电子系统设计方法及步骤演示幻灯片

1,电子系统设计应具备的条件,具备足够的基础知识储备掌握基本的电子系统设计方法和步骤必不可少的软件工具的掌握(1)Protel软件(2)Multisim软件(EWB软件)具备搜集资料的网络或其他条件必备的电路调试工具,2,电子系统设计步骤,明确系统的设计任务要求方案选择单元电路的设计、参数计算和器件选择EDA工具进行电路图绘制、仿真及PCB设计电子电路的加工及调试编写设计文档与总结报告,3,电子系统设计方法及步骤,需求分析任务书分析、确定软件硬件的分工方案设计系统功能模块划分方案实施原理图、PCB版图、软件设计与仿真原理样机验证原理用的第一个设备产品初样经过改进的原理样机，为最终生产提供样机最终产品可以批量生产的设备,4,Top-Down、Bottom-Up设计方法,自顶向下法：首先确定大框架结构，再确定模块结构，最后是详细的子电路结构特点：可靠性高，便于标准化管理，信息传输关系层次清楚自底向上法：首先给出各个模块的详细结构，然后再利用各个模块构建整个系统特点：适合于小规模系统设计,5,典型的电子系统结构,微处理器MCUMicrocontroller,输入模块INPUT,输出模块OUTPUT,外部存储器Memory,专用模块,软件模块,键盘开关传感器,LEDLCD显示器执行器,FFT图像处理音频处理-MP3视频处理,6,射频通信系统结构,7,8,9,10,11,机器人系统,12,GSM通信系统,13,MP3系统结构,14,DVD系统,15,PC机系统,16,子系统基本类型,复杂电子系统结构层次:5种子系统基本类型:1.模拟子系统2.数字子系统3.模拟,数混合子系统4.微处理器子系统5.DSP子系统,17,数字系统设计,此处指包括微处理器的数字系统设计流程需求分析：对需要完成的功能、任务进行技术分析，确定实现方案微处理器选型：根据需要完成的功能来选择微处理器数字逻辑功能模块划分数字逻辑设计与仿真芯片下载及实际测试,18,微处理器简介,微处理器-也称单片机。它是一种具有数据运算模块，可以根据事先设定的程序指令，并按照一定的时钟周期顺序执行的特殊功能IC是所有智能系统中的核心单元根据总线宽度：8、16、32、64位定点/浮点：是否能运行带有小数的数学运算指令格式：汇编、C程序（是由ANSICC演变的一种，大部分是兼容的，多了一些寄存器设置及特殊函数）,19,微处理器常用术语,寄存器：用于存放配置数据的一种触发器操作指令：用于实现某种功能的指令逻辑运算、搬移指令、移位运算、算术运算、跳转、位操作时钟周期：微处理器的基本时钟周期指令周期：执行一条指令所耗费的时钟周期定时器：MCU内置的一种可配置的倒计时计数器，用于实现定时操作等中断：在正常运行过程当中，可以实时监测某些信息的变化，并保存当前的指令状态，跳转至服务程序，去执行相关的操作，然后再返回现场接着执行当前指令休眠：指MCU关闭当前的某些模块，停止执行指令，仅让必要的唤醒单元处于值守状态。休眠状态通常不改变RAM内容和大部分的寄存器内容。,20,复位：所有的MCU均需要执行上电复位操作才能进入正常的工作状态高电平复位、低电平复位，复位信号保持一段时间系统才能彻底复位，例如100ms。外部复位：简单的RC复位、专用的电源管理兼复位IC软件复位：所谓的热启动。通过软件设置来实现系统复位，软件复位可以保留某些信息,21,常见的微处理器,8051：Intel公司产品。8位MCU，128/256字节的RAM，12T的指令周期，采用外部程序存储器改进型8051单片机：缩短指令周期：1T、6T等，改用内置FLASH存储器，增大RAM容量，增加ADC等特殊功能模块，降低功耗,22,AVR单片机：Atmel公司产品，属于RISC指令型，有8位、16位、32位等产品，可以使用C语言开发PIC单片机：美国Microchip公司产品，支持C语言开发是51之外最流行的一种单片机具有动态功耗控制功能编程简单MSP430单片机：美国TI公司产品，超低功耗，休眠状态：0.1uA1.8V，支持C语言开发,23,ARM：来自英国ARM公司。它是一种基于IP授权模式的MCU，具有很高的性价比，采用特殊的指令格式及多级流水线指令操作，既可以独立使用，也可以方便的嵌入各种FPGA中。ARM是目前高端MCU的主流，在各类常见的数字系统中获得了广泛的应用。某些高端的ARM器件可以使用SDRAM或DDRRAM等，可以运行linux等操作系统。硬件乘法器PLL时钟调节内存管理,24,微处理器在各种系统中的应用,25,微处理器系统开发,基本设备软件编译器/IDE：将文本格式的软件代码翻译成二进制机器代码（HEX/BIN格式等），主要的编程语言-汇编/C语言；仿真器：用于对编写的程序代码进行模拟运行或者用于查看MCU中的寄存器内容、代码中的临时数据等等，是对代码进行性能评估和查错的主要手段；编程器：将编译后的二进制代码文件写入EPROM/FLASH等程序存储器中，为51单片机主要的编程方式；下载电缆：新一代单片机多使用下载电缆的方法编程目标板：安装有MCU的系统板,26,参考资料MCU指令参考手册MCU编程指南MCU器件手册汇编/C程序设计手册,27,微处理器开发注意事项,硬件方面：使用看门狗时，注意利用FLASH等存储器来保存死锁前的软件状态现场，使得MCU复位后可以很快恢复工作状态；键盘/开关输入时，需要考虑软件防抖问题；MCU引脚驱动能力有限，只能驱动个别的LED，使用引脚驱动外设时，要考虑器件的最大承载能力，必要时使用晶体管等扩流器件合理设置及分配MCU的时钟频率，频率越高，功耗越大，电磁辐射（EMI）越大（很多产品对EMI有要求）,28,UART通信时，主-从设备之间的码率差别2%，高码率时应考虑使用纠错码来检查通信中的错误复杂系统中，需要考虑MCU优先供电，并利用MCU对从设备进行控制微处理器对电源波动敏感，电磁环境恶劣的应用场合，需要考虑采取ESD、EMI防护，加强电源滤波，保证电源工作稳定性,29,微处理器开发注意事项,软件方面模块化设计：层次分明，条理清晰，数据流向明确；编写程序代码前，做好软件规划，并完成软件流程图；良好的软件规划是项目按期完成的基础尽量使用C语言编程，实时操作时，注意测试C语音指令周期；不能大量占用RAM，注意软件升级可能导致的存储器空间紧张问题；避免死循环；,30,考虑人机交互，对某些意外情况需要进行提示或者报警；使用EEPROM/FLASH来保存数据表，可以加快某些复杂函数运算（三角函数等）；尽量使用定点运算；利用定时器来实现周期性的任务；利用中断来完成对实时性要求高的任务；,31,GPIO输入信息时，采用多次判别，避免干扰详尽、充分的仿真走查是避免软件出现问题的重要步骤,32,最小系统：可以供MCU独立运行的电路系统，包括电源、时钟、复位电路等基本系统,33,KeilC软件系统,34,35,36,37,38,39,40,41,42,下载软件,43,编程设备,44,开发板,45,温度控制器,46,47,软件流程例子,48,51MCU例子,49,作业,调研ARM微处理器的优点以及市场上已有的ARM种类，阐述ARM处理器在电子系统中的典型应用MSP430系列单片机是目前少有的几种超低功耗单片机之一，在调研的基础上，简述利用这种单片机的潜在应用，并给出1-2种系统结构框图，并说明工作原理看门狗电路对于重要场合应用中的微处理器是非常重要的单元，通过调研说明看门狗电路的实现原理，并给出电路图,50,作业,现在有4路模拟信号需要进行数字化采集，模拟信号的带宽为100Hz，幅度范围是-5+5V，采用16bitsADC并行采集，核心控制元件为51单片机，采集后的数据通过UART端口输出，请设计系统结构框图，并选择元件，说明工作原理，给出软件流程图。,51,作业,在使用MCU控制220V或者380V高压系统时，必须采用物理隔离技术，包括电源隔离及输入输出的隔离。现在请在调研的基础上，设计一个使用51单片机控制220V电灯的电子开关系统。输入指令由4个拨码开关输入，可以控制16路灯的状态。设每个灯的功耗为0.1A220V，采用继电器控制。请给出系统结构框图，说明工作原理，并指出系统是如何实现物理隔离的,52,作业,任意波形发生器是重要的仪器设备之一。主要模块包括波形数据ROM、DAC及控制电路。请使用至少2种方案实现一个1024点的任意波形发生器，信号频率