现代电子系统设计及应用案例研讨(80张幻灯片)课件.ppt
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1、现代电子系统设计及应用案例主讲:徐荃2010年3月 1.完成一个电子系统的设计 2.了解电子系统设计的基本理论 3.了解电子系统设计的基本流程 4.掌握电子系统设计常用开发工具 5.掌握电子系统工程设计的基本方法课程教学目标 1.将信息类各专业分散的“电子技术课程设计”、“计算机仿真”、“现代数字系统设计”、“嵌入式系统设计”等课程有机结合,既减少了内容的重叠、交叉,又提高了设计和实践课程的有效性。2.充分利用现代化教学手段,让学生完成从理论设计、仿真、加工、焊接、调试的全过程,建立电子产品及系统开发的完整知识体系。3.在教学体系中融入创新能力的培养,激发学生参与的积极性,增强创新能力。课程教
2、学特色一、电子系统概述二、电子系统设计方法和原则 三、电子系统设计步骤四、数字系统设计五、模拟系统设计六、微机系统设计七、片上系统设计课程教学内容一、电子系统概述一、电子系统概述 电子系统:完成一个特定功能的、完整的电子装置称为电子系统。如出租车计价器、温度控制系统、航天飞机测控系统等。电子系统组成:一般包含模拟系统、数字系统、微处理机系统、片上系统。电子系统分类:可分为非智能型和智能型系统。前者功能简单且单一。后者具有记忆、接收信息能力,并根据信息进行分析、判断、决策和控制操作的能力。一般人们将以CPU为核心、软硬结合的电子系统称为智能型系统。电子系统分类:根据电子系统实现的功能,有以下几类
3、。(1)测控系统:相机快门系统、锅炉控制系统、飞行轨道控制系统等。(2)测量系统:电量测量、非电量测量系统等。(3)数据处理系统:语音处理、图像处理、雷达信息处理等。(4)通信系统:数字通信、微波通信、卫星通信、短波通信等。(5)计算机系统:单机系统、计算机网络系统等。(6)家电系统:多媒体彩电系统、音频系统、报警系统。消费类产品消费类产品主板主板显卡和网卡七彩虹显卡七彩虹显卡TP-Link网卡网卡通信电子产品车载GPS和悍马汽车电子燃油喷射控制器汽车电子燃油喷射控制器数控钻床和汽车生产线 舰船和战斗机舰船和战斗机数字产品数字产品手机电路手机电路超级芯片数码彩电主板超级芯片数码彩电主板嵌入式计
4、算机电子系统设计与仿真工具:1.系统级设计与算法设计工具 System View;MATLAB2.电路级仿真工具 Pspice;Multisim3.PCB设计工具 Power PCB;Protel 4.可编程器件设计工具 Xilinx ISE;Altera QuartusII;Mentor FPGA Advantage5.嵌入式系统开发工具 ARM ADS;Keil ARM/C51 IDE;Altera Nios II IDE;Ti Code Composer Studio ATLABATLAB仿真软件仿真软件-丰富的表现力丰富的表现力ATLABATLAB仿真软件仿真软件-强大的运算能力强大的
5、运算能力MULTISIMMULTISIM仿真软件仿真软件MULTISIMMULTISIM仿真软件仿真软件-直观的线路仿真直观的线路仿真Protel Protel 仿真软件仿真软件-原理图设计原理图设计ProtelProtel 仿真软件仿真软件-多层电路板设计多层电路板设计ilinxilinx仿真软件仿真软件-ISE-ISEilinilin设计软件设计软件-ISE-ISE仿真器仿真器QuartusQuartus仿真软件仿真软件-VHDL-VHDL设计入口设计入口QuartusQuartus仿真软件仿真软件-原理图设计入口原理图设计入口QuartusQuartus仿真软件仿真软件-仿真仿真Ment
6、or FPGA AdvantageARM CodeWarrior集成开发环境 ARM AXD调试器 Ti Code Composer StudioTi Code Composer StudioTi Code Composer Studio电子系统指标:系统功能、规模以及应用场合不同,对系统的要求不同,因此衡量系统的指标不同。常用指标:功能、工作范围、工作环境、供电方式、功耗、体积、重量、容量、精度、灵敏度、稳定度、可靠性、响应速度等。最近几年全国电子设计竞赛的电子系统设计题目如下:正弦信号发生器(A题)集成运放参数测试仪(B题)简易频谱分析仪(C题)单工无线呼叫系统(D题)悬挂运动控制系统(E
7、题)数控直流电流源(F题)三相正弦波变频电源(G题)电压控制LC振荡器(A题)宽带放大器(B题)低频数字式相位测量仪(C题)简易逻辑分析仪(D题)简易智能电动车(E题)液体点滴速度监控装置(F题)第七届全国大学生电子设计竞赛题目第六届全国大学生电子设计竞赛题目A题 波形发生器 B题 简易数字存储示波器 C题 自动往返电动小汽车D题 高效率音频功率放大器 E题 数据采集与传输系统 F题 调频收音机 第五届全国大学生电子设计竞赛题目第四届全国大学生电子设计竞赛题目A题 测量放大器B题 数字式工频有效值多用表C题 频率特性测试仪D题 短波调频接收机E题 数字化语音存储与回放系统二、电子系统设计方法和
8、原则二、电子系统设计方法和原则 1.电子系统设计的一般方法自顶向下法(Top to Down):适用于大型、复杂的系统设计。首先从系统级设计开始,根据系统级所描述的该系统应具备的各项功能,将系统化分为单一功能的子系统,再根据子系统任务划分各部件,完成部件设计后,最后才是元件级设计。自底向上法(Bottom to Up):多用于系统的组装和测试。根据要实现系统的各个功能要求,从现有的元器件或模块中选出合适的元件,设计各部件,一级一级向上设计,最后完成整个系统。组合法(TD&BU Combined):结合了自顶向下法和自底向上法的优点。为实现设计的可重复使用以及对系统进行模块化设计测试,现代的系统
9、设计通常采用以自顶向下法为主,结合自底向上法的方法。(1)总体方案的设计与选择:根据设计任务、指标要求,分析系统应完成的功能,并将系统按功能分解成若干子系统,分清主次和相互关系,并形成由若干单元功能模块组成的总体方案。注意:对不同的方案,应深入分析比较。对关键部分,还要提出各种具体电路,根据设计要求进行分析比较,从而找出最优方案。需考虑方案的可行性、性能、可靠性、功耗等实际问题。(2)单元电路的设计与选择:在明确每个单元电路的技术指标后,要分析清楚单元电路的工作原理,设计出各单元的电路结构形式。尽量采用学过的或熟悉的单元电路,也要善于通过查阅资料、分析研究一些新型电路,开发利用新型器件。注意:
10、要尽量减少或不用电平转换之类的接口电路,以简化电路结构,降低成本。(3)元器件的选择:一般优先选用集成电路。集成电路的选择:“先粗后细”的选用方法,即先根据主体方案考虑应选用什么功能的集成电路,再进一步考虑其具体性能,然后再根据价格等因素选用型号。选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案,而且要满足功耗、电压、温度、价格等多方面的要求。阻容元件的选择:根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件,并要注意功耗、容量、频率、耐压范围是否满足要求。分立元器件的选择:包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等,选择器件的种类不同,注意事项也不同。例如三极管,在选用时应考虑是NPN管还是PNP管,是大
11、功率管还是小功率管,是高频管还是低频管,并注意管子的电流放大倍数、击穿电压、特征频率、静态功耗等是否满足电路设计的要求。(4)元器件的参数计算:元器件的参数计算有的需要根据电路理论公式进行,有的按照工程估算法进行,有的可用典型电路参数或经验数据。选用的元器件参数值最终都必须采用标称值。注意:各元器件的工作电流、工作电压、频率和功耗应在允许的范围内,并留有适当的余量,并保证电路在规定的条件下正常工作,达到所要求的性能指标。对于环境温度、其它干扰等工作条件,计算参数时应按最坏的情况考虑。保证电路性能的前提下,尽可能设法降低成本,减少元器件的品种、功耗和体积,并为安装调试创造有利条件。在满足性能指标
12、和上述各项要求的前提下,应优先选用现有或容易买到的元器件,以节省时间和精力。2.电子系统设计的一般原则(1)兼顾技术的先进性和成熟性 系统设计应适应技术发展的潮流,使系统能保持长时间的先进性和实用性。同时要兼顾技术上的成熟性,以缩短开发时间和上市时间。(2)安全性、可靠性和容错性 采用成熟的技术、元器件和部件,可在一定程度上保证系统的可靠、稳定和安全。系统还应具有较强的容错性,例如,不会因人员操作失误而使整个系统无法工作;或因某个模块出现故障而使整个系统瘫痪。(3)实用性和经济性 在满足基本功能和性能的前提下,系统应具有良好的性价比。(4)开放性和可扩展性 系统能够支持不同厂商的产品,支持多种
13、协议,并且符合国际标准及相关协议。除此之外,还应包括:子系统之间、子系统对主系统以及系统对外部的开放。以便在对系统进行升级改造时,不仅可以保护原有资源,还可以降低系统维护、升级的复杂性以及提高效率。(5)易维护性 元器件和部件应尽可能采用通用、成熟产品,使系统易于维护。三、电子系统设计步骤三、电子系统设计步骤1.调查研究:明确设计任务和要求,确定系统功能指标,了解设计关键,完成系统功能示意框图。简言之,就是必须明确做什么,做到什么程度。2.方案选择和可行性论证 要求综合应用所学知识,同时查阅有关参考资料;要敢于创新,敢于采用新技术,不断完善所提的方案;应提出几种方案,对它们进行可行性论证,从完
14、成的功能、性能和技术指标的程度、经济性、先进性以及进度等方面进行比较,最后选择一个较好的方案。首先,进行系统功能划分。把系统所要实现的功能分配给若干个单元电路,画出能表示各单元电路功能的整机原理框图。然后,进行方案比较和可行性论证。最后,确定总体方案。3.单元电路设计、参数选择和元器件选择 对各单元电路可能的组成形式进行分析、比较,在确定了单元电路后,就可选择元器件。根据某种原则或已确定好的单元电路部分元件的参数,可以计算其余器件参数和电路参数。4.组装与调试 设计结果的正确性需要验证,需要用仪器进行测试。这样可以发现问题并及时修改,直到所要求的功能和性能指标完全符合要求。5.编写设计文档与总
15、结报告(1)设计文档的编写 系统的设计要求与技术指标的确定 方案选择与可行性论证 单元电路设计、参数选择和元器件选择 参考资料和文献(2)总结报告的撰写 设计工作的进程记录 原始设计修改部分的说明 实际电路原理图、程序清单等 功能与指标测试结果(注明所使用的仪器型号与规格)系统的操作使用说明 存在的问题及改进措施等四、数字系统设计 数字系统是一个完成一系列复杂操作的逻辑单元。它可以是一台数字计算机、一个自动控制系统、一个数据采集系统或者是日常生活中用的电子秤,也可以是大系统中的子系统。1.数字系统组成 数据子系统控制子系统数据输入数据输出控制与条件信号时钟外部控制信号 数据子系统主要完成数据的
16、采集、存储、运算和传输,主要由存储器、运算器、数据选择器等部件组成。控制子系统是执行算法的核心,具有记忆功能,是时序系统。2.数字系统设计步骤明确设计要求:将设计要求分解成条目,每一条都应是无二义的。明确设计系统的逻辑功能及性能指标,画出简单框图。确定系统方案:用方框图、流程图或描述语言描述系统方案,画出系统方框图、流程图或算法,如需要画出时序图。数据子系统设计:根据系统方案,选择合适的器件构成数据子系统原理图。根据设计要求对原理图进行时序设计。控制子系统设计:按照规则及要求选择电路构成控制子系统,必要时进行时序设计。设计方法:在整个设计过程中应尽可能多地利用EDA软件,及时地进行逻辑仿真、优
17、化,以保证设计工作优质快速地完成。3.数字系统设计举例 设计要求:完成一个十字路口交通灯控制系统的设计。(1)明确设计要求 进一步明确十字路口车辆行驶的规则如何?道路多宽?允许几车道行驶?控制灯有几种?通行和禁止的时间是多少?是否需要显示时间?有否有行人穿行指示?有无连网要求?明确以上问题,将设计要求具体化,也就明确了设计系统的逻辑功能。双向六车道,只有汽车没有自行车行驶。车辆直行时不允许车辆左拐,允许右拐。另设左拐时间。车辆控制灯有直行()、左拐()和右拐()三个绿灯、黄灯以及红灯。车辆通行时间为40秒,由各方向设置的倒计时显示器显示,向司机提示剩余时间。黄灯持续时间2秒。行人过马路需提出申
18、请,且只在车辆直行时才响应行人的请求,行人在申请得到响应后方可穿越,穿越时间为60秒。警察有权随时指定系统停在某个状态,确保某个方向的车辆畅通。暂不考虑连网要求。控制器定时器行人请求指示灯警察控制秒脉冲发生器(2)确定系统方案 确定系统方案就是找出实现上述设计要求的方法。在确定系统方案的过程中应有意识的把系统分为控制子系统和数据子系统两部分。先画出简单的流程图,再将简单的流程图逐步细化为描述系统操作的详细流程图。由于设计要求中规定车辆直行时不允许各路车辆左拐通行,须另设左拐时间。因此可以设置以下四种车辆通行方式:南北向的直行和各路右拐;南北向的左拐和各路右拐;东西向直行和各路右拐;东西向的左拐
19、和各路右拐。行人请求及警察控制可以认为是上述四个状态转换时产生的条件分支,由控制器接受请求并判断是否响应。由于警察控制的优先级最高,所以流程图中应首先判断警察的控制。行人请求只能在车辆直行时响应,车辆左拐时不允许响应行人请求。(3)画出工作流程图(略)五、模拟系统设计 多数电子系统一般都同时使用数字和模拟两类技术,两者互为补充,发挥各自优势。但对一个具体应用系统而言,使用技术的侧重点有所不同,有的以数字为主,有的以模拟为主。假设一个电子系统对获得的模拟信号不需要作复杂处理,也不作远距离传送,最后的执行机构也用模拟信号驱动,在这样的系统中用模拟技术处理比较合理。1.模拟系统特点 与数字电子系统相
20、比,模拟电子系统有以下一些特点。(1)工作在模拟领域中单元电路的种类多。例如,各种传感器电路、电源电路、放大电路、音响电路、视频电路,性能各异的振荡、调制、解调等。(2)要求电路实现规定的功能,更要达到规定的指标。模拟电路一般要求工作在线性状态,因此电路的工作点选择、工作点的稳定,运行范围的线性程度,单元之间的耦合等都很重要。(3)系统的输入单元与信号源之间的匹配、系统的输出单元与负载(执行机构)之间匹配。模拟系统的输入单元要考虑输入阻抗匹配,提高信噪比,抑制各种干扰和噪声。输出单元与负载的匹配,且输出最大功率和提高效率等。(4)调试电路的难度。一般来说模拟系统的调试难度要大于数字系统的调试难
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