电子系统设计实例
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➢ 直接利用已成熟原理或软件来替代硬件不受此限。
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电子系统设计
❖根据可靠性要求
➢ 硬件线路越复杂，系统可靠性就越差；
➢ 采用软件替代硬件功能，是提高可靠性的一个好办法；
➢ 在一些特殊场合，如军用及各种恶劣环境中Biblioteka Baidu往往采用硬件 冗余线路来提高系统可靠性。
❖根据研制周期要求
➢ 为了加快智能型电子系统的研制速度，应尽量考虑采用各种 标准软硬件或利用已有成熟的软硬件来完成系统的功能，而 不必拘泥于前面所述细节。
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电子系统设计
第五章 智能电子系统设计示例
5.1 概述
➢所谓智能型电子系统，是指具有一定智能行为的系统。具体 地说，若对于一个问题的激励输入，系统能够产生适合求解问 题的响应，这样的系统称为智能系统；
➢以上虽然给出了智能系统的定义，但没有提出一个明确的界 限，规定什么样的系统才算是智能系统。事实上，即使是智能 系统，其智能程度也有高低；
1. 总体论证
➢ 总体论证包括系统性能指标的论证和系统组成的论证两个方面；
➢ 总体论证的方法是通过大量的调查研究，对系统具有的功能、性 能指标以及可能的组成方案进行综合考虑；
➢ 经过总体论证之后得到的系统总体方案应能解决以下问题：
了解国内外相似产品的开发水平、器材设备技术水平和供应状态。对所接受委托 项目，还应充分了解对方技术要求、环境状况、技术水平，明确设计内容；
➢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，在智能化程度较高的电子系统中， 还应该具备预测、自诊断、自适应、自组织和自学习控制功能；
➢以微处理器为核心的电子系统，可以很容易地将计算技术与 实用技术结合在一起，组成新一代的“智能型电子系统”。
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电子系统设计
了解可移植的软、硬件技术。能移植的尽量移植，以防大量的低水平重复劳动； 摸清软、硬件技术难度，明确技术主攻方向。
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2. 系统功能划分
➢ 一个智能电子系统的设计，既有硬件设计任务，也有软件设 计任务。系统功能的划分既包括应用系统的软、硬件划分， 也包括软、硬件系统内各模块之间的功能划分；
➢对于大惯性系统的过渡过程控制，一般可采用以下几种控制方案：
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电子系统设计
❖开关量控制
➢这种方法通过比较给定值与被控参数的偏
y
差来控制输出的状态：开通或关断，因此控
制过程十分简单，也容易实现；
➢但由于输出控制量只有两种状态，使被控
参数在两个方向上变化的速率均为最大，因
此容易引起反馈回路振荡，控制精度不高；
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5.3 智能电子系统设计示例
一．设计任务与要求
1. 设计任务
➢ 设计一个水温控制系统。
2. 基本要求
➢ 一升水由1kW的电炉加热，要求水温可以在一定范围内 由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以 保持设定的温度基本不变。
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3. 主要性能指标
➢ 温度设定范围：40～90℃，最小区分度为1℃； ➢ 控制精度：温度控制的静态误差≤1℃； ➢ 用十进制数码显示实际水温； ➢ 能打印实测水温值。
t
➢这种控制方案一般在大惯性系统对控制精 度和动态特性要求不高的情况下采用。
❖比例控制(P控制)
y
➢比例控制的输出与偏差成比例关系；
➢当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时 间短，但过程终了存在余差；
➢适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、
t
允许被控量在一定范围内变化的系统。
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电子系统设计
❖根据成本要求
➢ 智能电子系统研制费用包括硬件和软件费用，软件的费用不 仅是设计师所花费的脑力劳动，还有各种调试工具、消耗品 的费用；
➢ 软件费用的特点是研制费用昂贵，复制费用低廉；
➢ 在批量生产的产品研制中，应尽可能利用软件代替硬件，降 低成本；
➢ 小批量或单件产品不宜采用软件代替硬件办法，这会增加软 件研制费用；
电子系统设计
❖根据运行速度要求
➢ 在绝大多数智能电子系统中，划分软、硬件功能往往是由系 统的运行速度决定；
➢ 例如，单片机的时钟频率一般在6～12MHz左右，执行一条指 令至少需要1μs，而完成任何一项工作需要若干条指令，因 此比数字逻辑电路(无论是组合电路还是时序电路)都慢得多；
➢ 如果某一任务的执行时间要求少于10μs，就必须采用硬件电 路实现。否则，如采用确能完成此项任务的高速微处理器系 统，则会造成浪费。
5.2 智能电子系统设计方法与过程
一．设计过程
➢ 智能电子系统的 设计过程应包括 总体论证、系统 设计、软、硬件 开发、联机调试 和产品定型等几 个步骤。
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二．设计方法
➢ 智能电子系统的设计包含对系统硬件和软件的综合设计；
➢ 一个科学的设计方法，一般都具有以下的内容和步骤：总体论 证、系统功能划分、指标分配与框图构成。
➢ 智能型电子系统的硬件与软件之间有密切的相互制约的联系， 硬件和软件具有一定的互换性；
➢ 由硬件来完成一些功能可以提高工作速度，减少软件工作量； 由软件来完成某些功能，可降低硬件成本、简化电路，提高 系统可靠性；
➢ 可根据系统的运行速度、成本、可靠性和研制周期等要求来 确定软、硬件功能的划分。
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3. 指标分配与框图构成
➢ 针对总体方案所提出的任务、要求和条件，就可以用具有一 定功能的若干单元方框图构成一个总方框图，并将系统的性 能指标分配到各单元方框中去；
➢ 对于较粗的方框还可以作进一步分解，直到每一个子方框至 少可用一个能满足其功能的方案去实现为止；
➢ 将每个方案的可行性和优缺点逐一进行分析，再加以比较、 优化筛选，就可得到较理想的系统方案。
4. 扩展功能
➢ 具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将 结果传送到其他数据设备；
➢ 采用适当的控制方法，当设定温度或环境温度突变时， 减小系统的调节时间和超调量；
➢ 温度控制的静态误差≤0.2℃；
➢ 能自动显示水温随时间变化的曲线。
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二．总体论证
1. 控制方法选择
➢水温控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点， 水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具 有纯滞后的一阶大惯性环节；
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❖根据可靠性要求
➢ 硬件线路越复杂，系统可靠性就越差；
➢ 采用软件替代硬件功能，是提高可靠性的一个好办法；
➢ 在一些特殊场合，如军用及各种恶劣环境中Biblioteka Baidu往往采用硬件 冗余线路来提高系统可靠性。
❖根据研制周期要求
➢ 为了加快智能型电子系统的研制速度，应尽量考虑采用各种 标准软硬件或利用已有成熟的软硬件来完成系统的功能，而 不必拘泥于前面所述细节。
B RT
电子系统设计
第五章 智能电子系统设计示例
5.1 概述
➢所谓智能型电子系统，是指具有一定智能行为的系统。具体 地说，若对于一个问题的激励输入，系统能够产生适合求解问 题的响应，这样的系统称为智能系统；
➢以上虽然给出了智能系统的定义，但没有提出一个明确的界 限，规定什么样的系统才算是智能系统。事实上，即使是智能 系统，其智能程度也有高低；
1. 总体论证
➢ 总体论证包括系统性能指标的论证和系统组成的论证两个方面；
➢ 总体论证的方法是通过大量的调查研究，对系统具有的功能、性 能指标以及可能的组成方案进行综合考虑；
➢ 经过总体论证之后得到的系统总体方案应能解决以下问题：
了解国内外相似产品的开发水平、器材设备技术水平和供应状态。对所接受委托 项目，还应充分了解对方技术要求、环境状况、技术水平，明确设计内容；
➢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，在智能化程度较高的电子系统中， 还应该具备预测、自诊断、自适应、自组织和自学习控制功能；
➢以微处理器为核心的电子系统，可以很容易地将计算技术与 实用技术结合在一起，组成新一代的“智能型电子系统”。
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电子系统设计
了解可移植的软、硬件技术。能移植的尽量移植，以防大量的低水平重复劳动； 摸清软、硬件技术难度，明确技术主攻方向。
B RT
电子系统设计
2. 系统功能划分
➢ 一个智能电子系统的设计，既有硬件设计任务，也有软件设 计任务。系统功能的划分既包括应用系统的软、硬件划分， 也包括软、硬件系统内各模块之间的功能划分；
➢对于大惯性系统的过渡过程控制，一般可采用以下几种控制方案：
B RT
电子系统设计
❖开关量控制
➢这种方法通过比较给定值与被控参数的偏
y
差来控制输出的状态：开通或关断，因此控
制过程十分简单，也容易实现；
➢但由于输出控制量只有两种状态，使被控
参数在两个方向上变化的速率均为最大，因
此容易引起反馈回路振荡，控制精度不高；
B RT
电子系统设计
5.3 智能电子系统设计示例
一．设计任务与要求
1. 设计任务
➢ 设计一个水温控制系统。
2. 基本要求
➢ 一升水由1kW的电炉加热，要求水温可以在一定范围内 由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以 保持设定的温度基本不变。
B RT
电子系统设计
3. 主要性能指标
➢ 温度设定范围：40～90℃，最小区分度为1℃； ➢ 控制精度：温度控制的静态误差≤1℃； ➢ 用十进制数码显示实际水温； ➢ 能打印实测水温值。
t
➢这种控制方案一般在大惯性系统对控制精 度和动态特性要求不高的情况下采用。
❖比例控制(P控制)
y
➢比例控制的输出与偏差成比例关系；
➢当负荷变化时，抗干扰能力强，过渡过程时 间短，但过程终了存在余差；
➢适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、
t
允许被控量在一定范围内变化的系统。
B RT
B RT
电子系统设计
❖根据成本要求
➢ 智能电子系统研制费用包括硬件和软件费用，软件的费用不 仅是设计师所花费的脑力劳动，还有各种调试工具、消耗品 的费用；
➢ 软件费用的特点是研制费用昂贵，复制费用低廉；
➢ 在批量生产的产品研制中，应尽可能利用软件代替硬件，降 低成本；
➢ 小批量或单件产品不宜采用软件代替硬件办法，这会增加软 件研制费用；
电子系统设计
❖根据运行速度要求
➢ 在绝大多数智能电子系统中，划分软、硬件功能往往是由系 统的运行速度决定；
➢ 例如，单片机的时钟频率一般在6～12MHz左右，执行一条指 令至少需要1μs，而完成任何一项工作需要若干条指令，因 此比数字逻辑电路(无论是组合电路还是时序电路)都慢得多；
➢ 如果某一任务的执行时间要求少于10μs，就必须采用硬件电 路实现。否则，如采用确能完成此项任务的高速微处理器系 统，则会造成浪费。
5.2 智能电子系统设计方法与过程
一．设计过程
➢ 智能电子系统的 设计过程应包括 总体论证、系统 设计、软、硬件 开发、联机调试 和产品定型等几 个步骤。
B RT
电子系统设计
二．设计方法
➢ 智能电子系统的设计包含对系统硬件和软件的综合设计；
➢ 一个科学的设计方法，一般都具有以下的内容和步骤：总体论 证、系统功能划分、指标分配与框图构成。
➢ 智能型电子系统的硬件与软件之间有密切的相互制约的联系， 硬件和软件具有一定的互换性；
➢ 由硬件来完成一些功能可以提高工作速度，减少软件工作量； 由软件来完成某些功能，可降低硬件成本、简化电路，提高 系统可靠性；
➢ 可根据系统的运行速度、成本、可靠性和研制周期等要求来 确定软、硬件功能的划分。
B RT
B RT
电子系统设计
3. 指标分配与框图构成
➢ 针对总体方案所提出的任务、要求和条件，就可以用具有一 定功能的若干单元方框图构成一个总方框图，并将系统的性 能指标分配到各单元方框中去；
➢ 对于较粗的方框还可以作进一步分解，直到每一个子方框至 少可用一个能满足其功能的方案去实现为止；
➢ 将每个方案的可行性和优缺点逐一进行分析，再加以比较、 优化筛选，就可得到较理想的系统方案。
4. 扩展功能
➢ 具有通信能力，可接收其他数据设备发来的命令，或将 结果传送到其他数据设备；
➢ 采用适当的控制方法，当设定温度或环境温度突变时， 减小系统的调节时间和超调量；
➢ 温度控制的静态误差≤0.2℃；
➢ 能自动显示水温随时间变化的曲线。
B RT
电子系统设计
二．总体论证
1. 控制方法选择
➢水温控制系统的控制对象具有热储存能力大，惯性也较大的特点， 水在容器内的流动或热量传递都存在一定的阻力，因而可以归于具 有纯滞后的一阶大惯性环节；