1、硬件設(shè)計(jì)的基本原則

【1】良好的性價(jià)比

    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，一定要注意在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡可能地降低價(jià)格，以便得到高的性能價(jià)格比，這是硬件設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮的一個(gè)主要因素。因?yàn)橄到y(tǒng)在設(shè)計(jì)完成后，主要的成本便集中在硬件方面，當(dāng)然也成為產(chǎn)品爭(zhēng)取市場(chǎng)關(guān)鍵因素之一。

【2】安全性和可靠性

    選購(gòu)設(shè)備要考慮環(huán)境的溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、粉塵等要求，以保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠。要有超量程和過(guò)載保護(hù)，保證輸入、輸出通道正常工作。要注意對(duì)交流市電以及電火花等的隔離。

【3】較強(qiáng)抗干擾能力

    有完善的抗干擾措施，是保證系統(tǒng)精度、工作正常和不產(chǎn)生錯(cuò)誤的必要條件。例如強(qiáng)電與弱電之間的隔離措施，對(duì)電磁干擾的屏蔽，正確接地、高輸人阻抗下的防止漏電等。

2、軟件設(shè)計(jì)的基本原則

【1】結(jié)構(gòu)合理

    程序應(yīng)該采用結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)。這不僅有利于程序的進(jìn)一步擴(kuò)充或完善，而且也有利于程序的后期修改和維護(hù)。

【2】操作性能好，使用方便，具備良好的人機(jī)界面。

【3】具有一定的保護(hù)措施和容錯(cuò)功能

    系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)一定的檢測(cè)程序，例如狀態(tài)檢測(cè)和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，便于查找故障部位。對(duì)于重要的參數(shù)要定時(shí)存儲(chǔ)，以防止因掉電而丟失數(shù)據(jù)。

【4】提高程序的執(zhí)行速度，盡量減小占用系統(tǒng)的內(nèi)存。

【5】給出必要的程序說(shuō)明，便于后期程序維護(hù)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟

1、分析問(wèn)題和確定任務(wù)

    在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)要解決的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查研究、分析論證。如產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)合、面向的客戶類(lèi)型等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題提出具體的要求，確定系統(tǒng)所要完成的數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)，確定調(diào)試系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)軟件的手段等。另外，還要對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中可能遇到的技術(shù)難點(diǎn)做到心中有數(shù)，初步定出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。

2、確定采樣周期Ts

    采樣周期Ts決定了采樣數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量。利用采樣定理和系統(tǒng)設(shè)指標(biāo)來(lái)確定采樣周期。

3．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)階段，一般應(yīng)做以下幾項(xiàng)工作。

【1】進(jìn)行硬件和軟件的功能分配

    一般來(lái)說(shuō)，多采用硬件，可以簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)工作，并使系統(tǒng)的速度性能得到改善，但成本會(huì)增加，同時(shí)，也因接點(diǎn)數(shù)增加而增加不可靠因素。若用軟件代替硬件功能，可以增加系統(tǒng)的靈活性，降低成本，但系統(tǒng)的工作速度也降低。要根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，在確定系統(tǒng)總體方案時(shí)進(jìn)行合理的功能分配。

【2】系統(tǒng)A／D通道方案的確定

（1）模擬信號(hào)輸人范圍、被采集信號(hào)的分辨率；
（2）完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間；
（3）模擬輸入信號(hào)的特性是什么，是否經(jīng)過(guò)濾波，信號(hào)的最高頻率是多少；
（4）模擬信號(hào)傳輸所需的通道數(shù)；
（5）多路通道切換率是多少，期望的采樣/保持器的采集時(shí)間是多少；
（6）在保持期間允許的電壓下降是多少；
（7）通過(guò)多路開(kāi)關(guān)及信號(hào)源串聯(lián)電阻的保持器旁路電流引起的偏差是多少；
（8）所需精度（包括線性度、相對(duì)精度、增益及偏置誤差）是多少；
（9）當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，各種誤差限制在什么范圍，在什么條件下允許有漏碼；
（10）各通道模擬信號(hào)的采集是否要求同步；
（11）所有的通道是否都使用同樣的數(shù)據(jù)傳輸速率；
（12）數(shù)據(jù)通道是串行操作還是并行操作；
（13）數(shù)據(jù)通道是隨機(jī)選擇，還是按某種預(yù)定的順序工作；
（14）系統(tǒng)電源穩(wěn)定性的要求是什么，由于電源變化引起的誤差是多少；
（15）電源切斷時(shí)是否可能損壞有關(guān)芯片（對(duì)CMOS的多路開(kāi)關(guān)是安全的，因?yàn)楫?dāng)電源切斷時(shí)，多路開(kāi)關(guān)是打開(kāi)的；而對(duì)結(jié)型FET多路開(kāi)關(guān)是接通的，因此有損壞芯片的可能。

【3】確定微型計(jì)算機(jī)的配置方案

    可以根據(jù)具體情況，采用微處理器芯片、單片微型機(jī)芯片、單板機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)功能模板或個(gè)人微型計(jì)算機(jī)等作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制處理機(jī)。選擇何種機(jī)型，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能、成本和設(shè)計(jì)進(jìn)度等均有重要的影響。

【4】操作面板的設(shè)計(jì)

（1）輸人和修改源程序；
（2）顯示和打印各種參數(shù)
（3）工作方式的選擇；
（4）啟動(dòng)和停止系統(tǒng)的運(yùn)行。

    為了完成上述功能，操作面板一般由數(shù)字鍵、功能鍵、開(kāi)關(guān)、顯示器件以及打印機(jī)等組成。

【5】系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

    對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其抗干擾能力要求一般都比較高。因此，抗干擾設(shè)計(jì)應(yīng)貫穿于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，要在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)一考慮。

三、硬件和軟件的設(shè)計(jì)

【1】硬件設(shè)計(jì)

    硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是以所選擇的微型機(jī)為中心，設(shè)計(jì)出與其相配套的電路部分，經(jīng)調(diào)試后組成硬件系統(tǒng)。采用單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程。

（1）明確硬件設(shè)計(jì)任務(wù)

    為了使以后的工作能順利進(jìn)行，不造成大的返工，在硬件正式設(shè)計(jì)之前，應(yīng)細(xì)致地制定設(shè)計(jì)的指標(biāo)和要求，并對(duì)硬件系統(tǒng)各組成部分之間的控制關(guān)系、時(shí)間關(guān)系等作出詳細(xì)的規(guī)定。

（2）盡可能詳細(xì)地繪制出邏輯圖、電路圖當(dāng)然，在以后的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試中還要不斷地對(duì)電路圖進(jìn)行修改，逐步達(dá)到完善。

（3）制作電路和調(diào)試電路

    按所繪制的電路圖在實(shí)驗(yàn)板上連接出電路并進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)調(diào)試，找出硬件設(shè)計(jì)中的毛病并予以排除，使硬件設(shè)計(jì)盡可能達(dá)到完善。調(diào)試好之后，再設(shè)計(jì)成正式的印刷電路板。

【2】軟件設(shè)計(jì)

（1）明確軟件設(shè)計(jì)任務(wù)

    在軟件正式設(shè)計(jì)之前，首先必須要明確設(shè)計(jì)任務(wù)。然后，再把設(shè)計(jì)任務(wù)加以細(xì)致化和具體化，即把一個(gè)大的設(shè)計(jì)任務(wù)，細(xì)分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小任務(wù)，這就是軟件工程學(xué)中的“自頂向下細(xì)分”的原則。

（2）按功能劃分程序模塊并繪出流程圖

    將程序按小任務(wù)組織成若干個(gè)模塊程序，如初始化程序、自檢程序、采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、打印和顯示程序、打印報(bào)警程序等，這些模塊既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，低一級(jí)模塊可以被高一級(jí)模塊重復(fù)調(diào)用，這種模塊化、結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的程序設(shè)計(jì)技術(shù)既提高了程序的可擴(kuò)充性，又便于程序的調(diào)試及維護(hù)。

（3）程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的選擇

    選用何種語(yǔ)言與硬件選擇有關(guān)。

（4）調(diào)試程序

    首先，對(duì)子程序進(jìn)行調(diào)試，不斷地修改出現(xiàn)的錯(cuò)誤，直到把子程序調(diào)好為止，然后再將主程序與子程序連接成一個(gè)完整的程序進(jìn)行調(diào)試。

    其次，調(diào)試程序時(shí)，在程序中插人斷點(diǎn)，分段運(yùn)行，逐段排除錯(cuò)誤。

    最后，將調(diào)試好的程序固化到EPRO（系統(tǒng)采用微處理器、單板機(jī)、單片機(jī)時(shí)）或存入磁盤(pán)（系統(tǒng)采用個(gè)人微機(jī)時(shí)），供今后使用。

四、舉例說(shuō)明（壓力采集與分析）

系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景：

    壓力傳感器生產(chǎn)單位在產(chǎn)品出廠前必須對(duì)所生產(chǎn)傳感器進(jìn)行全檢，而且壓力傳感器的產(chǎn)量很大，人工檢測(cè)的方法不僅效率低，產(chǎn)品質(zhì)量也得不到保證。于是生產(chǎn)單位便要求一套綜合檢測(cè)設(shè)備，既要滿足檢測(cè)效率，又要保證檢測(cè)品質(zhì)。


系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析：

（1）深刻了解被檢壓力傳感器特性，如供電方式，信號(hào)輸出類(lèi)型及范圍，精度，重復(fù)性，線性，遲滯，溫漂等基本參數(shù)。
（2）檢測(cè)為生產(chǎn)的后續(xù)保障，因此檢測(cè)效率應(yīng)略大于生產(chǎn)效率。即適當(dāng)選擇系統(tǒng)每次測(cè)試傳感器的數(shù)量和每次測(cè)試所需的時(shí)間，以及檢測(cè)員每次安裝被檢傳感器的時(shí)間等。此項(xiàng)內(nèi)容一般需與生產(chǎn)單位工藝人員共同分析。
（3）熟悉產(chǎn)品檢驗(yàn)流程和主要測(cè)試性能指標(biāo)。國(guó)內(nèi)一般的壓力傳感器生產(chǎn)單位的核心測(cè)試部件均為外購(gòu)件，在來(lái)料檢驗(yàn)過(guò)程中就已經(jīng)對(duì)傳感器進(jìn)行基本檢驗(yàn)了，而成品檢驗(yàn)一般主要針對(duì)在生產(chǎn)過(guò)程中是否對(duì)傳感器造成了損壞或其他項(xiàng)目。一般主要檢測(cè)傳感器的精度和線性，并按照全檢原則。而重復(fù)性和溫漂一般按月按比例進(jìn)行抽檢！、
（4）根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行詳盡分析，此處不再贅述！

系統(tǒng)平臺(tái)搭建：

（1）根據(jù)要求設(shè)計(jì)傳感器安裝工裝，測(cè)試臺(tái)外殼等機(jī)械部分，不再贅述！
（2）為提高檢測(cè)效率，硬件設(shè)計(jì)須搭建多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可使用多路模擬開(kāi)關(guān)與AD采集電路搭建，成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，并且在穩(wěn)定性與可靠性方面必須給予足夠的測(cè)試。也可以使用多功能數(shù)據(jù)采集卡，如NI、研華等廠商，研發(fā)周期短，可靠性高，但成本較高。必須根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。
（3）軟件平臺(tái)可使用VB、VC或Labview作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，主要在于良好的人機(jī)界面、采集模塊與計(jì)算機(jī)通訊總線選擇，以及數(shù)據(jù)分析與處理功能。根據(jù)設(shè)計(jì)者的實(shí)際情況選擇。