电子系统设计-第1章电子系统设计方法讲.ppt

电子系统概述,1、定义 1）、系统的定义,系统是由两个以上各不相同且相互联系，互相制约的单元组成的，在给定环境下能够完成一定功能的综合体。在功能与结构上具有高度的综合性、层次性和复杂性。,电子系统概述,2）、电子系统的定义,将由电子元器件或部件组成的，能够产生、传输或处理电信号及信息的客观实体称为电子系统。通常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；,电子系统概述,3、子系统基本类型,模拟电子系统,对讲机,无线遥控门铃,电子系统概述,数字电子系统,3、子系统基本类型,电子系统概述,单片机系统,3、子系统基本类型,电子系统概述,DSP系统,3、子系统基本类型,电子系统概述,嵌入式系统,3、子系统基本类型,电子系统概述,典型的电子系统结构,电子系统的设计,1、一般方法,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,何谓顶？,何谓底？,底最基本的元、器件，甚至是版图,顶系统的功能,电子系统的设计,自顶至底有：,系统,子系统,部件（功能模块）,单元电路,元、器件,电子系统的设计,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,电子系统的设计,自上而下法的要领,从顶层到底层 从概括到展开 从粗略到精细,电子系统的设计,自上而下法遵循的原则,（1）正确性和完备性原则（2）模块化，结构化原则（3）问题不下放原则（4）高层主导原则（5）直观性、清晰性原则,电子系统的设计,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,电子系统的设计,系统级,子系统级,部件级,元件级,自顶向下,自底向上,电子系统的设计,2、一般步骤,行为描述与设计结构描述与设计物理描述与设计,电子系统的设计,1.行为描述与设计描述系统的各项功能、各个单元的输入输出关系、各种技术指标,电子系统的设计,2.结构描述与设计 描述各单元之间的互连关系或协议,电子系统的设计,3.物理描述与设计 实现结构的具体形式,技术,工艺,电子系统的设计,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,电子系统的设计,3、设计文档的作用,电子系统的设计,4、传统手工设计步骤,电子系统的设计,调查研究,明确设计要求弄清设计方法了解设计关键,电子系统的设计,明确设计要求做什么？系统的功能、输入和输出做到何种程度？性能、技术指标,电子系统的设计,弄清设计方法有那些可使用的设计方法？比较各种方法的：先进性、性价比、可行性,电子系统的设计,了解设计关键决定指标的关键：难点、重点（工作量大）,电子系统的设计,方案论证,根据设计任务、指标要求分析系统应完成的功能，并将系统按功能分解成若干子系统，分清主次和相互的关系，形成若干单元功能模块组成的总体方案。对几个方案进行比较和论证，择优选取。选择的原则一般是“相对容易，相对巧妙，性价比高”。,电子系统的设计,设计单元电路的一般方法和步骤如下：（1）根据设计要求和已选定的总体方案原理框图，确定对各单元电路的设计要求，拟定主要单元电路的性能指标、与前后级之间的关系、分析电路的构成形式。应注意各单元电路之间的相互配合，注意各部分输入信号、输出信号和控制信号的关系，按信号流程顺序分别设计各单元电路。,单元电路设计,电子系统的设计,器件的选择,选择元器件可从“需要什么”和“有什么”两个方面来考虑。所谓“需要什么”是指根据具体问题的要求所选择的方案需要什么样的元器件，即每个元器件各应具有哪些功能和什么样的性能指标。所谓“有什么”是指有哪些元器件，哪些在市场上能买得到，它们的性能如何、价格如何、体积多大等。,电子系统的设计,应该根据器件自身特性和电路要求选择合适的器件。尽量采用集成电路和新器件将可起到事半功倍的效果。,电子系统的设计,元器件的参数计算,计算机仿真和实验验证,电路图的绘制生成PCB图组装与调试,编写设计文档与总结报告,电子系统的设计,(1)设计文档的编写。设计文档的具体内容与以上设计过程是相呼应的：系统的设计要求与技术指标的确定；方案选择与可行性论证；单元电路设计、参数选择和元器件选择；参考文献。,电子系统的设计,(2)总结报告的编写。总结报告的具体内容有：设计工作的进程记录；原始设计修改部分的说明；实际电路原理图、程序清单等；功能与指标测试结果(注明所使用的仪器型号与规格)；系统的操作使用说明；存在的问题及改进措施等。,各种电子系统设计步骤综述,1、数字系统组成,1、数字系统设计步骤,各种电子系统设计步骤综述,2、数字系统设计步骤,以标准数字集成电路为核心的电子系统设计流程,各种电子系统设计步骤综述,以CPLD/FPGA为核心的电子系统设计流程,各种电子系统设计步骤综述,2、模拟系统设计步骤,以模拟器件为核心的电子系统设计流程,各种电子系统设计步骤综述,1.微机系统组成 以微机系统为核心，以人机通道、前向通道、后向通道和相互通道为桥梁，完成对被控对象的测控任务。微机主要是由CPU、ROM和RAM等部分组成，是微机的主要组成部分。,3、以微机（单片机）为核心的电子系统的设计步骤,各种电子系统设计步骤综述,各种电子系统设计步骤综述,人机通道一侧的外部设备包括打印机、显示器、键盘以及软、硬盘等。右侧信号形式有模拟量、数字量、开关量和脉冲量，这四种形式的信号有输入信号也有输出信号。由模拟量传感器、数字量传感器、开关量传感器和脉冲量传感器以及相应的接口组成输入通道，也称为前向通道。输出通道产生相应的控制量：模拟量输出、数字量输出、开关量输出和脉冲量输出，输出通道也被称为后向通道。在较大规模的测控系统中，各微型计算机之间实现相互之间的通信与控制，其通道接口被称为相互通道。,各种电子系统设计步骤综述,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 系统总调、性能测定,各种电子系统设计步骤综述,2.设计示例（1）简易智能电动车（电子设计大赛2003年E题）设计任务：设计并制作一个简单智能电动车，在涂有5cm宽黑色边线、2cm宽黑色引导线的白纸铺成的跑道上行驶。跑道示意图：,各种电子系统设计步骤综述,各种电子系统设计步骤综述,1、基本要求（40分）（1）车从起跑线出发（车体不超起跑线），沿引导线到达B点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有13块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。（15分）（2）车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧线到C点（也可脱离圆弧线到达C点）。C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。（17分）（3）车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。（8分）（4）电动车完成上述任务后应立即停车，全程行驶时间不能大于90秒，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。,各种电子系统设计步骤综述,2、发挥部分(10分)（1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。（2）电动车进入停车区域后，能进一步准确驶入车库中，要求电动车的车身完全进入车库。（3）停车后，能准确显示电动车全程行驶时间。（4）其它。,各种电子系统设计步骤综述,设计方案论证：单片机选择：89C51为控制核心，价格低、使用简单、运算速度低、功能单一、如扩展功能需外扩芯片。SPCE061A为控制核心，资源丰富、指令周期短、工作速度快、功耗低、电压低、可编程语音处理，在线下载。电机驱动模块：步进电机，精确调速、控制较复杂、价格不菲。数字电位器调整电动机控制电压，达到调速目的，价格贵。用大功率管构成PWM和H型电机电路，速度快、正反向控制方便。路面黑线探索模块：采用一组探测头对路面信息进行控制。,各种电子系统设计步骤综述,车速及路程计算模块：采用断续式光电开关，在车轮上均匀分布遮光条，车轮转动产生脉冲。躲避障碍物模块：采用超声波测距，由于障碍物随机放置，测试后躲避障碍物的模糊控制较为复杂。由于障碍物在两个方形障碍区内，可依靠光源指示行走。电源模块：单一电源供电，由于电机启动瞬间电流大，将造成电源系统的不稳定，可能会影响系统正常工作。双电源供电，将电机驱动电源与单片机、传感器等电路的供电系统隔离，提高系统的可靠性。,各种电子系统设计步骤综述,（2）数字定时器的应用（炸药混装车）,铵油炸药生产流程,定时,定时,定时,定时,各种电子系统设计步骤综述,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,各种电子系统设计步骤综述,功能要求（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。,各种电子系统设计步骤综述,3、整体方案调研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，开阔自己的思路。利用“中文科技期刊数据库”、“中国期刊全文数据库”等数据库进行网络查询，并对资料进行搜集筛选。,各种电子系统设计步骤综述,4、整体方案论证采用自顶向下的拼凑法构成系统方框图,各种电子系统设计步骤综述,方案1：中、小规模集成电路构成的数字定时器,本方案的优点：各器件的功能清晰；易于设计。本方案的缺点：可靠性不高，价格不菲。,各种电子系统设计步骤综述,方案2：基于CPLD/FPGA的数字定时器,本方案的优点：电路大为简化，系统可靠性高。本方案的缺点：CPLD/FPGA成本高，用于低端产品其价格难以接受。,各种电子系统设计步骤综述,方案3：基于MCU的数字定时器,本方案的优点：（1）性能可靠性高；（2）MCU选型得当，则成本相当低廉。,确定方案的原则：（1）宁软勿硬；（2）性价比。,各种电子系统设计步骤综述,5、器件选型,MCU的选型,主要考虑三个问题：（1）单片机速度是否满足系统要求？（2）单片机片内FLASH容量是否足够？（3）单片机I/O口线是否满足系统需求？,各种电子系统设计步骤综述,LED数码显示管选型,实物图,引脚图,各种电子系统设计步骤综述,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,各种电子系统设计步骤综述,6、硬件设计总体电路图,各种电子系统设计步骤综述,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,各种电子系统设计步骤综述,问题1、电源电路中采用三端稳压器LM7805将+12V直流电压转变为+5V直流电压，相较于直接采用+5V直流电压供电有何好处？2、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？3、电路图中的继电器线圈两端并联的二极管的作用？4、RST引脚在上电后的波形图是怎样的？5、数码管驱动方式？,各种电子系统设计步骤综述,7、程序设计整体架构确定,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,各种电子系统设计步骤综述,7、程序设计硬件资源分配,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，K1P3.1：数码管分十位阴极，低电平有效，K2P3.4：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,7、程序设计画程序流程图,各种电子系统设计步骤综述,各种电子系统设计步骤综述,各种电子系统设计步骤综述,各种电子系统设计步骤综述,各种电子系统设计步骤综述,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,8、仿真调试,各种电子系统设计步骤综述,总结,本章主要介绍电子系统设计的理论知识：电子系统的结构、综合设计方法和原则，以及电子系统综合设计的步骤。一般来说，一个复杂的电子系统可以分解成若干个子系统，其中每个子系统又由若干个功能模块组成，而功能模块由若干电子元器件组成。,总结,电子系统设计是系统工程设计，一般是比较复杂的，必须采用有效的方法去管理才能使设计工作顺利并取得成功。基于系统的功能与结构上的层次性，电子系统设计一般有以下三种方法：自顶向下法、自底向上法、组合法。,总结,典型的电子系统结构,一般步骤,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,各种电子系统设计步骤综述,2、数字系统设计步骤,以标准数字集成电路为核心的电子系统设计流程,各种电子系统设计步骤综述,以CPLD/FPGA为核心的电子系统设计流程,各种电子系统设计步骤综述,2、模拟系统设计步骤,以模拟器件为核心的电子系统设计流程,各种电子系统设计步骤综述,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 系统总调、性能测定,