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电子创新实践－电子系统设计导论什么是系统？•由部件组成，能实现较复杂的功能（不是一个单一的电路，要有输入、输出和其他控制电路）（只能实现单一功能的通常不算系统）电子系统范畴消费类电子计算机类通信电子汽车电子工业电子军用电子消费类产品主板显卡和网卡七彩虹显卡TP-Link网卡通信电子产品车载GPS和悍马汽车电子燃油喷射控制器数控钻床和汽车生产线舰船和战斗机手机电路超级芯片数码彩电主板信号输入人机接口信号输出变换控制处理变换反馈电子系统可能的组成框图车载导航系统的框图数据采集系统框图模拟系统与数字系统模数混合系统（绝大多数系统）如空调控制器、电视机、测量仪器、工业控制器、手机电路纯粹的模拟系统---如简单的放大器纯粹的数字系统---如电子钟电子系统设计方法——自顶向下系统设计的方法自顶向下自底向上自顶向下与自底向上相结合何谓顶？何谓底？底——最基本的元、器件，甚至是版图顶——系统的功能系统的结构•自顶至底有：系统子系统部件（功能模块）单元电路元、器件版图（IC）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、器件版图自顶向下自上而下法的优点•尽量运用概念（抽象）描述、分析设计对象，不过早地考虑具体的电路、元器件和工艺•抓住主要矛盾，不纠缠在具体细节上，控制设计的复杂性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•部件设计在先，设计系统时将受这些部件的限制，影响：•系统性•易读性•可靠性•可维护性自底向上的缺点自底向上的优点•在系统的组装和调试过程中有效•可利用前人的设计成果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、器件版图以功能模块为基础的自上而下的设计方法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设计的步骤•调查研究•方案论证•单元设计•组装调测•总结报告调查研究•明确设计要求•弄清设计方法•了解设计关键做什么？系统的功能输入和输出做到何种程度？性能技术指标注意分析每一个细节，尽量考虑得周到、完善调查研究•明确设计要求•弄清设计方法•了解设计关键有那些可使用的设计方法相同产品同类产品同原理产品其他可借鉴的方法比较各种方法的先进性性价比可行性器材人才时间产品效益与开发时间的关系上市延迟销售顶峰销售顶峰电子系统设计的步骤•调查研究•方案论证•单元设计•组装调测•总结报告调查研究•明确设计要求•弄清设计方法•了解设计关键决定指标的关键难点工作量大（重点）•起点：•系统级行为描述设计•用户需求•系统技术规范•功能描述方案论证系统级行为描述设计•系统的外部特性•主要功能•输入和输出——•那些端口•输入（输出）信号——•特征•来源（去向）•对系统的要求初步方案面板图•下一步：•系统级的结构描述与设计•系统设计规范与功能•子系统之间的组合方案论证•系统的内部特性——•基本原理•基本框图——•子系统•各子系统之间的接口要求•基本控制流程系统级行为描述设计基本框图基本流程图•系统的内部特性——•基本原理•基本框图——•子系统•各子系统之间的接口要求•基本控制流程系统级行为描述设计系统的实现技术用数字技术，还是模拟技术实现？模拟技术优点：通常所使用的器件量较小缺点：对器件的依赖性较大调试较困难与计算机配合不如数字技术方便数字技术优点：对器件的依赖性较小调试较容易与计算机配合方便LSI与可编程器件的使用不能！高频小信号大功率主体为数字技术质量靠模拟技术千万不可忽略、放弃模拟技术软件实现方法：单片机（计算机）DSP（数字信号处理）嵌入式系统软件离不开硬件支持•第三步：•系统级的物理描述与设计•组成系统的各抽象的子系统•各具体的子系统（IP）•提出具体的要求并转入•下一层设计方案论证IntellectureProperty知识产权•下一层：•子系统级行为描述设计•对子系统的需求•子系统技术规范•功能描述方案论证•下一步：•子系统级的结构描述与设计•子系统设计规范与功能•功能模块（部件）•之间的组合方案论证•第三步：•子系统级的物理描述与设计•组成子系统的各抽象的模块•选择具体的功能模块或•对模块提出具体的要求并•转入下一层设计方案论证没有现成模块可用的特殊模块关键模块、关键元件及相互接口以模块为单位的详细框图•下一层：•部件级行为描述设计•对部件（模块）的需求•部件的技术规范•功能描述方案论证•下一步：•部件级的结构描述与设计•部件设计规范与功能•单元电路之间的组合方案论证•第三步：•部件级的物理描述与设计•抽象的单元电路•选用具体的单元电路方案论证电子系统设计的步骤•调查研究•方案论证•单元设计•组装调测•总结报告单元电路设计•尽量选用高性能、控制简单、集成度高的、应用广泛的新产品（竞赛例外）•学会查手册和网上查询，懂得什么是关键指标，如何选择代用品•会买东西——船舶、赛格电子电子系统设计的步骤•调查研究•方案论证•单元设计•组装调测•总结报告组装调测•自底向上法•合理布局•——电磁兼容问题•方便调测•——留有测试点•分段装调•——自底向上法•逻辑模拟•测试设计•——测试系统，计量原理组装调测电子系统设计的步骤•调查研究•方案论证•单元设计•组装调测•总结报告总结报告•重要性•技术总结•汇报交流•生产文件•评价依据总结报告•内容•设计思想•设计过程•设计结果•改进设想总结报告•要求•概念准确•数据完整•条理清晰•突出创新注意：•创新实践的题目一定要具有可实现性，尽量运用自己掌握的知识来实现•题目自拟，方向是电子系统设计方面的内容。设计实例：数字定时器•1.1功能要求•1.2整体方案调研•1.3整体方案论证•1.4硬件电路设计•1.5程序设计1.1功能要求•1.1功能要求•我们以一个具有一定实用价值而功能又比较简单的数字定时器做系统设计入门的实例。该定时器有如下技术要求：–（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。–（2）使用0.5英寸红色LED数码管显示时间。功能要求–（3）定时时间可以用按键或其它方式输入。–（4）定时器控制一个~220V1A的用电设备，上电时不允许用电设备瞬间通电。–（5）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。功能要求•（6）计时到0分时，切断用电设备电源。•（7）计时误差：100分误差±10s。•（8）由用电设备提供+12V电源。•（9）低价位。1.2整体方案调研–不论是设计练习或是一个实际的工程项目，在明确其性能要求的基础上，首先要做的应该是调研相关情况，了解与该项目相关的成果，以便吸收前人的成功经验，开阔自己的思路。在网络高度发达的今天，利用网络查询无疑是最便捷、最全面的方法。–“中文科技期刊数据库（VIP）”、“中国期刊全文数据库”是电子系统设计者最常光顾的数据库。利用“数字定时器”词条，在VIP上“模糊”搜索，共查到三篇相关文章：《一种基于CPLD的多功能数字定时器》、《RFC中分频器/数字定时器的设计》、《用AT89C2051单片机组成的数字定时器》。整体方案调研•头二篇均以CPLD为核心器件构成数字定时器。第一篇为多功能电路能基本满足课题要求，但缺强电接口。第二篇为射频控制应用，与课题要求不符。第三篇最贴合课题要求，但还有进一步优化的必要，如减少按健数、去除LED驱动等。1.3整体方案论证–根据设计题目的功能要求，采用自顶向下的拼凑法可以构成如图1所示的方框图。整体方案论证电路的核心应该是一个100进位的可预置数的减法计数器，工作时逐分倒计时。起始时间由预置数输入装置加载到计数器。当前时间由译码驱动电路驱动两位笔段型LED数码管显示。分减法计数器的分信号由秒/分信号发生器经过启停控制电路获得。秒/分信号发生器必须采用石英晶体振荡器用分频的办法分别产生秒和分时钟信号以保证走时精度，前者在计时开始后，使分个位LED数码管的小数点闪亮。后者在计时启动后，一方面通过驱动电路使继电器动作，用电设备通电，一方面使分信号到计数器。在计数为零时，通过驱动由继电器使用电设备断电。整体方案论证•[方案一]–以SSI和MSI数字逻辑集成芯片为核心，其电路的组成如图2所示。–石英晶体振荡器（如fosc=32768Hz）经分频后取得1Hz的秒时钟信号，一方面去控制分个位LED小数点闪烁，一方面送60分频器，产生分时钟信号。“启停控制电路”在按下启动键后，分时钟信号可送往分个位的可预置十进制减法计数。与此同时使分个位小点数闪烁，通过驱动电路，继电器使用电设备通电。–该计数器的预置数由输入装置（如BCD码拨盘开关）加载分十位和分个位计数器，在分时钟脉冲的作用下，逐分减计时。当前时间经译码驱动电路，驱动静态LED显示。计数为00分时，输出译码器经驱动电路、继电器使用设备断电。同时输出停止信号，停止秒闪烁、分计时。整体方案论证–该方案的优点是各器件的功能清晰。缺点是所用芯片数多、PCB面积大、接线多、焊点多。因此可靠性略差，而且成本也较高，不符合低价位的要求。–低价位是所有电子系统设计在保证性能的前提下都必须认真考虑的因素，有时它直接关于产品能否推广应用。整体方案论证•[方案二]–图2电路中的虚线内部分完全可以由CPLD或FPGA来实现。这也是参考文献中采用的一个方法。–这个方案的优点是电路大为简化，系统可靠性高。最大的问题是CPLD或FPGA的成本高，做为这种低端产品，其价格难以接受。整体方案论证•[方案三]–以MCU为核心来构架整个电路。时钟产生，秒信号、分信号形成均可利用MCU片内资源解决。分减法计时利用程序完成。LED的译码也可以由软件完成。至于按键的设置，则可以更加灵活，并将键数减至最少。–这一方案的最大优点是充分发挥了MCU软件的功能，并使电路简化到可以和CPLD或FPGA相媲美。整体方案论证–电子系统设计的一个重要原则是：“安软勿硬”。即能用软件解决的同一问题，则不用硬件。这主要是因为软件的寿命不受限制，而且软件的编制如果完美无暇的话，其可靠性也是硬件无法比拟的。何况又能降低硬件开消。这一方案符合这一原则。–MCU的品种繁多，适合这种低端应用的芯片也不少，其价位已低到MSI的水平，所以应该是最低价位的方案。–很明显，方案三是合适的。1.4硬件电路设计–1．MCU的选择–2．资源分配–3．程序流程图–4．容错设计–5．软件的简单抗干扰措施–6．计时精度–7．程序清单硬件电路设计•1.4硬件电路设计–1．MCU的选择–为降低价位和节省使用MCU的端口数，LED宜采用共阴极动态驱动方式，它共需八根段位口线，两根阴极驱动口线，即LED需要十根MCUI/O口线。–按键可以减少到只要两个：功能切换和预置时间加一键。功能键完成二个任务：移动预置时间的个位和分位；启动计时。它需要二根I/O口线，而且最好接在外接中断输入端，以便按键可以用中断或查询两种办法处理。–驱动执行器件通断负载需要一根口根。–即共需MCU13根口线。硬件电路设计–系统所需的时钟信号可以由MCU的定时器/计数器完成。一般低端MCU均有二个定时器/计数器，可以满足要求。–整个课题对指令执行的速度没有什么要求，不要求执行速度快的MCU，一般低端MCU至少可以工作在12MHz的时钟下，速度不成问题。硬件电路设计•LED数码管采用应用最广的0.5英寸，高亮度红色的共阴极器件。动态驱动时每个笔段平均IF0.5mA已可明亮显示。•若VF=1.5V，每笔段的限流电阻为2kΩ，则LED点亮时每笔段IF≈1.75mA，动态扫描时每个笔段的平均电流约为0.875mA，满足亮度要求。考虑到MCU口线的IOH较小，限流电阻应接为上拉形式。•八段笔划直接由P1口驱动。被点亮LED数码管的最大电流为8×1.75=14mA，利用P3.0、P3.1的IOL是可以承受的。硬件电路设计•按键共设两个：功能切换键“S”，和加键“+”。分别接至INT0（