1.1概述什么是電子系統？回憶近代歷史的諸多重大開展與成就，電子與信息技術的飛速開展是現代社會開展的巨大動力之一。人類的生產與生活，都離不開電子信息技術和電子信息產品；要求即將工作于電子和信息領域的學生，必須學會并掌握電子系統的設計與開發的方法。第1章電子系統設計導論但凡可以完成一個特定功能的完整的電子裝置都可稱為電子系統；電子系統有大有小，大到航天飛機的測控系統、小到出租車計價器，它們都是電子系統。電子系統的組成電子系統可能的組成框圖前向通道：前向通道是信息輸入的通道，受控對象以及受控對象所處的環境和控制條件，就是通過系統的前向通道輸入到主控電路，然后做進一步處理的；前向通道一般由傳感器、信號放大和信號變換等幾個環節組成，反響回路也是一樣。電子系統繁簡不一、功能各異，組成形式也各不相同。主控電路：主控電路是信號進行集中處理的電路，它將前向通道傳送過來的信息和人為控制信號在這里聚集到一起，完成對信息處理、決策與控制輸出的功能；主控電路可以由純硬件的電路組成，也可以用可編程邏輯器件或含有CPU的微處理器組成，后向通道：后向通道是信號輸出的通道，要改變受控對象的工作狀態，就要有相應的后向通道；后向通道一般包括信號變換、放大等環節，并通過執行機構作用于受控對象。輔助電路：輔助電路是電子系統設計中的一個重要組成局部；所有的電子系統中都必不可少需要供電電源來提供電路工作所需的能量，有些系統還需要基準源或信號源來輔助系統工作。電路類型模擬子系統數字子系統微處理機子系統模擬系統：傳感器、信號放大、模/數轉換、數/模轉換換、信號驅動、執行機構、供電電源等；數字系統：信息處理、決策與控制等。數字系統包括：純硬件系統軟硬結合系統電子系統包括：實現電子系統的器件中大規模或超大規模集成電路；專用集成電路；可編程器件；少量分立元件和機電元件。電子系統的類型非智能型——功能簡單或功能固定的電子系統；智能型——具備一定的智能行為的電子系統。具體地說，假設對于一個問題的鼓勵輸入，能夠產生適合求解問題的響應，這樣的系統稱為智能系統。一般：有信息采集、傳輸、存儲、分析、判斷和控制輸出的能力；高智能：具備預測、自診斷、自適應、自組織和自學習控制功能；顯然，純硬件的電子系統是不可能被劃在智能型范圍內；以微處理器為核心組成的軟硬結合的電子系統稱為智能型電子系統。電子系統的功能分類測控系統，如工業生產控制等；測量系統，如電量及非電量的精密測量等；數據處理系統，如語音、圖像、雷達信息處理等；通信系統，如數字通信、微波通信等；計算機系統，計算機本身就是一個電子系統；家電系統，如多媒體彩電、數字式視頻光盤機等。課程中涉及的電子系統設計內容電子系統設計牽涉的范圍非常廣，涉及的技術層次也大不相同；本課程將限定于設計一個實用的完整的測量控制型電子系統；提供一個由單元電路、根本原理、實用器件到實用小系統的橋梁；學會并掌握電子系統設計與開發的方法。1.“自上而下〞的方法1.2電子系統設計方法與過程一、電子系統設計方法設計人員首先根據對設計要求的理解及系統可能的工作方式、結構等知識，構成系統總體方框圖；根據設計要求及指標，規定每個子系統的性能指標，并對總體方框圖中的每一個方框(子系統)進行分析及設計；對于復雜的子系統還可以繼續分解、細化，直到每個方框都可以用一種或一種以上的方法加以實現；方框圖中的每一個小方框都落實到通用中大規模集成電路層次，同時規定一些關鍵器件的指標以保證該子系統的性能指標的實現。自上而下的設計方法是一個不斷求精、逐步細化、分解的過程，但并不是單方向的。在下一級的構成及設計過程中可能會發現上一級的問題或缺乏，必須反過來對上一級的構成及設計加以修正。應該說明的是：系統設計要求（系統說明書）系統總體方框圖子系統方框圖子系統方框圖子系統方框圖單元電路單元電路單元電路先從現有的可用的元件中選出合用的，設計成一個個單元電路；由多個單元電路組成子系統；由子系統組成整體系統。2.自下而上的方法優點：可以繼承使用經過驗證的、成熟的單元電路與子系統，減少設計的重復勞動，提高設計生產率；缺點：設計人員的思想受限于現成可用的元件或單元電路，故不容易實現系統化的、清晰易懂的以及可靠性高、可維護性好的設計。原因：電子技術的飛速開展，電子系統的復雜程度也在相應提高；方法：采用計算機輔助設計系統〔EDA軟件〕；優點：為設計人員提供了一個完整的系統設計環境，使人們擺脫了手工設計所帶來的各種弊端；使得設計者可以集中精力于系統的高層設計，諸如算法、功能等概念設計方面，而把大量的具體設計過程留給EDA軟件去完成；改變了傳統設計過多地依賴設計者的知識和經驗，在EDA軟件中集成了大量的成熟經驗、算法及工具，保證了設計的可靠性及水平，加速了設計速度，滿足了日益復雜的設計需要。局限：目前還只限于數據處理、通信及多媒體領域。3.EDA設計方法以最具代表性的智能型電子系統為例，設計過程包括確定設計任務、總體設計、硬件設計與調試、軟件設計與調試、整機聯調和資料整理等幾個步驟。二、電子系統設計過程1.確定設計任務做認真細致的調查研究：了解用戶技術要求；了解國內、外相似課題的技術水平；摸清軟、硬件設計的技術難點。確定所要完成的任務及技術指標：設計任務書須盡可能詳細；技術指標合情合理。2.總體設計擬定總體設計方案：總體方案的選擇將直接決定電子系統設計的質量；要認真調研、論證，選出最正確方案；對于關鍵性技術難點，應設專題深入討論。軟、硬件功能劃分：根據速度的要求劃分；根據本錢要求劃分；根據可靠性要求劃分；根據研制周期要求劃分。畫出總體方框圖：3.硬件設計與調試硬件電路設計原那么：盡可能選擇功能較強的新型芯片；盡可能選擇典型電路，并符合所選芯片的常規用法；系統的擴展與外圍設備的配置應適當留有余地；硬件結構應結合軟件方案一并考慮，做到軟、硬件功能相應匹配；整個系統中相關器件要盡可能做到性能匹配；進行可靠性及抗干擾設計；進行結構工藝設計。硬件電路的調試：脫機檢查；單元電路調試；局部聯調。4.軟件設計與調試軟件設計原那么：軟件結構清晰、簡捷、流程合理；各功能程序實現模塊化、子程序化；程序存儲區、數據存儲區規劃合理；運行狀態實現標志化管理；實現全面軟件抗干擾設計。軟件設計過程：建立數學模型，確定適宜算法；劃分程序模塊，繪制程序流程圖；編寫源程序并翻譯成目標程序；軟件仿真與調試。5.整機聯調把全部電路連通，實現整機聯調；把測量儀器及系統本身顯示局部提供的信息與設計指標逐一比照，找出問題；進一步修改電路的參數，直到完全符合設計要求為止。6.資料整理需要整理的資料：硬件資料：完整的電路原理圖、元件布置和接線圖、印刷電路板圖，以及所用的元器件清單等。軟件資料：軟件流程圖、存儲單元和輸入輸出口地址分配表、詳細的源程序清單等。調試資料：調試的方法、調試用到的儀器設備，以及系統功能與性能測試結果等。寫出設計總結報告和系統使用說明書。1.設計任務1.3總體方案論證實例一、設計任務與要求2.根本要求一升水由1kW的電爐加熱,要求水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環境溫度降低時實現自動調整，以保持設定的溫度根本不變。設計一個水溫控制系統。溫度設定范圍：40～90℃，最小區分度為1℃?？刂凭龋簻囟瓤刂频撵o態誤差≤1℃。用十進制數碼顯示實際水溫。能打印實測水溫值。3.主要性能指標4.擴展功能具有通信能力，可接收其他數據設備發來的命令，或將結果傳送到其他數據設備。采用適當的控制方法，當設定溫度或環境溫度突變時，減小系統的調節時間和超調量。溫度控制的靜態誤差≤0.2℃。能自動顯示水溫隨時間變化的曲線。1.擬定總體設計方案二、總體設計控制方法選擇：輸出開關量控制；比例控制〔P控制〕；比例積分控制〔PI控制〕；比例積分加微分控制〔PID控制〕。系統組成：經典控制理論和常規模擬控制系統，可以實現控制；現代控制理論和計算機控制系統，應用越來越廣泛；采用以單片機為核心的直接數字控制系統〔DDC〕。2.軟、硬件功能劃分速度估算：水溫上升1K所需熱量ΔQ=mCΔT=1000kcal；熱功換算：ΔW=P×Δt=4.186×ΔQ；加熱時間Δt=4.186×ΔQ/P=4.186s；結論：控制速度幾乎沒有任何限制。軟、硬件功能劃分：PID運算、輸入信號濾涉及大局部控制過程都可由軟件來完成。硬件的主要功能是溫度信號的傳感、放大、A/D轉換及輸出信號的功率放大。人機通道功能由系統軟、硬件配合完成。3.總體方框圖單片機基本系統鍵盤顯示微型打印機A/D信號放大傳感器功率放大電爐系統硬件總體框圖前向通道：包括傳感器、信號放大、A/D轉換等電路；主控電路：以單片機為核心的數字系統，包括人機對話通道；后向通道：控制電爐的輸入功率；輔助電路：+5V和±15V供電電源，以及電壓基準。系統軟件總體框圖主程序；鍵盤中斷效勞程序。初始化輸入鍵值跳轉到相應子程序有鍵入？NY調修改PID參數子程序調設定溫度子程序調運行子程序調打印子程序保護現場讀入鍵值設置鍵入標志恢復現場返回1.增加通信功能三、擴展功能方案論證采用單片機片內串行口外加邏輯電平轉換電路組成RS-232C標準接口；邏輯電平轉換電路采用MAX232；軟件中還需增加相應的通信處理程序。

輸出插座MAX232+-+-+--+10

F10

F10

F10

F134526121113148031RXD8031TXDPCTXDPCRXD去其他微機RS-232接口R1outT1inC1+C1-C2+C2-V+V-R1inT1out2.減小系統調節時間和超調量對PID參數進行適當整定與調整。

3.提高系統控制的靜態精度采用10位以上的A/D轉換器〔誤差≤0.1%〕。4.進一步簡化硬件、降低本錢選