現代電子系統設計及應用案例主講：徐荃2010年3月1.完成一個電子系統的設計2.了解電子系統設計的基本理論3.了解電子系統設計的基本流程4.掌握電子系統設計常用開發工具5.掌握電子系統工程設計的基本方法課程教學目標1.將信息類各專業分散的“電子技術課程設計”、“計算機仿真”、“現代數字系統設計”、“嵌入式系統設計”等課程有機結合，既減少了內容的重疊、交叉，又提高了設計和實踐課程的有效性。2.充分利用現代化教學手段，讓學生完成從理論設計、仿真、加工、焊接、調試的全過程，建立電子產品及系統開發的完整知識體系。3.在教學體系中融入創新能力的培養，激發學生參與的積極性，增強創新能力。課程教學特色一、電子系統概述二、電子系統設計方法和原則三、電子系統設計步驟四、數字系統設計五、模擬系統設計六、微機系統設計七、片上系統設計課程教學內容一、電子系統概述

電子系統：完成一個特定功能的、完整的電子裝置稱為電子系統。如出租車計價器、溫度控制系統、航天飛機測控系統等。電子系統組成：一般包含模擬系統、數字系統、微處理機系統、片上系統。電子系統分類：可分為非智能型和智能型系統。前者功能簡單且單一。后者具有記憶、接收信息能力，并根據信息進行分析、判斷、決策和控制操作的能力。一般人們將以CPU為核心、軟硬結合的電子系統稱為智能型系統。電子系統分類：根據電子系統實現的功能，有以下幾類。（1）測控系統：相機快門系統、鍋爐控制系統、飛行軌道控制系統等。（2）測量系統：電量測量、非電量測量系統等。（3）數據處理系統：語音處理、圖像處理、雷達信息處理等。（4）通信系統：數字通信、微波通信、衛星通信、短波通信等。（5）計算機系統：單機系統、計算機網絡系統等。（6）家電系統：多媒體彩電系統、音頻系統、報警系統。消費類產品主板顯卡和網卡七彩虹顯卡TP-Link網卡通信電子產品車載GPS和悍馬汽車電子燃油噴射控制器數控鉆床和汽車生產線

艦船和戰斗機數字產品手機電路超級芯片數碼彩電主板嵌入式計算機電子系統設計與仿真工具：1.系統級設計與算法設計工具SystemView;

MATLAB2.電路級仿真工具Pspice;Multisim3.PCB設計工具PowerPCB;Protel4.可編程器件設計工具

XilinxISE;AlteraQuartusII;

MentorFPGAAdvantage5.嵌入式系統開發工具

ARMADS;KeilARM/C51IDE；AlteraNiosIIIDE；TiCodeComposerStudio

ＭATLAB仿真軟件---豐富的表現力ＭATLAB仿真軟件---強大的運算能力MULTISIM仿真軟件MULTISIM仿真軟件---直觀的線路仿真Protel仿真軟件--原理圖設計Protel仿真軟件--多層電路板設計Ｘilinx仿真軟件--ISEＸilin設計軟件--ISE仿真器QuartusⅡ仿真軟件--VHDL設計入口QuartusⅡ仿真軟件--原理圖設計入口QuartusⅡ仿真軟件--仿真MentorFPGAAdvantageARMCodeWarrior集成開發環境

ARMAXD調試器

TiCodeComposerStudioTiCodeComposerStudio電子系統指標：系統功能、規模以及應用場合不同，對系統的要求不同，因此衡量系統的指標不同。

常用指標：功能、工作范圍、工作環境、供電方式、功耗、體積、重量、容量、精度、靈敏度、穩定度、可靠性、響應速度等。最近幾年全國電子設計競賽的電子系統設計題目如下：正弦信號發生器（A題）集成運放參數測試儀（B題）簡易頻譜分析儀（C題）單工無線呼叫系統（D題）懸掛運動控制系統（E題）數控直流電流源（F題）三相正弦波變頻電源（G題）電壓控制LC振蕩器（A題）寬帶放大器（B題）低頻數字式相位測量儀（C題）簡易邏輯分析儀（D題）簡易智能電動車（E題）液體點滴速度監控裝置（F題）第七屆全國大學生電子設計競賽題目第六屆全國大學生電子設計競賽題目A題波形發生器B題簡易數字存儲示波器C題自動往返電動小汽車D題高效率音頻功率放大器E題數據采集與傳輸系統F題調頻收音機第五屆全國大學生電子設計競賽題目第四屆全國大學生電子設計競賽題目A題測量放大器B題數字式工頻有效值多用表C題

頻率特性測試儀D題

短波調頻接收機E題數字化語音存儲與回放系統二、電子系統設計方法和原則

1.電子系統設計的一般方法自頂向下法（ToptoDown）：適用于大型、復雜的系統設計。首先從系統級設計開始，根據系統級所描述的該系統應具備的各項功能，將系統化分為單一功能的子系統，再根據子系統任務劃分各部件，完成部件設計后，最后才是元件級設計。自底向上法（BottomtoUp）：多用于系統的組裝和測試。根據要實現系統的各個功能要求，從現有的元器件或模塊中選出合適的元件，設計各部件，一級一級向上設計，最后完成整個系統。組合法（TD&BUCombined）：結合了自頂向下法和自底向上法的優點。為實現設計的可重復使用以及對系統進行模塊化設計測試，現代的系統設計通常采用以自頂向下法為主，結合自底向上法的方法。（1）總體方案的設計與選擇：根據設計任務、指標要求，分析系統應完成的功能，并將系統按功能分解成若干子系統，分清主次和相互關系，并形成由若干單元功能模塊組成的總體方案。注意：

對不同的方案，應深入分析比較。對關鍵部分，還要提出各種具體電路，根據設計要求進行分析比較，從而找出最優方案。

需考慮方案的可行性、性能、可靠性、功耗等實際問題。（2）單元電路的設計與選擇：在明確每個單元電路的技術指標后，要分析清楚單元電路的工作原理，設計出各單元的電路結構形式。盡量采用學過的或熟悉的單元電路，也要善于通過查閱資料、分析研究一些新型電路，開發利用新型器件。注意：要盡量減少或不用電平轉換之類的接口電路，以簡化電路結構，降低成本。（3）元器件的選擇：一般優先選用集成電路。集成電路的選擇：“先粗后細”的選用方法，即先根據主體方案考慮應選用什么功能的集成電路，再進一步考慮其具體性能，然后再根據價格等因素選用型號。選擇的集成電路不僅要在功能和特性上實現設計方案，而且要滿足功耗、電壓、溫度、價格等多方面的要求。阻容元件的選擇：根據電路的要求選擇性能和參數合適的阻容元件，并要注意功耗、容量、頻率、耐壓范圍是否滿足要求。分立元器件的選擇：包括二極管、三極管、場效應管、晶閘管等，選擇器件的種類不同，注意事項也不同。例如三極管，在選用時應考慮是NPN管還是PNP管，是大功率管還是小功率管，是高頻管還是低頻管，并注意管子的電流放大倍數、擊穿電壓、特征頻率、靜態功耗等是否滿足電路設計的要求。（4）元器件的參數計算：元器件的參數計算有的需要根據電路理論公式進行，有的按照工程估算法進行，有的可用典型電路參數或經驗數據。選用的元器件參數值最終都必須采用標稱值。注意：

各元器件的工作電流、工作電壓、頻率和功耗應在允許的范圍內，并留有適當的余量，并保證電路在規定的條件下正常工作，達到所要求的性能指標。

對于環境溫度、其它干擾等工作條件，計算參數時應按最壞的情況考慮。

保證電路性能的前提下，盡可能設法降低成本，減少元器件的品種、功耗和體積，并為安裝調試創造有利條件。

在滿足性能指標和上述各項要求的前提下，應優先選用現有或容易買到的元器件，以節省時間和精力。2.電子系統設計的一般原則（1）兼顧技術的先進性和成熟性系統設計應適應技術發展的潮流，使系統能保持長時間的先進性和實用性。同時要兼顧技術上的成熟性，以縮短開發時間和上市時間。（2）安全性、可靠性和容錯性采用成熟的技術、元器件和部件，可在一定程度上保證系統的可靠、穩定和安全。系統還應具有較強的容錯性，例如，不會因人員操作失誤而使整個系統無法工作；或因某個模塊出現故障而使整個系統癱瘓。（3）實用性和經濟性

在滿足基本功能和性能的前提下，系統應具有良好的性價比。（4）開放性和可擴展性系統能夠支持不同廠商的產品，支持多種協議，并且符合國際標準及相關協議。除此之外，還應包括：子系統之間、子系統對主系統以及系統對外部的開放。以便在對系統進行升級改造時，不僅可以保護原有資源，還可以降低系統維護、升級的復雜性以及提高效率。（5）易維護性元器件和部件應盡可能采用通用、成熟產品，使系統易于維護。三、電子系統設計步驟1.調查研究：明確設計任務和要求，確定系統功能指標，了解設計關鍵，完成系統功能示意框圖。簡言之，就是必須明確做什么，做到什么程度。2.方案選擇和可行性論證要求綜合應用所學知識，同時查閱有關參考資料；要敢于創新，敢于采用新技術，不斷完善所提的方案；應提出幾種方案，對它們進行可行性論證，從完成的功能、性能和技術指標的程度、經濟性、先進性以及進度等方面進行比較，最后選擇一個較好的方案。首先，進行系統功能劃分。把系統所要實現的功能分配給若干個單元電路，畫出能表示各單元電路功能的整機原理框圖。然后，進行方案比較和可行性論證。最后，確定總體方案。3.單元電路設計、參數選擇和元器件選擇對各單元電路可能的組成形式進行分析、比較，在確定了單元電路后，就可選擇元器件。根據某種原則或已確定好的單元電路部分元件的參數，可以計算其余器件參數和電路參數。4.組裝與調試設計結果的正確性需要驗證，需要用儀器進行測試。這樣可以發現問題并及時修改，直到所要求的功能和性能指標完全符合要求。5.編寫設計文檔與總結報告（1）設計文檔的編寫

系統的設計要求與技術指標的確定

方案選擇與可行性論證

單元電路設計、參數選擇和元器件選擇

參考資料和文獻（2）總結報告的撰寫

設計工作的進程記錄

原始設計修改部分的說明

實際電路原理圖、程序清單等

功能與指標測試結果（注明所使用的儀器型號與規格）

系統的操作使用說明

存在的問題及改進措施等四、數字系統設計數字系統是一個完成一系列復雜操作的邏輯單元。它可以是一臺數字計算機、一個自動控制系統、一個數據采集系統或者是日常生活中用的電子秤，也可以是大系統中的子系統。1.數字系統組成

數據子系統控制子系統數據輸入數據輸出控制與條件信號時鐘外部控制信號數據子系統主要完成數據的采集、存儲、運算和傳輸，主要由存儲器、運算器、數據選擇器等部件組成。控制子系統是執行算法的核心，具有記憶功能，是時序系統。2.數字系統設計步驟明確設計要求：將設計要求分解成條目，每一條都應是無二義的。明確設計系統的邏輯功能及性能指標，畫出簡單框圖。確定系統方案：用方框圖、流程圖或描述語言描述系統方案，畫出系統方框圖、流程圖或算法，如需要畫出時序圖。數據子系統設計：根據系統方案，選擇合適的器件構成數據子系統原理圖。根據設計要求對原理圖進行時序設計。控制子系統設計：按照規則及要求選擇電路構成控制子系統，必要時進行時序設計。設計方法：在整個設計過程中應盡可能多地利用EDA軟件，及時地進行邏輯仿真、優化，以保證設計工作優質快速地完成。3.數字系統設計舉例設計要求：完成一個十字路口交通燈控制系統的設計。（1）明確設計要求進一步明確十字路口車輛行駛的規則如何？道路多寬？允許幾車道行駛？控制燈有幾種？通行和禁止的時間是多少？是否需要顯示時間？有否有行人穿行指示？有無連網要求？明確以上問題，將設計要求具體化，也就明確了設計系統的邏輯功能。①雙向六車道，只有汽車沒有自行車行駛。車輛直行時不允許車輛左拐，允許右拐。另設左拐時間。②車輛控制燈有直行（↑）、左拐（←）和右拐（→）三個綠燈、黃燈以及紅燈。③車輛通行時間為40秒，由各方向設置的倒計時顯示器顯示，向司機提示剩余時間。黃燈持續時間2秒。④行人過馬路需提出申請，且只在車輛直行時才響應行人的請求，行人在申請得到響應后方可穿越，穿越時間為60秒。⑤警察有權隨時指定系統停在某個狀態，確保某個方向的車輛暢通。⑥暫不考慮連網要求。控制器定時器行人請求指示燈警察控制秒脈沖發生器（2）確定系統方案確定系統方案就是找出實現上述設計要求的方法。在確定系統方案的過程中應有意識的把系統分為控制子系統和數據子系統兩部分。先畫出簡單的流程圖，再將簡單的流程圖逐步細化為描述系統操作的詳細流程圖。由于設計要求中規定車輛直行時不允許各路車輛左拐通行，須另設左拐時間。因此可以設置以下四種車輛通行方式：①南北向的直行和各路右拐；②南北向的左拐和各路右拐；③東西向直行和各路右拐；④東西向的左拐和各路右拐。行人請求及警察控制可以認為是上述四個狀態轉換時產生的條件分支，由控制器接受請求并判斷是否響應。由于警察控制的優先級最高，所以流程圖中應首先判斷警察的控制。行人請求只能在車輛直行時響應，車輛左拐時不允許響應行人請求。（3）畫出工作流程圖（略）

五、模擬系統設計

多數電子系統一般都同時使用數字和模擬兩類技術，兩者互為補充，發揮各自優勢。但對一個具體應用系統而言，使用技術的側重點有所不同，有的以數字為主，有的以模擬為主。假設一個電子系統對獲得的模擬信號不需要作復雜處理，也不作遠距離傳送，最后的執行機構也用模擬信號驅動，在這樣的系統中用模擬技術處理比較合理。1.模擬系統特點與數字電子系統相比，模擬電子系統有以下一些特點。（1）工作在模擬領域中單元電路的種類多。例如，各種傳感器電路、電源電路、放大電路、音響電路、視頻電路，性能各異的振蕩、調制、解調等。（2）要求電路實現規定的功能，更要達到規定的指標。模擬電路一般要求工作在線性狀態，因此電路的工作點選擇、工作點的穩定，運行范圍的線性程度，單元之間的耦合等都很重要。（3）系統的輸入單元與信號源之間的匹配、系統的輸出單元與負載（執行機構）之間匹配。模擬系統的輸入單元要考慮輸入阻抗匹配，提高信噪比，抑制各種干擾和噪聲。輸出單元與負載的匹配，且輸出最大功率和提高效率等。（4）調試電路的難度。一般來說模擬系統的調試難度要大于數字系統的調試難度，特別是對于高頻系統或高精度的微弱信號系統難度更大。這類系統中的元器件布置、連線、接地、供電、去耦等對性能指標影響很大。要想完成模擬系統的設計，除了設計正確外，設計人員具備細致的工作作風和豐富的實際工作經驗顯得非常重要。（5）人工設計在模擬系統設計中仍起著重要的作用。當前電子系統設計工作的自動化發展很快，但主要在數字領域，而模擬系統的自動化設計進展比較緩慢。2.模擬系統設計步驟總體方案設計：對系統功能、性能、體積、成本等多方面作權衡比較，確定方案。有分立器件、功能級集成電路、系統級集成電路，直至ASIC電路，它們都可能適用系統設計。劃分功能塊，設計總框圖：根據系統功能、總體指標，按信號流向劃分功能塊。應考慮指標分配、裝配連接合理性等因素。功能電路設計：根據各功能電路的功能和指標，完成功能電路的設計。設計功能電路時應首選集成電路，計算該集成電路外部電路的參數。例如，擴音系統的設計。可劃分成前置放大器、音調控制放大器和功率放大器。前置放大器完成對輸入信號的匹配，頻率特性均衡；音調控制放大器完成音調的調節；功率放大器完成功率輸出。在功能塊設計時，應將擴音系統總增益分配到各單元增益設計中。例如，數據采集系統的前向通道設計。通常劃分為輸入放大器、濾波器、取樣／保持電路、多路模擬開關、A／D轉換器等，每個功能塊是根據每個單元完成一個特定功能劃分。在采集系統的前向通道設計中，要把總誤差合理地分配到各功能塊。系統原理圖設計：系統原理圖的設計需要解決兩個方面的問題，單元電路之間的耦合和整體電路的配合。設計印刷電路板布線圖，考慮測試方案，設置測試點：由于模擬系統的特殊性，元件布置和印刷電路板布線顯得更為重要。例如，有用輸入信號很小，小到微伏級，且各單元電路大都處于線性工作狀態，對干擾的影響極為敏感。最終設計的模擬系統能否達到預期要求，要經過調試和測量才能得出。模擬系統設計與數字系統設計有很大差別：①模擬系統自動化設計工具少，器件種類多，實際因素影響大，其人工設計成分比數字系統大的多，對設計者的知識面和經驗要求高。②由于客觀環境的影響，模擬電路、特別是小信號、高精度電路以及高頻、高速電路的實現遠不可能單由理論設計解決。它們與實際環境、元器件性能、電路結構等有著密切關系。因此在設計模擬系統時，不單單是設計電路，還要選用正確的元器件，設計實現電路結構，如印刷板設計，才能達到設計要求。3.基本單元模擬電路（1）放大器集成運算放大器、數據放大器、可編程數據放大器、隔離放大器等（2）濾波器有源濾波器、無源濾波器、高通濾波器、低通濾波器、LC濾波器、螺旋濾波器、聲表面波濾波器等（3）接口電路A/D轉換器、D/A轉換器、采樣保持電路、傳感器電路、穩壓電源等（4）電源電路模擬線性穩壓電源、數控穩壓電源、數控穩流電源、開關穩壓電源等（5）波形發生與變換電路波形發生電路：正弦波振蕩電路、非正弦波振蕩電路、石英晶體振蕩電路波形變換電路：正弦波變方波、方波變三角波、三角波變方波、三角波變正弦波、三角波變鋸齒波等4.模擬系統設計舉例（1）設計任務設計一個輸出電壓可調的數控直流電壓源，數碼管顯示輸出值。具體要求如下：①輸出電壓2～20V之間，調節單位為0.1V；②電壓穩定度（△VO/V）小于0.2％，紋波電壓小于10mV；③輸出電流1A；④輸出電壓值由數碼管顯示，設置“＋”、“—”鍵分別控制輸出電壓步進增減；⑤電源應具有輸出短路保護和功率器件的過熱保護功能。（2）方案論證方案一：根據任務要求，要求實現輸出電壓的數字控制和數字顯示，考慮利用數模轉換器（DAC）和邏輯電路控制常用的線性穩壓電源。整流濾波電路調整管保護電路顯示單元誤差放大邏輯控制DAC輸出邏輯控制部分若采用中小規模器件實現，繁瑣而且對可靠性及抗干擾能力會帶來一些影響。邏輯控制電路可以采用單片機，便于系統的功能擴展。方案二：DAC可以很方便地實現程控電源的基本功能，DAC輸入的數字量可以由撥盤開關設定或用單片機控制。可加功率放大電路，滿足系統要求。方案二的輸出部分不再用傳統的調整管。由于功放輸出的波形與DAC輸出波形相同，因此該系統可以很容易地實現具有功率輸出的信號發生器。顯示單元功率放大數字量控制DAC輸出方案三：設計任務中提出的輸出電壓、電流值不大，輸出電壓可調范圍不寬，因此直接選用集成三端穩壓器，這類芯片內部都有過流和過熱的保護電路。例如W117，額定電流可達1.5A，輸出電壓的調節范圍為1.2～37V，內部有過熱和過流保護電路。所以采用這種芯片為主體組成所要求的系統比較合理。六、微機系統設計1.微機系統組成

以微機系統為核心，以人機通道、前向通道、后向通道和相互通道為橋梁，完成對被控對象的測控任務。微機主要是由CPU、ROM和RAM等部分組成，是微機的主要組成部分。微型計算機接口接口其他微機系統外部設備外部設備接口相互通道人機通道后向通道前向通道人機通道一側的外部設備包括打印機、顯示器、鍵盤以及軟、硬盤等。右側信號形式有模擬量、數字量、開關量和脈沖量，這四種形式的信號有輸入信號也有輸出信號。由模擬量傳感器、數字量傳感器、開關量傳感器和脈沖量傳感器以及相應的接口組成輸入通道，也稱為前向通道。輸出通道產生相應的控制量：模擬量輸出、數字量輸出、開關量輸出和脈沖量輸出，輸出通道也被稱為后向通道。在較大規模的測控系統中，各微型計算機之間實現相互之間的通信與控制，其通道接口被稱為相互通道。2003年簡易智能電動車（E題）設計任務：設計并制作一個簡單智能電動車，在涂有5cm寬黑色邊線、2cm寬黑色引導線的白紙鋪成的跑道上行駛。跑道示意圖：設計要求：設計并制作一個簡單智能電動車，在涂有5cm寬黑色邊線、2cm寬黑色引導線的白紙鋪成的跑道上行駛。1、基本要求（40分）

（1）車從起跑線出發（車體不超起跑線），沿引導線到達B點。在“直道區”鋪設的白紙下沿引導線埋有1~3塊寬度為15cm、長度不等的薄鐵片。檢測到薄鐵片時需立即發出聲光指示信息，并實時存儲、顯示在“直道區”檢測到的薄鐵片數目。（15分）（2）車到達B點以后進入“彎道區”，沿圓弧線到C點（也可脫離圓弧線到達C點）。C點下埋有邊長為15cm的正方形薄鐵片，要求電動車到達C點檢測到薄鐵片后在C點處停車5秒，停車期間發出斷續的聲光信息。（17分）（3）車在光源的引導下，通過障礙區進入停車區并到達車庫。車必須在兩個障礙物之間通過且不得與其接觸。（8分）（4）電動車完成上述任務后應立即停車，全程行駛時間不能大于90秒，行駛時間達到90秒時必須立即自動停車。2、發揮部分(10分)（1）電動車在“直道區”行駛過程中，存儲并顯示每個薄鐵片（中心線）至起跑線間的距離。（2）電動車進入停車區域后，能進一步準確駛入車庫中，要求電動車的車身完全進入車庫。（3）停車后，能準確顯示電動車全程行駛時間。（4）其它。設計方案論證：單片機選擇：89C51為控制核心，價格低、使用簡單、運算速度低、功能單一、如擴展功能需外擴芯片。SPCE061A為控制核心，資源豐富、指令周期短、工作速度快、功耗低、電壓低、可編程語音處理，在線下載。電機驅動模塊：步進電機，精確調速、控制較復雜、價格不菲。數字電位器調整電動機控制電壓，達到調速目的，價格貴。用大功率管構成PWM和H型電機電路，速度快、正反向控制方便。路面黑線探索模塊：采用一組探測頭對路面信息進行控制。車速及路程計算模塊：采用斷續式光電開關，在車輪上均勻分布遮光條，車輪轉動產生脈沖。躲避障礙物模塊：采用超聲波測距