电子系统设计与创新能力的培养1汇编

1、电子创新(chungxn)实践 电子系统设计导论共一百零九页什么(shn me)是系统？由部件组成，能实现较复杂的功能（不是一个单一(dny)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）共一百零九页电子系统范畴(fnchu)消费类电子(dinz)计算机类通信电子汽车电子工业电子军用电子共一百零九页消费类产品(chnpn)共一百零九页主板共一百零九页显卡和网卡七彩虹显卡TP-Link网卡共一百零九页通信(tng xn)电子产品共一百零九页车载(ch zi)GPS和悍马共一百零九页汽车(qch)电子燃油喷射控制器共一百零九页数控钻床(zun chung)和汽车生产线

2、共一百零九页舰船(jin chun)和战斗机共一百零九页手机(shu j)电路共一百零九页超级(choj)芯片数码彩电主板共一百零九页电子系统可能(knng)的组成框图共一百零九页车载(ch zi)导航系统的框图共一百零九页数据采集(cij)系统框图共一百零九页模拟系统与数字(shz)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(gngy)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-如电子钟共一百零九页电子系统设计(shj)方法自顶向下共一百零九页系统(xtng)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共一百零九页何谓(hwi)顶？何谓(h

3、wi)底？底最基本的元、器件，甚至是版图顶系统的功能共一百零九页系统(xtng)的结构自顶至底有：系统(xtng)子系统部件（功能模块）单元电路元、器件版图（IC）共一百零九页 系统(xtng)子系统子系统功能模块功能模块功能模块功能模块单元(dnyun)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 版图自顶向下共一百零九页自上而下(z shn r xi)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(jt)的电路、元器件和工艺概念驱动法抓住主要矛盾，不纠缠在具体细节上，控制设计的复杂性共一百零九页 系统(xtng)子系统子系统功能模块功能模块功能模

4、块功能模块单元(dnyun)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 版图自底向上共一百零九页部件(bjin)设计在先，设计系统时将受这些部件(bjin)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(qudin)共一百零九页自底向上的优点(yudin)在系统的组装和调试过程中有效可利用前人(qinrn)的设计成果共一百零九页 系统(xtng)子系统子系统功能模块功能模块功能模块功能模块单元(dnyun)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共一百零九页自上而下(z shn

5、r xi)法的要领从顶层到底层 从概括到展开(zhn ki) 从粗略到精细共一百零九页电子系统设计(shj)的步骤调查研究(ynji)方案论证单元设计组装调测总结报告共一百零九页调查(dio ch)研究明确设计要求弄清设计方法(fngf)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、完善共一百零九页调查(dio ch)研究明确设计要求(yoqi)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 器材人才时间共一百零九页产品效益与开发时间(shjin

6、)的关系上市(shng sh)延迟销售顶峰销售顶峰共一百零九页电子系统设计(shj)的步骤调查(dio ch)研究方案论证单元设计组装调测总结报告共一百零九页调查(dio ch)研究明确设计要求弄清设计方法了解(lioji)设计关键 决定指标的关键 难点 工作量大（重点） 共一百零九页起点： 系统级行为描述(mio sh)设计用户需求 系统技术规范 功能描述方案(fng n)论证共一百零九页系统级行为描述(mio sh)设计系统的外部特性 主要功能 输入(shr)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共一百零九页下一步： 系统级的结构描述(mio s

7、h)与设计系统设计规范与功能 子系统之间的组合方案(fng n)论证共一百零九页系统的内部特性 基本原理 基本框图 子系统 各子系统之间的接口(ji ku)要求 基本控制流程系统(xtng)级行为描述设计基本框图基本流程图共一百零九页系统的内部特性 基本原理 基本框图 子系统 各子系统之间的接口要求(yoqi) 基本控制流程系统级行为描述(mio sh)设计系统的实现技术 共一百零九页系统实现(shxin)技术用数字技术(jsh)，还是模拟技术(jsh)实现 ？ 共一百零九页模拟(mn)技术优点：通常所使用的器件量较小缺点(qudin)：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

8、方便共一百零九页数字(shz)技术优点(yudin)：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共一百零九页数字技术(jsh)靠逻辑模拟(mn)电路靠经验共一百零九页能甩开(shui ki)模拟电路吗？不能！高频(o pn)小信号大功率共一百零九页主体为数字(shz)技术质量靠模拟技术千万不可忽略(hl)、放弃模拟技术共一百零九页软件实现方法： 单片机（计算机） DSP（数字(shz)信号处理 ） 嵌入式系统软件(run jin)离不开硬件支持共一百零九页第三步：系统级的物理(wl)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

9、 下一层设计方案(fng n)论证Intellecture Property 知识产权共一百零九页下一层： 子系统级行为描述设计(shj)对子系统的需求 子系统技术规范 功能描述方案(fng n)论证共一百零九页下一步： 子系统级的结构描述与设计(shj)子系统设计规范与功能 功能模块（部件） 之间的组合方案(fng n)论证共一百零九页第三步：子系统级的物理描述与设计(shj)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(fng n)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共一百零九页下一层： 部件级行为描

10、述设计对部件（模块）的需求(xqi) 部件的技术规范 功能描述方案(fng n)论证共一百零九页下一步： 部件级的结构(jigu)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(fng n)论证共一百零九页第三步：部件级的物理(wl)描述与设计抽象的单元电路 选用具体的单元电路 方案(fng n)论证共一百零九页电子系统设计(shj)的步骤调查研究(ynji)方案论证单元设计组装调测总结报告共一百零九页单元(dnyun)电路设计尽量(jnling)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

11、 共一百零九页电子系统设计(shj)的步骤调查(dio ch)研究方案论证单元设计组装调测总结报告共一百零九页组装(z zhun)调测自底向上法共一百零九页合理布局 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(shj) 测试系统，计量原理组装(z zhun)调测共一百零九页电子系统设计(shj)的步骤调查研究方案(fng n)论证单元设计组装调测总结报告共一百零九页总结报告重要性 技术总结 汇报交流 生产文件(wnjin) 评价依据共一百零九页总结报告内容(nirng) 设计思想 设计过程 设计结果 改进设想共一百零九页总结报告要求(yoqi) 概念准确 数据完整 条

12、理清晰 突出创新共一百零九页注意(zh y)：创新实践的题目(tm)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。 共一百零九页设计实例(shl)：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(yn jin)电路设计1.5 程序设计共一百零九页1.1 功能(gngnng)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(shzh)范围为199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。共一百零九

13、页功能(gngnng)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(sh dn)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。共一百零九页功能(gngnng)要求（6）计时到0分时，切断用电设备电源。（7）计时误差(wch)：100分误差0.5mA已可明亮显示。若VF=1.5V，每笔段的限流电阻为2k，则LED点亮时每笔段IF1.75mA，动态扫描时每个笔段的平均电流约为0.875mA，满足亮度要求(yoqi)。考虑到MCU口线的IOH较小，限流电阻应接为上拉

14、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81.75=14mA，利用P3.0、P3.1的IOL是可以承受的。共一百零九页硬件(yn jin)电路设计按键共设两个：功能切换键“S”，和加键“+”。分别接至INT0（P3.2）和INT1（P3.3）。设计的功能为：上电后，定时器处于等待时间设置(shzh)状态，隐含时间10分。按下“S”键，分个位LED闪烁。按“+”键，可设置分个位值。设好后，再按“S”键，分个位LED停止闪烁，分十位LED开始闪烁，再按一次“S”键，分十位LED停止闪烁，定时器启动，设置的时间值存储，并开始倒计数。两只10k的上拉电阻，保证键按下低电平有效，相

15、应的硬件电路如图1.3所示。 共一百零九页硬件(yn jin)电路设计数字定时器硬件(yn jin)电路 共一百零九页硬件(yn jin)电路设计考虑到上电过程中不允许用电设备瞬间动作，强电执行部件应为低电平驱动，它由P3.4完成。强电执行部件选用(xunyng)价格低的小型电磁继电器，而不用性能虽好，但价格较高的SSR。根据负载以及+12V供电的情况可选用JQX-14F12V的电磁继电器（特性见表2.6.1）。其电气寿命达105次，应能满足用电设备的要求。相应的驱动电路如图3所示。AT89C2051采用简单的RC复位电路。 共一百零九页硬件(yn jin)电路设计MCU时钟频率直接影响指令执

16、行速度与芯片的功耗。本课题对执行速度并不要求(yoqi)快，而且希频率低一点可降低功耗，故选为6MHz，由于机器周期为时钟频率的1/12，即2s，为整数值，定时器中断时间亦为2s的整数倍，对计时精度有利，何况6MHz的石英晶振为长线器件，价格较低。 共一百零九页硬件(yn jin)电路设计+12V供电由7805降至+5V供系统使用。按LED所有笔段全亮，所需电流约12.5mA。JQX14F通电(tng din)时线圈耗电约45mA，AT89C2051 5V供电时工作电流约12.5mA，电路总电流约70mA。7805压降为7V，管耗为0.49W。其热阻/W，即使不加散热片，其相对环境温度的温升约

17、22。即使在+50环境温度下，结温才72。 共一百零九页1.5 程序设计(chn x sh j) 1确定(qudng)整体的程序结构 硬件电路采用的动态扫描方式，编程序时要不停地扫描它。由于只有两位LED数码管，若扫描频率选为50Hz，则每个数码管点亮的时间为10ms。共一百零九页程序设计(chn x sh j)（1）最常用(chn yn)的程序结构图4为设计人员最喜欢采用的主程序流程图。主程序执行它初值化以后，即进入循环的显示扫描程序。其它所有的功能模块，如设置命令、设置时间的输入、计时等统统以中断的方式切入。如果初值化以后只是一个简单的循环等待，这种方式从可靠性和程序编写上都是很可取的。

18、共一百零九页程序设计(chn x sh j)但是本设计中的两个按键，由于本身固有的抖动特性（如欧姆龙公司B3F-4055按键开关的抖动时间10ms），一般均采用软件去抖，即查觉按键动作后，先软件延时20ms，躲过抖动时间再接着处理(chl)按键相应的功能。在软件延迟的时间里，显示扫描被打断，会导致显示闪动的不良现象。共一百零九页程序设计(chn x sh j)（2）RTOS多任务实时操作系统（RTOS，如C/OS-）可以很好的解决(jiju)这一并行请求的矛盾。然而这似乎“杀鸡用牛刀”。况且89C2051的程序存储器容量也有限。共一百零九页程序设计(chn x sh j)（3）以系统时钟为核心

19、的程序结构我们统计一下本设计要使用的几个(j )时间量：10ms每个数码管显示时间；20ms按键去抖时间；0.5s分个位LED小数点亮/灭时间；1s计时的单位时间。共一百零九页程序设计(chn x sh j)选择其最短的时间10ms做系统时钟基准。即利用MCU的定时器每10ms中断一次。然后确定每个时钟需完成的任务(rn wu)： 轮流点亮LED一次；判有无键按下，若有键按下激活一个标志，并记录键按下的时间；检查键标志，并检查是否已到去抖时间（20ms，二个系统时钟时间），若已到则判定哪个键按下并做相应处理。因为每个时钟均访问LED一次，动态驱动得以保证。而进行键功能处理，有10ms的时间足矣

20、！共一百零九页程序设计(chn x sh j)至于0.5s和1s时钟事件处理可以由计另一时时钟来完成，它承担每0.5s设置位LED闪烁(shn shu)和1s计时信号产生的任务，分为二个计时器可以使程序编写起来更容易一些。共一百零九页程序设计(chn x sh j)2资源分配（1）硬件资源分配功能键KS，边沿触发；加键KAD，边沿触发P1.0P1.7 LED段码输出，高电平有效P3.0 LED数码管分十位阴极，低电平有效，K1P3.1 LED数码管分十位阴极，低电平有效，K2P3.4 继电器驱动(q dn)输出，低电平输出有效，JT0 16位计时器，系统时钟，10ms中断一次T1 16位计时器

21、，计时时钟，0.1ms中断一次共一百零九页程序设计(chn x sh j)（2）寄存器资源分配（3）标志位资源分配与功能以上两项请直接(zhji)参阅程序清单共一百零九页程序设计(chn x sh j)3程序(chngx)流程图图5为主程序流程图。具体程序设计略共一百零九页程序设计(chn x sh j)4容错设计允许错误存在，并能防止它对系统正常(zhngchng)工作的破坏，称为“容错”。人为操作失误是造成系统工作失败的最重要的因素。世界上许多次严重的事故，如切尔诺贝利核洩漏，就是错误操作造成的。 共一百零九页程序设计(chn x sh j)4容错设计一个没有考虑容错的设计，包括一个程序，

22、不能算一个完美的设计。上述数字定时器程序就至少没有考虑二种人-机交互易产生的错误：（1）上电后，显示10分隐含时间。正常操作应当是：不设新时间；或者先按功能键，设分个位。再按功能键，设分十位。再按一次功能键正常倒计时。但是(dnsh)如果上电后直接按加键，则分个位将动作，这将导致功能键动作次数紊乱。（2）倒计时开始后，如果按任何一键，也将出现非正常情况。共一百零九页程序设计(chn x sh j)4容错设计对于第一种情况，可以在系统时钟程序检测到“+”键时，先判别一下功能键次数是否为零，若是则不做加法而直接退出，见下面所列程序。对于第二种情况，可以在开始计时后关闭外部(wib)中断，而在计时结

23、束后再重新允许外部(wib)中断。共一百零九页程序设计(chn x sh j)5软件的简单抗干扰措施（1）指令(zhlng)冗余现以CK0程序中的含有冗余指令的几个语句为例简单说明一下它的抗干扰原理。语句如下：（具体程序见程序清单） 共一百零九页程序设计(chn x sh j)（1）指令冗余程序正常运行时，程序计数器（PC）指针在执行JMP MPRO语句时指向095H，这条指令对应(duyng)的机器码为80H，25H。前者是指令码，后者为相对跳转地址，即执行此指令后程序指针应跳转到25H加下条指令的PC值，即跳至OBCH。后面的三条空操作冗余指令对程序运行毫无影响。 共一百零九页程序设计(c

24、hn x sh j)（1）指令冗余(rn y)倘若程序计数器的值受到了外界干扰，指向25H（如虚线所示），如果不加冗余指令，则25H被当做指令码，将执行ADD A, data addr，即执行累加器ACC加一个数据地址为紧跟其后的20H。下一条指令，由于PC指向B2H，将执行CPL bit addr，即对18H这个位地址了反。可见程序被完全破坏。 共一百零九页程序设计(chn x sh j)（1）指令冗余(rn y)如果干扰后指针仍是指向25H，但下面有三条NOP指令，程序执行的是ADD A，00H，累加器的值会改变。但PC下一个指向的二个NOP，再下一个指向的将是正常的JB KS， RCKO

25、语言。至少减少了程序被破坏的程度，能接着恢复正常运行。冗余指令NOP通常加在2字节或3字节指令的后面。 共一百零九页程序设计(chn x sh j)5软件的简单抗干扰措施（2）软件陷阱程序的长度总是小于程序存储器的容量，本课题中程序长度为170H（368 Byte），而89C2051内部Flash memory的容量为2kB（800H），有大片的内存的FFH剩余区。FFH为MCS-51内核的指令(zhlng)代码MOV A，R7。在剩余区里可以安排若干跳转到初值化地址的指令，以便程序跳飞时能被这些陷阱所捕获，还原到初值化或其它程序，请参看程序清单。 共一百零九页程序设计(chn x sh j)

26、5软件的简单抗干扰措施（3）监视定时器监视定时器（Watch Dog Timer-WDT）俗称“看门狗”，是一种最常用的很有效的抗干扰方法(fngf)。它的工作原理可以用图1.10来说明。 共一百零九页程序设计(chn x sh j)监视定时器是一个时间计数器，复位以后，每隔一个固定的时间tWDT由Q端发生一个进位脉冲，迫使MCU复位。MCU在程序正常运行时，启动WDT，并每隔tWDT的时间通过I/O口向WDT发送复位信号，所以WDT永远没有强迫MCU复位的可能。当程序受到干扰，“跑飞”以后，程序不能正常的向WDT发送，于是在跑飞tWDT时间以后，MCU复位，程序又纳入正常运行。WDT可以用外部器件自行设计，也可以使用具有(jyu)WDT功能的IC，如X5045。现在已经有不少MCU内部已带有WDT，只需程序控制其运行即可。