1.4 现代电子系统设计方法在线视频

下面我们讲第一章第四节

现代电子系统设计方法

当我们要设计一个电子系统的时候

它的任务一般来说还是比较复杂的

有的时候

甚至具有一定的难度和挑战

那么怎么样去

让电子系统的设计变得简单一些呢

如果我们把设计电子系统的方法

总结为一些流程和步骤

那这样的话呢

可以使得电子系统的设计简化一些

这里我们就将

电子系统设计的方法

总结为八个步骤

当我们要设计电子系统的时候

首先第一个就是要进行需求分析

也就是要了解这个电子系统

到底要做什么样的功能

达到什么样的性能

有什么样的要求等等

接下来第二步就是功能划分

了解了功能需求以后

接下来就要针对电子系统的设计和实现

去将具体的功能划分为

一个一个电子系统

可能能够实现的功能

第三步是软硬件功能划分

知道了功能以后

那么我们实现的时候

有的可能需要用硬件去实现

而有的可能需要去用软件实现

因此第三步就是要把这些功能

分配到用硬件去实现

还是软件去实现

第四步就是方案设计

已经知道了硬件和软件的功能以后

那么对于硬件和软件

我们就要分别去选择它的电路

去实现或者是去设计它的流程图

第五步就是软硬件详细设计

已经知道硬件的电路了

那么可以设计电路的详细的内容

选择元器件

然后选择参数

对于软件来讲

就可以开始编写程序了

第六软硬件单独仿真和验证

对于硬件已经设计完原理图以后

就可以搭建电路去进行验证和测试

而软件编完程序以后就可以

到计算机上面连接这个硬件的电路

可以来测试和仿真

第七步就是软硬件联合验证

到这儿呢

就可以把硬件和软件联合起来

来验证系统的功能和性能

最后一步就是系统制作

验证完成以后

就可以画电路板

然后再进一步的验证完成系统的制作

下面我们就对这些步骤

进行详细的分析

由于这个设计的过程呢

是从需求开始一步一步去设计

也就是说我们在设计的时候

是由总到分去设计的

所以这种设计方法

我们也叫自顶向下的设计方法

首先看第一个需求分析

需求分析就是要分析电子系统的电源

输入输出信息 功能 性能 功耗 工作温度

体积的要求 成本的要求

完成时间和周期的要求

以及其它的一些约束条件

比如说电源

是单电源还是双电源

它的电压和电流的范围是多少

输入输出信息

那么输入是模拟信号

还是数字信号

还是数据的文件

如果是模拟信号

你要知道它的幅值和频率范围

信号的种类 通道的数量等等

如果是数字信号

你要知道它是串行的还是并行的

它的位数是多少

如果是数据文件

你要知道它的格式是什么

功能

那么系统需要完成的任务是什么

例如是要完成一个超限报警

还是工业数据测量

或者是设备控制

网络通信 亦或是图像显示等等

性能 那就是信号处理的精度

速度 带宽 增益等等的一些要求

要搞清楚

功耗 就是系统静态和动态

所允许的最大的功耗是多少

工作温度的范围

就是正常工作的时候

它的温度的范围

是需要工作在高温

还是低温还是常温

那下面我们就

以声波测井信号采集和处理系统为例

首先这个系统

它的电源供电电源是±5伏

每个+5伏或者-5伏

要求小于300毫安的电流

输入信号是32路的

2毫伏到200毫伏的声波信号

它的频率是0~23k赫兹

输出信号是16位以上的

串行数字信号

那么它的功能要求

进行数据采集和数据传送

具体来讲就是将模拟声波信号

处理成串行的数字输出信号

之后通过通信线缆将测量数据

传送到地面的计算机

它的性能

就是模拟信号处理的精度为0.5毫伏

每次采集的时间要小于50毫秒

它的增益要大于20倍小于2000倍

这是根据它的输入信号的范围来确定的

当信号小的时候

要用大的放大倍数

信号大的时候用小的放大倍数

它的功耗要求是静态和动态

都要小于2瓦

工作的温度的范围是-55到125摄氏度

所以会有高一些的温度

第二就是功能划分

要将整体的功能划分为子功能

例如模拟信号处理的功能

数字信号处理或者数据转换的功能

还有测量计算

控制通信显示等等这些功能

还是以这个系统为例

那么我们前面已经了解了

它的功能的需求以后

我们可以将它的功能划分为

模拟信号的放大

因为它首先要处理的是模拟信号

那首先要对它进行放大

而且还要进行滤波

另外它的放大倍数呢

要进行一定的控制

所以有增益控制

另外它的模拟信号要转换为数字信号

所以有模数转换的功能

有数据采集的功能

有计算的功能

另外数据量比较大

还要进行数据的压缩

另外最后的通信

是通过CAN通信传给地面的计算机的

第三步就是软硬件功能划分

我们也称它为软硬件协同设计

那么有些功能是由硬件实现

而有些功能需要由软件实现

当然这个其中

有些功能可能既可以用硬件实现

也可以用软件实现

那这个时候

我们就要进行性能的评估和对比了

所以我们称它为软硬件协同设计

还是以这个系统为例

那么硬件实现的话呢

主要包括模拟信号的放大滤波

和增益控制

另外模数转换也是用硬件实现

还有就是CAN通信

用硬件收发器去实现

而软件实现的主要是数据采集

计算和数据的压缩

在这儿呢

有些以软件实现的功能

比如说数据压缩

其实它是可以用硬件实现的

也就是说可以去买一个

专门做数据压缩的集成电路芯片

就可以实现

那用硬件实现的好处就是

可能处理的速度会比较快

不好的地方就是要占用资源

因为你要买一个器件要用成本

另外在电路板上面设计的时候

它需要占据一个体积和面积

而用软件来实现呢

它的好处就是不用额外的成本

但是 它需要软件去实现的话

通常速度可能会慢一些

那这样就要根据系统

它对处理速度和时间的要求来进行

确定最后是用软件还是硬件实现

第四个就是方案设计

那接下来呢

就可以画硬件和软件的功能模块图

比如说软件的流程图 状态图

硬件的电路图等等

那具体到刚才的那个例子呢

你就可以画这个放大电路 滤波电路

以及模数转换电路的它的电路图

也可以画它的这个软件的流程图等等

第四步呢就是软硬件详细设计

那这时候呢

要对硬件元器件进行选型和测试

对它进行性能的评估和对比

因为在硬件选型的时候

有可能能够选择到多种硬件

那这个时候到底用哪一个

要进行评估和测试

软件工具的选择

然后最后进行软件的具体的编程

具体到刚才的这个例子里头

就是对于模拟信号的放大

我们可能要去选择运放

选择电路的电阻

到底选择什么样参数的电阻

什么样参数的运放

那是根据整体电子系统

对性能的要求去确定的

如果有两种以上的运放

都能满足要求

那么你要去对比它们的成本

它们的封装体积

看哪一个更合适

第六步

就是进行软硬件单独仿真和验证

这时候就要仿真和验证

硬件的每一个模块的功能

比如说硬件的放大滤波

它们的功能是不是达到要求

性能是不是达到了要求

比如说滤波的带宽

放大电路的放大倍数

是不是达到了要求

软件呢就是

你的计算还有就是数据压缩

它的功能是不是满足了

如果不满足的话呢

就需要修改方案和设计

直到满足为止

通常用的仿真软件呢

有其中Multisim Tina-TI Modelsim

和Protus

其中Multisim Tina-TI

主要用于模拟电路的仿真

而Modelsim

主要用于数字电路FPGA的仿真

Protus主要是用于微理器的一些仿真

最后就是软硬件联合验证

当上面的设计的硬件和软件模块

它的功能和性能都达到要求以后

你就可以把它们连接起来

一起来进行测试

看看整体的功能和性能

能不能达到要求

如果不能达到

则要修改方案和设计

一直到达到为止

如果验证通过了

那最后就可以制作系统

这时候要绘制和制作电路板

进一步的验证整体的功能和性能

如果不能达到要求

同样也要修改方案和设计

如果能够达到就可以了

那么电路板绘制的软件

主要有Altium designer OrCAD等

接下来讲一下

现代电子系统设计的原则

我们在设计电子系统的时候

有的时候可能会有多种方案

有的方案它简单

有的方案它价格低

有的方案它的性能高

有的方案实现起来很快

那么我们总是想把这些好的

这些性能和优点

集成到一个电子系统里

但是一般来讲是不可能做到的

于是我们就要对这些方面的性能

进行一个折衷

通常我们设计的原则呢

就是在满足性能和功能要求的时候

尽可能做到简单价廉和快速

这就是设计电子系统一个原则

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