的選擇必須充分注意到微機(jī)制造與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有鮮明的時(shí)代特色和強(qiáng)大的市場競爭力。2.4 電子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則5設(shè)計(jì)自診斷與異常處理功能，提高產(chǎn)品的可維護(hù)性任何類型的電子系統(tǒng)都不能保證使用過程中不出一點(diǎn)故障，故障的起因可能來自外界條件(如電源、工作環(huán)境、人為故障等)，也可能出自設(shè)備本身(如元器件失

17、效)，微處理器為電子系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障創(chuàng)造了條件，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮相應(yīng)的措施 。自診斷通常安排在開機(jī)時(shí)進(jìn)行，對常年連續(xù)運(yùn)行的電子系統(tǒng)則應(yīng)定時(shí)重復(fù)進(jìn)行自診斷操作。由于自診斷離不開微處理器，所以只能處理CPU以外的局部性故障。對于全局性的故障往往要通過特殊設(shè)計(jì)的硬件電路或其他冗余后備措施來對付。通常電子系統(tǒng)總是比較復(fù)雜，測試維修要有相應(yīng)的設(shè)備和技術(shù)，使用戶感到無能為力。為此設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮用戶的維修問題。例如，對易損部件提供便于更換的模塊和備件，對關(guān)鍵性電路接點(diǎn)的信號(hào)電平與波形作詳盡的描述與說明，編制用戶使用手冊、維護(hù)指南等。2.4 電子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則6針對現(xiàn)場極限條件的防范措施與試運(yùn)行任何電子

18、系統(tǒng)都有一個(gè)特定的運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮到運(yùn)行環(huán)境的極限條件。如最高與最低環(huán)境溫度、濕度、塵埃、可能的干擾源、電源的波動(dòng)范圍，輸入信號(hào)的共模電壓、傳輸線的長度與走線方式、人為的誤操作等。完善的微機(jī)化儀器儀表不僅硬軟件設(shè)計(jì)合理，在實(shí)驗(yàn)室里運(yùn)行正常，在極限環(huán)境中也能經(jīng)得起考驗(yàn)。初次涉足儀器儀表領(lǐng)域的人往往容易忽略這樣一個(gè)事實(shí)，許多原理性電路未必能適用于運(yùn)行環(huán)境中的極限條件。因此，在樣機(jī)試制過程中，要經(jīng)常模擬運(yùn)行環(huán)境對關(guān)鍵性電路進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn)和測試，對軟件進(jìn)行反復(fù)考核與診斷。例如，異常信號(hào)的輸入/輸出處理、帶參數(shù)子程序的反復(fù)調(diào)用、中斷的多重請求與嵌套服務(wù)等。樣機(jī)制成以后，要拿到實(shí)際環(huán)境中接受運(yùn)行考

19、核，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題修改設(shè)計(jì)，并再次考核，確信達(dá)到了設(shè)計(jì)要求才能定型和投入批量生產(chǎn)。2.5 基于模擬器件的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程1確定總體方案通過全面分析電子系統(tǒng)任務(wù)書所描述的系統(tǒng)功能、技術(shù)指標(biāo)后，根據(jù)已掌握的知識(shí)和資料，將系統(tǒng)功能合理的分解成若干個(gè)子系統(tǒng)或電路單元，并畫出各個(gè)電路單元框圖相互連接而形成的系統(tǒng)原理框圖。電子系統(tǒng)總體方案的選擇，直接決定電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。在進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，要多思考、多分析、多比較。主要從性能穩(wěn)定、工作可靠、電路簡單、成本低、功耗小、調(diào)試維修方便等方面，選擇出最佳方案。2.5 基于模擬器件的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程2設(shè)計(jì)單元電路在設(shè)計(jì)單元電路時(shí)，必須明確對各單元電路的具體要求

20、，詳細(xì)擬定出單元電路的性能指標(biāo)，認(rèn)真考慮各單元之間的相互聯(lián)系，注意前后級(jí)單元之間信號(hào)的傳遞方式和匹配，盡量少用或不用電平轉(zhuǎn)換之類的接口電路，并考慮到各單元電路的供電電源盡可能統(tǒng)一，以便使整個(gè)電子系統(tǒng)簡單可靠。此外，盡量選擇現(xiàn)有的、成熟的電路來實(shí)現(xiàn)單元電路的功能。如果找不到完全滿足要求的現(xiàn)成電路，可以適當(dāng)改進(jìn)與設(shè)計(jì)要求比較接近的某個(gè)電路，或自己進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的電路單元盡可能采用集成電路，便于使電子系統(tǒng)的體積小，可靠性高。2.5 基于模擬器件的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程3計(jì)算元器件參數(shù)在設(shè)計(jì)電子電路時(shí)，應(yīng)根據(jù)電路的性能指標(biāo)要求選擇電路元器件的參數(shù)。例如根據(jù)電壓放大倍數(shù)的大小，可選擇決定反饋電阻的阻值

21、；根據(jù)振蕩器要求的振蕩頻率，利用公式，可計(jì)算出決定振蕩頻率的電阻和電容之值等。由于一般滿足電路性能指標(biāo)要求的理論參數(shù)值不是唯一的，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)元器件性能、價(jià)格、體積、通用性和貨源等方面綜合考慮，靈活選擇。計(jì)算電路參數(shù)時(shí)應(yīng)注意：1)在計(jì)算元器件工作電流、電壓和功率等參數(shù)時(shí)，應(yīng)充分考慮工作條件最惡劣的情況，并留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?.5 基于模擬器件的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程2)對于元器件的極限參數(shù)必須留有足夠的裕量，通常取1.52倍的額定值。3)對于電阻、電容參數(shù)的取值，注意選擇計(jì)算值附近的標(biāo)稱值。電阻值一般在1M內(nèi)選擇；非電解電容器一般在100pF0.47mF選擇；電解電容一般在12000mF范圍內(nèi)選用。4

22、)在保證電路達(dá)到功能指標(biāo)要求的前提下，盡量減少元器件的品種、價(jià)格、體積等。2.5 基于模擬器件的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程4選擇元器件電子電路的設(shè)計(jì)就是選擇最合適的元器件，并把它們有機(jī)地組合起來。在確定電子元件時(shí)，應(yīng)根據(jù)電路處理信號(hào)的頻率范圍、環(huán)境溫度、空間大小、成本高低等諸多因素全面考慮。具體表現(xiàn)為1)一般優(yōu)先選擇集成電路。由于集成電路體積小、功能強(qiáng)，可使電子電路可靠性增強(qiáng)，安裝調(diào)試方便，大大簡化電子電路的設(shè)計(jì)。如隨著模擬集成技術(shù)的不斷發(fā)展，適用于各種場合下的集成運(yùn)算放大器層出不窮，只要外加極少量的元器件，利用運(yùn)算放大器就可構(gòu)成性能良好的放大器。例如，我們在設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源時(shí)，已很少采用分立元器件進(jìn)行

23、設(shè)計(jì)了，取而代之的是性能更穩(wěn)定、工作更可靠、成本更價(jià)廉的集成穩(wěn)壓器。 2.5 基于模擬器件的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程2)電阻器和電容器是兩種最常用的元器件，它們的種類很多，性能相差也比較大，應(yīng)用的場合也不同。因此，對于設(shè)計(jì)者來說，應(yīng)該熟悉各種電阻器和電容器的主要性能指標(biāo)和特點(diǎn)，以便根據(jù)電路要求，正確的選擇元件。3)選擇分立半導(dǎo)體元件。首先要熟悉它們的功能，掌握它們的應(yīng)用范圍；再根據(jù)電路的功能要求和元器件在電路中的工作條件，如通過的最大電流、最大反向工作電壓、最高工作頻率、最大消耗的功率等，確定元器件型號(hào)。2.5 基于模擬器件的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程5模擬仿真隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法發(fā)生了

24、很大變化。目前，EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要手段。在計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)上，利用EDA軟件，能夠?qū)Ω鞣N電子電路進(jìn)行調(diào)試、測量、修改，大大提高了電子設(shè)計(jì)的效率和精確度，同時(shí)縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用。目前常用的電子電路輔助分析、設(shè)計(jì)的常用軟件有PSPICE、PROTEL、EWB、MULTISIM、PROTUS等。 2.5 基于模擬器件的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程6試驗(yàn)電子設(shè)計(jì)要考慮的因素和問題相當(dāng)多，有些情況難于預(yù)料。由于電路在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬時(shí)采用元器件的參數(shù)和模型與實(shí)際器件有差別，所以對經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真過的電路，通常還要進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)。通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。如果性能指

25、標(biāo)不能滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)深入分析出現(xiàn)這些問題的原因，再次重新設(shè)計(jì)和元器件選擇，直到完全滿足性能指標(biāo)為止。2.5 基于模擬器件的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程7繪制具體電路圖系統(tǒng)具體電路圖是在總框圖、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和元器件選擇的基礎(chǔ)上繪制的，它是組裝、調(diào)試、印制電路板設(shè)計(jì)和維修的依據(jù)。目前繪電路圖一般是在計(jì)算機(jī)上利用繪圖軟件完成。繪制電路圖時(shí)主要注意以下幾點(diǎn)：1)總體電路圖盡可能畫在同一張圖紙上；同時(shí)注意信號(hào)的流向，一般從輸入端畫起，由左至右或由上至下按信號(hào)的流向依次畫出各單元電路；如果電路圖比較復(fù)雜，可以先將主電路圖畫在一張圖紙上，然后將其余的單元電路畫在一張或數(shù)張圖紙上，并在各圖紙所有端口兩端標(biāo)注上

26、標(biāo)號(hào)，依次說明各圖紙之間的連線關(guān)系。2.5 基于模擬器件的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程2)注意總體電路圖的緊湊和協(xié)調(diào)，要求布局合理，排列均勻。圖中元器件的符號(hào)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，元件符號(hào)旁邊應(yīng)標(biāo)出型號(hào)和參數(shù)。集成電路通常用框表示，在框內(nèi)標(biāo)出它的型號(hào)，在框的邊線兩側(cè)標(biāo)出每根連線的功能和引腳號(hào)。3)連線一般畫成水平線和垂直線，并盡可能減少交叉和拐彎。對于相互交叉的線，應(yīng)在交叉處用圓點(diǎn)標(biāo)出。對于連接電源正極的連線，僅需標(biāo)出電源的電壓值；對于連接電源負(fù)極的連線，一般用接地符號(hào)表示即可。2.6 基于數(shù)字器件的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程數(shù)字系統(tǒng)的規(guī)模差異很大，對于比較小的數(shù)字系統(tǒng)可采用所謂經(jīng)典法設(shè)計(jì)。即根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，用真值表、狀態(tài)表

27、求出簡化的邏輯表達(dá)式，畫出邏輯圖、邏輯電路圖，最后采用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)。目前正迅速普及的基于ISP(在系統(tǒng)編程)技術(shù)的可編程邏輯器件的出現(xiàn)，給數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了革命性的變化。硬件設(shè)計(jì)變得像軟件一樣易于修改，且要改變一個(gè)設(shè)計(jì)方案，通過設(shè)計(jì)工具軟件在計(jì)算機(jī)上數(shù)分鐘內(nèi)即可完成。這不僅擴(kuò)展了器件的用途，縮短了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，而且還去除了對器件單獨(dú)編程的環(huán)節(jié)，省去了器件編程設(shè)備，減少了產(chǎn)品開發(fā)成本。 2.6 基于數(shù)字器件的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程1分析系統(tǒng)功能通常數(shù)字電路系統(tǒng)包括輸入電路、控制電路、輸出電路、被控電路和電源等。進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要明確系統(tǒng)的任務(wù)、所要達(dá)到的技術(shù)性能、精度指標(biāo)、輸入輸出設(shè)備、

28、應(yīng)用環(huán)境以及是否具有特殊要求等。設(shè)計(jì)者有時(shí)接收的課題比較籠統(tǒng)，有些技術(shù)問題需要依靠設(shè)計(jì)者進(jìn)行消化、分析與理解，特別要注意與課題提出者或者用戶、系統(tǒng)使用者反復(fù)討論，并在應(yīng)用現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地考察以后才能明確。2.6 基于數(shù)字器件的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程2確定總體方案明確了系統(tǒng)性能以后，應(yīng)考慮如何實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)功能，即采用哪種電路來完成它。對于比較簡單的系統(tǒng)，可采用中、小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)；對于輸入邏輯變量比較多、邏輯表達(dá)式比較復(fù)雜的系統(tǒng)，可采用大規(guī)模可編程邏輯器件完成；對于需要完成復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算、進(jìn)行多路數(shù)據(jù)采集、處理、控制的系統(tǒng)，可采用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。目前對于處理復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)最佳方案是大規(guī)模可編程邏輯器件加

29、單片機(jī)，這可大大簡化設(shè)計(jì)成本，提高可靠性。2.6 基于數(shù)字器件的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程3邏輯功能劃分通常先將系統(tǒng)劃分為信息處理和控制電路兩部分，然后根據(jù)信息處理電路的功能要求將其分成若干個(gè)功能模塊?？刂齐娐肥钦麄€(gè)數(shù)字系統(tǒng)的核心，它根據(jù)外部輸入信號(hào)及受其控制的信息處理電路來的狀態(tài)信號(hào)，產(chǎn)生受控電路的控制信號(hào)。常用的控制電路有如下3種：移位型控制器、計(jì)數(shù)型控制器和微處理器控制器。通常根據(jù)完成控制對象的復(fù)雜程度，靈活選擇控制器形式。2.6 基于數(shù)字器件的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程4設(shè)計(jì)單元電路在全面分析各模塊功能類型后，應(yīng)選擇出合適的器件并設(shè)計(jì)出單元電路。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)充分考慮能否利用ASIC器件實(shí)現(xiàn)某些邏輯單元

30、電路，從而大大簡化邏輯設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性和減小PCB體積。2.6 基于數(shù)字器件的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程5系統(tǒng)電路綜合在各單元電路模塊和控制電路的設(shè)計(jì)滿足預(yù)期要求以后，把各個(gè)部分電路連接起來，構(gòu)成整個(gè)電路系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行功能測試。測試主要包括：系統(tǒng)故障診斷與排除、系統(tǒng)功能測試、系統(tǒng)性能指標(biāo)測試等3部分工作。如果系統(tǒng)有一項(xiàng)不符合要求，則必須修改電路設(shè)計(jì)。6撰寫設(shè)計(jì)文件在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)完成后，應(yīng)整理出相關(guān)的設(shè)計(jì)文件，主要包括：完整的電路原理圖、詳細(xì)的源程序清單、所用元器件清單、功能與性能測試結(jié)果、使用說明書等。 2.7 通用型電子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試 1電子系統(tǒng)的安裝設(shè)計(jì)電路完成以后要進(jìn)行電路的安裝，一

31、般采用印制電路板、通用電路板和面包板。進(jìn)行安裝時(shí)注意以下方面：1)準(zhǔn)備好常用的工具和材料。需要對各種各樣的電子元器件及結(jié)構(gòu)各異的零部件進(jìn)行裝配。2)在安裝前需要對全部所有電子元器件進(jìn)行測試，有條件的還要進(jìn)行老化處理，以保證元器件的質(zhì)量。符合要求的電子產(chǎn)品，一套基本的工具是必不可少的，如烙鐵、鉗子、螺釘旋具、鑷子和焊錫。正確使用得心應(yīng)手的工具，可大大提高工作效率，保證裝配質(zhì)量。2.7 通用型電子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試3)有極性的電子元器件安裝時(shí)其標(biāo)志最好方向一致，以便于檢查和更換。集成電路的方向要保持一致，以便正確布線和查線。4)在面包板上組裝電路時(shí)，為了便于查線，可根據(jù)連線的不同作用選擇不同顏色的導(dǎo)

32、線。如正電源采用紅色線、負(fù)電源采用藍(lán)色導(dǎo)線、地線采用黑色導(dǎo)線、信號(hào)線采用黃色導(dǎo)線等。2.7 通用型電子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試5)布線要按信號(hào)的流向有序連接，連線要做到橫平豎直，不允許跨接在集成電路上。另外，選擇導(dǎo)線粗細(xì)要適中，避免導(dǎo)線與面包板插孔之間接觸不良。6)印制電路板的設(shè)計(jì)原則是性質(zhì)相同的電路安排在一塊板上。例如模擬電路或小信號(hào)電路安排在一塊板上；大功率電路、高壓電路、發(fā)射電路單獨(dú)配置，甚至要安排必要的屏蔽盒、絕緣盒、散熱裝置等。2.7 通用型電子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試2電子系統(tǒng)的調(diào)試(1)調(diào)試電路的常用儀器1)萬用表。萬用表能夠測量交直流電壓、交直流電流、電阻、電容及半導(dǎo)體二極管和晶體管。具有精度

33、高、使用方便、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。2)示波器。示波器能夠?qū)﹄娐分械母鼽c(diǎn)電位進(jìn)行測量和觀察波形，同時(shí)可比較任意兩點(diǎn)波形的相位關(guān)系。示波器具有高的靈敏度、高的交流阻抗、對負(fù)載影響小等特點(diǎn)。在使用示波器應(yīng)注意的是所用示波器的頻帶一定要大于被測信號(hào)的頻率。3)信號(hào)發(fā)生器。因?yàn)榻?jīng)常要在加信號(hào)的情況下進(jìn)行測試，則在調(diào)試和故障診斷時(shí)最好備有信號(hào)發(fā)生器。如多功能函數(shù)發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等波形。2.7 通用型電子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試(2)調(diào)試電路前的檢查 電路安裝完畢后，不要急于通電，首先要根據(jù)電路原理圖認(rèn)真檢查電路接線是否正確。主要直觀檢查電源、地線、信號(hào)線、元器件引腳之間有無短路，連線有無接觸不良，

34、元器件有無漏焊，二極管、晶體管和電解電容極性有無錯(cuò)誤。查線時(shí)最好用指針式萬用表“W1”檔，或用數(shù)字萬用表的“W”擋的蜂鳴器來測量。 2.7 通用型電子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試(3)調(diào)試步驟 電子系統(tǒng)的調(diào)試原則是“化整為零，分塊調(diào)試”： 1)通電觀察。在確認(rèn)電路連接沒有錯(cuò)誤的情況下，接通電源。電源接通后不要先急于測量數(shù)據(jù)，而應(yīng)首先觀察有無異?，F(xiàn)象，如有無冒煙，是否聞到異常氣味，手摸元器件是否發(fā)燙，電源是否有短路現(xiàn)象等。如有異常，應(yīng)立即關(guān)斷電源，待故障排除后方可重新通電。2.7 通用型電子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試2)分塊調(diào)試。把電路按功能分成不同的模塊，分別對各模塊進(jìn)行調(diào)試。通常調(diào)試順序是按照信號(hào)的流向進(jìn)行，這樣

35、可把前級(jí)測試過的輸出作為后一級(jí)的輸入信號(hào)，為最后聯(lián)調(diào)創(chuàng)造條件。分塊調(diào)試包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試。靜態(tài)測試是在沒有外加信號(hào)的條件下測量電路各點(diǎn)電位，通過靜態(tài)測試可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)損壞的元器件或其他故障。動(dòng)態(tài)測試是在信號(hào)源的作用下，借助示波器觀察各點(diǎn)波形，進(jìn)行波形分析，測量動(dòng)態(tài)指標(biāo)。把靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試的結(jié)果與設(shè)計(jì)的指標(biāo)加以比較，經(jīng)深入分析后對電路與參數(shù)提出合理的修整。調(diào)試電路過程應(yīng)對測試結(jié)果作詳盡記錄。2.7 通用型電子系統(tǒng)的安裝和調(diào)試3)整機(jī)聯(lián)調(diào)。各單元電路調(diào)試好以后，還要將它們連接成整機(jī)進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。整機(jī)統(tǒng)調(diào)主要觀察和測量動(dòng)態(tài)特性，把測量的結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)逐一對比，找出問題及解決辦法，然后對電路及參數(shù)進(jìn)行修正

36、，直到整機(jī)的性能完全符合設(shè)計(jì)要求為止。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法所謂智能型電子系統(tǒng)是指具有一定智能行為的系統(tǒng)。一般認(rèn)為，一個(gè)智能型電子系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)采集、處理、判斷、分析和控制輸出的能力等。在工業(yè)控制中，以單片機(jī)為核心的智能控制系統(tǒng)，很容易將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，使問題得到很好的解決。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程主要包括：總體方案論證、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件及軟件開發(fā)、聯(lián)機(jī)調(diào)試、產(chǎn)品定型等步驟。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法1.總體方案論證通常需要對系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行論證。(1)技術(shù)指標(biāo) 根據(jù)產(chǎn)品研制的任務(wù)，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品

37、的先進(jìn)性、可靠性、可維護(hù)性、性能價(jià)格比等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，制定出待開發(fā)產(chǎn)品的性能要求、工作環(huán)境、外形尺寸、重量要求等。(2)系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)構(gòu)成主要是根據(jù)目前市場上供貨行情，選擇單片機(jī)機(jī)型和電子元器件型號(hào)。通常要求是：1)機(jī)型的選擇應(yīng)適應(yīng)系統(tǒng)的要求和功能的要求。2)對該機(jī)型要有性能良好的開發(fā)工具。3)應(yīng)選擇設(shè)計(jì)人員最熟悉的機(jī)型，以利于縮短研制周期。4)選擇的機(jī)型和電子元件要有充分的市場供貨。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要包括：系統(tǒng)功能的軟、硬件劃分；指標(biāo)分配與框圖構(gòu)成。(1)系統(tǒng)功能的軟、硬件劃分 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件和軟件之間有著密切

38、的相互制約關(guān)系，有的可能會(huì)從硬件的角度對軟件提出一些特殊要求；也有的會(huì)從軟件的角度對硬件提出一些特殊要求；在某些情況下，硬件和軟件又具有一定的互換性。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法一般要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的速度要求來劃分軟、硬件功能。例如當(dāng)用軟件來完成某一控制功能時(shí)，必須使程序執(zhí)行的時(shí)間小于控制要求所允許的時(shí)間范圍并保證留有余量，避免系統(tǒng)工作不可靠；否則必須設(shè)法將這部分的功能用硬件來實(shí)現(xiàn)。此外也可以根據(jù)成本、可靠性和研制周期合理分配軟、硬件。例如產(chǎn)品的批量大，就應(yīng)著重考慮降低硬件成本，采用以軟代硬；反之，在小批量研制中，往往采用增加硬件以降低軟件成本。硬件電路越復(fù)雜，系統(tǒng)的可靠性

39、就越差。一般盡可能減少硬件電路在應(yīng)用系統(tǒng)中的比例，采用以軟件代替硬件功能，是提高可靠性的一個(gè)好方法。此外，為了加快單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制速度，應(yīng)盡量考慮采用各種標(biāo)準(zhǔn)軟、硬件或利用已有的成熟的軟硬件來完成應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這將起到事半功倍的效果。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法(2)指標(biāo)分配與框圖構(gòu)成 在軟、硬件功能劃分之后，根據(jù)總體方案所提出的任務(wù)、要求和條件，可以用具有一定功能的若干單元框圖構(gòu)成一個(gè)總框圖，并將系統(tǒng)的性能指標(biāo)分配到各單元框中去。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法3. 設(shè)計(jì)硬件電路硬件電路設(shè)計(jì)一般包括兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)構(gòu)成，也稱系統(tǒng)擴(kuò)展。如當(dāng)RO

40、M、RAM、I/O口等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求時(shí)，就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的擴(kuò)展電路。二是接口擴(kuò)展，也稱系統(tǒng)配置。如系統(tǒng)要求配置一定的外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)出合適的接口電路。硬件電路設(shè)計(jì)要遵循以下原則：2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法1.盡可能選擇結(jié)構(gòu)完整的單片機(jī)，以簡化系統(tǒng)硬件，減少設(shè)計(jì)工作量。2.盡可能選擇典型的電路，并符合所選芯片的常規(guī)用法，為硬件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好基礎(chǔ)。3.應(yīng)在充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的前提下進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置，并適當(dāng)留有余地，以便方案更改或進(jìn)行二次開發(fā)。4.硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合軟件方案一并考慮，做到軟件、硬件功能相匹

41、配。5.整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。6.可靠性設(shè)計(jì)及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇、去藕電路、印制電路板布線、通道屏蔽、隔離等措施。 2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法4. 設(shè)計(jì)軟件對于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在滿足性能指標(biāo)允許的前提下，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者往往采用最簡的硬件電路，加上巧妙的軟件處理方法，來實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)要求的功能。設(shè)計(jì)一個(gè)好的應(yīng)用軟件，應(yīng)考慮如下的一些設(shè)計(jì)原則。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法1) 軟件在結(jié)構(gòu)上應(yīng)清晰、簡潔、流程合理，方便設(shè)計(jì)。2) 各功能子程序應(yīng)實(shí)現(xiàn)模塊化、子程序化，以便于調(diào)試、連接、移植和修改

42、。3) 應(yīng)合理規(guī)劃程序存儲(chǔ)區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，做到既節(jié)約內(nèi)存容量，又方便操作。4) 對各功能程序的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行結(jié)果以及運(yùn)行要求都要設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志以便查詢，從而將運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化管理。 5) 對需要特殊抗干擾的系統(tǒng)應(yīng)采用軟件抗干擾措施，以提高系統(tǒng)的可靠性。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法5系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試包括系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。(1)硬件電路的調(diào)試 硬件電路調(diào)試主要包括脫機(jī)檢查、單元功能電路調(diào)試、整機(jī)聯(lián)調(diào)等3個(gè)步驟。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法1)脫機(jī)檢查。檢查電源系統(tǒng)的極性、短路等問題；檢查硬件電路的地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線是否有短路、開

43、路、錯(cuò)位情況；在不插入集成電路芯片的情況下加電檢查，確定一些點(diǎn)的工作電位是否正常；斷電后把集成電路芯片正確的插入各插座，然后加電，檢查各芯片是否有溫升等異?，F(xiàn)象。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法2)調(diào)試單元功能電路。在調(diào)試單元功能電路時(shí)應(yīng)逐級(jí)進(jìn)行，與調(diào)試無關(guān)的電路或芯片暫不接入。此時(shí)需借助單片機(jī)的仿真器進(jìn)行調(diào)試工作，將仿真器與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通過仿真插頭連接起來，即可進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)。主要調(diào)試內(nèi)容包括： 擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。利用讀出擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容是否正確來測試，如測試不正常，應(yīng)考慮程序存儲(chǔ)器芯片是否損壞，或數(shù)據(jù)線、地址線、片選線或讀/寫控制線是否有錯(cuò)位、開路、短路及連接不正確。2

44、.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。將一批數(shù)據(jù)寫入擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后再讀出其中內(nèi)容。若寫入與讀出內(nèi)容不一樣，則說明數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有故障。 I/O接口和I/O設(shè)備。對于I/O接口，有只讀的輸入口和只寫的輸出口，也有可編程的I/O口。對于輸入口，可用讀命令檢查讀入結(jié)果是否和連接的設(shè)備狀態(tài)相同；對于輸出口，可用寫數(shù)據(jù)到輸出口，觀察輸出口與所連設(shè)備的狀態(tài)；對于可編程接口，先將控制字寫入接口控制寄存器，再用讀/寫命令來檢查對應(yīng)狀態(tài)。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法3)整機(jī)聯(lián)調(diào)。各單元電路調(diào)試好以后，還要將它們連接成整機(jī)進(jìn)行統(tǒng)調(diào)。整機(jī)統(tǒng)調(diào)主要觀察和測量動(dòng)態(tài)特

45、性，把測量的結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)逐一對比，找出問題及解決辦法，然后對電路及參數(shù)進(jìn)行修正，直到整機(jī)的性能完全符合設(shè)計(jì)要求為止。2.8 基于微處理器的智能型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試方法(2)軟件調(diào)試 硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。將在硬件調(diào)試設(shè)計(jì)滿足預(yù)期要求以后，把軟件加載到硬件中，并對該系統(tǒng)進(jìn)行功能測試。測試主要包括：系統(tǒng)故障診斷與排除、系統(tǒng)功能測試、系統(tǒng)性能指標(biāo)測試等3部分工作。如果系統(tǒng)有一項(xiàng)不符合要求，則必須修改電路設(shè)計(jì)，直到滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。2.9 編寫設(shè)計(jì)報(bào)告(論文)設(shè)計(jì)報(bào)告是設(shè)計(jì)工作的起點(diǎn)，又是設(shè)計(jì)全過程的總結(jié)；是設(shè)計(jì)思想的歸納，又是設(shè)計(jì)成果的總匯。從設(shè)計(jì)報(bào)告中可以反映出設(shè)計(jì)人員的知識(shí)水平和層次。設(shè)計(jì)報(bào)

46、告編寫的一般步驟是：設(shè)計(jì)方案比較、論證及選擇；細(xì)化框圖；設(shè)計(jì)關(guān)鍵單元電路；畫出受控模塊框圖；設(shè)計(jì)控制電路；編寫應(yīng)用程序及管理程序；整機(jī)時(shí)序設(shè)計(jì)；關(guān)鍵部位波形分析以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)成果；畫出整機(jī)電路圖；測試儀器及方法選擇；測試數(shù)據(jù)及結(jié)果的分析與處理；列寫參考資料目錄。當(dāng)然，對于一個(gè)具體的設(shè)計(jì)報(bào)告可以參考上述要求。2.10 電子系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)大多采用工頻交流電供電，由兩種類型的穩(wěn)壓電路可以提供所需的各擋電壓。一種是普通線性電源，它由變壓器、整流器、低通濾波器、穩(wěn)壓器等部件組成，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，穩(wěn)壓精度能滿足一般要求，缺點(diǎn)是體積較大，發(fā)熱較嚴(yán)重。另一種是微機(jī)系統(tǒng)廣泛采用的開關(guān)電源。它按照

47、脈寬調(diào)制式(PWM)原理工作，體積小巧，穩(wěn)定性好，穩(wěn)壓精度高，但成本略高，且設(shè)計(jì)技術(shù)與制造技術(shù)復(fù)雜，宜采用專業(yè)廠家生產(chǎn)的成品。2.10 電子系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與選用電源要注意以下幾點(diǎn)：1)電源應(yīng)具有足夠的功率，以免滿負(fù)荷或超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，精度降低。2)由于電源是干擾進(jìn)入電子系統(tǒng)的主要途徑之一，電源變壓器等器件應(yīng)良好屏蔽，必要時(shí)可以在電源入口處設(shè)置交流穩(wěn)壓器和交流電源濾波器、分布式電抗器等，以提高穩(wěn)壓和濾波效果。3)電子系統(tǒng)大多主要使用+5V直流電壓，但有些器件(如A/D轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)、EPROM寫入器、各種小型、微型繼電器等)要求提供其他檔次的電壓，有時(shí)還要求使用隔離電源，設(shè)計(jì)中應(yīng)統(tǒng)一

48、考慮。從抗干擾角度考慮，共地系統(tǒng)不宜采用隔離電源而隔離系統(tǒng)不能使用共地電源。2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程任何形式的智能型電子系統(tǒng)都離不開軟件。軟件設(shè)計(jì)是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。事實(shí)上，總體方案設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該對軟件設(shè)計(jì)有所考慮，以便對目標(biāo)系統(tǒng)的硬、軟件相互協(xié)調(diào)，并籌備好開發(fā)、調(diào)試工具。當(dāng)系統(tǒng)硬件方案大致擬定以后，軟件設(shè)計(jì)便可相繼展開。通常軟件編制可獨(dú)立進(jìn)行。編好的程序有些可完全脫離硬件運(yùn)行和測試，有些可以在局部硬件支持下完成粗調(diào)，有時(shí)還可以拿到開發(fā)系統(tǒng)上模擬運(yùn)行。2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程軟件開發(fā)這一相對獨(dú)立的特性使得針對同一硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序其結(jié)構(gòu)、風(fēng)格可以相差很遠(yuǎn)，有時(shí)甚至很

49、難進(jìn)行優(yōu)劣的評(píng)價(jià)與比較。然而在應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)中，一些基本的要求和基本的方法是大家公認(rèn)的。2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程電子系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)的基本要求：(1)可靠性 對應(yīng)用程序的基本要求是工作可靠。如果程序本身運(yùn)行不可靠，那么無論結(jié)構(gòu)多么精巧，功能如何齊全，都是毫無意義的。軟件的可靠與硬件不同，它不取決于器件和外部運(yùn)行環(huán)境，而主要由程序本身是否正確所決定。應(yīng)用程序編制完成后，必須認(rèn)真校核，糾正一切語句錯(cuò)誤和所發(fā)現(xiàn)的邏輯錯(cuò)誤。遺憾的是有些軟件錯(cuò)誤即使經(jīng)過千百次運(yùn)行也未必能夠暴露，而且一旦與硬件潛在的故障攪在一起，就更加難以查找和判別，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)除了在結(jié)構(gòu)上采取相應(yīng)措施以外，還必須緊緊抓住那些偶然出

50、現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，反復(fù)運(yùn)行和測試，順藤摸瓜地確定錯(cuò)誤大致范圍、發(fā)生條件，盡量把它排除在樣機(jī)試制階段。 2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程(2)精度 應(yīng)用軟件大多含有各種計(jì)算程序，有些還包括復(fù)雜的函數(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理。軟件的精度是指數(shù)據(jù)進(jìn)入微處理器以后經(jīng)過計(jì)算與處理所能保持的精度。它取決于兩個(gè)方面。首先是算法的精度。由于各種數(shù)據(jù)濾波方法、函數(shù)的近似計(jì)算、線性化校正、閉環(huán)控制算法等都不同程度地存在著誤差，從根本上制約了軟件的精度。其次是程序本身的精度。它主要指計(jì)算機(jī)由于位長不足，通過程序進(jìn)行操作時(shí)產(chǎn)生的附加誤差。算法誤差已超出軟件設(shè)計(jì)范疇，而程序計(jì)算的精度完全可以在設(shè)計(jì)過程中加以控制。智能型電子系統(tǒng)對整機(jī)

51、精度往往都規(guī)定了具體指標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)要酌情進(jìn)行誤差分配。一般來說，軟件的精度如果比實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)/模轉(zhuǎn)換的精度高一個(gè)數(shù)量極以上，通常認(rèn)為能夠滿足精度要求，產(chǎn)生的附加誤差可以忽略不計(jì)。設(shè)計(jì)多字節(jié)運(yùn)算或浮點(diǎn)運(yùn)算程序、建立高精度數(shù)據(jù)表格等是提高程序精度的主要途徑。對于選定的CPU來說，這通常意味著計(jì)算速度放慢、內(nèi)存容量增加、程序設(shè)計(jì)難度增大。因此軟件的精度只需控制在適中范圍即可。2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程(3)速度 通用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用軟件主要用于科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理(非實(shí)時(shí)性的)與事物管理。對CPU及其程序的執(zhí)行速度不像微機(jī)化儀器儀表要求那樣嚴(yán)格。智能型電子系統(tǒng)大多是一個(gè)實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)。2.11 電子

52、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程在每一工作周期，要按照時(shí)間節(jié)拍一步步完成多路信號(hào)的采集、濾波及統(tǒng)計(jì)分析等處理，有時(shí)還要求進(jìn)行閉環(huán)控制計(jì)算。通常智能型電子系統(tǒng)有一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)對各種外部事件的響應(yīng)按照輕重緩急的原則作出相應(yīng)的處理。如果程序執(zhí)行速度太慢，在每一個(gè)工作周期里來不及完成對每個(gè)事件的服務(wù)，就可能丟失一些數(shù)據(jù)或者漏掉一些處理，導(dǎo)致測量結(jié)果與控制動(dòng)作的錯(cuò)誤或延緩。當(dāng)CPU主要的執(zhí)行程序以實(shí)時(shí)中斷方式調(diào)用時(shí)，還有可能陷入無休止的中斷申請使人誤以為是程序錯(cuò)誤。提高程序執(zhí)行速度的基本方法是改進(jìn)程序設(shè)計(jì)。如考查程序結(jié)構(gòu)是否合理，能否把某些延時(shí)等待操作改為中斷申請服務(wù)；某些循環(huán)結(jié)構(gòu)與循環(huán)指令的使用是否恰當(dāng)；

53、能否以較少的循環(huán)次數(shù)或較快的指令代替；某些計(jì)算方法和查表技術(shù)是否過于繁瑣，能否適當(dāng)簡化 2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程一般來說，用匯編語言編寫的程序經(jīng)過適當(dāng)改進(jìn)和排除錯(cuò)誤，其速度會(huì)有明顯提高。如果程序使用的是高級(jí)語言，可以把某些實(shí)時(shí)性要求高或者反復(fù)調(diào)用的程序用匯編語言編寫，生成機(jī)器碼子程序后供高級(jí)程序調(diào)用。當(dāng)確認(rèn)改進(jìn)軟件設(shè)計(jì)已不能奏效時(shí)，就只好求助于硬件措施以提高速度了。 2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程(4)效率 軟件的效率有兩層含義：其一是指開發(fā)過程中所投入的人力和時(shí)間的效率，其二是指作為開發(fā)成果的程序的運(yùn)行效率。對于某一特定功能的軟件來說，開發(fā)過程中耗費(fèi)的人力和時(shí)間越省則開發(fā)效率越高，

54、程序執(zhí)行速度越快，占用內(nèi)存空間越少，運(yùn)行效率越高。通常，用高級(jí)語言開發(fā)效率高但運(yùn)行效率低，用匯編語言開發(fā)剛好相反，運(yùn)行效率高而開發(fā)效率低。如果用手工匯編方法開發(fā)機(jī)器語言程序效率更低。以往由于集成芯片和開發(fā)設(shè)備等微機(jī)硬件價(jià)格過高，人們往往不得已而采用低效率、低成本的開發(fā)與應(yīng)用。近年來由于硬件價(jià)格持續(xù)下降，軟件開發(fā)耗費(fèi)的人力和時(shí)間逐漸成為不容忽視的問題，人們開始像重視硬件成本一樣重視軟件的生產(chǎn)成本。2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程為了提高軟件的綜合效率，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)當(dāng)運(yùn)行效率滿足要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先使用各種高級(jí)語言編制應(yīng)用程序。2)在條件允許時(shí)盡量使用各種編輯、匯編程序及其他軟件開發(fā)、調(diào)

55、試工具。3)注意硬/軟協(xié)調(diào)，必要時(shí)適當(dāng)增加硬件投入以換取軟件的簡化。4)當(dāng)執(zhí)行速度與程序長度發(fā)生矛盾時(shí)，應(yīng)以速度為先，不必過分計(jì)較占用的內(nèi)存空間。5)不必過分糾纏于程序的設(shè)計(jì)技巧而浪費(fèi)時(shí)間。 2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程(5)用戶界面 與通用計(jì)算機(jī)一樣，微機(jī)化儀器儀表型電子系統(tǒng)的應(yīng)用程序應(yīng)提供良好的用戶界面。所謂用戶界面，通俗地講就是指人機(jī)對話的方便程度，好用的程序比難用的程序受人歡迎，因此用戶界面的優(yōu)劣往往直接影響到微機(jī)化儀器儀表的推廣與普及。在硬件設(shè)計(jì)定型以后，軟件設(shè)計(jì)者應(yīng)該從用戶角度來考慮和安排各種操作與對話功能，要充分照顧到使用者的文化程度、心理因素及操作習(xí)慣，避免使用各種繁瑣的定

56、義、復(fù)雜的數(shù)據(jù)格式、似是而非的標(biāo)志與信息。2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程通常在鍵盤和CRT顯示器支持下易于設(shè)計(jì)良好的用戶界面，菜單形式的對話方式便于熟悉和掌握。如能適當(dāng)提供漢字信息和圖形界面更加有助于操作使用。當(dāng)然不是任何微機(jī)化儀器儀表都有必要和可能采用這類方法。良好的用戶界面還應(yīng)包括各種必要的容錯(cuò)技術(shù)，如外界條件異?；蛘卟僮髡卟僮鞑划?dāng)時(shí)，應(yīng)能以某種合理的方式作出反映，使操作人員可以在不停機(jī)的情況下，查找原因并作出相應(yīng)的處理。2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程(6)可讀性和可擴(kuò)展性 可讀性是指程序結(jié)構(gòu)合理、脈絡(luò)清晰、易于閱讀和理解；可擴(kuò)充性則指程序結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、便于修改和擴(kuò)充。用匯編語言編寫的源

57、程序由于與微機(jī)硬件直接相關(guān)，不大容易理解和記憶。有時(shí)常有這種情況，閱讀自己以前編寫的程序如同出自他人之手、從未見過一樣。如程序本身可讀性差，要作出修改與擴(kuò)充所花費(fèi)的力氣不亞于重新編寫。如何才能使程序具有良好的可讀性和可擴(kuò)充性呢？采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)是一種基本方法。2.11 電子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程除此以外，在具體設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意：1)不要將子程序分得過細(xì)以至反復(fù)出現(xiàn)子程序嵌套。2)不宜過多使用編程技巧而使程序顯得生澀費(fèi)解。3)要注意在程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)留出適當(dāng)空間以便在功能擴(kuò)展時(shí)可以不打亂整個(gè)程序結(jié)構(gòu)。4)及時(shí)將程序形成文件，包括各種流程圖、程序注釋、存儲(chǔ)器地址分配表、參數(shù)與定義表等。2.11 電子系統(tǒng)

58、的軟件設(shè)計(jì)流程綜上所述，在智能型電子系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)中，可靠性與效率是最重要的指標(biāo)。所要達(dá)到的目的，在于利用合理的經(jīng)費(fèi)和較短的時(shí)間研制出可供實(shí)用的程序。其他指標(biāo)在滿足基本要求以后可以逐步改進(jìn)和提高。近年來由于軟件價(jià)格相對于硬件價(jià)格不斷上升，為了減少程序設(shè)計(jì)耗費(fèi)的人力與時(shí)間，不少難于解決的問題趨向于用硬件承擔(dān)，這是一個(gè)值得設(shè)計(jì)人員注意的發(fā)展動(dòng)向。2.12 智能型電子系統(tǒng)的可靠性衡量一個(gè)實(shí)際的智能型電子系統(tǒng)， 除了系統(tǒng)性能的優(yōu)劣(如精度、量程)、功能的強(qiáng)弱(如顯示、可操作性、信號(hào)輸出)以及成本的高低等因素外，可靠性同樣是一個(gè)重要的指標(biāo)，可靠性不高帶來的損失不僅僅是對故障系統(tǒng)自身的維修和更換，其連鎖效應(yīng)會(huì)干擾正常的生產(chǎn)過程、損壞相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備、甚至危及人身安全。因此，從應(yīng)用的角度看，可靠性是最重要的指標(biāo)之一。 2.12 智能型電子系統(tǒng)的可靠性可靠性技術(shù)是一門涉及面廣泛的綜合性科學(xué)，可靠性理論有著完整的數(shù)學(xué)分析和計(jì)算方法，可靠性實(shí)踐是貫穿于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)制造、使用維護(hù)的綜合性工作。儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異又種類繁多，新的器件層出不窮， 可靠性技術(shù)也在不斷地發(fā)展完善， 本章僅討論在微機(jī)化儀表研制開發(fā)過程中帶有共性的基本方法和措施。2.12 智能型電子系統(tǒng)的可靠性智能型電子系統(tǒng)在研制階段的可靠性技術(shù)可從下列3個(gè)角度考慮：1)