电子系统设计全册配套精品完整课件

1、1.产品的复杂性加深.跟据Moore定律IC的复杂性大约每6年增加10倍；2.产品的上市时间与市场寿命减小,竞争加剧.延误市场周期产品寿命上市下市赢利适时上市的赢利三角形延误上市的赢利三角形时间产产 品品 市市 场场 窗窗 口口 图图顶系统的功能系统子系统部件（功能模块）单元电路元、器件版图 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 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 系统子系统子系统功能模块功能模

2、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系统级子系统级部件级元件级自顶向下自底向上 原 始 技术指标系统级子系统级部件级元件级基于芯片的电子系统设计流程基于芯片的电子系统设计流程电子系统设计题目举例电子系统设计题目举例子系统级硬件设计方案子系统级硬件设计方案软件设计方案软件设计方案(系统控制流程)1.5 电子系统设计步骤电子系统设计步骤做什么？ 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

3、法 比较各种方法的 先进性 性价比 可行性 器材人才时间 决定指标的关键 难点 工作量大（重点） Y图系统级子系统级部件级元件级行为级结构级物理级用户需求变为技术规范与功能描述实现给定规范与功能的子系统、部件或元件及其互联方式用一定的材料与工艺实现结构 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 设计工作及设计报告评分表设计工作及设计报告评分表 项项 目目 内内

4、 容容 满满 分分 评评 分分 备备 注注方案设计与方案设计与 方方 案案 比比 较较 4 4论论 证证 正正 确确 性性 6 6 优优 良良 程程 度度 4 4理理 论论 计计 算算 完完 成成 程程 度度 8 8 正正 确确 性性 6 6 电路图及电路图及PLD PLD 完完 整整 性性 4 4设设 计计 文文 件件 规规 范范 程程 度度 2 2 测测 试试 方方 法法 方方 法法 正正 确确 性性 4 4与与 数数 据据 数数 据据 完完 整整 性性 4 4 测试仪器（型号）测试仪器（型号） 1 1结结 果果 分分 析析 4 4设设 计计 报报 告告 3 3工工 整整 性性 总总 分分

5、 50 50 物电学院 钟清华 0308电子系统的构成 v系统结构与组成微处理器，存储器信号调理与驱动输入输出接口（通道）输入输出设备通讯接口系统译码与控制电源微处理器数据存储器程序存储器译码控制与存储器管理开关量输入与识别开关量输出及驱动模拟量输出串行通讯接口模拟量输入信号调理信号驱动系统电源系统监视计算机测控系统组成v处理器的选择：通用CPU单片机嵌入式处理器DSPASICv存储器的选择：EPROM、FLASH、EEPROMSRAM、NOVRAM双口RAM、FIFO串行存储器vIO接口电路的选择：74、CD4000小规模ICIntel82XX可编程接口芯片可编程器件PLDGAL、PAL、C

6、PLD、FPGAADC、DACI2C总线器件v通信接口电路的选择：IEEE488接口RS232、RS485接口芯片CAN Bus接口PCI接口USB接口SPII2Cv系统管理器件：复位管理系统时钟电源管理实时时钟WatchDogv集成电路选择的非技术性因素制造公司的状况芯片的应用前景芯片的供货渠道技术支持状况开发环境的方便性开发环境的经济性v集成电路信息的获得渠道：教科书、参考书论文(期刊、论文集、文本)中国期刊网（主题搜索）公司数据手册、数据光盘芯片制造公司网站、代理商网站网络搜索引擎v集成电路厂商网址：武汉力源:http:/ 强大的搜索功能，提供按厂商查询、按器件分类查询，同时提供芯片代理

7、Google: http:/ 最强大的搜索引擎ICMiner: http:/ http:/ http:/ http:/Atmel: http:/ Actel: http:/ http:/Dallas Semiconductor: http:/ http:/Philips: http:/SST: http:/TI: http:/ http:/ DSPADI: http:/ Motorola: http:/e- http:/ ROM, EPROM, EEPROM, RAMAtmel: http:/ http:/ http:/www.seiko-usa- Semiconductor: http:/

8、http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ Cypress: http:/ADC、DAC、 OP AMPs:ADI: http:/ http:/ http:/www.maxim- http:/Altera: http:/Lattice: http:/当监护仪有3个监护电极时，监护电极放置于胸部的位置如图6-2所示。间期为式中次次RR：TTsTFmin)/(60/1平均心率是在已知时间内计算脉搏数，即用R波个数来决定 。即：。R；N：TTNsTNF波个数是是计数时间式中次次min/60/dttdhte)()(血液中的有效氧分子，通过与血红蛋白（Hb)结合后形成氧合血红蛋

9、白（HbO2），氧合血红蛋白占全部血红蛋白的百分比称为血氧饱和度。血氧饱和度是衡量人体血液携带氧的能力的重要参数。血氧饱和度的测量通常分电化学法和光学法两类。电化学法属于有创测量，操作复杂，分析周期长，不能连续监测。脉搏血氧测定法是一种克服这些缺点的新型光学测量方法。在符合临床要求的前提下，实现无创伤、长时间连续监测血氧饱和度，为临床提供了快速、简便、安全可靠的测定方法。由于它的明显优点，已在临床中得到广泛应用特别是在临床监护、急救护理和手术麻醉中，它被认为是监护仪所必备的性能监护仪中对脉搏血氧饱和度的测量，采用的是光电技术，通常有两种方法：透射法和反射法。1.透射法根据郎伯-比尔定律，当一束

10、光照射到某种物质的溶液上时，物质对光有一定的吸收、衰减，透射光强I与入射光强I0之间有以下关系：I0/I比值的对数称为吸光度D，因此上式可表示为：若保持光的路径不变，吸光度便与物质的吸光系数和溶液的浓度成正比。；d；ceIIcd为光穿过的路径为溶液的浓度为物质的吸光系数式中,0cdIID0ln 血液中氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）对不同波长的光的吸收系数不同，在波长为600700nm的红光区，Hb的吸收系数比HbO2的大；而在波长为800 1000nm的近红外光区， HbO2的吸收系数比Hb的大；在805nm附近是吸收点。HbO2和Hb的光吸收系数能反映血氧饱和度变化的仅仅是两

11、波长的交流信号幅度之比，而两波长的直流信号可用于对交流信号定标。由于血液中的HbO2和Hb浓度随着血液的脉动做周期性的改变，因此，它们对光的吸收也在脉动地变化，因此引起光电管输出的电信号强度也随血液脉动而周期性改变。由于光电管能将接收到的光信号转变为电信号，但不能区分光的波长，监护仪电路中用一个定时电路来控制两个发光管的发光次序。两种波长的光交替通过检测部位，由光电元件检测透射光强，并将两个信号的脉动成分分离出来，根据下式计算对应的血氧饱和度值：。，k，kk；I：IkIIkIIkSpOrIRrIRrIR为经验常数动变化量之比为近红外光和红外光脉式中32132212/)/()/(由于光电信号的脉

12、动规律与心脏的搏动一致，根据检出的信号重复周期可确定脉率，所以称之为脉搏血氧饱和度检测。2.反射法采用透射原理的传感器，只能局限于在指尖和耳垂部位进行测量，不能实现体表大多数部位的血氧饱和度监测。虽然从指尖或耳垂检测能反映全身的动脉血氧饱和度变化，却不能反映由于局部组织（如脑组织）发生循环障碍或局部组织（如肌肉组织）大量耗氧等情况下组织血氧状态的变化。采用反射式血氧饱和度传感器的设计，可避免透射式传感器透射深度有限的缺点，适用于全身各处肌肉组织氧含量的测量。反射式血氧饱和度的检测原理与透射式的电路部分基本相同，不同的只是传感器。反射式传感器也由两种波长的发光二极管和光敏元件组成。由于光线在组织

13、中的运动呈现随机性，光线从光源发射经组织传播到光敏元件接收，走过的是一条香蕉状路线，所以，光源与光敏元件的距离是一个重要的参数，一般设置为410mm 脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性地变化，光电变换器的电信变化周期就是脉搏率。光电容积法脉搏测量病人监护设备医院监护中心通讯网络0;IIUU理想运放的条件：虚短、虚断；理想运放的条件：虚短、虚断； 11112122FoiwiiFioRUURUURUU：则i1WF1i2WF12URR-URR1oUi1WF1i2WF11URR1-URR-oUi1i2WF1o1o2oU-UR2R1U-UU理想情况下：第一级输出不产生共模电压；选

14、择A1，A2的性能参数，使之精确匹配，可充分发挥对称电路误差电压抵消的优点，并能获得低漂移。 WF1d1R2R1A:第一级放大器放大倍数非理想情况下：考虑A1,A2器件本身的共模抑制能力： 11ic2icocCMRRU-CMRRUUdA112oc1CMRR1-CMRR1UdcicAUA)303(CMRRCMRRCMRRCMRRCMRR1-CMRR11C2121121112cdAAMMR第一级电路的共模抑制比： 两级放大的差动增益： )313(RRR2R1A1FWF121dddAA23icd12icocCMRRU-ACMRRUU:dA总的共模输出电压总的共模抑制比： 选择A1，A2的性能参数，使

15、： )333(12313121CMRRCMRRACMRRCMRRAAACMRRddcd具有较好的对称性。则有： 21,CMRRCMRR3112CMRRACMRRd31CMRRACMRRd生物电放大器前置级的设计主要考虑的因素：1.器件选择：A1、A2：共模抑制比参数严格对称(相差不超过0.5dB)；A3：高共模抑制比参数(100dB)；2.第二级电阻精度选取：选择高精度、高稳定性电阻。3.前置级增益分配：合理分配各级放大倍数。导联线分布电容影响2211CRCRss从而造成共模电压不等量的衰减，使放大器CMRR下降；两根导线分布电容不可能完全相同，加之电极阻抗的不平衡，则：共模电压差模电压共模误

16、差输出。 （一）屏蔽驱动 )21()21(213idicidicOUUUUU理想情况下： idOUU213非理想情况：下考虑A1,A2不对称产生差模电压，由于A3的作用使Uic对称。有效消除C1、C2的影响 （二）右腿驱动 右腿驱动电路Ro:安全保护作用；Ro一般取值：M5。M5理想运放的条件：虚短、虚断；理想运放的条件：虚短、虚断；0;IIUU02FoacmRURUcmaFoURRU2人体感应共模电压:cmoodcm；UURIUaFdocmRRIRU21等效电路带阻滤波器带通滤波器高通滤波器低通滤波器按通带分:数字滤波器模拟滤波器按处理方法分 :生物医学信号测量中，工频干扰常采用陷波器。带阻

17、滤波器(又称陷波器)，用于滤除通带中某一频段的频率成分，通常用B表示阻带宽度，用Q表示品质因素，分别用来表征带阻滤波器的频率或选频特性。B越小表示阻带越窄，即陷波器对阻带外的信号衰减越小；Q越高，频率的选择性越好，但是Q值太高，滤波器的性能不稳定。RCf210AHzf /1双T型有源陷波器文氏桥有源陷波器RCf210此时电桥的抑制频率为：当输入信号频率，ff时0。，uAB输出为零此时电桥处于平衡状态则0。，f电桥有电压输出电桥失去平衡时当输入信号频率偏离01.系统功能系统功能 依据需求可分采取为2个方案： A：在PC端显示，可以选用无线模块，通过USB串口将测量结果传输给PC，在主机上显示脉搏

18、波波形和心率数据. B：在智能手机端显示，信号采集端与手机间选用蓝牙通信，设计APP显示脉搏波波形和心率。2.心跳量测心跳量测： 脉搏在060 bpm范围内：+/-1 bpm, 脉搏在60120 bpm 范围内：+/- 2 bpm, 脉搏在120180 bpm 范围内: +/-3 bpm 现代运动医学经常把心率监测器作为生物反馈的仪器以及评估工具。生物反馈就是将生理变量的信息转化成为心率等可听或可视的形式。这对评价训练中的有氧过程、有氧速度具有重要参考意义。更为重要的是，生物反馈还可以用来测算人体结构与生化指标的运动潜力、精神/情感压力等识别过度训练的因素。 血氧饱和度不仅表征着血液携氧的能力

19、，也揭示了肺的交换氧的能力，更直接反映了人体各组织的可被供氧的状态，因而是一个十分重要的生理指标。血氧饱和度已成为监护仪器的一个基本指标。在国外，该仪器已经进入家庭，像体温计、血压计一样成为一种普通家庭医疗仪器。 随着智能硬件的兴起，具备健康监测功能的智能穿戴设备受到消费者的青睐，能够监测人体各种健康指标的产品逐渐兴起，包括心率、血氧、血压、呼吸、心电等基本健康参数。 采用不同频率的方波驱动三种波段LED，LED发出的光经过被测手指后反射到光敏器件接收转换成电信号，电信号经过后续电路放大成一定幅值的电压信号，电压信号经过A/DC转换成数字信号送入MCU（微处理器），在MCU完成基于郎伯比尔(Lambert-Beer)定律的数据运算处理，得出心率和血氧数据。 信号调理电路包括信号调理电路包括2 2个独立的低通滤波器，他们个独立的低通滤波器，他们的截止频率大约为的截止频率大约为2.5Hz2.5Hz，也就说最高能测量的心率，也就说最高能测量的心率为为150bpm150bpm。该运放芯片采用双运放芯片。该运放芯片采用双运放芯片MCP602MCP602，它，它由单电源供电，提供轨到轨输出摆幅（由单电源供电，提供轨到轨输出摆幅（rail-to-rail-to