电子系统设计概述

1.电子系统概述复杂系统在结构上的层次性1.电子系统概述1.1电子系统实例介绍《面向集群应用的中央太阳能热水器控制及管理系统》《面向集群应用的中央太阳能热水器控制及管理系统》区域集控中心区域级测控软件无线数传网络通讯模块供热单体主控器n通讯模块n串口供热单体主控器1通讯模块1串口…串口现场终端系统级设计用户需求《面向集群应用的中央太阳能热水器控制及管理系统》1、研发工程型太阳能热水系统控制器2、研发分布监测集中管理和控制的通讯技术3、研发区域级集中管理和控制软件系统4、研发基于B/S结构的企业级管理与控制系统1、研发工程型太阳能热水系统控制器系统级设计子系统级设计工程型太阳能热水系统原理框图部件级设计子系统设计系统原理框图线控器主控制器水箱温度传感器水箱水位传感器集热器温度传感器热泵温度传感器备用温度传感器增压泵电磁阀辅助加热循环泵漏电检测LCD显示器键盘监控中心通信方式（可选）：RS-485总线CAN总线无线模块GPRS模块Ethernet恒温循环工程型太阳能热水系统控制器的技术需求工程型太阳能热水系统控制器的功能指标1.功能需求：◎开机自检◎时间显示：北京时间◎断电持续显示、记忆功能◎水位预置、水温预置◎水位显示、温度显示◎定温、温差循环控制◎自动上水、强制上水◎自动、手动、定时辅助加热控制◎缺水警报并自动上水◎回水恒温控制◎漏电保护◎高温、低温（防冻）保护、防干烧保护2.技术指标：◎使用电源：220VAC功耗：﹤5W◎测温精度：±2℃◎测温范围：0-99℃◎控温精度：±2℃◎水位分档：五档◎控制输出功率：≥0.5kW◎辅助加热控制功率：≥3kW◎漏电动作电流：≤10mA/0.1S◎彩色液晶显示屏低功率﹤0.1W。工程型太阳能热水系统控制器的技术指标主控制器PIC16F887温差循环泵稳压及备用电源有线无线通信进水增压泵工作状态指示供水增压泵回水增压泵补水增压泵进水增压泵温差循环泵HPóTS温差循环泵HPóTHP太阳能产热子系统地源/水源/空气源热泵辅助加热子系统供热水子系统注：HP：地源/水源/空气源热泵TS：太阳能贮热保温水箱TANK-SolarSC：太阳能集热器Solar-CollectorTHP：热泵贮热保温水箱TANK-HeaterPumperTS温度传感器TS水位传感器SC温度传感器HP温度传感器THP温度传感器回水温度传感器备用温度传感器进水流量传感器出水流量传感器回水流量传感器实时时钟漏电检测太阳辐射检测防雷电路存储器（选配）工程型太阳能热水系统控制器的原理框图工程型太阳能热水系统线控器原理框图线控器HT46R64LCD显示器蜂鸣器电源通信电路键盘LCD背光开关LCD显示器MCU电路原理图电源电路原理图通信接口电路原理图电源线载波通信电路原理图LCD接口及背光控制电路原理图线控器PCB图1.2电子系统设计的基本原则（1）满足系统功能和性能指标要求（2）电路简单（3）电磁兼容好（4）可靠性高（5）系统集成度高（6）调试简单方便（7）生产工艺简单（8）操作简便（9）性能价格比高1.3电子系统设计的一般方法(1)自顶向下法(2)自底向上法(3)以自顶向下方法为主导，结合使用自底向上的方法1.4设计文档的作用从设计步骤一开始，就要同时平行地建立设计文档，即将每一步的设计思想、方案比较与选择、分析计算结果、各层次上的最终设计图纸等加以记录，随后整理编写成结构化、条理分明、文字简练的文档。作为一个电子系统的设计人员必须牢记：没有文档的设计是无用的设计！1.5电子设计竞赛的设计步骤一、选题原则：（1）明确设计任务，“即做什么？”（最好不能有知识盲点，即要能够看懂题目的要求。（2）明确系统的功能和指标，“即做到什么程度？”（基本要求和发挥部分，功能指标和技术指标）（3）明确是否具有完成设计所需的元器件、最小系统、开发工具、测量仪器仪表等条件。（4）充分地分析题目、一经选定中途不更改。题目类型：电源类、无线通讯类、仪器仪表类、智能控制类、1.5电子设计竞赛的设计步骤二、系统方案论证（一）确定设计的可行性（1）原理的可行性？（2）功能模块和元器件的可行性？（3）模块间数据传输的可行性？（4）测试的可行性？（5）设计、制作的可行性？（6）时间的可行性？1.5电子设计竞赛的设计步骤（二）明确方案的内容（1）系统的外部特性①系统具有的主要功能？②引脚数量及功能？③输入信号和输出信号的形式？④输入信号和输出信号之间的相互关系？⑤测量仪器仪表及测量方法？二、系统方案论证1.5电子设计竞赛的设计步骤（二）明确方案的内容（2）系统的内部特性①系统的基本工作原理？②系统的实现方法？（模拟、数字、混合）③系统原理框图？硬件结构？④系统的控制流程？软件结构？⑤子系统、部件之间的关系？接口？尺寸？安装方法？二、系统方案论证1.5电子设计竞赛的设计步骤二、系统方案论证（二）明确方案的内容（3）测量方法和仪器仪表①仪器仪表的种类？②仪器仪表的精度？③测量参数形式？④测量方法？测试点？⑤测量数据记录和处理？表格形式？数据处理工具？1.5电子设计竞赛的设计步骤三、安装制作与调试（1）安装制作需要考虑的问题①安装工具？②元器件选择与采购？③最小系统的采用？微处理器？PLD?④PCB制作？低频？高频？数字？模拟？数模混合？EMC?⑤子系统、部件安装制作的顺序？1.5电子设计竞赛的设计步骤三、安装制作与调试（2）调试需要考虑的问题①调试参数？②调试方法？③调试需要的仪器仪表?④软件硬件的协同？修改软件？修改硬件?⑤测量数据的记录和处理？1.5电子设计竞赛的设计步骤设计要求系统方案论证系统方案设计软硬件功能分配软件功能模块MCU/PLD子系统/部件编程与调试设计报告电路PCB设计系统集成调试设计报告实物作品设计总结报告2电子系统设计实例分析2.1设计实例一、简易数控直流电源（一）设计任务键盘数控部分输出电路数字显示自制稳压电源+15V-15V+5V~220V简易数控直流电源原理框图2电子系统设计实例分析（二）设计要求（1）基本要求①输出电压：范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；②输出电流：500mA；③输出电压值由数码管显示；④由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减；⑤为实现上述各部件工作，自制一稳压直流电源，输出±15V，＋5V。2电子系统设计实例分析（2）发挥部分①输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值；②用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）；③扩展输出电压种类（比如三角波等）。2电子系统设计实例分析二、直流稳定电源(1997年全国大学生电子设计竞赛题之一)（一）设计任务设计并制作交流变换为直流的稳定电源基本要求：（1）稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下：a．输出电压可调范围为+9V～+12Vb．最大输出电流为1.5Ac．电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）d．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）e．纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）f．效率≥40%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）g．具有过流及短路保护功能（2）稳流电源在输入电压固定为＋12V的条件下：a．输出电流：4～20mA可调b．负载调整率≤1%（输入电压＋12V、负载电阻由200Ω～300Ω变化时，输出电流为20mA时的相对变化率）（3）DC-DC变换器在输入电压为+9V～+12V条件下：a．输出电压为+100V，输出电流为10mAb．电压调整率≤1%（输入电压变化范围+9V～+12V）c．负载调整率≤1%（输入电压+12V下，空载到满载）d．纹波电压（峰-峰值）≤100mV（输入电压+9V下，满载）发挥部分（1）扩充功能a．排除短路故障后，自动恢复为正常状态b．过热保护c．防止开、关机时产生的“过冲”（2）提高稳压电源的技术指标a．提高电压调整率和负载调整率b．扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值（3）改善DC-DC变换器a．提高效率（在100V、100mA下）b．提高输出电压（4）用数字显示输出电压和输出电流2.2设计实例分析2.2.1方案论证（1）采用中小规模集成电路的简易数控直流电源设计逻辑选通4011单稳消抖4013可预置加减计数器40192BCD拨码盘开关译码显示4511D/A放大可调稳压脉冲源4060（8Hz)函数信号发生器电源AC220V+5V+15V-15V电压输出波形输出按键预置2.2设计实例分析2.2.1方案论证（2）采用单片机的简易数控直流电源设计键盘显示单片机系统D/A放大电压显示7107电源AC220V+5V+12V-12V输出键盘显示接口8279电压预置基准电压过流保护2.2电子系统设计选题分析1.4.2频率特性测试仪(1999年全国大学生电子设计竞赛题之一)1、设计任务设计并制作一个频率特性测试系统，包含测试信号源、被测网络、检波及显示3个部分，如图所示。1·4电子系统设计选题举例22、设计要求(1)基本要求①制作幅频特性测试仪a、频率范围：l00Hz～100kHz；b、频率步进量：l0Hz；c、频率稳定度：l0-4；d、测量精度：5％；e、能在全频范围内自动步进测量，可手动预置测量范围及步进频率值；f、LED显示，频率显示为5位，电压显示为3位，并能打印输出。1·4电子系统设计选题举例2、设计要求(1)基本要求②制作一被测网络a、电路形式：阻容双T网络；b、中心频率：5kHz；c、带宽：±50Hz；d、计算出网络的幅频和相频特性，并绘制相位曲线；e、用所制作的幅频特性测试仪测试自制的被测网络的幅频特性。1·4电子系统设计选题举例22、设计要求(2)发挥部分①制作相频特性测试仪a、频率范围：50Hz～l0kHz；b、相位度数显示：相位显示值3位，另以1位作为符号显示；c、测量精度：3°。②用示波器显示幅频特性。③在示波器上同时显示幅频特性和相频特性。④其他。1·4电子系统设计选题举例23、评分指标与标准项目得分基本要求方案设计与论证、理论计算与分析、电路图50实际完成情况50发挥部分完成第一项5完成第二项15完成第三项20（1）控制模块或芯片的选型：数字电路、MCU、ARM、DSP、PLD、SOPC、PC等。（2）功能模块的选型：A/D、D/A、V/F、I/V、V/I、PGA、DC-DC、AC-DC、开关电容滤波器、射频通讯模块、功率放大模块、直流电机驱动模块等。1.确定使用那些功能模块或单元电路构建系统（3）模块或单元电路的选型例如：微处理器处理数据的能力，可用I/O口的数量和性能，应用程序的下载方式，时钟频率的典型值，供电电压和功耗等；又如：A/DD/A的位数，转换时间，基准电压值，控制端口的时序，AD输出数据的形式等。2.确定功能模块之间的信号传输方式模拟信号的直接传输（阻抗匹配、耦合方式、电平偏移、抗干扰、CMR等）模拟信号的间接传输（物理隔离、远距离传输）数字信号的直接传输（延时、正负逻辑、信号电平、传输协议、传输速率、传输距离、可靠性传输）数字信号的间接传输（物理隔离、远距离传输）1.明确系统端口的数量和类型（1）输入、输出口的数量？接口、接插件、PCB（2）输入、输出信号的类型？模拟、数字、单端、差分、幅度、频率、功率、数据传输速率等）2.明确系统的技术指标（1）根据技术指标选择功能模块（或电路）根据输入信号的类型和参数确定输入电路的形式；根据系统的对信号的分辨率确定A/D或D/A的位数；根据对信号的频率或延时要求确定功能模块的幅频特性、延时特性、处理能力。根据系统的功耗确定电源电路的容量；根据电源电压或电流的指标要求确定输入电压范围和电源电路的形式等。单元电路设计最佳选择：使用曾经用过并经实践证明可行的电路；临时设计：尽可能选用集成电路构建，关键是IC的选型；分立电路：主要用于高频微弱信号放大，高电压、大电流的功率放大。元器件选型元器件主要参数的检索、识别、理解，能根据需要选用正确的元器件。例如根据工作电压、电流确定三极管BVCEO、ICM、PCM，根据