电子技术综合设计

1、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

2、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

3、。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。

4、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

5、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

6、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

7、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)EIA RS-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，EIA RS-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

8、-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

9、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

10、、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

11、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

12、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

13、。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

14、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

15、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

16、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

17、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，对关键性电路接点的信号电平与波形作详尽的描述与说明，编制用户使用手册、维护指南等。2.4 电子系统总体设计原则6针对现场极限条件的防范措施与试运行任何电子

18、系统都有一个特定的运行环境，设计中应充分考虑到运行环境的极限条件。如最高与最低环境温度、湿度、尘埃、可能的干扰源、电源的波动范围，输入信号的共模电压、传输线的长度与走线方式、人为的误操作等。完善的微机化仪器仪表不仅硬软件设计合理，在实验室里运行正常，在极限环境中也能经得起考验。初次涉足仪器仪表领域的人往往容易忽略这样一个事实，许多原理性电路未必能适用于运行环境中的极限条件。因此，在样机试制过程中，要经常模拟运行环境对关键性电路进行运行实验和测试，对软件进行反复考核与诊断。例如，异常信号的输入/输出处理、带参数子程序的反复调用、中断的多重请求与嵌套服务等。样机制成以后，要拿到实际环境中接受运行考

19、核，根据发现的问题修改设计，并再次考核，确信达到了设计要求才能定型和投入批量生产。2.5 基于模拟器件的电子系统设计流程1确定总体方案通过全面分析电子系统任务书所描述的系统功能、技术指标后，根据已掌握的知识和资料，将系统功能合理的分解成若干个子系统或电路单元，并画出各个电路单元框图相互连接而形成的系统原理框图。电子系统总体方案的选择，直接决定电子系统设计的质量。在进行总体方案设计时，要多思考、多分析、多比较。主要从性能稳定、工作可靠、电路简单、成本低、功耗小、调试维修方便等方面，选择出最佳方案。2.5 基于模拟器件的电子系统设计流程2设计单元电路在设计单元电路时，必须明确对各单元电路的具体要求

20、，详细拟定出单元电路的性能指标，认真考虑各单元之间的相互联系，注意前后级单元之间信号的传递方式和匹配，尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，并考虑到各单元电路的供电电源尽可能统一，以便使整个电子系统简单可靠。此外，尽量选择现有的、成熟的电路来实现单元电路的功能。如果找不到完全满足要求的现成电路，可以适当改进与设计要求比较接近的某个电路，或自己进行创造性设计。所设计的电路单元尽可能采用集成电路，便于使电子系统的体积小，可靠性高。2.5 基于模拟器件的电子系统设计流程3计算元器件参数在设计电子电路时，应根据电路的性能指标要求选择电路元器件的参数。例如根据电压放大倍数的大小，可选择决定反馈电阻的阻值

21、；根据振荡器要求的振荡频率，利用公式，可计算出决定振荡频率的电阻和电容之值等。由于一般满足电路性能指标要求的理论参数值不是唯一的，设计者应根据元器件性能、价格、体积、通用性和货源等方面综合考虑，灵活选择。计算电路参数时应注意：1)在计算元器件工作电流、电压和功率等参数时，应充分考虑工作条件最恶劣的情况，并留有适当的余量。2.5 基于模拟器件的电子系统设计流程2)对于元器件的极限参数必须留有足够的裕量，通常取1.52倍的额定值。3)对于电阻、电容参数的取值，注意选择计算值附近的标称值。电阻值一般在1M内选择；非电解电容器一般在100pF0.47mF选择；电解电容一般在12000mF范围内选用。4

22、)在保证电路达到功能指标要求的前提下，尽量减少元器件的品种、价格、体积等。2.5 基于模拟器件的电子系统设计流程4选择元器件电子电路的设计就是选择最合适的元器件，并把它们有机地组合起来。在确定电子元件时，应根据电路处理信号的频率范围、环境温度、空间大小、成本高低等诸多因素全面考虑。具体表现为1)一般优先选择集成电路。由于集成电路体积小、功能强，可使电子电路可靠性增强，安装调试方便，大大简化电子电路的设计。如随着模拟集成技术的不断发展，适用于各种场合下的集成运算放大器层出不穷，只要外加极少量的元器件，利用运算放大器就可构成性能良好的放大器。例如，我们在设计直流稳压电源时，已很少采用分立元器件进行

23、设计了，取而代之的是性能更稳定、工作更可靠、成本更价廉的集成稳压器。 2.5 基于模拟器件的电子系统设计流程2)电阻器和电容器是两种最常用的元器件，它们的种类很多，性能相差也比较大，应用的场合也不同。因此，对于设计者来说，应该熟悉各种电阻器和电容器的主要性能指标和特点，以便根据电路要求，正确的选择元件。3)选择分立半导体元件。首先要熟悉它们的功能，掌握它们的应用范围；再根据电路的功能要求和元器件在电路中的工作条件，如通过的最大电流、最大反向工作电压、最高工作频率、最大消耗的功率等，确定元器件型号。2.5 基于模拟器件的电子系统设计流程5模拟仿真随着计算机技术的飞速发展，电子系统的设计方法发生了

24、很大变化。目前，EDA(电子设计自动化)技术已成为现代电子系统设计的必要手段。在计算机工作平台上，利用EDA软件，能够对各种电子电路进行调试、测量、修改，大大提高了电子设计的效率和精确度，同时缩短了产品开发周期，降低了设计费用。目前常用的电子电路辅助分析、设计的常用软件有PSPICE、PROTEL、EWB、MULTISIM、PROTUS等。 2.5 基于模拟器件的电子系统设计流程6试验电子设计要考虑的因素和问题相当多，有些情况难于预料。由于电路在计算机上进行模拟时采用元器件的参数和模型与实际器件有差别，所以对经计算机仿真过的电路，通常还要进行实际实验。通过试验可以发现问题、解决问题。如果性能指

25、标不能满足设计要求，应深入分析出现这些问题的原因，再次重新设计和元器件选择，直到完全满足性能指标为止。2.5 基于模拟器件的电子系统设计流程7绘制具体电路图系统具体电路图是在总框图、单元电路设计、参数计算和元器件选择的基础上绘制的，它是组装、调试、印制电路板设计和维修的依据。目前绘电路图一般是在计算机上利用绘图软件完成。绘制电路图时主要注意以下几点：1)总体电路图尽可能画在同一张图纸上；同时注意信号的流向，一般从输入端画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路；如果电路图比较复杂，可以先将主电路图画在一张图纸上，然后将其余的单元电路画在一张或数张图纸上，并在各图纸所有端口两端标注上

26、标号，依次说明各图纸之间的连线关系。2.5 基于模拟器件的电子系统设计流程2)注意总体电路图的紧凑和协调，要求布局合理，排列均匀。图中元器件的符号应标准化，元件符号旁边应标出型号和参数。集成电路通常用框表示，在框内标出它的型号，在框的边线两侧标出每根连线的功能和引脚号。3)连线一般画成水平线和垂直线，并尽可能减少交叉和拐弯。对于相互交叉的线，应在交叉处用圆点标出。对于连接电源正极的连线，仅需标出电源的电压值；对于连接电源负极的连线，一般用接地符号表示即可。2.6 基于数字器件的数字系统设计流程数字系统的规模差异很大，对于比较小的数字系统可采用所谓经典法设计。即根据设计任务要求，用真值表、状态表

27、求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、逻辑电路图，最后采用中小规模集成电路实现。目前正迅速普及的基于ISP(在系统编程)技术的可编程逻辑器件的出现，给数字系统设计带来了革命性的变化。硬件设计变得像软件一样易于修改，且要改变一个设计方案，通过设计工具软件在计算机上数分钟内即可完成。这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统的设计周期，而且还去除了对器件单独编程的环节，省去了器件编程设备，减少了产品开发成本。 2.6 基于数字器件的数字系统设计流程1分析系统功能通常数字电路系统包括输入电路、控制电路、输出电路、被控电路和电源等。进行数字系统设计首先要明确系统的任务、所要达到的技术性能、精度指标、输入输出设备、

28、应用环境以及是否具有特殊要求等。设计者有时接收的课题比较笼统，有些技术问题需要依靠设计者进行消化、分析与理解，特别要注意与课题提出者或者用户、系统使用者反复讨论，并在应用现场进行实地考察以后才能明确。2.6 基于数字器件的数字系统设计流程2确定总体方案明确了系统性能以后，应考虑如何实现这些技术功能，即采用哪种电路来完成它。对于比较简单的系统，可采用中、小规模集成电路实现；对于输入逻辑变量比较多、逻辑表达式比较复杂的系统，可采用大规模可编程逻辑器件完成；对于需要完成复杂的算术运算、进行多路数据采集、处理、控制的系统，可采用单片机系统实现。目前对于处理复杂的数字系统最佳方案是大规模可编程逻辑器件加

29、单片机，这可大大简化设计成本，提高可靠性。2.6 基于数字器件的数字系统设计流程3逻辑功能划分通常先将系统划分为信息处理和控制电路两部分，然后根据信息处理电路的功能要求将其分成若干个功能模块。控制电路是整个数字系统的核心，它根据外部输入信号及受其控制的信息处理电路来的状态信号，产生受控电路的控制信号。常用的控制电路有如下3种：移位型控制器、计数型控制器和微处理器控制器。通常根据完成控制对象的复杂程度，灵活选择控制器形式。2.6 基于数字器件的数字系统设计流程4设计单元电路在全面分析各模块功能类型后，应选择出合适的器件并设计出单元电路。在设计电路时，应充分考虑能否利用ASIC器件实现某些逻辑单元

30、电路，从而大大简化逻辑设计，提高系统的可靠性和减小PCB体积。2.6 基于数字器件的数字系统设计流程5系统电路综合在各单元电路模块和控制电路的设计满足预期要求以后，把各个部分电路连接起来，构成整个电路系统，并对该系统进行功能测试。测试主要包括：系统故障诊断与排除、系统功能测试、系统性能指标测试等3部分工作。如果系统有一项不符合要求，则必须修改电路设计。6撰写设计文件在整个系统实验完成后，应整理出相关的设计文件，主要包括：完整的电路原理图、详细的源程序清单、所用元器件清单、功能与性能测试结果、使用说明书等。 2.7 通用型电子系统的安装和调试 1电子系统的安装设计电路完成以后要进行电路的安装，一

31、般采用印制电路板、通用电路板和面包板。进行安装时注意以下方面：1)准备好常用的工具和材料。需要对各种各样的电子元器件及结构各异的零部件进行装配。2)在安装前需要对全部所有电子元器件进行测试，有条件的还要进行老化处理，以保证元器件的质量。符合要求的电子产品，一套基本的工具是必不可少的，如烙铁、钳子、螺钉旋具、镊子和焊锡。正确使用得心应手的工具，可大大提高工作效率，保证装配质量。2.7 通用型电子系统的安装和调试3)有极性的电子元器件安装时其标志最好方向一致，以便于检查和更换。集成电路的方向要保持一致，以便正确布线和查线。4)在面包板上组装电路时，为了便于查线，可根据连线的不同作用选择不同颜色的导

32、线。如正电源采用红色线、负电源采用蓝色导线、地线采用黑色导线、信号线采用黄色导线等。2.7 通用型电子系统的安装和调试5)布线要按信号的流向有序连接，连线要做到横平竖直，不允许跨接在集成电路上。另外，选择导线粗细要适中，避免导线与面包板插孔之间接触不良。6)印制电路板的设计原则是性质相同的电路安排在一块板上。例如模拟电路或小信号电路安排在一块板上；大功率电路、高压电路、发射电路单独配置，甚至要安排必要的屏蔽盒、绝缘盒、散热装置等。2.7 通用型电子系统的安装和调试2电子系统的调试(1)调试电路的常用仪器1)万用表。万用表能够测量交直流电压、交直流电流、电阻、电容及半导体二极管和晶体管。具有精度

33、高、使用方便、应用广泛等特点。2)示波器。示波器能够对电路中的各点电位进行测量和观察波形，同时可比较任意两点波形的相位关系。示波器具有高的灵敏度、高的交流阻抗、对负载影响小等特点。在使用示波器应注意的是所用示波器的频带一定要大于被测信号的频率。3)信号发生器。因为经常要在加信号的情况下进行测试，则在调试和故障诊断时最好备有信号发生器。如多功能函数发生器，能够产生正弦波、三角波、方波等波形。2.7 通用型电子系统的安装和调试(2)调试电路前的检查 电路安装完毕后，不要急于通电，首先要根据电路原理图认真检查电路接线是否正确。主要直观检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，连线有无接触不良，

34、元器件有无漏焊，二极管、晶体管和电解电容极性有无错误。查线时最好用指针式万用表“W1”档，或用数字万用表的“W”挡的蜂鸣器来测量。 2.7 通用型电子系统的安装和调试(3)调试步骤 电子系统的调试原则是“化整为零，分块调试”： 1)通电观察。在确认电路连接没有错误的情况下，接通电源。电源接通后不要先急于测量数据，而应首先观察有无异常现象，如有无冒烟，是否闻到异常气味，手摸元器件是否发烫，电源是否有短路现象等。如有异常，应立即关断电源，待故障排除后方可重新通电。2.7 通用型电子系统的安装和调试2)分块调试。把电路按功能分成不同的模块，分别对各模块进行调试。通常调试顺序是按照信号的流向进行，这样

35、可把前级测试过的输出作为后一级的输入信号，为最后联调创造条件。分块调试包括静态和动态调试。静态测试是在没有外加信号的条件下测量电路各点电位，通过静态测试可以及时发现已经损坏的元器件或其他故障。动态测试是在信号源的作用下，借助示波器观察各点波形，进行波形分析，测量动态指标。把静态和动态测试的结果与设计的指标加以比较，经深入分析后对电路与参数提出合理的修整。调试电路过程应对测试结果作详尽记录。2.7 通用型电子系统的安装和调试3)整机联调。各单元电路调试好以后，还要将它们连接成整机进行统调。整机统调主要观察和测量动态特性，把测量的结果与设计指标逐一对比，找出问题及解决办法，然后对电路及参数进行修正

36、，直到整机的性能完全符合设计要求为止。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法所谓智能型电子系统是指具有一定智能行为的系统。一般认为，一个智能型电子系统应具备数据采集、处理、判断、分析和控制输出的能力等。在工业控制中，以单片机为核心的智能控制系统，很容易将计算机技术与测量控制技术结合在一起，使问题得到很好的解决。单片机应用系统的设计过程主要包括：总体方案论证、系统总体设计、硬件及软件开发、联机调试、产品定型等步骤。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法1.总体方案论证通常需要对系统的技术指标和系统构成进行论证。(1)技术指标 根据产品研制的任务，在充分调研的基础上，对产品

37、的先进性、可靠性、可维护性、性能价格比等技术指标进行综合考虑，制定出待开发产品的性能要求、工作环境、外形尺寸、重量要求等。(2)系统构成 系统构成主要是根据目前市场上供货行情，选择单片机机型和电子元器件型号。通常要求是：1)机型的选择应适应系统的要求和功能的要求。2)对该机型要有性能良好的开发工具。3)应选择设计人员最熟悉的机型，以利于缩短研制周期。4)选择的机型和电子元件要有充分的市场供货。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法2.系统总体设计系统总体设计主要包括：系统功能的软、硬件划分；指标分配与框图构成。(1)系统功能的软、硬件划分 一个单片机应用系统的硬件和软件之间有着密切

38、的相互制约关系，有的可能会从硬件的角度对软件提出一些特殊要求；也有的会从软件的角度对硬件提出一些特殊要求；在某些情况下，硬件和软件又具有一定的互换性。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法一般要根据应用系统的速度要求来划分软、硬件功能。例如当用软件来完成某一控制功能时，必须使程序执行的时间小于控制要求所允许的时间范围并保证留有余量，避免系统工作不可靠；否则必须设法将这部分的功能用硬件来实现。此外也可以根据成本、可靠性和研制周期合理分配软、硬件。例如产品的批量大，就应着重考虑降低硬件成本，采用以软代硬；反之，在小批量研制中，往往采用增加硬件以降低软件成本。硬件电路越复杂，系统的可靠性

39、就越差。一般尽可能减少硬件电路在应用系统中的比例，采用以软件代替硬件功能，是提高可靠性的一个好方法。此外，为了加快单片机应用系统的研制速度，应尽量考虑采用各种标准软、硬件或利用已有的成熟的软硬件来完成应用系统的设计，这将起到事半功倍的效果。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法(2)指标分配与框图构成 在软、硬件功能划分之后，根据总体方案所提出的任务、要求和条件，可以用具有一定功能的若干单元框图构成一个总框图，并将系统的性能指标分配到各单元框中去。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法3. 设计硬件电路硬件电路设计一般包括两部分内容：一是系统构成，也称系统扩展。如当RO

40、M、RAM、I/O口等不能满足应用系统要求时，就需要设计相应的扩展电路。二是接口扩展，也称系统配置。如系统要求配置一定的外围设备，如键盘、显示器、A/D和D/A转换器等，要设计出合适的接口电路。硬件电路设计要遵循以下原则：2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法1.尽可能选择结构完整的单片机，以简化系统硬件，减少设计工作量。2.尽可能选择典型的电路，并符合所选芯片的常规用法，为硬件系统标准化、模块化打下良好基础。3.应在充分满足应用系统功能要求的前提下进行系统的扩展与外围设备的配置，并适当留有余地，以便方案更改或进行二次开发。4.硬件结构应结合软件方案一并考虑，做到软件、硬件功能相匹

41、配。5.整个系统中相关器件要尽可能做到性能匹配。6.可靠性设计及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去藕电路、印制电路板布线、通道屏蔽、隔离等措施。 2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法4. 设计软件对于单片机应用系统设计，在满足性能指标允许的前提下，有经验的设计者往往采用最简的硬件电路，加上巧妙的软件处理方法，来实现其系统要求的功能。设计一个好的应用软件，应考虑如下的一些设计原则。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法1) 软件在结构上应清晰、简洁、流程合理，方便设计。2) 各功能子程序应实现模块化、子程序化，以便于调试、连接、移植和修改

42、。3) 应合理规划程序存储区、数据存储区，做到既节约内存容量，又方便操作。4) 对各功能程序的运行状态、运行结果以及运行要求都要设置状态标志以便查询，从而将运行状态实现标志化管理。 5) 对需要特殊抗干扰的系统应采用软件抗干扰措施，以提高系统的可靠性。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法5系统的联机调试系统的调试包括系统的硬件调试和软件调试。(1)硬件电路的调试 硬件电路调试主要包括脱机检查、单元功能电路调试、整机联调等3个步骤。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法1)脱机检查。检查电源系统的极性、短路等问题；检查硬件电路的地址总线、数据总线、控制总线是否有短路、开

43、路、错位情况；在不插入集成电路芯片的情况下加电检查，确定一些点的工作电位是否正常；断电后把集成电路芯片正确的插入各插座，然后加电，检查各芯片是否有温升等异常现象。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法2)调试单元功能电路。在调试单元功能电路时应逐级进行，与调试无关的电路或芯片暂不接入。此时需借助单片机的仿真器进行调试工作，将仿真器与单片机应用系统通过仿真插头连接起来，即可进入调试状态。主要调试内容包括： 扩展程序存储器。利用读出扩展程序存储器的内容是否正确来测试，如测试不正常，应考虑程序存储器芯片是否损坏，或数据线、地址线、片选线或读/写控制线是否有错位、开路、短路及连接不正确。2

44、.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法 扩展数据存储器。将一批数据写入扩展数据存储器中，然后再读出其中内容。若写入与读出内容不一样，则说明数据存储器有故障。 I/O接口和I/O设备。对于I/O接口，有只读的输入口和只写的输出口，也有可编程的I/O口。对于输入口，可用读命令检查读入结果是否和连接的设备状态相同；对于输出口，可用写数据到输出口，观察输出口与所连设备的状态；对于可编程接口，先将控制字写入接口控制寄存器，再用读/写命令来检查对应状态。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法3)整机联调。各单元电路调试好以后，还要将它们连接成整机进行统调。整机统调主要观察和测量动态特

45、性，把测量的结果与设计指标逐一对比，找出问题及解决办法，然后对电路及参数进行修正，直到整机的性能完全符合设计要求为止。2.8 基于微处理器的智能型电子系统设计与调试方法(2)软件调试 硬件是基础，软件是灵魂。将在硬件调试设计满足预期要求以后，把软件加载到硬件中，并对该系统进行功能测试。测试主要包括：系统故障诊断与排除、系统功能测试、系统性能指标测试等3部分工作。如果系统有一项不符合要求，则必须修改电路设计，直到满足系统设计指标。2.9 编写设计报告(论文)设计报告是设计工作的起点，又是设计全过程的总结；是设计思想的归纳，又是设计成果的总汇。从设计报告中可以反映出设计人员的知识水平和层次。设计报

46、告编写的一般步骤是：设计方案比较、论证及选择；细化框图；设计关键单元电路；画出受控模块框图；设计控制电路；编写应用程序及管理程序；整机时序设计；关键部位波形分析以及计算机辅助设计成果；画出整机电路图；测试仪器及方法选择；测试数据及结果的分析与处理；列写参考资料目录。当然，对于一个具体的设计报告可以参考上述要求。2.10 电子系统的电源设计电子系统大多采用工频交流电供电，由两种类型的稳压电路可以提供所需的各挡电压。一种是普通线性电源，它由变压器、整流器、低通滤波器、稳压器等部件组成，结构简单，成本较低，稳压精度能满足一般要求，缺点是体积较大，发热较严重。另一种是微机系统广泛采用的开关电源。它按照

47、脉宽调制式(PWM)原理工作，体积小巧，稳定性好，稳压精度高，但成本略高，且设计技术与制造技术复杂，宜采用专业厂家生产的成品。2.10 电子系统的电源设计设计与选用电源要注意以下几点：1)电源应具有足够的功率，以免满负荷或超负荷运行时发热严重，精度降低。2)由于电源是干扰进入电子系统的主要途径之一，电源变压器等器件应良好屏蔽，必要时可以在电源入口处设置交流稳压器和交流电源滤波器、分布式电抗器等，以提高稳压和滤波效果。3)电子系统大多主要使用+5V直流电压，但有些器件(如A/D转换器、多路开关、EPROM写入器、各种小型、微型继电器等)要求提供其他档次的电压，有时还要求使用隔离电源，设计中应统一

48、考虑。从抗干扰角度考虑，共地系统不宜采用隔离电源而隔离系统不能使用共地电源。2.11 电子系统的软件设计流程任何形式的智能型电子系统都离不开软件。软件设计是电子系统设计的重要内容之一。事实上，总体方案设计时就应该对软件设计有所考虑，以便对目标系统的硬、软件相互协调，并筹备好开发、调试工具。当系统硬件方案大致拟定以后，软件设计便可相继展开。通常软件编制可独立进行。编好的程序有些可完全脱离硬件运行和测试，有些可以在局部硬件支持下完成粗调，有时还可以拿到开发系统上模拟运行。2.11 电子系统的软件设计流程软件开发这一相对独立的特性使得针对同一硬件系统设计的应用程序其结构、风格可以相差很远，有时甚至很

49、难进行优劣的评价与比较。然而在应用软件设计中，一些基本的要求和基本的方法是大家公认的。2.11 电子系统的软件设计流程电子系统的程序设计的基本要求：(1)可靠性 对应用程序的基本要求是工作可靠。如果程序本身运行不可靠，那么无论结构多么精巧，功能如何齐全，都是毫无意义的。软件的可靠与硬件不同，它不取决于器件和外部运行环境，而主要由程序本身是否正确所决定。应用程序编制完成后，必须认真校核，纠正一切语句错误和所发现的逻辑错误。遗憾的是有些软件错误即使经过千百次运行也未必能够暴露，而且一旦与硬件潜在的故障搅在一起，就更加难以查找和判别，在软件设计时除了在结构上采取相应措施以外，还必须紧紧抓住那些偶然出

50、现的异常现象，反复运行和测试，顺藤摸瓜地确定错误大致范围、发生条件，尽量把它排除在样机试制阶段。 2.11 电子系统的软件设计流程(2)精度 应用软件大多含有各种计算程序，有些还包括复杂的函数运算和数据处理。软件的精度是指数据进入微处理器以后经过计算与处理所能保持的精度。它取决于两个方面。首先是算法的精度。由于各种数据滤波方法、函数的近似计算、线性化校正、闭环控制算法等都不同程度地存在着误差，从根本上制约了软件的精度。其次是程序本身的精度。它主要指计算机由于位长不足，通过程序进行操作时产生的附加误差。算法误差已超出软件设计范畴，而程序计算的精度完全可以在设计过程中加以控制。智能型电子系统对整机

51、精度往往都规定了具体指标，设计时要酌情进行误差分配。一般来说，软件的精度如果比实现模/数转换和数/模转换的精度高一个数量极以上，通常认为能够满足精度要求，产生的附加误差可以忽略不计。设计多字节运算或浮点运算程序、建立高精度数据表格等是提高程序精度的主要途径。对于选定的CPU来说，这通常意味着计算速度放慢、内存容量增加、程序设计难度增大。因此软件的精度只需控制在适中范围即可。2.11 电子系统的软件设计流程(3)速度 通用计算机的应用软件主要用于科学计算数据处理(非实时性的)与事物管理。对CPU及其程序的执行速度不像微机化仪器仪表要求那样严格。智能型电子系统大多是一个实时测控系统。2.11 电子

52、系统的软件设计流程在每一工作周期，要按照时间节拍一步步完成多路信号的采集、滤波及统计分析等处理，有时还要求进行闭环控制计算。通常智能型电子系统有一个实时监控系统，它负责对各种外部事件的响应按照轻重缓急的原则作出相应的处理。如果程序执行速度太慢，在每一个工作周期里来不及完成对每个事件的服务，就可能丢失一些数据或者漏掉一些处理，导致测量结果与控制动作的错误或延缓。当CPU主要的执行程序以实时中断方式调用时，还有可能陷入无休止的中断申请使人误以为是程序错误。提高程序执行速度的基本方法是改进程序设计。如考查程序结构是否合理，能否把某些延时等待操作改为中断申请服务；某些循环结构与循环指令的使用是否恰当；

53、能否以较少的循环次数或较快的指令代替；某些计算方法和查表技术是否过于繁琐，能否适当简化 2.11 电子系统的软件设计流程一般来说，用汇编语言编写的程序经过适当改进和排除错误，其速度会有明显提高。如果程序使用的是高级语言，可以把某些实时性要求高或者反复调用的程序用汇编语言编写，生成机器码子程序后供高级程序调用。当确认改进软件设计已不能奏效时，就只好求助于硬件措施以提高速度了。 2.11 电子系统的软件设计流程(4)效率 软件的效率有两层含义：其一是指开发过程中所投入的人力和时间的效率，其二是指作为开发成果的程序的运行效率。对于某一特定功能的软件来说，开发过程中耗费的人力和时间越省则开发效率越高，

54、程序执行速度越快，占用内存空间越少，运行效率越高。通常，用高级语言开发效率高但运行效率低，用汇编语言开发刚好相反，运行效率高而开发效率低。如果用手工汇编方法开发机器语言程序效率更低。以往由于集成芯片和开发设备等微机硬件价格过高，人们往往不得已而采用低效率、低成本的开发与应用。近年来由于硬件价格持续下降，软件开发耗费的人力和时间逐渐成为不容忽视的问题，人们开始像重视硬件成本一样重视软件的生产成本。2.11 电子系统的软件设计流程为了提高软件的综合效率，在设计中应注意以下几点：1)当运行效率满足要求时，应优先使用各种高级语言编制应用程序。2)在条件允许时尽量使用各种编辑、汇编程序及其他软件开发、调

55、试工具。3)注意硬/软协调，必要时适当增加硬件投入以换取软件的简化。4)当执行速度与程序长度发生矛盾时，应以速度为先，不必过分计较占用的内存空间。5)不必过分纠缠于程序的设计技巧而浪费时间。 2.11 电子系统的软件设计流程(5)用户界面 与通用计算机一样，微机化仪器仪表型电子系统的应用程序应提供良好的用户界面。所谓用户界面，通俗地讲就是指人机对话的方便程度，好用的程序比难用的程序受人欢迎，因此用户界面的优劣往往直接影响到微机化仪器仪表的推广与普及。在硬件设计定型以后，软件设计者应该从用户角度来考虑和安排各种操作与对话功能，要充分照顾到使用者的文化程度、心理因素及操作习惯，避免使用各种繁琐的定

56、义、复杂的数据格式、似是而非的标志与信息。2.11 电子系统的软件设计流程通常在键盘和CRT显示器支持下易于设计良好的用户界面，菜单形式的对话方式便于熟悉和掌握。如能适当提供汉字信息和图形界面更加有助于操作使用。当然不是任何微机化仪器仪表都有必要和可能采用这类方法。良好的用户界面还应包括各种必要的容错技术，如外界条件异常或者操作者操作不当时，应能以某种合理的方式作出反映，使操作人员可以在不停机的情况下，查找原因并作出相应的处理。2.11 电子系统的软件设计流程(6)可读性和可扩展性 可读性是指程序结构合理、脉络清晰、易于阅读和理解；可扩充性则指程序结构标准化、便于修改和扩充。用汇编语言编写的源

57、程序由于与微机硬件直接相关，不大容易理解和记忆。有时常有这种情况，阅读自己以前编写的程序如同出自他人之手、从未见过一样。如程序本身可读性差，要作出修改与扩充所花费的力气不亚于重新编写。如何才能使程序具有良好的可读性和可扩充性呢？采用结构化程序设计是一种基本方法。2.11 电子系统的软件设计流程除此以外，在具体设计中还应注意：1)不要将子程序分得过细以至反复出现子程序嵌套。2)不宜过多使用编程技巧而使程序显得生涩费解。3)要注意在程序区和数据区留出适当空间以便在功能扩展时可以不打乱整个程序结构。4)及时将程序形成文件，包括各种流程图、程序注释、存储器地址分配表、参数与定义表等。2.11 电子系统

58、的软件设计流程综上所述，在智能型电子系统应用软件的设计中，可靠性与效率是最重要的指标。所要达到的目的，在于利用合理的经费和较短的时间研制出可供实用的程序。其他指标在满足基本要求以后可以逐步改进和提高。近年来由于软件价格相对于硬件价格不断上升，为了减少程序设计耗费的人力与时间，不少难于解决的问题趋向于用硬件承担，这是一个值得设计人员注意的发展动向。2.12 智能型电子系统的可靠性衡量一个实际的智能型电子系统， 除了系统性能的优劣(如精度、量程)、功能的强弱(如显示、可操作性、信号输出)以及成本的高低等因素外，可靠性同样是一个重要的指标，可靠性不高带来的损失不仅仅是对故障系统自身的维修和更换，其连锁效应会干扰正常的生产过程、损坏相关生产设备、甚至危及人身安全。因此，从应用的角度看，可靠性是最重要的指标之一。 2.12 智能型电子系统的可靠性可靠性技术是一门涉及面广泛的综合性科学，可靠性理论有着完整的数学分析和计算方法，可靠性实践是贯穿于产品的设计开发、生产制造、使用维护的综合性工作。仪表系统结构各异又种类繁多，新的器件层出不穷， 可靠性技术也在不断地发展完善， 本章仅讨论在微机化仪表研制开发过程中带有共性的基本方法和措施。2.12 智能型电子系统的可靠性智能型电子系统在研制阶段的可靠性技术可从下列3个角度考虑：1)