6.3 子系统的设计制作步骤

PAGEPAGE176.3子系统的设计制作步骤6.3.1单片机与可编程规律器件子系统设计步骤在电子设计竞赛中，作为把握器，单片机与可编程规律器件应用格外普遍，其设计过程如图6.3.1所示，可以分为明确设计要求、系统设计、硬件设计与调试、软件设计与调试、系统集成等步骤。明确设计要求，确定系统功能与性能指标明确设计要求，确定系统功能与性能指标系统设计系统设计（器件选型，软件/硬件任务安排）软件设计与调试（选择与硬件配套的软件开发工具，确定数学模型，算法、数据结构，软件功能划分，子程序、程序模块设计与调试，模块联调）硬件设计与调试（最小系统板，接口电路，显示与键盘电路，功率把握电路，A/D与D/A电路，信号调理等电路设计制作与调试）注：最小系统板在竞赛中可以接受成品。软件设计与调试（选择与硬件配套的软件开发工具，确定数学模型，算法、数据结构，软件功能划分，子程序、程序模块设计与调试，模块联调）硬件设计与调试（最小系统板，接口电路，显示与键盘电路，功率把握电路，A/D与D/A电路，信号调理等电路设计制作与调试）注：最小系统板在竞赛中可以接受成品。系统集成（软件与硬件联调与修改）系统集成（软件与硬件联调与修改）图6.3.1单片机与可编程规律器件设计过程设计的第1步是明确设计要求，确定系统功能与性能指标。一般状况下，单片机与可编程规律器件最小系统是整个系统的核心，需要确定最小系统板的功能、输入输出信号特征等；需要考虑与信号输入电路、把握电路、显示电路、键盘等电路的接口和信号关系。最小系统板在竞赛中可以接受成品，但接口电路，功率把握电路，A/D与D/A电路，信号调理等电路需要自己设计制作。为了使作品的整体性更好一点，建议将把握器与外围电路设计在一块电路板上，这一部分内容可以在竞赛前进行设计与制作，在竞赛中依据需要进行修改。软件开发工具需要与所选择的硬件配套，软件设计需要对软件功能进行划分，需要确定数学模型，算法、数据结构、子程序等程序模块。软件开发工具的使用需要在竞赛前进行培训。常用的一些程序如系统检测、显示器驱动、A/D、D/A、接口通信、延时等程序，可以在竞赛前进行编程和调试，在竞赛中依据需要进行修改。系统集成完成软件与硬件联调与修改。在软件与硬件联调过程中，需要认真分析消灭的问题，软件设计人员与硬件设计人员需要进行良好的沟通，一些问题如非线性补偿、数据计算、码型变换等用软件解决问题会简洁很多。接受不同的硬件电路，软件编程将会完全不同，在软件设计与硬件设计之间需要查找一个平衡点。6.3.2数字/模拟子系统设计步骤数字/模拟子系统的设计过程其步骤大致分为：明确设计要求，确定设计方案和进行电路设计制作、调试等步骤。在电子设计竞赛中，数字子系统多接受单片机或者大规模可编程规律器件实现，但也可以74/40等系列的数字集成电路实现，本节争辩的数字子系统是基于74/40等系列数字集成电路的。从第1章的题目分析可见，模拟与数字混合的题目占多数。模拟子系统也是作品的重要组成部分，设计制作通常包含有模拟输入信号的处理，模拟输出信号、与数字子系统、单片机、可编程器件子系统之间的接口等电路。1.明确设计要求（1）对于数字子系统，需要明确的设计要求有：子系统的输入和输出？数量？信号形式？模拟？TTL？CMOS？负载？微把握器？可编程器件？功率驱动？输出电流？时钟？毛刺？冒险竞争？实现器件？（2）对于模拟子系统，需要明确的设计要求有：输入信号的波形和幅度、频率等参数？输出信号的波形和幅度、频率等参数？系统的功能和各项性能指标？如增益、频带、宽度、信噪比、失真度等？技术指标的精度、稳定性？测量仪器？调试方法？实现器件？2.确定设计方案对于数字电路占主体的系统，我们的建议是接受单片机或者可编程规律器件，不要大量的接受中、小规模的数字集成电路，中、小规模数字集成电路制作作品时格外麻烦，牢靠性也差。模拟子系统的设计方案与所选择的元器件有很大关系。我们的建议是：a．依据技术性能指标、输入输出信号关系等确定系统方框图；b.在子系统中，合理的安排技术指标，如增益、噪声、非线性等。将指标安排到方框图中的各模块，技术参数指标要定性和定量。c.要留意各功能单元的静态指标与动态指标、精度及其稳定性，应充分考虑元器件的温度特性、电源电压波动、负载变化及干扰等因素的影响。d.要留意各模块之间的耦合形式、级间的阻抗匹配、反馈类型、负载效应及电源内阻、地线电阻、温度等对系统指标的影响。e.合理的选择元器件，应尽量选择通用、新型、生疏的元器件。应留意元器件参数的分散性，设计时应留有余地。要事先确定参数调试与测试方法、仪器仪表、调试与测试点，以及相关的数据记录与处理方法。3.设计制作设计主要包括电路设计与印制板设计。（1）电路设计电路设计建议依据所确定的设计方案，选择好元器件，依据技术指标要求，参考元器件厂商供应的设计参考（评估板）以及参考资料供应的电路，完成设计。（2）印制板设计PCB设计时应遵守PCB设计的基本规章，留意数字电路与模拟电路的分隔、高频电路与低频电路的分隔、电源线与接地板的设计等问题。元器件布置不以好看为要求，而以满足性能指标为标准，特殊是在高频电路设计时要留意。为了便利测试，PCB设计时应设置相关的测试点。（3）EDA工具的使用在设计过程中，EDA工具是必不行少的。a.对于数字子系统，接受单片机或者可编程规律器件，配套的开发工具是不行缺少的。b.对于模拟子系统，仿真软件可以选择Multisim（或EWB）、PSPICE、Systemview等。C.假如设计中用到了在系统可编程模拟器件（ispPAC），配套的开发工具也是不行缺少的，如PAC－Designer。