電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例.ppt

1、所謂智能型電子系統(tǒng)，是指具有一定智能行為的系統(tǒng)。具體地說，若對于一個(gè)問題的激勵(lì)輸入，系統(tǒng)能夠產(chǎn)生適合求解問題的響應(yīng)，這樣的系統(tǒng)稱為智能系統(tǒng)； 以上雖然給出了智能系統(tǒng)的定義，但沒有提出一個(gè)明確的界限，規(guī)定什么樣的系統(tǒng)才算是智能系統(tǒng)。事實(shí)上，即使是智能系統(tǒng)，其智能程度也有高低； 一般認(rèn)為，一個(gè)智能型電子系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)采集、處理、判斷、分析和控制輸出的能力，在智能化程度較高的電子系統(tǒng)中，還應(yīng)該具備預(yù)測、自診斷、自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)控制功能； 以微處理器為核心的電子系統(tǒng)，可以很容易地將計(jì)算技術(shù)與實(shí)用技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的“智能型電子系統(tǒng)”。,第五章 智能電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)示例,5.1 概述,5.2

2、智能電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與過程,智能電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程應(yīng)包括總體論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟、硬件開發(fā)、聯(lián)機(jī)調(diào)試和產(chǎn)品定型等幾個(gè)步驟。,設(shè)計(jì)過程,智能電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含對系統(tǒng)硬件和軟件的綜合設(shè)計(jì)； 一個(gè)科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，一般都具有以下的內(nèi)容和步驟：總體論證、系統(tǒng)功能劃分、指標(biāo)分配與框圖構(gòu)成。,設(shè)計(jì)方法,總體論證,總體論證包括系統(tǒng)性能指標(biāo)的論證和系統(tǒng)組成的論證兩個(gè)方面； 總體論證的方法是通過大量的調(diào)查研究，對系統(tǒng)具有的功能、性能指標(biāo)以及可能的組成方案進(jìn)行綜合考慮； 經(jīng)過總體論證之后得到的系統(tǒng)總體方案應(yīng)能解決以下問題： 了解國內(nèi)外相似產(chǎn)品的開發(fā)水平、器材設(shè)備技術(shù)水平和供應(yīng)狀態(tài)。對所接受委托項(xiàng)目，還應(yīng)充分了解對方技

3、術(shù)要求、環(huán)境狀況、技術(shù)水平，明確設(shè)計(jì)內(nèi)容； 了解可移植的軟、硬件技術(shù)。能移植的盡量移植，以防大量的低水平重復(fù)勞動(dòng)； 摸清軟、硬件技術(shù)難度，明確技術(shù)主攻方向。,系統(tǒng)功能劃分,一個(gè)智能電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，既有硬件設(shè)計(jì)任務(wù)，也有軟件設(shè)計(jì)任務(wù)。系統(tǒng)功能的劃分既包括應(yīng)用系統(tǒng)的軟、硬件劃分，也包括軟、硬件系統(tǒng)內(nèi)各模塊之間的功能劃分； 智能型電子系統(tǒng)的硬件與軟件之間有密切的相互制約的聯(lián)系，硬件和軟件具有一定的互換性； 由硬件來完成一些功能可以提高工作速度，減少軟件工作量；由軟件來完成某些功能，可降低硬件成本、簡化電路，提高系統(tǒng)可靠性； 可根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行速度、成本、可靠性和研制周期等要求來確定軟、硬件功能的劃分。

4、,根據(jù)運(yùn)行速度要求,在絕大多數(shù)智能電子系統(tǒng)中，劃分軟、硬件功能往往是由系統(tǒng)的運(yùn)行速度決定； 例如，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率一般在612MHz左右，執(zhí)行一條指令至少需要1s，而完成任何一項(xiàng)工作需要若干條指令，因此比數(shù)字邏輯電路(無論是組合電路還是時(shí)序電路)都慢得多； 如果某一任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間要求少于10s，就必須采用硬件電路實(shí)現(xiàn)。否則，如采用確能完成此項(xiàng)任務(wù)的高速微處理器系統(tǒng)，則會(huì)造成浪費(fèi)。,根據(jù)成本要求,智能電子系統(tǒng)研制費(fèi)用包括硬件和軟件費(fèi)用，軟件的費(fèi)用不僅是設(shè)計(jì)師所花費(fèi)的腦力勞動(dòng)，還有各種調(diào)試工具、消耗品的費(fèi)用； 軟件費(fèi)用的特點(diǎn)是研制費(fèi)用昂貴，復(fù)制費(fèi)用低廉； 在批量生產(chǎn)的產(chǎn)品研制中，應(yīng)盡可能利用軟件代

5、替硬件，降低成本； 小批量或單件產(chǎn)品不宜采用軟件代替硬件辦法，這會(huì)增加軟件研制費(fèi)用； 直接利用已成熟原理或軟件來替代硬件不受此限。,根據(jù)可靠性要求,硬件線路越復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性就越差； 采用軟件替代硬件功能，是提高可靠性的一個(gè)好辦法； 在一些特殊場合，如軍用及各種惡劣環(huán)境中，往往采用硬件冗余線路來提高系統(tǒng)可靠性。,根據(jù)研制周期要求,為了加快智能型電子系統(tǒng)的研制速度，應(yīng)盡量考慮采用各種標(biāo)準(zhǔn)軟硬件或利用已有成熟的軟硬件來完成系統(tǒng)的功能，而不必拘泥于前面所述細(xì)節(jié)。,指標(biāo)分配與框圖構(gòu)成,針對總體方案所提出的任務(wù)、要求和條件，就可以用具有一定功能的若干單元方框圖構(gòu)成一個(gè)總方框圖，并將系統(tǒng)的性能指標(biāo)分配到各

6、單元方框中去； 對于較粗的方框還可以作進(jìn)一步分解，直到每一個(gè)子方框至少可用一個(gè)能滿足其功能的方案去實(shí)現(xiàn)為止； 將每個(gè)方案的可行性和優(yōu)缺點(diǎn)逐一進(jìn)行分析，再加以比較、優(yōu)化篩選，就可得到較理想的系統(tǒng)方案。,5.3 智能電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)示例,設(shè)計(jì)一個(gè)水溫控制系統(tǒng)。,設(shè)計(jì)任務(wù)與要求,設(shè)計(jì)任務(wù),一升水由1kW的電爐加熱，要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。,基本要求,主要性能指標(biāo),溫度設(shè)定范圍：4090，最小區(qū)分度為1； 控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差1； 用十進(jìn)制數(shù)碼顯示實(shí)際水溫； 能打印實(shí)測水溫值。,擴(kuò)展功能,具有通信能力，可接收其他數(shù)據(jù)設(shè)備發(fā)來的

7、命令，或?qū)⒔Y(jié)果傳送到其他數(shù)據(jù)設(shè)備； 采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度或環(huán)境溫度突變時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量； 溫度控制的靜態(tài)誤差0.2； 能自動(dòng)顯示水溫隨時(shí)間變化的曲線。,總體論證,控制方法選擇,水溫控制系統(tǒng)的控制對象具有熱儲(chǔ)存能力大，慣性也較大的特點(diǎn)，水在容器內(nèi)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，因而可以歸于具有純滯后的一階大慣性環(huán)節(jié)； 對于大慣性系統(tǒng)的過渡過程控制，一般可采用以下幾種控制方案：,開關(guān)量控制,這種方法通過比較給定值與被控參數(shù)的偏差來控制輸出的狀態(tài)：開通或關(guān)斷，因此控制過程十分簡單，也容易實(shí)現(xiàn)； 但由于輸出控制量只有兩種狀態(tài)，使被控參數(shù)在兩個(gè)方向上變化的速率均為最大，因此容易

8、引起反饋回路振蕩，控制精度不高； 這種控制方案一般在大慣性系統(tǒng)對控制精度和動(dòng)態(tài)特性要求不高的情況下采用。,比例控制(P控制),比例控制的輸出與偏差成比例關(guān)系； 當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，過渡過程時(shí)間短，但過程終了存在余差； 適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、允許被控量在一定范圍內(nèi)變化的系統(tǒng)。,比例積分控制(PI控制),控制器的輸出與偏差的積分成比例，積分的作用使過渡過程結(jié)束時(shí)無余差，但降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性； PI控制適用于滯后較小，負(fù)荷變化不大，被控量不允許有余差的控制系統(tǒng)。,比例積分加微分控制(PID控制),微分的作用使控制器的輸出與偏差變化的速度成比例，它對克服對象的容量滯后有顯著的效

9、果； 在比例基礎(chǔ)上加入微分作用，使穩(wěn)定性提高，再加上積分作用，可以消除余差； PID控制適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求又很高的控制系統(tǒng)。,方案選擇,結(jié)合本例題設(shè)計(jì)任務(wù)與要求，由于水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對控制品質(zhì)的要求； 但從以上對控制方法的分析來看，PID控制方法最適合本例采用： 一方面，由于可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過程，無論哪一種控制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案； 另一方面，采用PID的控制方式可以最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求。,就控制器本身而言，

10、控制電路可以采用經(jīng)典控制理論和常規(guī)模擬控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，也可以采用以單片機(jī)為核心的智能電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)控制； 單片機(jī)的使用也為實(shí)現(xiàn)水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)界面及多機(jī)通訊接口提供了可能，而這些功能在常規(guī)數(shù)字邏輯電路中往往是難以實(shí)現(xiàn)或無法實(shí)現(xiàn)的； 所以本例將采用以單片機(jī)為核心的直接數(shù)字控制系統(tǒng)。,系統(tǒng)組成,系統(tǒng)設(shè)計(jì),軟、硬件功能劃分,在絕大多數(shù)單片機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)功能的軟、硬件劃分往往是由系統(tǒng)對控制速度的要求決定的，在沒有速度限制的情況下可以考慮以軟件換取硬件電路的簡化，以求降低硬件成本。,速度估算,Q=mCT=1000g1kcal/gK1K=1000kcal 又W=Pt=4.186Q

11、t=4.186Q/P4.186J/kcal1000kcal/1000W=4.186s 由此可見，對于指令執(zhí)行時(shí)間一般為幾個(gè)微秒的單片機(jī)系統(tǒng)來說，控制速度幾乎沒有任何限制。,軟、硬件功能劃分,為了簡化系統(tǒng)硬件、降低硬件成本、提高系統(tǒng)靈活性和可靠性，系統(tǒng)的軟、硬件功能可作如下劃分： PID運(yùn)算、輸入信號(hào)濾波及大部分控制過程都可由軟件來完成； 硬件的主要功能是溫度信號(hào)的傳感、放大、A/D轉(zhuǎn)換及輸出信號(hào)的功率放大； 人機(jī)通道功能由系統(tǒng)軟、硬件配合完成，以降低軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及縮短系統(tǒng)的研制周期。,根據(jù)系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)由單片機(jī)基本系統(tǒng)、前向通道、后向通道和人機(jī)對話通道等4個(gè)主要的功能模塊組成，總體框圖

12、如圖所示。,總體框圖,單片機(jī)基本系統(tǒng),單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心； 由于系統(tǒng)對控制速度、精度及功能要求都無特別之處，因此可以選用目前廣泛使用的MCS51系列單片機(jī)8031； 8031可以提供系統(tǒng)控制所需的I/O口、中斷、定時(shí)及存放中間結(jié)果的RAM電路； 由于8031片內(nèi)沒有程序存儲(chǔ)器，因此單片機(jī)基本系統(tǒng)中除了應(yīng)包括復(fù)位電路和晶振電路以外，還應(yīng)擴(kuò)充程序存儲(chǔ)器。,前向通道,前向通道是信息采集的通道，主要包括傳感器、信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換等電路； 由于水溫變化是一個(gè)相對緩慢的過程，因此前向通道中沒有使用采樣保持電路； 信號(hào)的濾波可由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件、降低硬件成本。,后向通道,后向通道是實(shí)現(xiàn)控制

13、信號(hào)輸出的通道； 單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)功率放大電路放大控制電爐的輸入功率，以實(shí)現(xiàn)控制水溫的目的。,人機(jī)對話通道,人機(jī)對話通道主要由鍵盤、LED顯示和打印機(jī)組成； 為了滿足功能要求，鍵盤可由10個(gè)數(shù)字鍵及6個(gè)功能鍵組成(確認(rèn)、取消、設(shè)定溫度、修改PID參數(shù)、運(yùn)行、打印)； LED顯示由雙3位數(shù)碼管組成，分別顯示給定溫度和實(shí)測溫度，顯示范圍為0.099.9； 打印功能由微型打印機(jī)完成。,單元電路設(shè)計(jì),單片機(jī)基本系統(tǒng),如圖所示單片機(jī)基本系統(tǒng)是一個(gè)8031最小系統(tǒng)； 為滿足控制程序及浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算程序庫的存放要求，并適當(dāng)留有余地以便進(jìn)一步擴(kuò)展功能，因此選用了容量較大的存儲(chǔ)芯片27256； 由于803

14、1內(nèi)部已集成了I/O口、中斷、定時(shí)器和RAM，且可以滿足應(yīng)用需要，因此可不必再擴(kuò)充相關(guān)芯片。,前向通道,前向通道組成如圖所示，水溫經(jīng)溫度傳感器和信號(hào)放大電路產(chǎn)生05V的模擬電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過系統(tǒng)總線送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理； 前向通道設(shè)計(jì)包含以下幾方面內(nèi)容：,傳感器選擇,溫度傳感器的種類較多。熱電偶的靈敏度較低；熱敏電阻由于非線性而影響其精度；鉑電阻溫度傳感器由于成本高，在一般小系統(tǒng)中很少使用； AD590是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的二端式集成溫度電流傳感器，具有體積小、重量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)； 它的測溫范圍為5

15、0150，滿刻度范圍誤差為0.3，當(dāng)電源電壓在510V之間，穩(wěn)定度為1%時(shí)，誤差只有0.01，完全適用于本例對水溫測量的要求； AD590是溫度電流傳感器，對于提高系統(tǒng)抗干擾能力也有很大幫助，因此本例選用AD590作為溫度傳感器。,信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大電路,AD581提供10V標(biāo)準(zhǔn)電壓，它與運(yùn)算放大器OP07和電阻R1、VR1，R2、VR2組成信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大電路，將3595溫度轉(zhuǎn)換為05V的電壓信號(hào)； 查手冊可知AD590在35和95時(shí)輸出電流分別為308.2A和368.2A，因此R1、VR1，R2、VR2阻值可按下式計(jì)算： R1+VR1=10V/308.2A=32.4k，取R1=30k，VR1=5

16、k； R2+VR2=5V/(368.2308.2)A=83.3k，取R2=81k，VR2=5k。,Vo -Rf Ii,A/D轉(zhuǎn)換器,按精度要求，則系統(tǒng)的控制總誤差應(yīng)不大于1/(95-35)100%=1.67%，分配到前向通道的信號(hào)采集總誤差應(yīng)為0.83%，可以采用8位A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)； 由于水溫變化相對緩慢，因此前向通道中沒有使用采樣保持電路，A/D轉(zhuǎn)換器可以采用價(jià)格低廉的8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804，該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度為100s，轉(zhuǎn)換精度為0.39%，對應(yīng)誤差為0.234； ADC0804的信號(hào)連接如圖所示。其中，CLK-R和CLK-IN兩端外接一對電阻、電容，即可產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換所

17、需要的時(shí)鐘信號(hào)。,后向通道,為了實(shí)現(xiàn)水溫的PID控制，功率放大電路的輸出不能是一個(gè)簡單的開關(guān)量，輸入電爐的加熱功率必須連續(xù)可調(diào)； 改變輸入電爐的電壓平均值就可改變電爐的輸入功率，而較簡單的調(diào)壓方法有相位控制調(diào)壓和通斷控制調(diào)壓法； 采用通斷控制調(diào)壓法不僅使輸出通道省去了D/A轉(zhuǎn)換器和可控硅移相觸發(fā)電路，大大簡化了系統(tǒng)硬件，而且可控硅工作在過零觸發(fā)狀態(tài)，提高了設(shè)備的功率因數(shù)，也減輕了對電網(wǎng)的干擾。,控制精度,由于通斷控制調(diào)壓法使加在負(fù)載上的電壓為幾個(gè)連續(xù)的半周，因而必須考慮最小輸入功率對控制誤差的影響： t=4.186s T=10ms/4.186s10.00239 可見，用通斷控制調(diào)壓法控制電爐的

18、輸入功率可以滿足系統(tǒng)對后向通道控制精度的要求。,器件選擇,MOC3041是耐壓為400V的光電耦合器，它的輸出級(jí)由過零觸發(fā)的雙向可控硅構(gòu)成，它控制著主電路雙向可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷； 雙向可控硅工作電壓峰值VP=2201.414=311(V)，工作電流峰值IP=1000/2201.414=6.43(A)，因此，可選用BTA12600，該器件可承受的最大反向電壓為600V，最大工作電流為12A； 100電阻與0.01F電容組成雙向可控硅的保護(hù)電路。,人機(jī)對話通,按系統(tǒng)功能要求，可以設(shè)想系統(tǒng)控制面板布置如圖：,控制面板布置,人機(jī)對話通道主要由行列式鍵盤、LED顯示器和GP16微型打印機(jī)組成：,后向通道組成,鍵盤的掃描輸入和顯示器的掃描輸出采用了可編程鍵盤、顯示接口芯片8279，由8279負(fù)責(zé)鍵盤的掃描、消抖處理和顯示輸出工作，大大減輕了CPU在掃描鍵盤或刷新顯示時(shí)的負(fù)擔(dān)，也簡化了應(yīng)用軟件的編寫； 8279鍵盤被設(shè)計(jì)為28行列，掃描線由SL0SL2經(jīng)譯碼輸出，接入鍵盤列線；查詢線由RL0RL1提供，接入鍵盤行線； 顯示器配置為23位LED顯示，位選線由SL0SL2經(jīng)譯碼和 7406驅(qū)動(dòng)器獲得，段選線由B0B3，A0A3通過9012驅(qū)動(dòng)提供； GP16微型打印機(jī)也通過總線與單片機(jī)相連。,系統(tǒng)改進(jìn)措施與功能擴(kuò)展,增加通信功能,利用單片機(jī)片內(nèi)串行口外加邏輯電平轉(zhuǎn)換電路組成RS232C