電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)11

電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)12024/1/4電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]什么是系統(tǒng)？由部件組成，能實現(xiàn)較復雜的功能（不是一個單一的電路，要有輸入、輸出和其他控制電路）（只能實現(xiàn)單一功能的通常不算系統(tǒng)）電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]電子系統(tǒng)范疇消費類電子計算機類通信電子汽車電子工業(yè)電子軍用電子電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]消費類產(chǎn)品電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]主板電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]顯卡和網(wǎng)卡七彩虹顯卡TP-Link網(wǎng)卡電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]通信電子產(chǎn)品電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]車載GPS和悍馬電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]汽車電子燃油噴射控制器電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]數(shù)控鉆床和汽車生產(chǎn)線

電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]艦船和戰(zhàn)斗機電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]手機電路電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]超級芯片數(shù)碼彩電主板電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]電子系統(tǒng)可能的組成框圖電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]車載導航系統(tǒng)的框圖電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)模數(shù)混合系統(tǒng)（絕大多數(shù)系統(tǒng)）如空調(diào)控制器、電視機、測量儀器、工業(yè)控制器、手機電路

純粹的模擬系統(tǒng)---如簡單的放大器純粹的數(shù)字系統(tǒng)---如電子鐘電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]電子系統(tǒng)設計方法——自頂向下電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]系統(tǒng)設計的方法自頂向下自底向上自頂向下與自底向上相結(jié)合電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]何謂頂？何謂底？底——最基本的元、器件，甚至是版圖頂——系統(tǒng)的功能電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自頂至底有：系統(tǒng)子系統(tǒng)部件（功能模塊）單元電路元、器件版圖（IC）電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]系統(tǒng)子系統(tǒng)子系統(tǒng)功能模塊功能模塊功能模塊功能模塊單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路元、器件版圖自頂向下電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]自上而下法的優(yōu)點盡量運用概念（抽象）描述、分析設計對象，不過早地考慮具體的電路、元器件和工藝概念驅(qū)動法抓住主要矛盾，不糾纏在具體細節(jié)上，控制設計的復雜性電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]系統(tǒng)子系統(tǒng)子系統(tǒng)功能模塊功能模塊功能模塊功能模塊單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路元、器件版圖自底向上電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]部件設計在先，設計系統(tǒng)時將受這些部件的限制，影響：

系統(tǒng)性易讀性可靠性可維護性自底向上的缺點電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]自底向上的優(yōu)點在系統(tǒng)的組裝和調(diào)試過程中有效可利用前人的設計成果電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]系統(tǒng)子系統(tǒng)子系統(tǒng)功能模塊功能模塊功能模塊功能模塊單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路單元電路元、器件版圖以功能模塊為基礎的自上而下的設計方法電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]自上而下法的要領從頂層到底層從概括到展開從粗略到精細電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]電子系統(tǒng)設計的步驟調(diào)查研究方案論證單元設計組裝調(diào)測總結(jié)報告電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]調(diào)查研究明確設計要求弄清設計方法了解設計關(guān)鍵做什么？

系統(tǒng)的功能輸入和輸出做到何種程度？性能技術(shù)指標

注意分析每一個細節(jié)，盡量考慮得周到、完善電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]調(diào)查研究明確設計要求弄清設計方法了解設計關(guān)鍵有那些可使用的設計方法相同產(chǎn)品同類產(chǎn)品同原理產(chǎn)品其他可借鑒的方法

比較各種方法的

先進性性價比可行性

器材人才時間電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]產(chǎn)品效益與開發(fā)時間的關(guān)系上市延遲銷售頂峰銷售頂峰電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]電子系統(tǒng)設計的步驟調(diào)查研究方案論證單元設計組裝調(diào)測總結(jié)報告電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]調(diào)查研究明確設計要求弄清設計方法了解設計關(guān)鍵決定指標的關(guān)鍵難點工作量大（重點）

電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]起點：系統(tǒng)級行為描述設計用戶需求

系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范功能描述方案論證電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]系統(tǒng)級行為描述設計系統(tǒng)的外部特性

主要功能輸入和輸出——

那些端口輸入（輸出）信號——特征來源（去向）對系統(tǒng)的要求初步方案面板圖電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]下一步：

系統(tǒng)級的結(jié)構(gòu)描述與設計系統(tǒng)設計規(guī)范與功能

子系統(tǒng)之間的組合方案論證電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]系統(tǒng)的內(nèi)部特性——

基本原理基本框圖——

子系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的接口要求

基本控制流程系統(tǒng)級行為描述設計基本框圖基本流程圖電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]系統(tǒng)的內(nèi)部特性——

基本原理基本框圖——

子系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的接口要求

基本控制流程系統(tǒng)級行為描述設計系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)用數(shù)字技術(shù)，還是模擬技術(shù)實現(xiàn)

？

電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]模擬技術(shù)優(yōu)點：通常所使用的器件量較小缺點：對器件的依賴性較大調(diào)試較困難與計算機配合不如數(shù)字技術(shù)方便電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]數(shù)字技術(shù)優(yōu)點：對器件的依賴性較小調(diào)試較容易與計算機配合方便LSI與可編程器件的使用電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]數(shù)字技術(shù)靠邏輯模擬電路靠經(jīng)驗電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]能甩開模擬電路嗎？不能！高頻小信號大功率電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]主體為數(shù)字技術(shù)質(zhì)量靠模擬技術(shù)千萬不可忽略、放棄模擬技術(shù)電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]軟件實現(xiàn)方法：單片機（計算機）DSP（數(shù)字信號處理）嵌入式系統(tǒng)軟件離不開硬件支持電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]第三步：系統(tǒng)級的物理描述與設計組成系統(tǒng)的各抽象的子系統(tǒng)各具體的子系統(tǒng)（IP）提出具體的要求并轉(zhuǎn)入下一層設計方案論證IntellectureProperty知識產(chǎn)權(quán)電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]下一層：

子系統(tǒng)級行為描述設計對子系統(tǒng)的需求子系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范功能描述方案論證電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]下一步：

子系統(tǒng)級的結(jié)構(gòu)描述與設計子系統(tǒng)設計規(guī)范與功能功能模塊（部件）之間的組合方案論證電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]第三步：子系統(tǒng)級的物理描述與設計組成子系統(tǒng)的各抽象的模塊選擇具體的功能模塊或?qū)δK提出具體的要求并轉(zhuǎn)入下一層設計方案論證沒有現(xiàn)成模塊可用的特殊模塊關(guān)鍵模塊、關(guān)鍵元件及相互接口以模塊為單位的詳細框圖電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]下一層：

部件級行為描述設計對部件（模塊）的需求部件的技術(shù)規(guī)范功能描述方案論證電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]下一步：

部件級的結(jié)構(gòu)描述與設計部件設計規(guī)范與功能單元電路之間的組合方案論證電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]第三步：部件級的物理描述與設計抽象的單元電路選用具體的單元電路方案論證電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]電子系統(tǒng)設計的步驟調(diào)查研究方案論證單元設計組裝調(diào)測總結(jié)報告電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]單元電路設計盡量選用高性能、控制簡單、集成度高的、應用廣泛的新產(chǎn)品（競賽例外）學會查手冊和網(wǎng)上查詢，懂得什么是關(guān)鍵指標，如何選擇代用品會買東西——船舶、賽格電子

電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]電子系統(tǒng)設計的步驟調(diào)查研究方案論證單元設計組裝調(diào)測總結(jié)報告電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]組裝調(diào)測自底向上法電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]合理布局

——電磁兼容問題方便調(diào)測

——留有測試點分段裝調(diào)

——自底向上法邏輯模擬測試設計

——測試系統(tǒng)，計量原理組裝調(diào)測電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]電子系統(tǒng)設計的步驟調(diào)查研究方案論證單元設計組裝調(diào)測總結(jié)報告電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]總結(jié)報告重要性技術(shù)總結(jié)匯報交流生產(chǎn)文件評價依據(jù)電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]總結(jié)報告內(nèi)容

設計思想設計過程設計結(jié)果改進設想電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]總結(jié)報告要求

概念準確數(shù)據(jù)完整條理清晰突出創(chuàng)新電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]注意：創(chuàng)新實踐的題目一定要具有可實現(xiàn)性，盡量運用自己掌握的知識來實現(xiàn)題目自擬，方向是電子系統(tǒng)設計方面的內(nèi)容。

電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]設計實例：數(shù)字定時器1.1功能要求1.2整體方案調(diào)研1.3整體方案論證1.4硬件電路設計1.5程序設計電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]1.1功能要求1.1功能要求我們以一個具有一定實用價值而功能又比較簡單的數(shù)字定時器做系統(tǒng)設計入門的實例。該定時器有如下技術(shù)要求：（1）定時時間的設置范圍為1~99分，開機上電后的隱含值為10分。（2）使用0.5英寸紅色LED數(shù)碼管顯示時間。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]功能要求（3）定時時間可以用按鍵或其它方式輸入。（4）定時器控制一個~220V1A的用電設備，上電時不允許用電設備瞬間通電。（5）定時時間設定后，啟動計時，用電設備通電，同時顯示器逐分倒計時。其間，分個位數(shù)碼管的小數(shù)點每秒閃亮一次。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]功能要求（6）計時到0分時，切斷用電設備電源。（7）計時誤差：100分誤差<±10s。（8）由用電設備提供+12V電源。（9）低價位。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]1.2整體方案調(diào)研不論是設計練習或是一個實際的工程項目，在明確其性能要求的基礎上，首先要做的應該是調(diào)研相關(guān)情況，了解與該項目相關(guān)的成果，以便吸收前人的成功經(jīng)驗，開闊自己的思路。在網(wǎng)絡高度發(fā)達的今天，利用網(wǎng)絡查詢無疑是最便捷、最全面的方法?！爸形目萍计诳瘮?shù)據(jù)庫（VIP）”、“中國期刊全文數(shù)據(jù)庫”是電子系統(tǒng)設計者最常光顧的數(shù)據(jù)庫。利用“數(shù)字定時器”詞條，在VIP上“模糊”搜索，共查到三篇相關(guān)文章：《一種基于CPLD的多功能數(shù)字定時器》、《RFC中分頻器/數(shù)字定時器的設計》、《用AT89C2051單片機組成的數(shù)字定時器》。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]整體方案調(diào)研頭二篇均以CPLD為核心器件構(gòu)成數(shù)字定時器。第一篇為多功能電路能基本滿足課題要求，但缺強電接口。第二篇為射頻控制應用，與課題要求不符。第三篇最貼合課題要求，但還有進一步優(yōu)化的必要，如減少按健數(shù)、去除LED驅(qū)動等。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]1.3整體方案論證根據(jù)設計題目的功能要求，采用自頂向下的拼湊法可以構(gòu)成如圖1所示的方框圖。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]整體方案論證電路的核心應該是一個100進位的可預置數(shù)的減法計數(shù)器，工作時逐分倒計時。起始時間由預置數(shù)輸入裝置加載到計數(shù)器。當前時間由譯碼驅(qū)動電路驅(qū)動兩位筆段型LED數(shù)碼管顯示。分減法計數(shù)器的分信號由秒/分信號發(fā)生器經(jīng)過啟停控制電路獲得。秒/分信號發(fā)生器必須采用石英晶體振蕩器用分頻的辦法分別產(chǎn)生秒和分時鐘信號以保證走時精度，前者在計時開始后，使分個位LED數(shù)碼管的小數(shù)點閃亮。后者在計時啟動后，一方面通過驅(qū)動電路使繼電器動作，用電設備通電，一方面使分信號到計數(shù)器。在計數(shù)為零時，通過驅(qū)動由繼電器使用電設備斷電。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]整體方案論證[方案一]以SSI和MSI數(shù)字邏輯集成芯片為核心，其電路的組成如圖2所示。石英晶體振蕩器（如fosc=32768Hz）經(jīng)分頻后取得1Hz的秒時鐘信號，一方面去控制分個位LED小數(shù)點閃爍，一方面送60分頻器，產(chǎn)生分時鐘信號?！皢⑼？刂齐娐贰痹诎聪聠渔I后，分時鐘信號可送往分個位的可預置十進制減法計數(shù)。與此同時使分個位小點數(shù)閃爍，通過驅(qū)動電路，繼電器使用電設備通電。該計數(shù)器的預置數(shù)由輸入裝置（如BCD碼撥盤開關(guān)）加載分十位和分個位計數(shù)器，在分時鐘脈沖的作用下，逐分減計時。當前時間經(jīng)譯碼驅(qū)動電路，驅(qū)動靜態(tài)LED顯示。計數(shù)為00分時，輸出譯碼器經(jīng)驅(qū)動電路、繼電器使用設備斷電。同時輸出停止信號，停止秒閃爍、分計時。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]整體方案論證該方案的優(yōu)點是各器件的功能清晰。缺點是所用芯片數(shù)多、PCB面積大、接線多、焊點多。因此可靠性略差，而且成本也較高，不符合低價位的要求。低價位是所有電子系統(tǒng)設計在保證性能的前提下都必須認真考慮的因素，有時它直接關(guān)于產(chǎn)品能否推廣應用。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]整體方案論證[方案二]圖2電路中的虛線內(nèi)部分完全可以由CPLD或FPGA來實現(xiàn)。這也是參考文獻中采用的一個方法。這個方案的優(yōu)點是電路大為簡化，系統(tǒng)可靠性高。最大的問題是CPLD或FPGA的成本高，做為這種低端產(chǎn)品，其價格難以接受。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]整體方案論證[方案三]以MCU為核心來構(gòu)架整個電路。時鐘產(chǎn)生，秒信號、分信號形成均可利用MCU片內(nèi)資源解決。分減法計時利用程序完成。LED的譯碼也可以由軟件完成。至于按鍵的設置，則可以更加靈活，并將鍵數(shù)減至最少。這一方案的最大優(yōu)點是充分發(fā)揮了MCU軟件的功能，并使電路簡化到可以和CPLD或FPGA相媲美。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]整體方案論證電子系統(tǒng)設計的一個重要原則是：“安軟勿硬”。即能用軟件解決的同一問題，則不用硬件。這主要是因為軟件的壽命不受限制，而且軟件的編制如果完美無暇的話，其可靠性也是硬件無法比擬的。何況又能降低硬件開消。這一方案符合這一原則。MCU的品種繁多，適合這種低端應用的芯片也不少，其價位已低到MSI的水平，所以應該是最低價位的方案。很明顯，方案三是合適的。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]1.4硬件電路設計1．MCU的選擇2．資源分配3．程序流程圖4．容錯設計5．軟件的簡單抗干擾措施6．計時精度7．程序清單電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]硬件電路設計1.4硬件電路設計1．MCU的選擇為降低價位和節(jié)省使用MCU的端口數(shù)，LED宜采用共陰極動態(tài)驅(qū)動方式，它共需八根段位口線，兩根陰極驅(qū)動口線，即LED需要十根MCUI/O口線。按鍵可以減少到只要兩個：功能切換和預置時間加一鍵。功能鍵完成二個任務：移動預置時間的個位和分位；啟動計時。它需要二根I/O口線，而且最好接在外接中斷輸入端，以便按鍵可以用中斷或查詢兩種辦法處理。驅(qū)動執(zhí)行器件通斷負載需要一根口根。即共需MCU13根口線。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]硬件電路設計系統(tǒng)所需的時鐘信號可以由MCU的定時器/計數(shù)器完成。一般低端MCU均有二個定時器/計數(shù)器，可以滿足要求。整個課題對指令執(zhí)行的速度沒有什么要求，不要求執(zhí)行速度快的MCU，一般低端MCU至少可以工作在12MHz的時鐘下，速度不成問題。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]硬件電路設計LED數(shù)碼管采用應用最廣的0.5英寸，高亮度紅色的共陰極器件。動態(tài)驅(qū)動時每個筆段平均IF>0.5mA已可明亮顯示。若VF=1.5V，每筆段的限流電阻為2kΩ，則LED點亮時每筆段IF≈1.75mA，動態(tài)掃描時每個筆段的平均電流約為0.875mA，滿足亮度要求?？紤]到MCU口線的IOH較小，限流電阻應接為上拉形式。八段筆劃直接由P1口驅(qū)動。被點亮LED數(shù)碼管的最大電流為8×1.75=14mA，利用P3.0、P3.1的IOL是可以承受的。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]硬件電路設計按鍵共設兩個：功能切換鍵“S”，和加鍵“+”。分別接至INT0（P3.2）和INT1（P3.3）。設計的功能為：上電后，定時器處于等待時間設置狀態(tài)，隱含時間10分。按下“S”鍵，分個位LED閃爍。按“+”鍵，可設置分個位值。設好后，再按“S”鍵，分個位LED停止閃爍，分十位LED開始閃爍，再按一次“S”鍵，分十位LED停止閃爍，定時器啟動，設置的時間值存儲，并開始倒計數(shù)。兩只10kΩ的上拉電阻，保證鍵按下低電平有效，相應的硬件電路如圖1.3所示。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]硬件電路設計數(shù)字定時器硬件電路電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]硬件電路設計考慮到上電過程中不允許用電設備瞬間動作，強電執(zhí)行部件應為低電平驅(qū)動，它由P3.4完成。強電執(zhí)行部件選用價格低的小型電磁繼電器，而不用性能雖好，但價格較高的SSR。根據(jù)負載以及+12V供電的情況可選用JQX-14F12V的電磁繼電器（特性見表2.6.1）。其電氣壽命達105次，應能滿足用電設備的要求。相應的驅(qū)動電路如圖3所示。AT89C2051采用簡單的RC復位電路。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]硬件電路設計MCU時鐘頻率直接影響指令執(zhí)行速度與芯片的功耗。本課題對執(zhí)行速度并不要求快，而且希頻率低一點可降低功耗，故選為6MHz，由于機器周期為時鐘頻率的1/12，即2μs，為整數(shù)值，定時器中斷時間亦為2μs的整數(shù)倍，對計時精度有利，何況6MHz的石英晶振為長線器件，價格較低。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]硬件電路設計+12V供電由7805降至+5V供系統(tǒng)使用。按LED所有筆段全亮，所需電流約12.5mA。JQX－14F通電時線圈耗電約45mA，AT89C20515V供電時工作電流約12.5mA，電路總電流約70mA。7805壓降為7V，管耗為0.49W。其熱阻℃/W，即使不加散熱片，其相對環(huán)境溫度的溫升約22℃。即使在+50℃環(huán)境溫度下，結(jié)溫才72℃。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]1.5程序設計1．確定整體的程序結(jié)構(gòu)硬件電路采用的動態(tài)掃描方式，編程序時要不停地掃描它。由于只有兩位LED數(shù)碼管，若掃描頻率選為50Hz，則每個數(shù)碼管點亮的時間為10ms。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計（1）最常用的程序結(jié)構(gòu)圖4為設計人員最喜歡采用的主程序流程圖。主程序執(zhí)行它初值化以后，即進入循環(huán)的顯示掃描程序。其它所有的功能模塊，如設置命令、設置時間的輸入、計時等統(tǒng)統(tǒng)以中斷的方式切入。如果初值化以后只是一個簡單的循環(huán)等待，這種方式從可靠性和程序編寫上都是很可取的。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計但是本設計中的兩個按鍵，由于本身固有的抖動特性（如歐姆龍公司B3F-4055按鍵開關(guān)的抖動時間<10ms），一般均采用軟件去抖，即查覺按鍵動作后，先軟件延時20ms，躲過抖動時間再接著處理按鍵相應的功能。在軟件延遲的時間里，顯示掃描被打斷，會導致顯示閃動的不良現(xiàn)象。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計（2）RTOS多任務實時操作系統(tǒng)（RTOS，如μC/OS-Ⅱ）可以很好的解決這一并行請求的矛盾。然而這似乎“殺雞用牛刀”。況且89C2051的程序存儲器容量也有限。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計（3）以系統(tǒng)時鐘為核心的程序結(jié)構(gòu)我們統(tǒng)計一下本設計要使用的幾個時間量：10ms－每個數(shù)碼管顯示時間；20ms－按鍵去抖時間；0.5s－分個位LED小數(shù)點亮/滅時間；1s－計時的單位時間。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計選擇其最短的時間10ms做系統(tǒng)時鐘基準。即利用MCU的定時器每10ms中斷一次。然后確定每個時鐘需完成的任務：①輪流點亮LED一次；②判有無鍵按下，若有鍵按下激活一個標志，并記錄鍵按下的時間；③檢查鍵標志，并檢查是否已到去抖時間（20ms，二個系統(tǒng)時鐘時間），若已到則判定哪個鍵按下并做相應處理。因為每個時鐘均訪問LED一次，動態(tài)驅(qū)動得以保證。而進行鍵功能處理，有10ms的時間足矣！電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計至于0.5s和1s時鐘事件處理可以由計另一時時鐘來完成，它承擔每0.5s設置位LED閃爍和1s計時信號產(chǎn)生的任務，分為二個計時器可以使程序編寫起來更容易一些。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計2．資源分配（1）硬件資源分配 功能鍵KS，邊沿觸發(fā)； 加鍵KAD，邊沿觸發(fā)P1.0~P1.7LED段碼輸出，高電平有效P3.0LED數(shù)碼管分十位陰極，低電平有效，K1P3.1LED數(shù)碼管分十位陰極，低電平有效，K2P3.4繼電器驅(qū)動輸出，低電平輸出有效，JT0 16位計時器，系統(tǒng)時鐘，10ms中斷一次T1 16位計時器，計時時鐘，0.1ms中斷一次電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計（2）寄存器資源分配（3）標志位資源分配與功能以上兩項請直接參閱程序清單電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計3．程序流程圖圖5為主程序流程圖。具體程序設計略電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計4．容錯設計允許錯誤存在，并能防止它對系統(tǒng)正常工作的破壞，稱為“容錯”。人為操作失誤是造成系統(tǒng)工作失敗的最重要的因素。世界上許多次嚴重的事故，如切爾諾貝利核洩漏，就是錯誤操作造成的。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計4．容錯設計一個沒有考慮容錯的設計，包括一個程序，不能算一個完美的設計。上述數(shù)字定時器程序就至少沒有考慮二種人-機交互易產(chǎn)生的錯誤：（1）上電后，顯示10分隱含時間。正常操作應當是：不設新時間；或者先按功能鍵，設分個位。再按功能鍵，設分十位。再按一次功能鍵正常倒計時。但是如果上電后直接按加鍵，則分個位將動作，這將導致功能鍵動作次數(shù)紊亂。（2）倒計時開始后，如果按任何一鍵，也將出現(xiàn)非正常情況。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計4．容錯設計對于第一種情況，可以在系統(tǒng)時鐘程序檢測到“+”鍵時，先判別一下功能鍵次數(shù)是否為零，若是則不做加法而直接退出，見下面所列程序。對于第二種情況，可以在開始計時后關(guān)閉外部中斷，而在計時結(jié)束后再重新允許外部中斷。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計5．軟件的簡單抗干擾措施（1）指令冗余現(xiàn)以CK0程序中的含有冗余指令的幾個語句為例簡單說明一下它的抗干擾原理。語句如下：（具體程序見程序清單）電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計（1）指令冗余程序正常運行時，程序計數(shù)器（PC）指針在執(zhí)行JMPMPRO語句時指向095H，這條指令對應的機器碼為80H，25H。前者是指令碼，后者為相對跳轉(zhuǎn)地址，即執(zhí)行此指令后程序指針應跳轉(zhuǎn)到25H加下條指令的PC值，即跳至OBCH。后面的三條空操作冗余指令對程序運行毫無影響。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計（1）指令冗余倘若程序計數(shù)器的值受到了外界干擾，指向25H（如虛線所示），如果不加冗余指令，則25H被當做指令碼，將執(zhí)行ADDA,dataaddr，即執(zhí)行累加器ACC加一個數(shù)據(jù)地址為緊跟其后的20H。下一條指令，由于PC指向B2H，將執(zhí)行CPLbitaddr，即對18H這個位地址了反?？梢姵绦虮煌耆茐?。電子系統(tǒng)設計與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)1[1]程序設計（1）指令冗余如果干擾后指針仍是指向25H，但下面有三條NOP指令，程序執(zhí)行的是ADDA，00H，累加器的值會改變。但PC下一個指向的二個NOP，再下一個指