電子系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)論

1.1概述什么是電子系統(tǒng)？回憶近代歷史的諸多重大開展與成就，電子與信息技術(shù)的飛速開展是現(xiàn)代社會開展的巨大動力之一。人類的生產(chǎn)與生活，都離不開電子信息技術(shù)和電子信息產(chǎn)品；要求即將工作于電子和信息領(lǐng)域的學(xué)生，必須學(xué)會并掌握電子系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)的方法。第1章電子系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)論但凡可以完成一個特定功能的完整的電子裝置都可稱為電子系統(tǒng)；電子系統(tǒng)有大有小，大到航天飛機的測控系統(tǒng)、小到出租車計價器，它們都是電子系統(tǒng)。電子系統(tǒng)的組成電子系統(tǒng)可能的組成框圖前向通道：前向通道是信息輸入的通道，受控對象以及受控對象所處的環(huán)境和控制條件，就是通過系統(tǒng)的前向通道輸入到主控電路，然后做進一步處理的；前向通道一般由傳感器、信號放大和信號變換等幾個環(huán)節(jié)組成，反響回路也是一樣。電子系統(tǒng)繁簡不一、功能各異，組成形式也各不相同。主控電路：主控電路是信號進行集中處理的電路，它將前向通道傳送過來的信息和人為控制信號在這里聚集到一起，完成對信息處理、決策與控制輸出的功能；主控電路可以由純硬件的電路組成，也可以用可編程邏輯器件或含有CPU的微處理器組成，后向通道：后向通道是信號輸出的通道，要改變受控對象的工作狀態(tài)，就要有相應(yīng)的后向通道；后向通道一般包括信號變換、放大等環(huán)節(jié)，并通過執(zhí)行機構(gòu)作用于受控對象。輔助電路：輔助電路是電子系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要組成局部；所有的電子系統(tǒng)中都必不可少需要供電電源來提供電路工作所需的能量，有些系統(tǒng)還需要基準源或信號源來輔助系統(tǒng)工作。電路類型模擬子系統(tǒng)數(shù)字子系統(tǒng)微處理機子系統(tǒng)模擬系統(tǒng)：傳感器、信號放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換換、信號驅(qū)動、執(zhí)行機構(gòu)、供電電源等；數(shù)字系統(tǒng)：信息處理、決策與控制等。數(shù)字系統(tǒng)包括：純硬件系統(tǒng)軟硬結(jié)合系統(tǒng)電子系統(tǒng)包括：實現(xiàn)電子系統(tǒng)的器件中大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路；專用集成電路；可編程器件；少量分立元件和機電元件。電子系統(tǒng)的類型非智能型——功能簡單或功能固定的電子系統(tǒng)；智能型——具備一定的智能行為的電子系統(tǒng)。具體地說，假設(shè)對于一個問題的鼓勵輸入，能夠產(chǎn)生適合求解問題的響應(yīng)，這樣的系統(tǒng)稱為智能系統(tǒng)。一般：有信息采集、傳輸、存儲、分析、判斷和控制輸出的能力；高智能：具備預(yù)測、自診斷、自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)控制功能；顯然，純硬件的電子系統(tǒng)是不可能被劃在智能型范圍內(nèi)；以微處理器為核心組成的軟硬結(jié)合的電子系統(tǒng)稱為智能型電子系統(tǒng)。電子系統(tǒng)的功能分類測控系統(tǒng)，如工業(yè)生產(chǎn)控制等；測量系統(tǒng)，如電量及非電量的精密測量等；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如語音、圖像、雷達信息處理等；通信系統(tǒng)，如數(shù)字通信、微波通信等；計算機系統(tǒng)，計算機本身就是一個電子系統(tǒng)；家電系統(tǒng)，如多媒體彩電、數(shù)字式視頻光盤機等。課程中涉及的電子系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容電子系統(tǒng)設(shè)計牽涉的范圍非常廣，涉及的技術(shù)層次也大不相同；本課程將限定于設(shè)計一個實用的完整的測量控制型電子系統(tǒng)；提供一個由單元電路、根本原理、實用器件到實用小系統(tǒng)的橋梁；學(xué)會并掌握電子系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的方法。1.“自上而下〞的方法1.2電子系統(tǒng)設(shè)計方法與過程一、電子系統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計人員首先根據(jù)對設(shè)計要求的理解及系統(tǒng)可能的工作方式、結(jié)構(gòu)等知識，構(gòu)成系統(tǒng)總體方框圖；根據(jù)設(shè)計要求及指標，規(guī)定每個子系統(tǒng)的性能指標，并對總體方框圖中的每一個方框(子系統(tǒng))進行分析及設(shè)計；對于復(fù)雜的子系統(tǒng)還可以繼續(xù)分解、細化，直到每個方框都可以用一種或一種以上的方法加以實現(xiàn)；方框圖中的每一個小方框都落實到通用中大規(guī)模集成電路層次，同時規(guī)定一些關(guān)鍵器件的指標以保證該子系統(tǒng)的性能指標的實現(xiàn)。自上而下的設(shè)計方法是一個不斷求精、逐步細化、分解的過程，但并不是單方向的。在下一級的構(gòu)成及設(shè)計過程中可能會發(fā)現(xiàn)上一級的問題或缺乏，必須反過來對上一級的構(gòu)成及設(shè)計加以修正。應(yīng)該說明的是：系統(tǒng)設(shè)計要求（系統(tǒng)說明書）系統(tǒng)總體方框圖子系統(tǒng)方框圖子系統(tǒng)方框圖子系統(tǒng)方框圖單元電路單元電路單元電路先從現(xiàn)有的可用的元件中選出合用的，設(shè)計成一個個單元電路；由多個單元電路組成子系統(tǒng)；由子系統(tǒng)組成整體系統(tǒng)。2.自下而上的方法優(yōu)點：可以繼承使用經(jīng)過驗證的、成熟的單元電路與子系統(tǒng)，減少設(shè)計的重復(fù)勞動，提高設(shè)計生產(chǎn)率；缺點：設(shè)計人員的思想受限于現(xiàn)成可用的元件或單元電路，故不容易實現(xiàn)系統(tǒng)化的、清晰易懂的以及可靠性高、可維護性好的設(shè)計。原因：電子技術(shù)的飛速開展，電子系統(tǒng)的復(fù)雜程度也在相應(yīng)提高；方法：采用計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)〔EDA軟件〕；優(yōu)點：為設(shè)計人員提供了一個完整的系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境，使人們擺脫了手工設(shè)計所帶來的各種弊端；使得設(shè)計者可以集中精力于系統(tǒng)的高層設(shè)計，諸如算法、功能等概念設(shè)計方面，而把大量的具體設(shè)計過程留給EDA軟件去完成；改變了傳統(tǒng)設(shè)計過多地依賴設(shè)計者的知識和經(jīng)驗，在EDA軟件中集成了大量的成熟經(jīng)驗、算法及工具，保證了設(shè)計的可靠性及水平，加速了設(shè)計速度，滿足了日益復(fù)雜的設(shè)計需要。局限：目前還只限于數(shù)據(jù)處理、通信及多媒體領(lǐng)域。3.EDA設(shè)計方法以最具代表性的智能型電子系統(tǒng)為例，設(shè)計過程包括確定設(shè)計任務(wù)、總體設(shè)計、硬件設(shè)計與調(diào)試、軟件設(shè)計與調(diào)試、整機聯(lián)調(diào)和資料整理等幾個步驟。二、電子系統(tǒng)設(shè)計過程1.確定設(shè)計任務(wù)做認真細致的調(diào)查研究：了解用戶技術(shù)要求；了解國內(nèi)、外相似課題的技術(shù)水平；摸清軟、硬件設(shè)計的技術(shù)難點。確定所要完成的任務(wù)及技術(shù)指標：設(shè)計任務(wù)書須盡可能詳細；技術(shù)指標合情合理。2.總體設(shè)計擬定總體設(shè)計方案：總體方案的選擇將直接決定電子系統(tǒng)設(shè)計的質(zhì)量；要認真調(diào)研、論證，選出最正確方案；對于關(guān)鍵性技術(shù)難點，應(yīng)設(shè)專題深入討論。軟、硬件功能劃分：根據(jù)速度的要求劃分；根據(jù)本錢要求劃分；根據(jù)可靠性要求劃分；根據(jù)研制周期要求劃分。畫出總體方框圖：3.硬件設(shè)計與調(diào)試硬件電路設(shè)計原那么：盡可能選擇功能較強的新型芯片；盡可能選擇典型電路，并符合所選芯片的常規(guī)用法；系統(tǒng)的擴展與外圍設(shè)備的配置應(yīng)適當(dāng)留有余地；硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合軟件方案一并考慮，做到軟、硬件功能相應(yīng)匹配；整個系統(tǒng)中相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配；進行可靠性及抗干擾設(shè)計；進行結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計。硬件電路的調(diào)試：脫機檢查；單元電路調(diào)試；局部聯(lián)調(diào)。4.軟件設(shè)計與調(diào)試軟件設(shè)計原那么：軟件結(jié)構(gòu)清晰、簡捷、流程合理；各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化、子程序化；程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)規(guī)劃合理；運行狀態(tài)實現(xiàn)標志化管理；實現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計。軟件設(shè)計過程：建立數(shù)學(xué)模型，確定適宜算法；劃分程序模塊，繪制程序流程圖；編寫源程序并翻譯成目標程序；軟件仿真與調(diào)試。5.整機聯(lián)調(diào)把全部電路連通，實現(xiàn)整機聯(lián)調(diào)；把測量儀器及系統(tǒng)本身顯示局部提供的信息與設(shè)計指標逐一比照，找出問題；進一步修改電路的參數(shù)，直到完全符合設(shè)計要求為止。6.資料整理需要整理的資料：硬件資料：完整的電路原理圖、元件布置和接線圖、印刷電路板圖，以及所用的元器件清單等。軟件資料：軟件流程圖、存儲單元和輸入輸出口地址分配表、詳細的源程序清單等。調(diào)試資料：調(diào)試的方法、調(diào)試用到的儀器設(shè)備，以及系統(tǒng)功能與性能測試結(jié)果等。寫出設(shè)計總結(jié)報告和系統(tǒng)使用說明書。1.設(shè)計任務(wù)1.3總體方案論證實例一、設(shè)計任務(wù)與要求2.根本要求一升水由1kW的電爐加熱,要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度根本不變。設(shè)計一個水溫控制系統(tǒng)。溫度設(shè)定范圍：40～90℃，最小區(qū)分度為1℃。控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。用十進制數(shù)碼顯示實際水溫。能打印實測水溫值。3.主要性能指標4.擴展功能具有通信能力，可接收其他數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)來的命令，或?qū)⒔Y(jié)果傳送到其他數(shù)據(jù)設(shè)備。采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度或環(huán)境溫度突變時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。溫度控制的靜態(tài)誤差≤0.2℃。能自動顯示水溫隨時間變化的曲線。1.擬定總體設(shè)計方案二、總體設(shè)計控制方法選擇：輸出開關(guān)量控制；比例控制〔P控制〕；比例積分控制〔PI控制〕；比例積分加微分控制〔PID控制〕。系統(tǒng)組成：經(jīng)典控制理論和常規(guī)模擬控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)控制；現(xiàn)代控制理論和計算機控制系統(tǒng)，應(yīng)用越來越廣泛；采用以單片機為核心的直接數(shù)字控制系統(tǒng)〔DDC〕。2.軟、硬件功能劃分速度估算：水溫上升1K所需熱量ΔQ=mCΔT=1000kcal；熱功換算：ΔW=P×Δt=4.186×ΔQ；加熱時間Δt=4.186×ΔQ/P=4.186s；結(jié)論：控制速度幾乎沒有任何限制。軟、硬件功能劃分：PID運算、輸入信號濾涉及大局部控制過程都可由軟件來完成。硬件的主要功能是溫度信號的傳感、放大、A/D轉(zhuǎn)換及輸出信號的功率放大。人機通道功能由系統(tǒng)軟、硬件配合完成。3.總體方框圖單片機基本系統(tǒng)鍵盤顯示微型打印機A/D信號放大傳感器功率放大電爐系統(tǒng)硬件總體框圖前向通道：包括傳感器、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換等電路；主控電路：以單片機為核心的數(shù)字系統(tǒng)，包括人機對話通道；后向通道：控制電爐的輸入功率；輔助電路：+5V和±15V供電電源，以及電壓基準。系統(tǒng)軟件總體框圖主程序；鍵盤中斷效勞程序。初始化輸入鍵值跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)子程序有鍵入？NY調(diào)修改PID參數(shù)子程序調(diào)設(shè)定溫度子程序調(diào)運行子程序調(diào)打印子程序保護現(xiàn)場讀入鍵值設(shè)置鍵入標志恢復(fù)現(xiàn)場返回1.增加通信功能三、擴展功能方案論證采用單片機片內(nèi)串行口外加邏輯電平轉(zhuǎn)換電路組成RS-232C標準接口；邏輯電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX232；軟件中還需增加相應(yīng)的通信處理程序。

輸出插座MAX232+-+-+--+10

F10

F10

F10

F134526121113148031RXD8031TXDPCTXDPCRXD去其他微機RS-232接口R1outT1inC1+C1-C2+C2-V+V-R1inT1out2.減小系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量對PID參數(shù)進行適當(dāng)整定與調(diào)整。

3.提高系統(tǒng)控制的靜態(tài)精度采用10位以上的A/D轉(zhuǎn)換器〔誤差≤0.1%〕。4.進一步簡化硬件、降低本錢選