电子系统设计导论

1.1概述什么是电子系统？回忆近代历史的诸多重大开展与成就，电子与信息技术的飞速开展是现代社会开展的巨大动力之一。人类的生产与生活，都离不开电子信息技术和电子信息产品；要求即将工作于电子和信息领域的学生，必须学会并掌握电子系统的设计与开发的方法。第1章电子系统设计导论但凡可以完成一个特定功能的完整的电子装置都可称为电子系统；电子系统有大有小，大到航天飞机的测控系统、小到出租车计价器，它们都是电子系统。电子系统的组成电子系统可能的组成框图前向通道：前向通道是信息输入的通道，受控对象以及受控对象所处的环境和控制条件，就是通过系统的前向通道输入到主控电路，然后做进一步处理的；前向通道一般由传感器、信号放大和信号变换等几个环节组成，反响回路也是一样。电子系统繁简不一、功能各异，组成形式也各不相同。主控电路：主控电路是信号进行集中处理的电路，它将前向通道传送过来的信息和人为控制信号在这里聚集到一起，完成对信息处理、决策与控制输出的功能；主控电路可以由纯硬件的电路组成，也可以用可编程逻辑器件或含有CPU的微处理器组成，后向通道：后向通道是信号输出的通道，要改变受控对象的工作状态，就要有相应的后向通道；后向通道一般包括信号变换、放大等环节，并通过执行机构作用于受控对象。辅助电路：辅助电路是电子系统设计中的一个重要组成局部；所有的电子系统中都必不可少需要供电电源来提供电路工作所需的能量，有些系统还需要基准源或信号源来辅助系统工作。电路类型模拟子系统数字子系统微处理机子系统模拟系统：传感器、信号放大、模/数转换、数/模转换换、信号驱动、执行机构、供电电源等；数字系统：信息处理、决策与控制等。数字系统包括：纯硬件系统软硬结合系统电子系统包括：实现电子系统的器件中大规模或超大规模集成电路；专用集成电路；可编程器件；少量分立元件和机电元件。电子系统的类型非智能型——功能简单或功能固定的电子系统；智能型——具备一定的智能行为的电子系统。具体地说，假设对于一个问题的鼓励输入，能够产生适合求解问题的响应，这样的系统称为智能系统。一般：有信息采集、传输、存储、分析、判断和控制输出的能力；高智能：具备预测、自诊断、自适应、自组织和自学习控制功能；显然，纯硬件的电子系统是不可能被划在智能型范围内；以微处理器为核心组成的软硬结合的电子系统称为智能型电子系统。电子系统的功能分类测控系统，如工业生产控制等；测量系统，如电量及非电量的精密测量等；数据处理系统，如语音、图像、雷达信息处理等；通信系统，如数字通信、微波通信等；计算机系统，计算机本身就是一个电子系统；家电系统，如多媒体彩电、数字式视频光盘机等。课程中涉及的电子系统设计内容电子系统设计牵涉的范围非常广，涉及的技术层次也大不相同；本课程将限定于设计一个实用的完整的测量控制型电子系统；提供一个由单元电路、根本原理、实用器件到实用小系统的桥梁；学会并掌握电子系统设计与开发的方法。1.“自上而下〞的方法1.2电子系统设计方法与过程一、电子系统设计方法设计人员首先根据对设计要求的理解及系统可能的工作方式、结构等知识，构成系统总体方框图；根据设计要求及指标，规定每个子系统的性能指标，并对总体方框图中的每一个方框(子系统)进行分析及设计；对于复杂的子系统还可以继续分解、细化，直到每个方框都可以用一种或一种以上的方法加以实现；方框图中的每一个小方框都落实到通用中大规模集成电路层次，同时规定一些关键器件的指标以保证该子系统的性能指标的实现。自上而下的设计方法是一个不断求精、逐步细化、分解的过程，但并不是单方向的。在下一级的构成及设计过程中可能会发现上一级的问题或缺乏，必须反过来对上一级的构成及设计加以修正。应该说明的是：系统设计要求（系统说明书）系统总体方框图子系统方框图子系统方框图子系统方框图单元电路单元电路单元电路先从现有的可用的元件中选出合用的，设计成一个个单元电路；由多个单元电路组成子系统；由子系统组成整体系统。2.自下而上的方法优点：可以继承使用经过验证的、成熟的单元电路与子系统，减少设计的重复劳动，提高设计生产率；缺点：设计人员的思想受限于现成可用的元件或单元电路，故不容易实现系统化的、清晰易懂的以及可靠性高、可维护性好的设计。原因：电子技术的飞速开展，电子系统的复杂程度也在相应提高；方法：采用计算机辅助设计系统〔EDA软件〕；优点：为设计人员提供了一个完整的系统设计环境，使人们摆脱了手工设计所带来的各种弊端；使得设计者可以集中精力于系统的高层设计，诸如算法、功能等概念设计方面，而把大量的具体设计过程留给EDA软件去完成；改变了传统设计过多地依赖设计者的知识和经验，在EDA软件中集成了大量的成熟经验、算法及工具，保证了设计的可靠性及水平，加速了设计速度，满足了日益复杂的设计需要。局限：目前还只限于数据处理、通信及多媒体领域。3.EDA设计方法以最具代表性的智能型电子系统为例，设计过程包括确定设计任务、总体设计、硬件设计与调试、软件设计与调试、整机联调和资料整理等几个步骤。二、电子系统设计过程1.确定设计任务做认真细致的调查研究：了解用户技术要求；了解国内、外相似课题的技术水平；摸清软、硬件设计的技术难点。确定所要完成的任务及技术指标：设计任务书须尽可能详细；技术指标合情合理。2.总体设计拟定总体设计方案：总体方案的选择将直接决定电子系统设计的质量；要认真调研、论证，选出最正确方案；对于关键性技术难点，应设专题深入讨论。软、硬件功能划分：根据速度的要求划分；根据本钱要求划分；根据可靠性要求划分；根据研制周期要求划分。画出总体方框图：3.硬件设计与调试硬件电路设计原那么：尽可能选择功能较强的新型芯片；尽可能选择典型电路，并符合所选芯片的常规用法；系统的扩展与外围设备的配置应适当留有余地；硬件结构应结合软件方案一并考虑，做到软、硬件功能相应匹配；整个系统中相关器件要尽可能做到性能匹配；进行可靠性及抗干扰设计；进行结构工艺设计。硬件电路的调试：脱机检查；单元电路调试；局部联调。4.软件设计与调试软件设计原那么：软件结构清晰、简捷、流程合理；各功能程序实现模块化、子程序化；程序存储区、数据存储区规划合理；运行状态实现标志化管理；实现全面软件抗干扰设计。软件设计过程：建立数学模型，确定适宜算法；划分程序模块，绘制程序流程图；编写源程序并翻译成目标程序；软件仿真与调试。5.整机联调把全部电路连通，实现整机联调；把测量仪器及系统本身显示局部提供的信息与设计指标逐一比照，找出问题；进一步修改电路的参数，直到完全符合设计要求为止。6.资料整理需要整理的资料：硬件资料：完整的电路原理图、元件布置和接线图、印刷电路板图，以及所用的元器件清单等。软件资料：软件流程图、存储单元和输入输出口地址分配表、详细的源程序清单等。调试资料：调试的方法、调试用到的仪器设备，以及系统功能与性能测试结果等。写出设计总结报告和系统使用说明书。1.设计任务1.3总体方案论证实例一、设计任务与要求2.根本要求一升水由1kW的电炉加热,要求水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度根本不变。设计一个水温控制系统。温度设定范围：40～90℃，最小区分度为1℃。控制精度：温度控制的静态误差≤1℃。用十进制数码显示实际水温。能打印实测水温值。3.主要性能指标4.扩展功能具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将结果传送到其他数据设备。采用适当的控制方法，当设定温度或环境温度突变时，减小系统的调节时间和超调量。温度控制的静态误差≤0.2℃。能自动显示水温随时间变化的曲线。1.拟定总体设计方案二、总体设计控制方法选择：输出开关量控制；比例控制〔P控制〕；比例积分控制〔PI控制〕；比例积分加微分控制〔PID控制〕。系统组成：经典控制理论和常规模拟控制系统，可以实现控制；现代控制理论和计算机控制系统，应用越来越广泛；采用以单片机为核心的直接数字控制系统〔DDC〕。2.软、硬件功能划分速度估算：水温上升1K所需热量ΔQ=mCΔT=1000kcal；热功换算：ΔW=P×Δt=4.186×ΔQ；加热时间Δt=4.186×ΔQ/P=4.186s；结论：控制速度几乎没有任何限制。软、硬件功能划分：PID运算、输入信号滤涉及大局部控制过程都可由软件来完成。硬件的主要功能是温度信号的传感、放大、A/D转换及输出信号的功率放大。人机通道功能由系统软、硬件配合完成。3.总体方框图单片机基本系统键盘显示微型打印机A/D信号放大传感器功率放大电炉系统硬件总体框图前向通道：包括传感器、信号放大、A/D转换等电路；主控电路：以单片机为核心的数字系统，包括人机对话通道；后向通道：控制电炉的输入功率；辅助电路：+5V和±15V供电电源，以及电压基准。系统软件总体框图主程序；键盘中断效劳程序。初始化输入键值跳转到相应子程序有键入？NY调修改PID参数子程序调设定温度子程序调运行子程序调打印子程序保护现场读入键值设置键入标志恢复现场返回1.增加通信功能三、扩展功能方案论证采用单片机片内串行口外加逻辑电平转换电路组成RS-232C标准接口；逻辑电平转换电路采用MAX232；软件中还需增加相应的通信处理程序。

输出插座MAX232+-+-+--+10

F10

F10

F10

F134526121113148031RXD8031TXDPCTXDPCRXD去其他微机RS-232接口R1outT1inC1+C1-C2+C2-V+V-R1inT1out2.减小系统调节时间和超调量对PID参数进行适当整定与调整。

3.提高系统控制的静态精度采用10位以上的A/D转换器〔误差≤0.1%〕。4.进一步简化硬件、降低本钱选