模块化设计系列培训资料-(二)面向系统总体-52p.ppt

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1、2.1 系统需求分析：2.2 产品系统总体设计 2.3 产品系统接口设计 2.4 产品系统环境条件分析,（二）面向系统总体的设计,系统需求分析,电子设备机械结构的功能 载体功能功能性：机械结构是电子设备的载体，没有机械结构就没有电子设备的实体。它将构成产品的各功能要素（包括印制板组件、配电、电缆）通过机械结构集成为功能模块和整机。在“理想环境”下，可正常运行。防护功能适应性：机械结构是电子产品的防护体，它可使设备的功能免受外界的影响和干扰，保证在规定环境下的正常运行。环境适应性设计是产品可靠性设计的主要组成部分。,使用功能可用性：体现设备的易用性可可服务性。提供了用户使用（察看、操作、维护）设

2、备的人机界面。实现设备的物质功能。精神功能美观性：机械结构体现产品的形象和外观艺术效果，使之具有艺术性（精神功能）。注：前两项主要是面向产品的自身品质；后两项主要是面向用户和市场。,系统需求分析,系统需求与可行性分析 目标分析：明确系统目标，弄清系统实质，对设计对象进行全面分析（系统的内部问题和相关的外部问题）。调查研究：调查系统的历史、现状、动态，并预测系统发展趋势。业界技术动态搜集和分析。对现有类似系统进行比较分析，了解分析与相邻系统的关,系统需求分析,需求分析：搜集并综合用户的基本需求和各用户的多样化、个性化需求。并进行分析和分配。目标的可行性论证：分析制约条件，如关键技术的成熟程度、自

3、身技术力量、物质条件、环境条件、资金、设计制造周期、市场前景等因素。可行性分析包括风险分析。需求的确定和分配 需求的特点 是对必需实现目标的规格说明。它描述了系统的特性或属性，是在开发过程中对系统的约束。需求强调做什么，而不是如何做。,系统需求分析,对需求的 要是：描述清晰、唯一性、完整性、一致性、可实现性、可验证（或可测试）性、可跟踪性。需求确定原则：一个好的需求应是：必需的：如果不包括此需求，最坏的情况下会发生什么？可验证的：对需求有确定的验证方法和验收标准。可实现的：需求是技术上可行的，能适合预算、进度和其它因素（例如重量）的限制。描述清晰的：每个需求应该只表达一个单纯的思想；需求不会被

4、误解（无歧义性）；最好用简单语言描述。,系统需求分析,需求分配原则：把系统需求分配给子系统时，要求：是可行的、可实现的，可测试的。被清楚地、准确地描述。是相互一致的。各子系统项目组成员对所分配的需求，应进行学习、理解和评审，标识出不适当、不完整和遗漏的需求。反馈给系统设计师，并进行协调。,系统需求分析,需求的分类 按需求的来源分类 用户（或运营商）需求：合同需求，包括对功能、性能和场景等的需求。企业基线需求：包括环境、防护、EMC、可靠性；安全、环保；可制造性、可装配性、可服务性等。法规、标准需求：包括各类国际、国家法规；国内外标准（尤其应注意安规、环保类标准）；企业技术平台。,系统需求分析,

5、按需求的功能分类：可分为四类，前三类可统称为功能需求。产品载体（结构）需求：面向产品功能，构成产品基本实体。产品防护需求：面向环境适应性，包括环境防护、热管理、EMC等。可用性需求：面向用户使用，包括可服务性（工程安装、维修性）；运行监控；安全、环保；标识和造型等 经济性需求：面向企业经营，包括产品成本；DFMA；标准化（国内外标准、企业规范）模块化等。,系统需求分析,系统需求分析,按需求的属性可分为两类：功能结构性需求：是对产品构成的基本要求，体现为产品架构和结构件的组成。这里的结构件，不是指有具体形状和尺寸的零部件，而是指功能构件，例如，铰链、机架、门、盖板等。这些需求在总体设计需予以满足

6、。约束性需求：是对产品结构的约束条件，主要包括标准化需求，结构工艺性需求，经济性需求，外观需求等。常体现于结构件的结构要素（如通风孔，进出线开口等）和构件的组装匹配要素（如门的开启角度，门的缝隙等）。约束性需求在详细设计阶段输入。,对电子设备结构的需求有两类：来自产品的需求：产品功能需求；产品防护需求；用户特殊需求；使用性需求。结构本身的衍生需求：结构模式和布局的需求；产品风格和形象的需求；新技术和新结构的应用；标准化的需求等。,系统需求分析,产品系统总体设计,系统总体设计的构成 总体设计架构设计接口设计概要设计架构的基本概念 词源：架构一词源于建筑业，后扩展应用而成为一种较为普遍使用的概念。

7、价格在不同领域有不同的用词和具体含意。软件领域：是对系统组织、构件接口、行为模式、协作关系等体系问题的决策总和。架构确定后，软件基本定型。,系统工程中：指“体系结构”，用以描述构成系统的各组成单元间的逻辑关系。例如，系统的层次结构、平面结构、网络结构等。模块化设计中：指模块化系统的宏模型。一简单的形式把握系统的整体，粗线条勾画出系统轮廓，以整体观念协调系统内外诸要素。指模块化系统的设计规则：模块设计所必需遵守的明确规则，以保证这些模块能够构成一个协调、完整的系统。方法论中：是运用“模式思维”提出系统的最佳“构成模式”。,产品系统总体设计,架构设计概要 架构思维的实质：理清系统的骨架和脉络，使系

8、统条理分明。架构设计师：不是一般意义上的设计工程师，是特指从事系统总体规划、勾画系统轮廓和制定“设计规则”的“系统设计师”。架构设计基本步骤：需求分析功能分析系统分解架构确立。,产品系统总体设计,需求向产品结构的转化 需求分析全部需求归类：将来自用户、企业基线和标准、法规的需求，经归并统一，分别按功能归类。功能性需求分析。经济性需求分析。全部需求整理列表：作为概要设计和详细设计评审的依据。需求转化为产品结构的步骤 功能分析（需求功能）：将功能按层次逐级展开，建立功能树。,产品系统总体设计,产品架构设计（功能架构）：将功能转化为功能构件（包括部件），确立产品的架构。产品概要设计（需求架构 产品方

9、案）：完成产品的总体设计，拿出能满足全部需求的产品概要设计方案书。产品详细设计（需求 生产图纸）：完成设计文件。以能否满足全部需求（构造性需求和约束性需求）作为评价标准。功能分析（需求功能）,产品系统总体设计,功能分析步骤：将各项功能需求（包括载体需求、防护需求、使用性需求）按产品结构特点逐级分解成要素。并将细分的需求列为“需求分解表”。功能需求要素分类：将细分后的功能要素，分列为“构造性需求”和“约束下需求”。并且列为“需求分配表”，用以指导设计（架构设计，详细设计）。功能树：将涉及构造的功能逐层展开，展示系统构成的概貌。,产品系统总体设计,产品架构设计（功能架构）：功能向实体结构的转化。系

10、统分解 根据需求、经验和技术趋势，提出初步结构描述和布局。结构分解与功能分析应按层次同步进行，并相互呼应。例如，户外电子设备的突出问题是环境适应性，可基本定格为密闭机柜。以结构分解为主：就电子产品而言，功能分析不能解决结构形式和布局问题，只有把功能融入相应构件，才能构成产品实体。,产品系统总体设计,功能转化为功能构件（包括部件）考虑能实现功能的结构件模型，并一一与之对应。一个功能构件有可能实现多个功能。功能向实体结构转化宜逐层依次进行，以使功能逐步融入预期的结构模式。功能构件的组合 零部件之间依赖（接口）关系分析：将功能关系密切的构件适当组合成部件。将体积小的构件纳入体积较大的构件中。,产品系

11、统总体设计,零部件之间比较复杂的依赖或干涉关系（例如涉及通风散热、防尘、电磁兼容等），互有因果关系，可绘制关联图或关联表，以便在详细设计时进行精细设计和测试，在构件集成和布局中应优先考虑。确立产品的基本架构 将全部功能构件经集成和布局，形成由几个子系统和模块构成的产品架构。,产品系统总体设计,基本架构可有几个架构方案，供评审、选用。产品概要设计（需求产品方案）任务：完成产品的总体设计，通过概要设计方案书提出满足全部需求的产品设计原则和要求。规定架构的构成和有关参数：例如，架构的结构划分、布局及其主要尺寸。,产品系统总体设计,规定产品的主要构件（模块）间的接口结构和参数；电气互联和配线结构和要求

12、；产品与外部有关要素间的接口结构和参数。提出对产品的性能要求、有关参数和设计原则：包括机械结构的强度、刚度；电磁兼容性；环境适应性（热、三防、IP）；配电和线缆管理；性能测试和验证要求等。提出实现对产品的约束性需求的基本原则和设计要求：例如，外观要求；结构工艺性要求；人机工程要求；维护性要求；安全、环保要求；经济性要求等。,产品系统总体设计,系统模型化：模型是系统方案的重要组成部分。模型化对象：可以是产品总体，也可以是其中比较复杂的或新颖的部分。对模块化产品系统，应提供模块系列、接口系列、产品族系列的模型。模型的表达方式：数字化图形模型，数学模型，模拟模型（可以是产品的局部），计算机仿真等。,

13、产品系统总体设计,模块化电子设备设计规则的确定 模块“划分规则”硬件模块：在产品族功能分解的基础上，据产品需要和模块化原则，把功能电路单元集成在标准的印制板上，形成具有特定功能的组件级通用模块，并进而确定模块系列和所组成的产品系列。作出模块和产品的系统层次图（树状图）。结构模块：已由IEC60297等标准规定，即由插件、插箱、机柜模块组成的嵌套式层次结构，并给出了尺寸系列。结构模块化架构设计的第一项任务就是，对模块的尺寸规格进行优选和统一化，最大限度地减少规格。,产品系统总体设计,模块间“接口规则”：是企业模块化水平及效益的关键环节。确定整机接口要素：明确规定整机与外部的接口要；整机内部各模块

14、间的接口要素。确定各模块接口要素的具体参数：包括接口模式，接口的功能参数和结构参数。固化接口特征：对各模块间的接口作出详细的规定，以便使各模块相对独立（一个模块的改型不影响其它模块），为系统和模块的发展和创新提供充分的自由度。,产品系统总体设计,模块设计规则：规范模块的模式和接口及其参数，用以约束模块的品种和品质。各模块应明确规定构成系列的基型模块设计规则，及其变型规则。各模块系列的设计规则，应遵循“接口规则”。模块“评定规则”：用以保证系统集成的实现（符合“接口规则”）和验证系统的性能及质量。,产品系统总体设计,系统接口设计,接口（Interface）与接口系统 接口：系统各组成部分之间可传

15、递功能的共享界面。物质、能量、信息通过接口进行传递；模块通过接口组成系统。接口系统：系统中能有效地实现模块间功能传递所必须的一套独立于模块功能的接口要素。,接口的方式和接口功能 接口的方式：见下图。直接式接口：各模块本身带有的接口，能直接连接并传递功能。间接式接口：两个模块间通过接口模块进行连接。这种接口模块可对信息或参数进行处理，使相连的模块能够匹配，它往往是一个功能部件、甚至是一种设备。具有承前启后的作用。,系统接口设计,接口方式图：上图为直接式接口 下图为间接式接口,系统接口设计,模块 A,接口A,模块 A,接口A,模块 B,接口B,模 块 B,接口B,接口模块,接口,接口,接口的功能：

16、物质、能量、信息的输入/输出功能；转换、调整功能。接口的转换、调整功能可分为四种。零接口：不进行转换、调整，照原样把湿热连接到输出。如连轴器、电缆、插头插座等。被动接口：只用接受部分进行转换、调整。如减速器、变压器、可变电阻器等。输入端往往是公用或标准接口。能动接口：含有能动部分的接口。例如，电磁离合器，继电器，放大器，光耦合器，A/D/D/A变换器等。,系统接口设计,智能接口：能适应变化情况改变接口条件。如可变程序控制器。机电产品接口接口类型 机械接口：机械各零部件间的连接界面，通过接口实现静态结合或动态结合（传递力、运动）。接口结构包括接口形式和接口尺寸及精度，除满足功能外，主要应具有互换

17、和兼容性。机械接口还包括流体动力与机械本体的接口，如泵、控制阀。,系统接口设计,电气接口：传递各种电气信息的界面，其功能除传递信息外，还要求被连的两个电路阻抗匹配。对于模块间无兼容性的接口，则需采用具有接收、处理和发送功能的接口电路（板）或接口设备。如A/D、D/A转换，电路与电源间的变压、整流、逆变、变频等。机电接口：是间接型接口，可以认为其间有机械量与电量转换的变换器，在机电接口中有能量转换和传输的效率问题、阻抗匹配问题、信息的传输和变换问题等。其他物理量与电量的接口：各物理量需转换成电量才能为信息处理系统所接受。例如，将电量转换成电磁波发射的天线系统；光电转换；声电转换；各类传感器都是一

18、种接口元件，与相应A/D转换器结合，则构成将物理量变换为电量的接口设备。软件程序接口,系统接口设计,系统接口设计微机系统各类接口框图,系统（产品）的外部接口和内部接口 产品与外部其他硬件的接口：例如，计算机与打印机、扫描仪等外设的接口；成套设备间的接口；设备与机房设施的接口；设备的安装接口等。产品的内部接口：指产品内模块间的接口。就模块而言，模块内各功能要素之间也存在着接口，则模块间的接口是模块的外部接口；当模块集成为大模块时，则原模块的外部接口就转变为集成模块的内部接口。,系统接口设计,人机环境接口：人在特定环境中使用产品，由此构成人机环境系统。为使人、机、环境这三个环节匹配，应妥善解决三者

19、间的接口问题。人机接口：包括人机间的操作和维修界面；人机间的对话（通信）界面。应使其符合人的心理及生理特点，以利于提高操作和信息传递的效率及准确性。需进行人机工程设计。机环境接口：需对产品进行环境适应性设计。人环境接口：需按人机工程原则进行人的工作环境设计。人人接口：需进行合理的管理体系和企业文化设计。,系统接口设计,接口系统及其标准化 把接口作为一个系统进行研究和开发：接口是模块的边界及结合部，若仅将其作为某一技术领域或产品的附属部分，往往会被忽视，或边界不清而互相等待或推托，或因缺乏有效协调而各行其是，使接口系统成为一个薄弱环节。接口结构的水平和质量将制约系统的功能和水平，宜于将其列为专题

20、进行研究和开发。应尽可能采用通用接口。,系统接口设计,及时将重要的接口要素上升为规范。系统接口与产品的总体设计 工程技术的总体设计可归纳为：系统功能设计；系统接口设计。系统功能设计：系统功能配置，总体架构。系统接口设计：把模块组成系统时的接口要素和结构。总体设计设计原则上是以协调模块间的外部接口为主；如某模块内部接口有可能影响系统性能时，则也应列入总体设计范围。,系统接口设计,产品系统环境条件分析,环境条件对产品可靠性的影响 影响产品可靠性的因素可归结为两类：产品本身有出故障的内因：设计、制造元器件等的质量。产品在外因作用下出现故障：主要指使用、贮存和运输过程中环境条件的影响。环境条件：是指产

21、品所经受的周围的物理、化学和生物条件。这些条件是由单一环境参数及其严酷程度组合成的。这些环境条件通常包括自然环境条件和诱发环境条件。,产品的性能和可靠性都是针对一定的环境条件而言的，环境条件越严酷，对产品内在质量要求就越高。环境对产品的基本影响有：腐蚀、开裂、脆化、潮气的吸附或吸收、氧化等。可导致材料的物理和化学性质的变化。单一环境对产品的主要影响和引起的典型故障见GB2421环境条件的标准化 环境条件对机电产品的影响，是在付出了沉重代价后才被人们所认识。为使环境条件和试验方法统一和规范化，IEC制定并颁发了一整套完整、严谨而科学的标准系列。,产品系统环境条件分析,环境条件分类标准：IEC60

22、721系列标准(IEC/TC75,1973)IEC7211（GB4796）环境条件分类及其严酷度分级。IEC7212（GB4797）自然环境条件，共6项，包括：温度和湿度；海拔与气压、水深与水压；生物；太阳辐射与温度；降水和风；尘、沙、盐雾。IEC7213（GB4798）应用环境条件，共9项，包括：贮存；运输；有气候防护场所固定使用；无气候防护场所固定使用；地面车辆使用；船用；携带和非固定使用；产品内部的微气候；导言。,产品系统环境条件分析,IEC7214IEC7213对IEC682的相互关系和转换指南，共8项，与IEC7213对应。环境试验标准：GB/T2423、GB/T2423系列（共62

23、项）（IEC 600682 系列）(IEC/TC50,1961)，电工电子产品环境试验。环境参数分类及其等级（以GB4798.3为例）气候条件：气候条件分为13个等级；环境参数共有16种。特殊气候条件：包括热辐射（三个等级）；周围空气运动（三个等级）；除雨以外的其它水源条件（四个等级：滴水；淋水；溅水；喷水）。,产品系统环境条件分析,机械条件：分为8个等级。正弦稳态振动：用加速度、位移和频率三个参数表达。非稳态振动（包括冲击）：用冲击响应谱和峰值加速度表达。生物条件：定性规定。植物：无或有霉菌、真菌等。动物：无或有啮齿动物和其它危害产品的动物。化学活性物质条件：除了盐（无或有盐雾）不属于气体外

24、，主要环境参数为8种化学气体。共分为4个等级。,产品系统环境条件分析,机械活性物质条件：包括沙、尘（漂浮）、尘（沉积）三类，共分为4个等级。户外气候类型和户外气候组（GB4797.1）统计的户外气候类型：为使产品能够在某一地理区域内使用，必须按该地的气候图设计产品。我国（GB4797.1）户外气候分为六类：寒冷、寒温（又分为、型）、暖温、干热、亚湿热、湿热。IEC72121的户外气候分为九类：极端寒冷、寒冷、寒温、暖温、干热、中等干热、极干热、湿热、（恒定）湿热。,产品系统环境条件分析,统计的户外气候组：为使一种产品能在不同气候类型地理区域内使用，可以将统计的户外气候适当地归并为几个组。我国分

25、为三个气候组：有限组，一般组，通用组。IEC分为四个气候组：有限组，一般组，通用组，世界性组。归并为气候组的目的是为了使产品能在更大范围内通用而限制温度和湿度的分级。对应用范围广的产品，如按气候组分别设计成34种（防护措施程度不同），针对不同用户供货，有助于降低成本。,产品系统环境条件分析,有气候防护场所固定使用（GB4798.3）的场所分类和选用。（在附录A中有详细说明）完全气候防护场所（封闭场所）：该场所有防护设施，能够防止全部气候的直接影响。3K1、3K2属全空调场所。部分气候防护场所（遮蔽场所）：该场所有防护设施，能够防止部分气候的直接影响。有调温措施、但无调湿设施的封闭场所：如无人值

26、守机房，选用3K3、3K4、3K5、3K5L。无温、湿度控制的封闭场所：选用3K6、3K6L。,产品系统环境条件分析,无温、湿度控制，建筑物非密闭、可与户外直接相通的场所：会直接受到户外气候的影响，可据当地实际气候情况选用。3K7、3K8类只存在于我国的特定地区。化学活性物质条件的使用场所及等级选用 3C1：应用于较少的工业活性物质和中等交通的乡村和城市地区。3C2：应用于一般程度污染，工业活性物质分布于整个地区活交通繁忙的城镇。3C3：用于靠近有工业生产的化学污染的场所。3C4：应用于工业生产内部，可能出现高浓度的化学污染物质场所。,产品系统环境条件分析,产品内部的微气候（GB/T4798.

27、9）微气候：产品内部安装元件（基础件、组件和内装设备）处的气候条件。仅考虑高气温和低相对湿度。产品内部的元件会受到外部加热或自身发热的影响。产品微气候等级由三部分表示：产品（外部）气候等级（GB4798.3或GB4798.4），产品（内部）的高空气温度和限定的空气相对湿度。（后者由本标准规定）。应用环境条件（GB4798）标准的使用导则 环境对产品的影响基本上有以下两种方式：,产品系统环境条件分析,受短期极端环境条件的作用，使产品不能正常工作或损坏。受长期非极端应力的作用，使产品缓慢地劣化，最后使产品不能工作或损坏。环境参数的等级可作选择设计和试验等级的基础，但不应要求产品在分级界限值内的故障

28、为零。取其较高或较低的严酷等级，取决于产品允许发生故障的概率。一些环境条件的物理影响可由若干环境参数引起。例如产品周围的最高温度，可由周围空气温度、太阳辐射、邻近发热元件和炉子的热辐射等引起。,产品系统环境条件分析,制造厂或用户可以对产品采用适当措施（在运输和贮存时装入箱内或把产品放在防振动和防冲击的物体上），以减少环境条件的严酷等级。此时的严酷等级应适用于连同防护措施在内的产品，不是直接作用于产品本身。产品设计时应考虑到环境参数出现的持续时间和频率，以使其安全可靠。环境条件标准运用的有关问题 产品应能承受恶劣环境条件的影响，要求在设计阶段预先掌握产品所要遇到的环境条件的详细资料。了解环境条件

29、及其对产品的影响，是对每位产品设计师（尤其是总体设计）的基本要求之一。,产品系统环境条件分析,产品设计师在进行产品设计前需了解：产品在寿命期间，遇到的环境条件是由哪些参数组成？这些参数对材料、元器件、整机会产生什么作用，造成产品损坏的机理如何？如何根据实际环境来选用模拟的环境试验方法以及防护措施？环境条件的合理选用：使在技术和经济方面较为合理。如选定的环境参数值过低，不能保证产品使用的可靠性；过高则需采取更多的防护措施，产品更复杂，增加成本，还不一定取得更高的可靠性。,产品系统环境条件分析,明确其使用的环境条件类型；列出对产品有影响的环境参数，并选择合适的严酷等级。IEC721系列标准给出的是

30、单一环境参数，有些参数因组合不同或顺序不同，可产生不同的影响，例如，同样的湿度，高温比低温对产品的影响更严重。环境试验方法选用的若干问题：选用试验方法时，应充分了解该方法的适用性。例如，对于正弦振动试验，机柜插箱级装置应采用低交越频率（8Hz9Hz）（低频大振幅）；元器件之类小件应采用高交越频率（高频 小振幅）。,产品系统环境条件分析,电子产品的外壳是整个产品的防护体，应选用严于产品的试验等级。产品通常不进行破坏性试验，复杂产品常只取一个试验样品，或是整个组件、或是组件的一部分。大型产品整机试验不可行时，应规定对哪些关键部件进行试验。GB4798中列出的环境条件值不包括安全裕度，试验规范制定时，除把环境条件转换成试验条件外，还应考虑试验设备和控制装置的容差，以及试验样品与产品间的差异。,产品系统环境条件分析,