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第2章通用型电子系统设计原则讲授内容1概述2电子系统设计的方案论证3电子系统设计的总线选择4电子系统总体设计原则5基于模拟器件的电子系统设计流程6基于数字器件的数字系统设计流程7通用型电子系统的安装和调试讲授内容8基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法9编写设计报告(论文)10电子系统的电源设计11电子系统的软件设计流程12智能型电子系统的可靠性13影响智能型电子系统可靠性的因素电子系统是指由电子元件和电子单元电路相互连接、相互作用而形成的电路整体，能按特定的控制信号，去执行所设想的功能。通常分为模拟电子系统、数字电子系统和混合电子系统。组成模拟电子系统的主要单元电路有放大电路、滤波电路、信号变换电路、驱动电路等。模拟电子系统的主要功能是对模拟信号进行检测、处理、变换和产生。模拟信号的特点是，在时间上和幅值上均是连续的，在一定的动态范围内可任意取值。这些信号可以是电量(如电压、电流等)，也可以是来自传感器的非电量(如应变、温度、压力、流量等)。2.1概述2.1概述数字系统由若干数字电路和逻辑部件组成，是能够处理及传送数字信号的设备。数字信号的特点是不随时间作连续变化。一个复杂的数字电子系统可分解为控制器加若干个子系统。这些子系统完成的逻辑功能比较单一，一般由中、大规模集成电路实现，如存储器、译码器、数据选择器、加法器、比较器、计数器等。数字电子系统中必须要有控制器，控制器的主要功能是来管理各个子系统之间的互相操作，使它们有条不紊地按规定的顺序操作。2.1概述混合电子系统是由模拟电子电路和数字电子电路组成的电子系统。在过程控制和各种仪器仪表中，完成对如温度、压力、流量、速度等物理量的控制、测量、显示等功能，需要混合电子系统来实现。2.1概述•混合电子系统的实例—电热水器温度控制电路框图如图2-1所示。首先，测温电路把温度的变化转化为微弱的电压信号。该电压信号经放大、滤波等处理，送入模数转换电路，经A/D转换器把电压信号转换为与温度变化相应的数字编码信号。然后，微处理器系统根据水温控制模型进行计算，得到相应的控制输出数字信号。该数字信号可控制电力电子电路电流的大小，从而调整水温高低。2.2电子系统设计的方案论证•电子系统设计的总体方案论证包括两个方面：第一，弄清任务要求、发展动向和元器件、材料、开发装置的市场情况，确定电子系统设计的总体方案。任务要求应明确技术指标，包括测量(控制)范围、测量(控制)灵敏度和精度、测量(控制)速度、可靠性指标和系统的工作条件(温、湿度；电源；振动等)；主要功能指标包括显示、硬拷贝方式、输入、输出信号特性、人机联系功能、通信功能和测量控制功能。所确定的电子系统总方案包括所应用测量(控制)原理、系统组成、总体的硬、软件结构、主要性能、功能的计算、分析和说明。2.2电子系统设计的方案论证第二，电子系统方案的可行性论证。从事过单片机技术研究与开发的工程师都懂得，单片机是“物”不是“神”，并非任何工程技术问题只要用上它就能圆满解决。例如，设计一个数据采集系统，若测量方法选择不当，配上再好的单片机也无法得出真实的数据。又如用PC组成一个闭环自动控制系统，如果不把包括传感器、变送器、执行器和控制对象在内的各个环节的特性都加以考虑，也很难取得良好的控制效果。各种微处理器由于存在着字长、速度、存储空间、中断能力等诸多因素的制约，不是任何场合都能胜任。2.2电子系统设计的方案论证•因此在进行总体方案设计时，要仔细研究电子系统的功能要求、技术指标、环境因素等，与可以达到的技术水平、设备、资金的拥有量、必要的实验场地、必备的元器件来源以及投入的人力和规定的完成时间等条件相比较，在此基础上确立总体方案的可行性。2.3电子系统设计的总线选择用于设备与设备之间连接的总线称为外总线。与内总线相比，外总线的标准化尤为重要。在没有标准总线以前，各研制单位、生产厂家各行其是，生产的测试设备、仪器仪表不具备通用接口，这样不仅不便于相互连接组成系统，而且给用户的维修、扩充和更新带来困难。近年来非标准总线的外总线主要用于各种系列化仪表，而标准外总线则被越来越多的微机化仪器仪表(无论是否系列化)所采用。2.3.1电子系统设计的外总线•按照数据在总线上传递的方式，外总线可分为并行总线与串行总线。最流行的总线有如下几种：(1)IEEE-488并行接口总线IEEE-488总线与IEC-625-II统称通用目的接口总线(GPIB)。这是一种提出较早、应用广泛的系统级并行总线。2.3.1电子系统设计的外总线(2)EIARS-232C串行接口总线串行总线不是象并行总线那样以字节为单位传送数据，而是按位传送的。因此，串行通信传送速度低，但数据线根数少，便于远距离传送和利用电话线作传输线，EIARS-232C是使用最广泛的串行通信总线，它的信号电压范围宽，抗干扰能力强，联络线功能齐全，并可配用调制解调器，使传送距离达到数千公里。2.3.1电子系统设计的外总线(3)RS-422、RS-423、RS-485标准由于RS-232传输距离短，而且最大数据传输率也受到限制，因此，EIA又公布了适应远距离传输的RS-422(平衡传输)和RS-423(不平衡传输)标准。这两种标准的特点是采用差分接收器接收信号电压，从而提高了抗噪声干扰的能力，获得较长的传输距离和较高的数据传输率。为了减少信号线，全双工RS-422经演变又产生了半双工RS-485。2.3.2电子系统设计的内总线用于计算机设备内部板与板之间连接的总线称为内总线。电子系统根据需要有如下3种内部连接形式。(1)单板直接连接单板结构不存在板与板之间的连接问题。当自行设计功能简单的电子系统时，采用这种结构可以简化设计、降低成本、缩小占用的立体空间。由于单板结构无对外连接总线，设计样机时，需先考虑好怎样进行硬、软件开发调试。此外，由于所有元器件集中在一块板上，必须合理地布局和走线以减少有害的耦合与发热的影响。当仪器仪表功能复杂时，采用这种结构设计难度较大，难以一次成功。2.3.2电子系统设计的内总线(2)多板非标准连接将电子系统按功能划分为模块，每一模块分别设计制版，然后通过自定义总线装配连接。这种非标准总线多板结构是自行设计电子系统时常用的结构形式。例如，可以把电源、模拟电路、数字电路分别制版，当电路复杂时还可进一步细分。这种结构同样要事先考虑开发问题。与单板相比，它的空间利用率高，各部分之间有害影响小，而且便于分别设计、安装、调试，如发现某一单元不合要求需重新设计时，其他单元不必随之返工。2.3.2电子系统设计的内总线(3)多板标准总线连接当电子系统功能复杂时，为了避免重复设计开发，宜选用标准总线组成的多板结构。某些通用功能如CPU控制、存储器扩展、通信接口等可以通过标准总线模板实现，其他专用功能则要自行设计与开发。设计标准总线模板要参照总线规约进行，板与板之间严格避免总线竞争，板间负载效应及相互影响也要充分考虑。实践表明，采用标准总线结构设计微机化仪器仪表，可以充分利用已有的技术成果，降低硬软件投资，并能有效地缩短开发与生产周期。在样机研制和小批量试生产阶段，这是一种十分可取的结构。此外，把通用型微机扩充、改造使之成为仪器仪表，也可以看作属于这种结构形式。2.4电子系统总体设计原则1．根据设计对象的要求和实际的约束条件，列出详细的设计目标任何一项设计都有来自用户的要求和设计的约束条件，电子系统设计亦无例外。这些要求通常包括功能与性能两个方面；约束条件则包含产品的成本与价格、开发周期、工作环境、功耗、连续运行时间，平均无故障率等。如果设计的要求过高，约束条件过严，现有技术水平很难达到，就必须权衡利弊与得失，规定一个各项条件的优先次序，在此基础上建立详细的切实可行的设计目标。在整个设计过程中，要反复检验和对照这些目标能否达到，有无一定的裕量。当然，也要检查设计方案中是否存在浪费资源、小题大做的”过设计”，以免造成成本提高和设计时间的拖延。2.4电子系统总体设计原则2．采用自顶向下、逐级分解的方法形成子任务电子系统的设计大多面临复杂而综合的设计任务。这些任务往往不是通过一个单元电路、一段基本程序所能实现的。主设计师应该对设计对象作出全面而合乎逻辑的说明，然后将设计对象连同各项指标分解成一批可以相互独立的子任务。这些子任务再逐级细分，直到每一低级的子任务可以由某种电路模块为核心的硬件或某种算法为中心的软件完成为止。这些细分的任务可以由一个人独立承担，也可以由许多设计人员分工负责。子任务完成后将所有结果汇总起来，必要时作些调整，即可完成整体设计任务。无论硬件还是软件都可以采用这种自上而下的分解设计方法。至于细分到哪一级算是最低级，要根据设计者的技术基础和设计者的人数而定。2.4电子系统总体设计原则3．硬/软件协调优化设计方案某些特定的任务既可以靠硬件实现(辅之以少量软件)，也可以靠软件完成(辅之以少量硬件)。如何通过硬/软件协调优化设计方案影响到产品质量、性能与成本的重要问题。一般来说，以硬件为主使方案成本增加，但处理比较及时，并可减轻微处理器负担；以软件为主的方案则能降低成本，但要把较多的人力、时间投入软件设计中。从可靠性指标来看，硬件越多，由器件、焊点、接插件形成的潜在故障点越多；而软件在排除故障以后，不会使可靠性随时间的推移而降低。以往人们在微机化仪器仪表设计中，过多地着眼于硬件成本而尽量以软代硬。随着LSI芯片功能的增强、价格的下降，为了加快产品的研制开发进度，这种情况正在发生变化。在处理实际问题时，究竟哪些设计子任务应该以硬代软，哪些应该以软代硬，需作具体分析，不能一概而论。但设计者至少应当明确，凡简单的硬件电路能解决的问题不必用复杂的软件取代；反之简短的软件能完成的任务也不必设计复杂的硬件。此外还需注意到硬件的成本(主要是器件及印制版成本)随产品批量的大小近似按线性变化；而软件成本(指开发过程中耗费的人力、时间等)几乎是一次性投资。一个性能良好的设计方案往往具有硬/软协调、“各尽所能”的特点。2.4电子系统总体设计原则4．发挥技术与设备潜力，提高设计质量与开发速度即便是同一类型的产品、同一性质的设计任务，不同的设计师完全可能采用不同的设计方法，这是因为它们具备的技术基础和技能并不相同。此外，微机化仪器仪表的研制要利用必不可少的开发、调试设备。因此，如何发挥人的技术专长，充分利用已有的设备直接影响到设计的质量和进度。当然，这并不意味着排斥新技术、新器件和使用新设备。由于器件制造技术和软件开发技术日新月异的发展，设计人员只有不断更新知识、尽快掌握新技术，并把它们应用到设计实践中去，才能高质量、高速度地完成设计任务。以软件开发为例，早期微机化仪器仪表的汇编语言程序设计主要采用手工汇编，这无疑是一种费工费时、易错难改的笨拙方法。现在已逐步由各种编辑、汇编等软件开发工具所取代。硬件制作过程中的印制电路版设计有条件时也应尽量采用各种计算机辅助设计与制图。众所周知，20世纪80年代初期TP-801单板机曾风靡全国，但在以后的使用中暴露出诸多问题，设想它诞生在90年代，那么无论从结构设计到芯片选用无疑将会有很大变化。总之，设计方案的形成，开发、调试手段的选择必须充分注意到微机制造与应用技术的发展，使设计的产品具有鲜明的时代特色和强大的市场竞争力。2.4电子系统总体设计原则5．设计自诊断与异常处理功能，提高产品的可维护性任何类型的电子系统都不能保证使用过程中不出一点故障，故障的起因可能来自外界条件(如电源、工作环境、人为故障等)，也可能出自设备本身(如元器件失效)，微处理器为电子系统及时发现和处理故障创造了条件，设计中应考虑相应的措施。自诊断通常安排在开机时进行，对常年连续运行的电子系统则应定时重复进行自诊断操作。由于自诊断离不开微处理器，所以只能处理CPU以外的局部性故障。对于全局性的故障往往要通过特殊设计的硬件电路或其他冗余后备措施来对付。通常电子系统总是比较复杂，测试维修要有相应的设备和技术，使用户感到无能为力。为此设计时要充分考虑用户的维修问题。例如，对易损部件提供便于更换的模块和备件，对关键性电路接