《电子系统综合设计》PPT课件.ppt

电 子 系 统 设 计 苏州大学 电子信息学院 徐大诚 TELEmail: 提提 纲纲 课程性质、目的和任务 电子系统概述 电子系统设计方法 典型电子系统设计举例 课程性质、目的和任务课程性质、目的和任务 以模电、数电、单片机、EDA技术等课 程为先修课程 训练电子设计知识综合运用能力；培 养科学、系统、全面的综合设计素质； 具备中小型电子系统设计能力 为后续的毕业实习和毕业设计做好理 论知识的储备 电电 子子 系系 统统 概概 述述 1、电子系统的定义及构成 电电 子子 系系 统统 概概 述述 2、电子系统的分类 模拟电子系统 对讲机 无线遥 控门铃 电子系统概述电子系统概述 2、电子系统的分类数字电子系统 电电 子子 系系 统统 概概 述述 2、电子系统的分类单片机系统 电子系统概述电子系统概述 2、电子系统的分类 DSP系统 电子系统概述电子系统概述 2、电子系统的分类 嵌入式系统 电子系统设计方法电子系统设计方法 1、一般方法 自顶向下设计法 自顶向下的设计方 法 自底向上的设计方 法 以自顶向下方法为 主导，并结合使用 自底向上的方法 系统设计的方法系统设计的方法 自顶向下自顶向下 自底向上自底向上 自顶向下自顶向下与与自底向上自底向上相结合相结合 何谓顶？何谓顶？ 何谓底？何谓底？ 底底最基本的元、器最基本的元、器 件，甚至是版图件，甚至是版图 顶系统的功能 系统的结构系统的结构 n n 自顶至底有：自顶至底有： 系统 子系统 部件（功能模块） 单元电路 元、器件 版图 系统 子系统子系统 功能 模块 功能 模块 功能 模块 功能 模块 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 元、器件 版图 自 顶 向 下 自上而下法的优点自上而下法的优点 n n 尽量运用概念（抽象）描述、尽量运用概念（抽象）描述、 分析设计对象，不过早地考虑分析设计对象，不过早地考虑 具体的电路、元器件和工艺具体的电路、元器件和工艺 n n 抓住主要矛盾，不纠缠在具体抓住主要矛盾，不纠缠在具体 细节上，控制设计的复杂性细节上，控制设计的复杂性 系统 子系统子系统 功能 模块 功能 模块 功能 模块 功能 模块 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 元、器件 版图 自 底 向 上 n n 部件设计在先，设计系统时将受这些部件设计在先，设计系统时将受这些 部件的限制，影响：部件的限制，影响： n n 系统性系统性 n n 易读性易读性 n n 可靠性可靠性 n n 可维护性可维护性 自底向上的缺点自底向上的缺点 自底向上的优点自底向上的优点 n n 在系统的组装和调试在系统的组装和调试 过程中有效过程中有效 n n 可利用前人的设计成可利用前人的设计成 果果 系统 子系统子系统 功能 模块 功能 模块 功能 模块 功能 模块 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 单 元 电 路 元、器件 版图 以功能模块为 基础的自上而 下的设计方法 自上而下法的要领自上而下法的要领 从顶层到底层从顶层到底层 从概括到展开从概括到展开 从粗略到精细从粗略到精细 系统级 子系统级 部件级 元件级 自顶向下自底向上 n n 正确性与完备性正确性与完备性 n n 模块化与结构化模块化与结构化 n n 问题不下放问题不下放 n n 高层主导高层主导 n n 直观性与清晰性直观性与清晰性 自上而下法的原则自上而下法的原则 原 始 技术指标 系统级 子系统级 部件级 元件级 电子系统设计的步骤电子系统设计的步骤 n n 调查研究调查研究 n n 方案论证方案论证 n n 单元设计单元设计 n n 组装调测组装调测 n n 总结报告总结报告 调查研究调查研究 n n 明确设计要求明确设计要求 n n 弄清设计方法弄清设计方法 n n 了解设计关键了解设计关键 做什么？ 系统的功能 输入和输出 做到何种程度？ 性能 技术指标 注意分析每一 个细节，尽量考 虑得周到、完善 调查研究调查研究 n n 明确设计要求明确设计要求 n n 弄清设计方法弄清设计方法 n n 了解设计关键了解设计关键 有那些可使用的设计方法 相同产品 同类产品 同原理产品 其他可借鉴的方法 比较各种方法的 先进性 性价比 可行性 器材 人才 时间 产品效益与开发时间的关系产品效益与开发时间的关系 上市延迟上市延迟 销售顶峰销售顶峰 销售顶峰销售顶峰 电子系统设计的步骤电子系统设计的步骤 n n 调查研究调查研究 n n 方案论证方案论证 n n 单元设计单元设计 n n 组装调测组装调测 n n 总结报告总结报告 调查研究调查研究 n n 明确设计要求明确设计要求 n n 弄清设计方法弄清设计方法 n n 了解设计关键了解设计关键 决定指标的关键 难点 工作量大（重点） 方案论证方案论证 从顶层到底层从顶层到底层 从概括到展开从概括到展开 从粗略到精从粗略到精 细细 逐层细化 Y图 系统级 子系统级 部件级 元件级 行为级 结构级 物理级 用户需求变 为技术规范 与功能描述 实现给定规 范与功能的 子系统、部 件或元件及 其互联方式 用一定的材 料与工艺实 现结构 系统级 子系统级 部件级 元件级 行为级 结构级 物理级 系统级 子系统级 部件级 元件级 行为级 结构级 物理级 系统级 子系统级 部件级 元件级 行为级 结构级 物理级 n n 起点：起点： n n 系统级行为描述设计系统级行为描述设计 n n 用户需求用户需求 n n 系统技术规范系统技术规范 n n 功能描述功能描述 方案论证方案论证 系统级行为描述设计系统级行为描述设计 n n 系统的外部特性系统的外部特性 n n 主要功能主要功能 n n 输入和输出输入和输出 n n 那些端口那些端口 n n 输入（输出）信号输入（输出）信号 n n 特征特征 n n 来源（去向）来源（去向） n n 对系统的要求对系统的要求 初步方案 面板图 系统级 子系统级 部件级 元件级 行为级 结构级 物理级 n n 下一步：下一步： n n 系统级的结构描述与设计系统级的结构描述与设计 n n 系统设计规范与功能系统设计规范与功能 n n 子系统之间的组合子系统之间的组合 方案论证方案论证 n n 系统的内部特性系统的内部特性 n n 基本原理基本原理 n n 基本框图基本框图 n n 子系统子系统 n n 各子系统之间的接口要求各子系统之间的接口要求 n n 基本控制流程基本控制流程 系统级行为描述设计系统级行为描述设计 基本框图 基本流程图 n n 系统的内部特性系统的内部特性 n n 基本原理基本原理 n n 基本框图基本框图 n n 子系统子系统 n n 各子系统之间的接口要求各子系统之间的接口要求 n n 基本控制流程基本控制流程 系统级行为描述设计系统级行为描述设计 系统的 实现技 术 用数字技 术，还是 模拟技术 实现 ？ 模拟技术 优点：通常所使用的器件量较小 缺点：对器件的依赖性较大 调试较困难 与计算机配合不如数字技术方便 数字技术 优点：对器件的依赖性较小 调试较容易 与计算机配合方便 LSI与可编程器件的使用 不能！ 高频 小信号 大功率 主体为数字技术 质量靠模拟技术 千万不可忽略、 放弃模拟技术 软件实现方法： 单片机（计算机） DSP（数字信号处理 ） 嵌入式系统 软件离不开硬件支持 系统级 子系统级 部件级 元件级 行为级 结构级 物理级 n n 第三步：第三步： n n 系统级的物理描述与设计系统级的物理描述与设计 n n 组成系统的各抽象的子系统组成系统的各抽象的子系统 n n 各具体的子系统（各具体的子系统（IPIP） n n 提出具体的要求并转入提出具体的要求并转入 n n 下一层设计下一层设计 方案论证方案论证 Intellecture Property 知识产权 系统级 子系统级 部件级 元件级 行为级 结构级 物理级 n n 下一层：下一层： n n 子系统级行为描述设计子系统级行为描述设计 n n 对子系统的需求对子系统的需求 n n 子系统技术规范子系统技术规范 n n 功能描述功能描述 方案论证方案论证 系统级 子系统级 部件级 元件级 行为级 结构级 物理级 n n 下一步：下一步： n n 子系统级的结构描述与设计子系统级的结构描述与设计 n n 子系统设计规范与功能子系统设计规范与功能 n n 功能模块（部件）功能模块（部件） n n 之间的组合之间的组合 方案论证方案论证 n n 第三步：第三步： n n 子系统级的物理描述与设计子系统级的物理描述与设计 n n 组成子系统的各抽象的模块组成子系统的各抽象的模块 n n 选择具体的功能模块或选择具体的功能模块或 n n 对模块提出具体的要求并对模块提出具体的要求并 n n 转入下一层设计转入下一层设计 方案论证方案论证 没有现成模块可用 的特殊模块 关键模块、关键 元件及相互接口 以模块为 单位的详 细框图 n n 下一层：下一层： n n 部件级行为描述设计部件级行为描述设计 n n 对部件（模块）的需求对部件（模块）的需求 n n 部件的技术规范部件的技术规范 n n 功能描述功能描述 方案论证方案论证 n n 下一步：下一步： n n 部件级的结构描述与设计部件级的结构描述与设计 n n 部件设计规范与功能部件设计规范与功能 n n 单元电路之间的组单元电路之间的组 合合 方案论证方案论证 n n 第三步：第三步： n n 部件级的物理描述与设计部件级的物理描述与设计 n n 抽象的单元电路抽象的单元电路 n n 选用具体的单元电选用具体的单元电 路路 方案论证方案论证 电子系统设计方法电子系统设计方法 2、设计流程 以模拟器件为核心的电子系统设计流程 电子系统设计方法电子系统设计方法 2、设计流程 以标准数字集成电路为核心的电子系统设计流程 电子系统设计方法电子系统设计方法 2、设计流程 以MPU和MCU为核心的电子系统设计流程 确定任务，完成总体设计 硬件、软件设计与调试其中硬件系统 的一般设计步骤包括项目分析、系统方案制定、电 路设计、PCB设计、结构设计、样机组装与调试 系统总调、性能测定 电子系统设计方法电子系统设计方法 2、设计流程 以CPLD/FPGA为核心的电子系统设计流程 电子系统设计方法电子系统设计方法 3、常用EDA工具 电路仿真：Orcad、Multisim、Proteus。 可编程逻辑器件设计：Maxplus II、 Quartus II。 PCB设计：Protel、PowerPCB、Cadence 4、常用电子系统常用调试设备及装配工具 典型电子系统实例典型电子系统实例数字定时器数字定时器 铵油炸药生产流程 定时 定时 定时 定时 1、数字定时器的应用炸药混装车 1、数字定时器的应用消费类电子产品 数字闹钟智能微波炉全自动洗衣机 2 2、功、功 能能 要要 求求 （1）定时时间的设置范围为1-99分，开机上电 后的隐含值为10分，采用LED数码管显示，定时 时间可任意设置。 （2）定时器控制一个交流220V、1A的用电设备 ，上电时不允许用电设备瞬间通电。 （3）定时时间设定后，启动计时，用电设备通 电，同时显示器逐分倒计时。其间，分个位数码 管的小数点每秒闪亮一次；计时到0分时，切断 用电设备电源。 （4）计时误差：100分误差10s。 n n 在明确设计系统的性能要求的基础上在明确设计系统的性能要求的基础上 进行调研，吸收前人经验，开阔自己进行调研，吸收前人经验，开阔自己 的思路。的思路。 n n 利用利用“ “中文科技期刊数据库（中文科技期刊数据库（VIPVIP）” ”、“ “ 中国期刊全文数据库中国期刊全文数据库” ”等数据库进行网等数据库进行网 络查询，并对资料进行搜集筛选。络查询，并对资料进行搜集筛选。 3 3、整体方案、整体方案调调 研研 4 4、整体方案、整体方案论证论证 采用自顶向下的拼凑法构成系统方框图 4 4、 整体方案整体方案论证论证 方案1：中、小规模集成电路构成的数字定时器 n n 本方案的优点：本方案的优点： 各器件的功能清晰；易于设计。各器件的功能清晰；易于设计。 n n 本方案的缺点：本方案的缺点： 可靠性不高，价格不菲。可靠性不高，价格不菲。 4 4、 整体方案整体方案 论证论证 方案2：基于CPLD/FPGA的数字定时器 n n 本方案的优点：本方案的优点： 电路大为简化，系统可靠性高。电路大为简化，系统可靠性高。 n n 本方案的缺点：本方案的缺点： CPLD/FPGACPLD/FPGA成本高，用于低端产品其价格成本高，用于低端产品其价格 难以接受。难以接受。 4 4、整体方案、整体方案论论 证证 方案3：基于MCU的数字定时器 n n 本方案的优点：本方案的优点： （1 1）性能可靠性高；）性能可靠性高； （2 2）MCUMCU选型得当，则成本相当低廉。选型得当，则成本相当低廉。 n n 确定方案的原则：确定方案的原则： （1 1）宁软勿硬；）宁软勿硬； （2 2）性价比。）性价比。 5 5、器件、器件选选型及硬件型及硬件设设 计计 MCU的选型 这款小巧的单片机能满足系统的需求吗？这款小巧的单片机能满足系统的需求吗？ n n 主要考虑三个问题：主要考虑三个问题： （1 1）单片机速度是否满足系统要求？）单片机速度是否满足系统要求？ （2 2）单片机片内）单片机片内FLASHFLASH容量是否足够？容量是否足够？ （3 3）单片机）单片机I/OI/O口线是否满足系统需求？口线是否满足系统需求？ 5 5、器件、器件选选型及硬件型及硬件设设 计计 LED数码显示管选型 实物图引脚图 继电器选型 固态继电器（SSR）性能 虽好，但价格也较高，性 价比不高，最终弃用 5 5、器件、器件选选型及硬件型及硬件设设 计计 上电复位电路 电源电路 时钟电路 系统构成： 单片机最小系统+ 按键电路+共阴LED 显示电路+继电器 驱动电路 5 5、器件器件选选型及硬件型及硬件设计设计总总体体电电路路图图 5 5、硬件、硬件电电路路 设计设计 你能回答下面的问题吗？ n n 1 1、电源电路中采用三端稳压器、电源电路中采用三端稳压器LM7805LM7805将将 +12V+12V直流电压转变为直流电压转变为+5V+5V直流电压，相较直流电压，相较 于直接采用于直接采用+5V+5V直流电压供电有何好处？直流电压供电有何好处？ n n 2 2、从抗干扰的角度出发，继电器的驱动、从抗干扰的角度出发，继电器的驱动 电路还有其它更好的设计方法吗？电路还有其它更好的设计方法吗？ n n 3 3、简述电路图中的继电器线圈两端并联、简述电路图中的继电器线圈两端并联 的二极管的作用？的二极管的作用？ n n 4 4、RSTRST引脚在上电后的波形图是怎样的？引脚在上电后的波形图是怎样的？ 继电器驱动电路的其它设计方法 5 5、器件、器件选选型及硬件型及硬件设计设计 6 6、程序、程序设计设计 整体架构确定整体架构确定 本程序宜采用以系统时钟为核心 的程序结构，本设计要用到以下 几个时间量： 5ms每个数码管显示时间； 20ms按键去抖时间； 0.5s分个位LED小数点闪烁以 及预置时分十位和个位闪烁的时 间； 1s计时的单位时间。 最常见的主程序流程图 6 6、程序、程序设计设计 硬件硬件资资源分配源分配 INT0： 功能键KS，边沿触发； INT1： 加键KAD，边沿触发 P1.0P1.7：LED段码输出，高电平有效 P3.0：数码管分十位阴极，低电平有效，K1 P3.1：数码管分十位阴极，低电平有效，K2 P3.4：继电器驱动输出，低电平输出有效； T0：16位计时器，系统时钟，5ms中断一次 T1：16位计时器，计时时钟，20ms中断一次 6 6、程序、程序设计设计 画程序画程序 流程流程图图 6 6、程序、程序设计设计 容错设计 允许错误存在，并能防止它对系统正常工作的破坏 ，称为“容错”。 一个没有考虑容错的设计，包括一个程序，不能算 一个完美的设计。 软件的简单抗干扰措施 指令冗余 软件陷阱 软件看门狗 指令冗余和指令冗余和软软件看件看门门狗抗干狗抗干扰扰原理原理详详 解解 指令冗余 的抗干扰 原理 软件看门 狗的抗干 扰原理 7 7、ProteusProteus程序仿真程序仿真调调 试试 附附1 1：如何提高电子设计能力？：如何提高电子设计能力？ 1 1、多分析各种应用电路图和其工、多分析各种应用电路图和其工 作作 原理说明。原理说明。 2 2、多进行实际动手制作。、多进行实际动手制作。 3 3、充分利用图书、期刊、网络等、充分利用图书、期刊、网络等 各各 种渠道了解新器件、新技术等。种