模块化设计系列培训资料-(二)面向系统总体

2.1系统需求分析：2.2产品系统总体设计2.3产品系统接口设计2.4产品系统环境条件分析

〔二〕面向系统总体的设计.系统需求分析●电子设备机械构造的功能▲载体功能——功能性：机械构造是电子设备的载体，没有机械构培育没有电子设备的实体。它将构成产品的各功能要素〔包括印制板组件、配电、电缆〕经过机械构造集成为功能模块和整机。在“理想环境〞下，可正常运转。▲防护功能——顺应性：机械构造是电子产品的防护体，它可使设备的功能免受外界的影响和干扰，保证在规定环境下的正常运转。环境顺应性设计是产品可靠性设计的主要组成部分。

.▲运用功能——可用性：表达设备的易用性可可效力性。提供了用户运用〔察看、操作、维护〕设备的人机界面。实现设备的物质功能。▲精神功能——美观性：机械构造表达产品的笼统和外观艺术效果，使之具有艺术性〔精神功能〕。注：前两项主要是面向产品的本身质量；后两项主要是面向用户和市场。系统需求分析.●系统需求与可行性分析▲目的分析：明确系统目的，弄清系统本质，对设计对象进展全面分析〔系统的内部问题和相关的外部问题〕。▲调查研讨：——调查系统的历史、现状、动态，并预测系统开展趋势。——业界技术动态搜集和分析。——对现有类似系统进展比较分析，了解分析与相邻系统的关

系统需求分析.▲需求分析：搜集并综合用户的根本需求和各用户的多样化、个性化需求。并进展分析和分配。▲目的的可行性论证：分析制约条件，如关键技术的成熟程度、本身技术力量、物质条件、环境条件、资金、设计制造周期、市场前景等要素。可行性分析包括风险分析。●需求确实定和分配▲需求的特点——是对必需实现目的的规格阐明。它描画了系统的特性或属性，是在开发过程中对系统的约束。需求强调做什么，而不是如何做。系统需求分析.——对需求的要是：描画明晰、独一性、完好性、一致性、可实现性、可验证〔或可测试〕性、可跟踪性。▲需求确定原那么：一个好的需求应是：——必需的：假设不包括此需求，最坏的情况下会发生什么？——可验证的：对需求有确定的验证方法和验收规范。——可实现的：需求是技术上可行的，能适宜预算、进度和其它要素〔例如分量〕的限制。——描画明晰的：每个需求应该只表达一个单纯的思想；需求不会被误解〔无歧义性〕；最好用简单言语描画。

系统需求分析.▲需求分配原那么：把系统需求分配给子系统时，要求：——是可行的、可实现的，可测试的。——被清楚地、准确地描画。——是相互一致的。▲各子系统工程组成员对所分配的需求，应进展学习、了解和评审，标识出不适当、不完好和脱漏的需求。反响给系统设计师，并进展协调。系统需求分析.●需求的分类▲按需求的来源分类——用户〔或运营商〕需求：合同需求，包括对功能、性能和场景等的需求。——企业基线需求：包括环境、防护、EMC、可靠性；平安、环保；可制造性、可装配性、可效力性等。——法规、规范需求：包括各类国际、国家法规；国内外规范〔尤其应留意安规、环保类规范〕；企业技术平台。

系统需求分析.▲按需求的功能分类：可分为四类，前三类可统称为功能需求。——产品载体〔构造〕需求：面向产品功能，构成产品根本实体。——产品防护需求：面向环境顺应性，包括环境防护、热管理、EMC等。——可用性需求：面向用户运用，包括可效力性〔工程安装、维修性〕；运转监控；平安、环保；标识和外型等——经济性需求：面向企业运营，包括产品本钱；DFMA；规范化〔国内外规范、企业规范〕模块化等。系统需求分析.系统需求分析▲按需求的属性可分为两类：——功能构造性需求：是对产品构成的根本要求，表达为产品架构和构造件的组成。这里的构造件，不是指有详细外形和尺寸的零部件，而是指功能构件，例如，铰链、机架、门、盖板等。这些需求在总体设计需予以满足。——约束性需求：是对产品构造的约束条件，主要包括规范化需求，构造工艺性需求，经济性需求，外观需求等。常表达于构造件的构造要素〔如通风孔，进出线开口等〕和构件的组装匹配要素〔如门的开启角度，门的缝隙等〕。约束性需求在详细设计阶段输入。

.▲对电子设备构造的需求有两类：——来自产品的需求：产品功能需求；产品防护需求；用户特殊需求；运用性需求。——构造本身的衍生需求：构造方式和规划的需求；产品风格和笼统的需求；新技术和新构造的运用；规范化的需求等。系统需求分析.产品系统总体设计●系统总体设计的构成总体设计＝架构设计＋接口设计＋概要设计●架构的根本概念▲词源：架构一词源于建筑业，后扩展运用而成为一种较为普遍运用的概念。价钱在不同领域有不同的用词和详细含意。▲软件领域：是对系统组织、构件接口、行为方式、协作关系等体系问题的决策总和。架构确定后，软件根本定型。

.▲系统工程中：指“体系构造〞，用以描画构成系统的各组成单元间的逻辑关系。例如，系统的层次构造、平面构造、网络构造等。▲模块化设计中：——指模块化系统的宏模型。一简单的方式把握系统的整体，粗线条勾画出系统轮廓，以整体观念协调系统内外诸要素。——指模块化系统的设计规那么：模块设计所必需遵守的明确规那么，以保证这些模块可以构成一个协调、完好的系统。▲方法论中：是运用“方式思想〞提出系统的最正确“构成方式〞。产品系统总体设计.●架构设计概要▲架构思想的本质：理清系统的骨架和脉络，使系统条理清楚。▲架构设计师：不是普通意义上的设计工程师，是特指从事系统总体规划、勾画系统轮廓和制定“设计规那么〞的“系统设计师〞。▲架构设计根本步骤：需求分析→功能分析→系统分解→架构确立。产品系统总体设计.●需求向产品构造的转化▲需求分析

——全部需求归类：未来自用户、企业基线和规范、法规的需求，经归并一致，分别按功能归类。——功能性需求分析。——经济性需求分析。——全部需求整理列表：作为概要设计和详细设计评审的根据。▲需求转化为产品构造的步骤——功能分析〔需求→功能〕：将功能按层次逐级展开，建立功能树。

产品系统总体设计.——产品架构设计〔功能→架构〕：将功能转化为功能构件〔包括部件〕，确立产品的架构。——产品概要设计〔[需求＋架构]→产品方案〕：完成产品的总体设计，拿出能满足全部需求的产品概要设计方案书。——产品详细设计〔需求→消费图纸〕：完成设计文件。以能否满足全部需求〔构造性需求和约束性需求〕作为评价规范。●功能分析〔需求→功能〕

产品系统总体设计.▲功能分析步骤：——将各项功能需求〔包括载体需求、防护需求、运用性需求〕按产品构造特点逐级分解成要素。并将细分的需求列为“需求分解表〞。——功能需求要素分类：将细分后的功能要素，分列为“构造性需求〞和“约束下需求〞。并且列为“需求分配表〞，用以指点设计〔架构设计，详细设计〕。▲功能树：将涉及构造的功能逐层展开，展现系统构成的概貌。

产品系统总体设计.●产品架构设计〔功能→架构〕：功能向实体构造的转化。▲系统分解——根据需求、阅历和技术趋势，提出初步构造描画和规划。——构造分解与功能分析应按层次同步进展，并相互呼应。例如，户外电子设备的突出问题是环境顺应性，可根本定格为密闭机柜。——以构造分解为主：就电子产品而言，功能分析不能处理构造方式和规划问题，只需把功能融入相应构件，才干构成产品实体。

产品系统总体设计.▲功能转化为功能构件〔包括部件〕——思索能实现功能的构造件模型，并一一与之对应。一个功能构件有能够实现多个功能。——功能向实体构造转化宜逐层依次进展，以使功能逐渐融入预期的构造方式。▲功能构件的组合——零部件之间依赖〔接口〕关系分析：将功能关系亲密的构件适当组合成部件。——将体积小的构件纳入体积较大的构件中。产品系统总体设计.——零部件之间比较复杂的依赖或干涉关系〔例如涉及通风散热、防尘、电磁兼容等〕，互有因果关系，可绘制关联图或关联表，以便在详细设计时进展精细设计和测试，在构件集成和规划中应优先思索。▲确立产品的根本架构——将全部功能构件经集成和规划，构成由几个子系统和模块构成的产品架构。

产品系统总体设计.——根本架构可有几个架构方案，供评审、选用。●产品概要设计〔需求→产品方案〕▲义务：完成产品的总体设计，经过概要设计方案书提出满足全部需求的产品设计原那么和要求。▲规定架构的构成和有关参数：例如，架构的构造划分、规划及其主要尺寸。产品系统总体设计.▲规定产品的主要构件〔模块〕间的接口构造和参数；电气互联和配线构造和要求；产品与外部有关要素间的接口构造和参数。▲提出对产品的性能要求、有关参数和设计原那么：包括机械构造的强度、刚度；电磁兼容性；环境顺应性〔热、三防、IP〕；配电和线缆管理；性能测试和验证要求等。▲提出实现对产品的约束性需求的根本原那么和设计要求：例如，外观要求；构造工艺性要求；人机工程要求；维护性要求；平安、环保要求；经济性要求等。产品系统总体设计.●系统模型化：模型是系统方案的重要组成部分。▲模型化对象：——可以是产品总体，也可以是其中比较复杂的或新颖的部分。——对模块化产品系统，应提供模块系列、接口系列、产品族系列的模型。▲模型的表达方式：数字化图形模型，数学模型，模拟模型〔可以是产品的部分〕，计算机仿真等。产品系统总体设计.●模块化电子设备设计规那么确实定▲模块“划分规那么〞——硬件模块：在产品族功能分解的根底上，据产品需求和模块化原那么，把功能电路单元集成在规范的印制板上，构成具有特定功能的组件级通用模块，并进而确定模块系列和所组成的产品系列。作出模块和产品的系统层次图〔树状图〕。——构造模块：已由IEC60297等规范规定，即由插件、插箱、机柜模块组成的嵌套式层次构造，并给出了尺寸系列。构造模块化架构设计的第一项义务就是，对模块的尺寸规格进展优选和一致化，最大限制地减少规格。

产品系统总体设计.▲模块间“接口规那么〞：是企业模块化程度及效益的关键环节。——确定整机接口要素：明确规定整机与外部的接口要；整机内部各模块间的接口要素。——确定各模块接口要素的详细参数：包括接口方式，接口的功能参数和构造参数。——固化接口特征：对各模块间的接口作出详细的规定，以便使各模块相对独立〔一个模块的改型不影响其它模块〕，为系统和模块的开展和创新提供充分的自在度。产品系统总体设计.

▲模块设计规那么：规范模块的方式和接口及其参数，用以约束模块的种类和质量。各模块应明确规定构成系列的基型模块设计规那么，及其变型规那么。各模块系列的设计规那么，应遵照“接口规那么〞。▲模块“评定规那么〞：用以保证系统集成的实现〔符合“接口规那么〞〕和验证系统的性能及质量。产品系统总体设计.系统接口设计●接口〔Interface〕与接口系统▲接口：——系统各组成部分之间可传送功能的共享界面。——物质、能量、信息经过接口进展传送；模块经过接口组成系统。▲接口系统：系统中能有效地实现模块间功能传送所必需的一套独立于模块功能的接口要素。.●接口的方式和接口功能▲接口的方式：见以下图。——直接式接口：各模块本身带有的接口，能直接衔接并传送功能。——间接式接口：两个模块间经过接口模块进展衔接。这种接口模块可对信息或参数进展处置，使相连的模块可以匹配，它往往是一个功能部件、甚至是一种设备。具有承前启后的作用。系统接口设计.▲接口方式图：上图为直接式接口以下图为间接式接口系统接口设计模块A接口A模块A接口A模块B接口B模块B接口B接口模块接口接口.▲接口的功能：物质、能量、信息的输入/输出功能；转换、调整功能。接口的转换、调整功能可分为四种。——零接口：不进展转换、调整，照原样把湿热衔接到输出。如连轴器、电缆、插头插座等。——被动接口：只用接受部分进展转换、调整。如减速器、变压器、可变电阻器等。输入端往往是公用或规范接口。——能动接口：含有能动部分的接口。例如，电磁离合器，继电器，放大器，光耦合器，A/D/D/A变换器等。

系统接口设计.——智能接口：能顺应变化情况改动接口条件。如可变程序控制器。▲机电产品接口接口类型——机械接口：机械各零部件间的衔接界面，经过接口实现静态结合或动态结合〔传送力、运动〕。接口构造包括接口方式和接口尺寸及精度，除满足功能外，主要应具有互换和兼容性。机械接口还包括流体动力与机械本体的接口，如泵、控制阀。系统接口设计.——电气接口：传送各种电气信息的界面，其功能除传送信息外，还要求被连的两个电路阻抗匹配。对于模块间无兼容性的接口，那么需采器具有接纳、处置和发送功能的接口电路〔板〕或接口设备。如A/D、D/A转换，电路与电源间的变压、整流、逆变、变频等。——机电接口：是间接型接口，可以以为其间有机械量与电量转换的变换器，在机电接口中有能量转换和传输的效率问题、阻抗匹配问题、信息的传输和变换问题等。——其他物理量与电量的接口：各物理量需转换成电量才干为信息处置系统所接受。例如，将电量转换成电磁波发射的天线系统；光电转换；声电转换；各类传感器都是一种接口元件，与相应A/D转换器结合，那么构成将物理量变换为电量的接口设备。——软件程序接口系统接口设计.系统接口设计▲微机系统各类接口框图.▲系统〔产品〕的外部接口和内部接口——产品与外部其他硬件的接口：例如，计算机与打印机、扫描仪等外设的接口；成套设备间的接口；设备与机房设备的接口；设备的安装接口等。——产品的内部接口：指产品内模块间的接口。就模块而言，模块内各功能要素之间也存在着接口，那么模块间的接口是模块的外部接口；当模块集成为大模块时，那么原模块的外部接口就转变为集成模块的内部接口。

系统接口设计.●人－机－环境接口：人在特定环境中运用产品，由此构成人－机－环境系统。为使人、机、环境这三个环节匹配，应妥善处理三者间的接口问题。▲人－机接口：包括人机间的操作和维修界面；人机间的对话〔通讯〕界面。应使其符合人的心思及生理特点，以利于提高操作和信息传送的效率及准确性。需进展人机工程设计。▲机－环境接口：需对产品进展环境顺应性设计。▲人－环境接口：需按人机工程原那么进展人的任务环境设计。▲人－人接口：需进展合理的管理体系和企业文化设计。系统接口设计.●接口系统及其规范化▲把接口作为一个系统进展研讨和开发：——接口是模块的边境及结合部，假设仅将其作为某一技术领域或产品的附属部分，往往会被忽视，或边境不清而相互等待或推托，或因缺乏有效协调而各行其是，使接口系统成为一个薄弱环节。——接口构造的程度和质量将制约系统的功能和程度，宜于将其列为专题进展研讨和开发。▲应尽能够采用通用接口。

系统接口设计.▲及时将重要的接口要素上升为规范。●系统接口与产品的总体设计▲工程技术的总体设计可归纳为：系统功能设计；系统接口设计。——系统功能设计：系统功能配置，总体架构。——系统接口设计：把模块组成系统时的接口要素和构造。▲总体设计设计原那么上是以协调模块间的外部接口为主；如某模块内部接口有能够影响系统性能时，那么也应列入总体设计范围。系统接口设计.产品系统环境条件分析●环境条件对产品可靠性的影响▲影响产品可靠性的要素可归结为两类：——产品本身有出缺点的内因：设计、制造元器件等的质量。——产品在外因作用下出现缺点：主要指运用、储存和运输过程中环境条件的影响。▲环境条件：是指产品所经受的周围的物理、化学和生物条件。这些条件是由单一环境参数及其严酷程度组合成的。这些环境条件通常包括自然环境条件和诱发环境条件。

.▲产品的性能和可靠性都是针对一定的环境条件而言的，环境条件越严酷，对产品内在质量要求就越高。▲环境对产品的根本影响有：腐蚀、开裂、脆化、潮气的吸附或吸收、氧化等。可导致资料的物理和化学性质的变化。▲单一环境对产品的主要影响和引起的典型缺点见GB2421●环境条件的规范化▲环境条件对机电产品的影响，是在付出了繁重代价后才被人们所认识。为使环境条件和实验方法一致和规范化，IEC制定并颁发了一整套完好、严谨而科学的规范系列。产品系统环境条件分析.▲环境条件分类规范：IEC60721系列规范(IEC/TC75,1973)——IEC721－1〔＝GB4796〕<环境条件分类及其严酷度分级>。——IEC721－2〔＝GB4797〕<自然环境条件>，共6项，包括：温度和湿度；海拔与气压、水深与水压；生物；太阳辐射与温度；降水和风；尘、沙、盐雾。——IEC721－3〔＝GB4798〕<运用环境条件>，共9项，包括：储存；运输；有气候防护场所固定运用；无气候防护场所固定运用；地面车辆运用；船用；携带和非固定运用；产品内部的微气候；导言。

产品系统环境条件分析.——IEC721－4<IEC721－3对IEC68－2的相互关系和转换指南>，共8项，与IEC721－3对应。▲环境实验规范：GB/T2423、GB/T2423系列〔共62项〕〔IEC60068－2系列〕(IEC/TC50,1961)，<电工电子产品环境实验>。●环境参数分类及其等级〔以GB4798.3为例〕▲气候条件：气候条件分为13个等级；环境参数共有16种。▲特殊气候条件：包括热辐射〔三个等级〕；周围空气运动〔三个等级〕；除雨以外的其它水源条件〔四个等级：滴水；淋水；溅水；喷水〕。产品系统环境条件分析.▲机械条件：分为8个等级。——正弦稳态振动：用加速度、位移和频率三个参数表达。——非稳态振动〔包括冲击〕：用冲击呼应谱和峰值加速度表达。▲生物条件：定性规定。——植物：无或有霉菌、真菌等。——动物：无或有啮齿动物和其它危害产品的动物。▲化学活性物质条件：除了盐〔无或有盐雾〕不属于气体外，主要环境参数为8种化学气体。共分为4个等级。

产品系统环境条件分析.▲机械活性物质条件：包括沙、尘〔漂浮〕、尘〔堆积〕三类，共分为4个等级。●户外气候类型和户外气候组〔GB4797.1〕▲统计的户外气候类型：为使产品可以在某一地理区域内运用，必需按该地的气候图设计产品。——我国〔GB4797.1〕户外气候分为六类：冰冷、寒温〔又分为Ⅰ、Ⅱ型〕、暖温、干热、亚湿热、湿热。——IEC721－2－1的户外气候分为九类：极端冰冷、冰冷、寒温、暖温、干热、中等干热、极干热、湿热、〔恒定〕湿热。

产品系统环境条件分析.▲统计的户外气候组：为使一种产品能在不同气候类型地理区域内运用，可以将统计的户外气候适当地归并为几个组。——我国分为三个气候组：有限组，普通组，通用组。——IEC分为四个气候组：有限组，普通组，通用组，世界性组。——归并为气候组的目的是为了使产品能在更大范围内通用而限制温度和湿度的分级。——对运用范围广的产品，如按气候组分别设计成3～4种〔防护措施程度不同〕，针对不同用户供货，有助于降低本钱。产品系统环境条件分析.●有气候防护场所固定运用〔GB4798.3〕的场所分类和选用。〔在附录A中有详细阐明〕▲完全气候防护场所〔封锁场所〕：该场一切防护设备，可以防止全部气候的直接影响。3K1、3K2属全空调场所。▲部分气候防护场所〔遮盖场所〕：该场一切防护设备，可以防止部分气候的直接影响。——有调温措施、但无调湿设备的封锁场所：如无人值守机房，选用3K3、3K4、3K5、3K5L。——无温、湿度控制的封锁场所：选用3K6、3K6L。

产品系统环境条件分析.——无温、湿度控制，建筑物非密闭、可与户外直接相通的场所：会直接遭到户外气候的影响，可据当地实践气候情况选用。3K7、3K8类只存在于我国的特定地域。●化学活性物质条件的运用场所及等级选用▲3C1：运用于较少的工业活性物质和中等交通的乡村和城市地域。▲3C2：运用于普通程度污染，工业活性物质分布于整个地域活交通忙碌的城镇。▲3C3：用于接近有工业消费的化学污染的场所。▲3C4：运用于工业消费内部，能够出现高浓度的化学污染物质场所。产品系统环境条件分析.●产品内部的微气候〔GB/T4798.9〕▲微气候：产品内部安装元件〔根底件、组件和内装设备〕处的气候条件。仅思索高气温暖低相对湿度。▲产品内部的元件会遭到外部加热或本身发热的影响。▲产品微气候等级由三部分表示：产品〔外部〕气候等级〔GB4798.3或GB4798.4〕，产品〔内部〕的高空气温度和限定的空气相对湿度。〔后者由本规范规定〕。●运用环境条件〔GB4798〕规范的运用导那么▲环境对产品的影响根本上有以下两种方式：

产品系统环境条件分析.——受短期极端环境条件的作用，使产品不能正常任务或损坏。——受长期非极端应力的作用，使产品缓慢地劣化，最后使产品不能任务或损坏。▲环境参数的等级可作选择设计和实验等级的根底，但不应要求产品在分级界限值内的缺点为零。取其较高或较低的严酷等级，取决于产品允