您好、欢迎来到现金彩票网!
当前位置:现金扎金花 > 电子侦察 >

电子系统设计实例

发布时间:2019-07-23 12:52 来源:未知 编辑:admin

  电子系统设计实例_电子/电路_工程科技_专业资料。B R T 电子系统设计 第五章 5.1 智能电子系统设计示例 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

  B R T 电子系统设计 第五章 5.1 智能电子系统设计示例 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; ?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”。 B R T 电子系统设计 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 R T 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。 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; ? 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 R T 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; ? 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 R T 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。 B R T 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; ? 直接利用已成熟原理或软件来替代硬件不受此限。 B R T 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,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 R T 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。 B R T 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 基本要求 ? 设计一个水温控制系统。 2. ? 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 R T 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。 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 R T 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; ?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 R T 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 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; ?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。 y t ?比例控制(P控制) ?比例控制的输出与偏差成比例关系; y ?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、 允许被控量在一定范围内变化的系统。 t B R T 电子系统设计 ?比例积分控制(PI控制) ?控制器的输出与偏差的积分成比例,积分 的作用使过渡过程结束时无余差,但降低了 系统的稳定性; ?PI控制适用于滞后较小,负荷变化不大, 被控量不允许有余差的控制系统。 y t ?比例积分加微分控制(PID控制) ?微分的作用使控制器的输出与偏差变化的 速度成比例,它对克服对象的容量滞后有显 著的效果; y ?在比例基础上加入微分作用,使稳定性提 高,再加上积分作用,可以消除余差; ?PID控制适用于负荷变化大、容量滞后较大、 控制品质要求又很高的控制系统。 t B R T 电子系统设计 ?方案选择 ? 结合本例题设计任务与要求,由于水温系统的传递函数事 先难以精确获得,因而很难判断哪一种控制方法能够满足 系统对控制品质的要求; ? 但从以上对控制方法的分析来看,PID控制方法最适合本例 采用: ? 一方面,由于可以采用单片机实现控制过程,无论哪一种控制方法都不会 增加系统硬件成本,而只需对软件作相应改变即可实现不同的控制方案; ? 另一方面,采用PID的控制方式可以最大限度地满足系统对诸如控制精度、 调节时间和超调量等控制品质的要求。 B R T 电子系统设计 2. 系统组成 ?就控制器本身而言,控制电路可以采用经典控制理论和常规 模拟控制系统实现,也可以采用以单片机为核心的智能电子系 统实现水温的自动控制; ?单片机的使用也为实现水温的智能化控制以及提供完善的人 机界面及多机通讯接口提供了可能,而这些功能在常规数字逻 辑电路中往往是难以实现或无法实现的; ?所以本例将采用以单片机为核心的直接数字控制系统。 B R T 电子系统设计 三.系统设计 1. 软、硬件功能划分 ?在绝大多数单片机系统中,系统功能的软、硬件划分往往是 由系统对控制速度的要求决定的,在没有速度限制的情况下可 以考虑以软件换取硬件电路的简化,以求降低硬件成本。 ?速度估算 ∵ΔQ=mCΔT=1000g×1kcal/g?K×1K=1000kcal 又∵ΔW=P×Δt=4.186×ΔQ ∴Δt=4.186×ΔQ/P=4.186J/kcal×1000kcal/1000W=4.186s ?由此可见,对于指令执行时间一般为几个微秒的单片机系统 来说,控制速度几乎没有任何限制。 B R T 电子系统设计 ?软、硬件功能划分 ? 为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可 靠性,系统的软、硬件功能可作如下划分: ? PID运算、输入信号滤波及大部分控制过程都可由软件来完 成; ? 硬件的主要功能是温度信号的传感、放大、A/D转换及输出 信号的功率放大; ? 人机通道功能由系统软、硬件配合完成,以降低软件设计 的复杂性及缩短系统的研制周期。 B R T 电子系统设计 2. 总体框图 ?根据系统总体方案,系统由单片机基本系统、前向通道、后 向通道和人机对线个主要的功能模块组成,总体框图 如图所示。 B R T 电子系统设计 ?单片机基本系统 ? 单片机系统是整个控制系统的核心; ? 由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处,因此 可以选用目前广泛使用的MCS-51系列单片机8031; ? 8031可以提供系统控制所需的I/O口、中断、定时及存放中间 结果的RAM电路; ? 由于8031片内没有程序存储器,因此单片机基本系统中除了 应包括复位电路和晶振电路以外,还应扩充程序存储器。 ?前向通道 ? 前向通道是信息采集的通道,主要包括传感器、信号放大、 A/D转换等电路; ? 由于水温变化是一个相对缓慢的过程,因此前向通道中没有 使用采样保持电路; ? 信号的滤波可由软件实现,以简化硬件、降低硬件成本。 B R T 电子系统设计 ? 后向通道 ? 后向通道是实现控制信号输出的通道; ? 单片机系统产生的控制信号经功率放大电路放大控制电炉的 输入功率,以实现控制水温的目的。 ?人机对话通道 ? 人机对话通道主要由键盘、LED显示和打印机组成; ? 为了满足功能要求,键盘可由10个数字键及6个功能键组成 (确认、取消、设定温度、修改PID参数、运行、打印); ? LED显示由双3位数码管组成,分别显示给定温度和实测温度, 显示范围为0.0~99.9℃; ? 打印功能由微型打印机完成。 B R T 电子系统设计 四.单元电路设计 1. 单片机基本系统 ?如图所示单片机基本系统是一个8031最小系统; ?为满足控制程序及浮点数运算程序库的存放要求,并适当留有余 地以便进一步扩展功能,因此选用了容量较大的存储芯片27256; ?由于8031内部已集成了I/O口、中断、定时器和RAM,且可以满 足应用需要,因此可不必再扩充相关芯片。 B R T 电子系统设计 2. 前向通道 ?前向通道组成如图所示,水温经温度传感器和信号放大电路产生 0~5V的模拟电压信号送入A/D转换器的输入端,A/D转换器将模拟 量转换为数字量通过系统总线送入单片机进行运算处理; ?前向通道设计包含以下几方面内容: B R T 电子系统设计 ? 传感器选择 ? 温度传感器的种类较多。热电偶的灵敏度较低;热敏电阻 由于非线性而影响其精度;铂电阻温度传感器由于成本高, 在一般小系统中很少使用; ? AD590是美国Analog Devices公司生产的二端式集成温 度—电流传感器,具有体积小、重量轻、线性度好、性能 稳定等一系列优点; ? 它的测温范围为-50~+150℃,满刻度范围误差为 ±0.3℃,当电源电压在5~10V之间,稳定度为1%时, 误差只有±0.01℃,完全适用于本例对水温测量的要求; ? AD590是温度—电流传感器,对于提高系统抗干扰能力也 有很大帮助,因此本例选用AD590作为温度传感器。 B R T 电子系统设计 Rf Ii A Vo Vo= -Rf Ii ?信号转换与放大电路 ? AD581提供10V标准电压,它与运算放大器OP-07和电阻R1、 VR1,R2、VR2组成信号转换与放大电路,将35~95℃温度转换 为0~5V的电压信号; ? 查手册可知AD590在35℃和95℃时输出电流分别为308.2μA和 368.2μA,因此R1、VR1,R2、VR2阻值可按下式计算:? ? R1+VR1=10V/308.2μA=32.4kΩ,取R1=30kΩ,VR1=5kΩ; ? R2+VR2=5V/(368.2-308.2)μA=83.3kΩ,取R2=81kΩ,VR2=5kΩ。 B R T 电子系统设计 ? A/D转换器 ? 按精度要求,则系统的控制总误差应不大于1/(9535)×100%=1.67%,分配到前向通道的信号采集总误差应为 0.83%,可以采用8位A/D转换器实现; ? 由于水温变化相对缓慢,因此前向通道中没有使用采样保持电 路,A/D转换器可以采用价格低廉的8位逐次逼近型A/D转换器 ADC0804,该转换器转换速度为100μs,转换精度为0.39%, 对应误差为0.234℃; ? ADC0804的信号连接如图所示。其中,CLK-R和CLK-IN两端外 接一对电阻、电容,即可产生A/D转换所需要的时钟信号。 B R T 电子系统设计 3. 后向通道 ?为了实现水温的PID控制,功率放大电路的输出不能是一个简单 的开关量,输入电炉的加热功率必须连续可调; ?改变输入电炉的电压平均值就可改变电炉的输入功率,而较简单 的调压方法有相位控制调压和通断控制调压法; ?采用通断控制调压法不仅使输出通道省去了D/A转换器和可控硅 移相触发电路,大大简化了系统硬件,而且可控硅工作在过零触发 状态,提高了设备的功率因数,也减轻了对电网的干扰。 B R T 电子系统设计 ? 控制精度 ? 由于通断控制调压法使加在负载上的电压为几个连续的半 周,因而必须考虑最小输入功率对控制误差的影响: ∵Δt=4.186s ∴ΔT=10ms/4.186s×1℃=0.00239℃ ? 可见,用通断控制调压法控制电炉的输入功率可以满足系 统对后向通道控制精度的要求。 B R T 电子系统设计 ? 器件选择 ? MOC3041是耐压为400V的光电耦合器,它的输出级由过零 触发的双向可控硅构成,它控制着主电路双向可控硅的导 通与关断; ? 双向可控硅工作电压峰值VP=220×1.414=311(V),工作电 流峰值IP=1000/220×1.414=6.43(A),因此,可选用 BTA12-600,该器件可承受的最大反向电压为600V,最大 工作电流为12A; ? 100Ω电阻与0.01μF电容组成双向可控硅的保护电路。 B R T 电子系统设计 4. 人机对话通 ? 控制面板布置 ?按系统功能要求,可以设想系统控制面板布置如图: B R T 电子系统设计 ? 后向通道组成 ?人机对话通道主要由行列式键盘、LED显示器和GP16微型打印 机组成: B R T 电子系统设计 ?键盘的扫描输入和显示器的扫描输出采用了可编程键盘、显 示接口芯片8279,由8279负责键盘的扫描、消抖处理和显示输 出工作,大大减轻了CPU在扫描键盘或刷新显示时的负担,也简 化了应用软件的编写; ?8279键盘被设计为2×8行列,扫描线经译码输出, 接入键盘列线提供,接入键盘行线位LED显示,位选线驱动器获得,段选线微型打印机也通过总线与单片机相连。 B R T 电子系统设计 五.系统改进措施与功能扩展 1. 增加通信功能 ?利用单片机片内串行口外加逻辑电平转换电路组成RS-232C标 准接口以实现系统相互通道的扩展; ?逻辑电平转换电路采用了一片专用芯片ICL232,外加少量电容即 可完成TTL到RS-232或RS-232到TTL的逻辑电平转换。 B R T 电子系统设计 2. 提高静态控制精度 ?要提高系统的控制精度,关键是提高前向通道的采样精度; ?要使温度控制的静态误差≤0.2℃时,则前向通道的采样误差应 控制在±0.1℃以内,对于35~95℃的检测范围相应的精度为 0.167%; ?应采用10位以上的A/D转换器(误差≤0.1%),如12位逐次逼近 型A/D转换器AD574A和3位半(十进制)双积分型A/D转换器 MC14433等。 3. 简化硬件、降低成本 ?如果单片机内部含有A/D部件,且精度、速度均能满足要求, 则可省去前向通道中的A/D转换接口电路,进一步简化系统硬件、 降低成本、提高系统可靠性; ?例如MCS-96系列单片机芯片中就带有一个10位分辨率、转换 时间为22μs的A/D转换器,从而大大提高系统的性价格比。 B R T 电子系统设计 4. 实现自动显示水温曲线的功能 ?由于受到系统配置与扩展能力的限制,一般单片机系统都难 以配置标准的CRT显示器和标准打印机; ?为了实现自动显示水温曲线的功能,可以采用全图形点阵式 液晶显示器或采用通用微型计算机系统; ?通用微型计算机系统硬件上已经配置了人机对话和多机通讯 设备,软件上提供了操作系统和设备驱动程序,为应用系统实 现人机对话、曲线显示与打印及多机通讯提供了良好条件; ?通过计算机系统提供的I/O扩展槽扩展相应的前向通道和后向 通道,可以很容易实现本例题各项设计任务和扩展功能要求。

http://codepuzzel.com/dianzizhencha/255.html
锟斤拷锟斤拷锟斤拷QQ微锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷微锟斤拷
关于我们|联系我们|版权声明|网站地图|
Copyright © 2002-2019 现金彩票 版权所有