硬件单元模块设计
正负24V电源为电流变送器供电，正3..3V为MSP430单片机供电，5V为其他器件供电。
该电源主要通过整流、滤波和稳压三部分构成，部分功能如下：
桥式整流电路：
图3.1.1(a)整流电路
电容滤波电路的特点：
（1）电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器副边的有效值I2=1.11I L，而有电容滤波时I2=（1.5～2）I L。
（2）负载平均电压V L升高，纹波（交流成分）减小，且R L C越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取R L*C≥（3～5）T/2（式中T为电源交流电压的周期）。
（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。V L随I L的变化关系称为输出特性或外特性。
电容滤波电路简单，负载直流电压V L较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。
一、方案比较、设计与论证
1.1正弦信号发生器的设计方案论证与选择
1.2二线式电流变送器的设计方案论证与选择：
方案一：采用专门集成电流变送器芯片XTR115如图（1）,它属于二线制电流变送器，内部的2.5V基准电压可作为传感器的激励源,它能将输入电压转换成4～20mA的电流信号,其输出电压精度为±0.05％,电压温度系数仅为20×10－6／℃，可给外部电路（例如前置放大器）单独供电，从而简化了外部电源的设计.精度高，非线性误差小。转换精度可达±0.05％，非线性误差仅为±0.003％。
图（1）
方案2
采用lm358搭建电流的发送和接收部分的电路，lm358静态偏置电流小，且为单电源供电，即使在没有负电源情况下，
输入端仍能够接受0V输入并能正常工作。相比方案一成本比上减少10倍以上.，更适合实际应用。同时题目明确要求不
能采用专用变送器或电流转换器芯片，所以我们选择方案二。
电流放送
电流接收
二线式电流变送
1.3滤波放大电路
滤波电路
放大电路
方案一：采用无输出电容功率放大电路（OCL电路）。采用两只MOSFET配对场效应管组成OCL低频功率放大电路可以实现对正弦信号的放大，匹配负载电阻，使匹配负载的电压峰峰值Vopp≥5V，能实现题目要求。但OCL电路相对BUF634构成的功率放大电路复杂。
方案二；
滤波电路采用OPA404二阶有源滤波，放大电路采用AD828。在实际测试中这个电路能有效滤出1000kHz到2000kHz的正弦波中的杂波，而且放大部分能使输出峰峰值能达到6V以上，完全能达到题目要求。
1.2正弦信号发生器的设计方案论证与选择
二．理论分析与计算
2.1电流变送器的原理分析;
两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。这是两线制变送器的设计根本原则之一。从整体结构上来看，两线制变送器由三大部分组成：传感器、调理电路、两线制V/I变换器构成。传感器将温度、压力等物理量转化为电参量，调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。两线制V/I变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流；同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。除了V/I变换电路之外，电路中每个部分都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在V/I变换的反馈环路内。两线制V/I变换器V/I 变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。两线制V/I变换器与一般V/I变换电路不同点在：电压信号不是直接控制输出电流，而是控制整个电路自身耗电电流。同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路和传感器供电.
2.2 测量精度分析;
1．测量精度按贝塞尔公式计算；
2．非线性度计算公式为：非线性度＝[最大误差 (满度－零度)] 100%；
3系统测试
3.1测试仪器
3.1.1测试示波器介绍
DS1000E示波器是一款高性能指标、经济型的数字示波器，广泛应用于教育培训、产线测试和企业科研等各个领域。
产品特性
1. 提供2个模拟通道，最高100MHz带宽，1 GSa/s实时采样率及25GSa/s等效采样率；
2. 5.6英寸QVGA（320×240），64k色TFT彩色液晶显示屏
3. 1Mpts存储深度
4. 边沿、脉宽、斜率、视频、交替触发功能
3.2；TH2818型自动元件分析仪
TH2818型自动元件分析仪是一种精度高、测试范围宽、6位测试分辨率的阻抗测量仪器，高达300kHz的测试频率,以0.01Hz 步进任意编程、5mV～2V信号电平及直流内偏置电压, 并能提供变压器测试能力及元件频率响应分析能力，可满足生产线质量保证、进货检验及实验室高精确度测量要求。仪器所提供的HANDLER、GPIB、RS232C接口为仪器使用于元件自动分选系统、与计算机通讯及测试过程记录提供了条件。
数据测试、、
数据测试
通过键盘选择，得到数据如下表：
表6.2.2部分测试数据
设定电阻（ ）显示电阻（ ）显示频率（kHz）测得频率（kHz）
1000 1003 1002.8 1002.5
1250 1249 1248.5 1249.0
1500 1499 1499.9 1499.8
1800 1797 1796.8 1795.5
2000 1996 1993.9 1990.7
把输出端接上50 的负载电阻，从数字示波器上读出Vopp =5.95V，基本达到设计要求。示波器的波形较平滑，无明显失真。
根据贝塞尔公式计算：
1000 时为0
1250 时为2
1500 时为0.5
1800 时为0.5
2000 时为2
根据非线性度计算公式为：非线性度＝[最大误差 (满度－零度)] 100%
非线性度为=－0.4%
从表和上面计算可以看出，系统基本上稳定但还有待继续提高精度。
4设计总结
通过几天的共同努力我们完成了受控正弦信号发生器的设计。通过键盘选择后。当电阻箱电阻变化经过电流传送和接收部分后提供给单片机处理。当电阻大于1500Ω输出固定频率1000kHz，当小于1500Ω时波形发生器停止工作。经过测试功能能基本完成。当电阻在1000Ω和2000Ω之间变化时输出正弦波频率能跟随电阻在1000kHz到2000kHz内变化。在波形输出端加了我们设计的滤波和放大电路能有效排除干扰，使波形无明显失真，在50 负载电阻上的电压峰峰值Vopp≥5V 。最后我们还对部分的功能进行了改进，当电阻大于1500Ω默认输出固定频率为1000kHz，我们还可以用键盘设定输出固定频率的值。
超声波测距仪电路设计实验报告 轮机系楼宇071 周钰泉2007212117 实验目的：了解超声波测距仪的原理，掌握焊接方法，掌握电路串接方法，熟悉电路元件。 实验设备及器材：电烙铁，锡线，电路元件 实验步骤：1,学习keil软件编写程序2、焊接电路板3、运行调试 超声波测距程序： #include
unsigned char i; sbit ST=P3^0; sbit OE=P3^1; sbit EOC=P3^4; sbit CLK=P3^5; sbit M1=P3^6; sbit M2=P3^7; sbit SPK=P2^6; sbit LA=P3^3; sbit LB=P3^2; sbit LC=P2^7; sbit K1=P2^4; sbit K2=P2^5; bit wd; bit yw; bit shuid; bit shuig; unsigned int cnta; unsigned int cntb; bit alarmflag; void delay10ms(void) { unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i--) for(j=248;j>0;j--); } void main(void) { M1=0; M2=0; yw=1; wd=0; SPK=0; ST=0; OE=0; TMOD=0x12; TH0=0x216; TL0=0x216; TH1=(65536-500)/256; TL1=(65536-500)%256; TR1=1; TR0=1; ET0=1; ET1=1; EA=1; ST=1; ST=0; while(1) { if(K1==0) { delay10ms(); if(K1==0) { yw=1; wd=0; } } else if(K2==0) { delay10ms(); if(K2==0) { wd=1; yw=0; } } else if(LC==1) { delay10ms(); if(LC==1) { M1=0; M2=1; temp1=13; shuid=0; shuig=1; LB=0; } } else if((LC==0) && (LB==1)) { delay10ms(); if((LC==0) && (LB==1)) { M1=0; M2=0; temp1=12; shuig=0; shuid=0; LB=0; }
单板/驱动软件详细设计说明书 CJ-7.3-54 v1.0 普天信息技术研究院 200X年月XX日
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目录 1引言 (4) 1.1编写目的 (4) 1.2背景 (4) 1.3定义 (4) 1.4设计依据 (5) 2软件系统结构 (5) 2.1功能需求 (5) 2.2子模块划分 (6) 2.3子模块间关系 (13) 3公共数据结构 (14) 4程序设计说明 (14) 4.1程序1设计说明 (14) 4.1.1程序描述 (14) 4.1.2功能 (14) 4.1.3性能 (14) 4.1.4输入 (14) 4.1.5输出 (14) 4.1.6算法 (14) 4.1.7流程 (14) 4.2程序2设计说明 (14) 5模块重用说明 (15)
1引言 1.1编写目的 〖说明编写这份软件详细设计说明书的目的〗 本文档是以RFID读卡器硬件结构为基础，以《RFID读卡器需求分析说明书》和《RFID读卡器软件概要设计说明书》为指导编写而成。本文档旨在分析RFID读卡器需求的基础上，定义各个功能模块的实现方式与具体函数，以达到实际应用的目的。同时也为RFID读卡器后期的软件升级和维护提供便利。 1.2背景 〖说明待开发软件（子）系统的名称和此软件（子）系统所属大系统的名称； 说明任务的来源（开发背景和市场背景）等；该软件（子）系统与大系统中其他子系统的关系。〗 RFID读卡器通常使用无线电调制方式和卡片进行信息交换，通常根据以下几种标准来设计，即ISO／IEC10536标准、ISO／IEC14443标准、ISO／IEC15693标准。 根据ISO／IEC10536标准设计的卡称为"密耦合卡"，对应的阅读器也相应遵循ISO／IEC10536标准设计；根据ISO／IEC14443标准设计的卡是近耦合卡，对应的阅读器遵循ISO／IEC14443标准设计；根据ISO／IEC15693标准设计的卡是遥耦合卡，对应的阅读器遵循ISO／IEC15693标准设计。遥耦合卡比近耦合卡具有更远的读卡距离，但二者均采用13.56MHz工作频率，均具有防冲突机制。RFID读卡器的设计还应该考虑具体的行业应用规范，比如金融行业的中国银联《非接触IC卡读卡器技术规范》或支持某些特殊应用协议，比如PC/SC协议。 本产品是针对金融服务业开发的RFID读卡器，配合我们自主研发的大容量智能存储卡的推广应用。 本文档是在RFID读卡器硬件设计、外观设计已经完成，系统需求与概要设计已经确定的背景下完成的。 1.3定义 〖列出本文档中所用到的专门术语的定义和缩写词的原意〗 RFID R adio Frequency Identification 无线射频身份识别 APDU Application Protocol Data Unit应用协议数据单元
献给那些刚开始或即将开始设计硬件电路的人。时光飞逝，离俺最初画第一块电路已有3年。刚刚开始接触电路板的时候，与你一样，俺充满了疑惑同时又带着些兴奋。在网上许多关于硬件电路的经验、知识让人目不暇接。像信号完整性，EMI，PS设计准会把你搞晕。别急，一切要慢慢来。 1)总体思路。 设计硬件电路，大的框架和架构要搞清楚，但要做到这一点还真不容易。有些大框架也许自己的老板、老师已经想好，自己只是把思路具体实现;但也有些要自己设计框架的，那就要搞清楚要实现什么功能，然后找找有否能实现同样或相似功能的参考电路板(要懂得尽量利用他人的成果，越是有经验的工程师越会懂得借鉴他人的成果)。 2)理解电路。 如果你找到了的参考设计，那么恭喜你，你可以节约很多时间了(包括前期设计和后期调试)。马上就copy?NO，还是先看懂理解了再说，一方面能提高我们的电路理解能力，而且能避免设计中的错误。 3)没有找到参考设计? 没关系。先确定大IC芯片，找datasheet，看其关键参数是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的关键参数，以及能否看懂这些关键参数，都是硬件工程师的能力的体现，这也需要长期地慢慢地积累。这期间，要善于提问，因为自己不懂的东西，别人往往一句话就能点醒你，尤其是硬件设计。 4)硬件电路设计主要是三个部分，原理图，pcb，物料清单(BOM)表。 原理图设计就是将前面的思路转化为电路原理图。它很像我们教科书上的电路图。
pcb涉及到实际的电路板，它根据原理图转化而来的网表(网表是沟通原理图和pcb之间的桥梁)，而将具体的元器件的封装放置(布局)在电路板上，然后根据飞线(也叫预拉线)连接其电信号(布线)。完成了pcb布局布线后，要用到哪些元器件应该有所归纳，所以我们将用到BOM表。 5)用什么工具? Protel，也就是altimuml容易上手，在国内也比较流行，应付一般的工作已经足够，适合初入门的设计者使用。 6)to be continued...... 其实无论用简单的protel或者复杂的cadence工具，硬件设计大环节是一样的(protel上的操作类似windwos，是post-command型的;而cadence的产品concept&allegro是pre-command型的，用惯了protel，突然转向cadence的工具，会不习惯就是这个原因)。设计大环节都要有1)原理图设计。2)pcb设计。3)制作BOM 表。现在简要谈一下设计流程(步骤)： 1)原理图库建立。要将一个新元件摆放在原理图上，我们必须得建立改元件的库。库中主要定义了该新元件的管脚定义及其属性，并且以具体的图形形式来代表(我们常常看到的是一个矩形(代表其IC BODY)，周围许多短线(代表IC管脚))。protel创建库及其简单，而且因为用的人多，许多元件都能找到现成的库，这一点对使用者极为方便。应搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin，analog pin，digital pin，power pin等区别。 2)有了充足的库之后，就可以在原理图上画图了，按照datasheet和系统设计的要
河北科技大学 学生个性化教育实训报告 题目：搬运单元模块设计 学生姓名： 指导教师： 日期：2016年1月15日
目录 1 第一章模块化生产系统的简介 (1) 1.1 第1节系统的特点和作用 (1) 1.2 第2节系统的组成 (2) 1.3 第3节MPS的发展 (6) 2 第二章物流过程 (7) 3 第三章MPS单元的结构与控制 (8) 3.1 第1节搬运单元简介 (8) 3.2 第2节搬运单元的机械结构 (9) 3.3 第3节搬运单元的气动控制 (10) 3.4 第4节制定I/O表 (11) 4 第四章材料的选型 (23) 4.1 第1节气缸的选择 (23) 4.2 第2节传感器的选择 (25) 4.3 第3节电磁阀的选用 (26) 5第5章参考文献 (27)
第一章模块化生产系统的简介 第1节系统的特点和作用 模块化生产培训系统：Modular Production Training System,简称MPS。模块化生产培训系统是应用于机电一体化、自动化等相关专业的专业技术职业培训和继续教育的模块化教学培训系统模块化生产培训系统可以从基础部分的简单功能及加工顺序，逐步扩展到复杂的集成控制系统。模块化生产培训系统是为提高学生动手能力和实践技能而设计、生产的一套实用性实验设备。该装置由多套各自独立而又紧密相连的工作站组成。各个功能站分别为：上料站、检测站、上料检测站、搬运站、加工检测站安装站、操作手站、传送单元、搬运分拣站和分类存储站。 该实验装置的一大显著特点是：它具有综合性、模块化以及易扩充等特点。它针对学员不同的技术基础进行培训，具有良好的适用性。具有较好的柔性，即每站各有一套PLC控制系统独立控制将各个模块分开培训可以容纳较多的学员同时学习。在基本本单元模块培训完成以后，又可以将相邻的两站三站……直至八站连在一起学习复杂系统的控制编程装配和调试技术。由于该系统囊括了机电一体化专业学习中所涉及的诸如电机驱动、气动、PLC（可编程控制器）传感器等多种技术，给学员提供了一个典型的综合科技环境，使学生将学过的诸多单科专业知识在这里得到全面认识综合训练和相互提升。因此该套装置非常适合对在校学生和初上岗位的工程技术人员进行培训，是培养机电一体化人才的理想设备。系统的实体图如图1-1所示 图1-1
硬件设计流程 一、硬件设计 １．1单板设计需求 单板设计之前需要明确单板的设计需求。单板的功能属性。单板的设计目的，使用场合,具体需求包括: 1.单板外部接口的种类，接口的数量，电气属性即电平标准。 2.单板内部的接口种类，电气属性。 3.单板外部输入电源大小 4.单板的尺寸 5.单板的使用场合,防护标准 若设计中需要用到CPU，需要确定设计中需要用到的FLASH大小和需求的内存的大小和ＣPU的处理能力。单板设计需求中需要明确单板的名字和版本并且要以文档的形式表现出来，是后续单板设计和追溯的主要依据。 单板设计需求完成之后,需要召开项目评审会，需要对设计需求说明中各类需求逐个确认。当各类需求均满足设计需要时则进入下一步。 １.2 单板设计说明 单板需求明确后,需要开始编写单板设计说明。其中需要包括单板设计所需要的各种信息如： 1.单板设计详细方案，需要具体到用到什么芯片,什么接口。 2.器件选型，器件选型需要满足设计的需求。 3.单板功耗、单板选型之后需要确定单板的功耗，为单板散热和电源设计提供依据 4.电源设计、电源设计需要包含单板中需要用到的各类电源。若相同的电源需要做隔离 的需要做需要详细指出。 5.时钟设计，单板若是用到多种时钟，则需要描述时钟的设计方法，时钟拓扑。 6.单板的实际尺寸 7.详细描述各个功能模块给出详细的设计方法 8.详细描述各接口的设计方法和接口的电气属性。 若设计模块有多种设计方法,选择在本设计中最佳的设计方案。若软件对单板中用到的器件有独特的要求，需要明确指出（如对某些制定管脚的使用情况）。除了各个功能模块之外单板设计说明中需要详细描述接口的防护方法。设计说明需要以文档的形式给出，是单板设计过程中重要的文档,其中需要包括单板的名称和单板的版本。如果有条件单板设计说明完成后项目中进行评审。 1.3原理图设计 设计说明完成之后就要开始单板的原理图设计,单板设计说明是单板原理图设计的重要依据。原理图设计之气需要确定单板设计用用到的各个器件原理图库中是否具有原理图符号,如果没有需要提前绘制。新绘制的原理图符号需要反应器件的电气属性,器件型号，最好包含品号信息，绘制完成之后将其放到相应的库中,原理图设计需要包含: 1.各个器件接口的正确电气连接。 2.原理图中的各个器件需要有单独的位号。 3.原理图中需要包含安装孔和定位孔。 4.原理图中的兼容设计或者在实际应用中不需要焊接的器件需要在原理图中明确标出。 原理图的名字需要和单板的名字一致。考虑到单板上所用器件可能会有较长的采购周
信息与电气工程学院 课程设计说明书（2011/2012学年第一学期） 课程名称：可编程控制器应用 题目：机械手搬运单元控制 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 设计周数：两周 设计成绩： 2011 年12月23日
目录 一.前言 (2) 二.实验目的 (2) 三.系统设计 (2) 1.控制要求 (2) 2.硬件选择 (3) 3.输入输出点的地址分配 (4) 4.程序设计 (4) 4.1程序流程图 (4) 4.2内存变量分配表 (4) 4.3控制程序 (5) 5.与下位机的通讯连接 (7) 5.1监控组态界面 (7) 5.2监控组态程序清单 (7) 四.总结 (12) 五.参考文献 (13)
机电一体化技术是近十几年来国际上发展最快的高新技术，已渗透到国民经济的各个领域。采用机电一体化技术就是发挥以微机为核心的微电子技术优势：对于一般机械而言，可使机械结构简化且控制更为灵活、细致；对于采用气动元件作为执行机构的机械设备而言，较之采用继电器接触控制更为可靠、方便，增加了柔性。微型计算机及以微机为核心的专用控制机的推广应用，采用电子控制的便捷、灵活和可靠等优势与采用气压传动的简单、便捷和安全的优点相互结合，使得电子气动技术应运而生。电子气动控制技术是机电一体化技术的一个重要组成部分，由于它在工业机器人中的成功应用，使得这项技术的推广具有了良好而广阔的前景。 基于PLC控制气动移置机械手系统正是由此出发点而研制开发的，可以满足《工业机器人》、《气动技术》、《可编程序控制器技术》等课程的教学、实验，应用其具有可编程、二次设计、调试等功能特点，可提高学生的工程素质、创新能力、综合实践及应用能力，满足培养综合性和创新型、高层次、复合型工程技术人员的要求。 二.实验目的 利用S7-200系列PLC的各种基本指令进行编写程序，并能熟练掌握PLC编程软件的编程方法和程序调试方法；学会并使用下位机编写程序实现机械手的自动和手动控制，并能利用上位机进行通讯连接实现实时监控。 三.系统设计 1.控制要求 当工件被送到机械手下方后，机械手将向下运动，然后锁紧夹爪；当工件被夹住后，机械手上升，到达上端后，手臂向右旋转180°。当到达右侧后夹爪向下并释放工件，然后上升，最后机械手臂向左摆动、复位，并发出信号，将控制权交给下一单元。 技术要求： 1. 机械夹爪上下运动 2. 机械夹爪锁紧后将有信号产生 3.机械手臂左右摆动（180°） 4. 只有当机械手臂下降到低端时才能作开合动作 5.完成动作后，发出信号给下一单元 2.硬件选择
硬件电路设计基础知识 Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT-
硬件电子电路基础
第一章半导体器件 §1-1 半导体基础知识一、什么是半导体
半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。（导电能力即电导率）（如：硅Si 锗Ge等＋4价元素以及化合物） 二、半导体的导电特性 本征半导体――纯净、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。 硅和锗的共价键结构。（略） 1、半导体的导电率会在外界因素作用下发生变化 掺杂──管子 温度──热敏元件 光照──光敏元件等 2、半导体中的两种载流子──自由电子和空穴 自由电子──受束缚的电子（－） 空穴──电子跳走以后留下的坑（＋） 三、杂质半导体──N型、P型 （前讲）掺杂可以显着地改变半导体的导电特性，从而制造出杂质半导体。 N型半导体（自由电子多） 掺杂为＋5价元素。如：磷；砷 P──＋5价使自由电子大大增加 原理： Si──＋4价 P与Si形成共价键后多余了一个电子。 载流子组成：
o本征激发的空穴和自由电子──数量少。 o掺杂后由P提供的自由电子──数量多。 o空穴──少子 o自由电子──多子 P型半导体（空穴多） 掺杂为＋3价元素。如：硼；铝使空穴大大增加 原理： Si──＋4价 B与Si形成共价键后多余了一个空穴。 B──＋3价 载流子组成： o本征激发的空穴和自由电子──数量少。 o掺杂后由B提供的空穴──数量多。 o空穴──多子 o自由电子──少子 结论：N型半导体中的多数载流子为自由电子； P型半导体中的多数载流子为空穴。 §1-2 PN结 一、PN结的基本原理 1、什么是PN结 将一块P型半导体和一块N型半导体紧密第结合在一起时，交界面两侧的那部分区域。
****产品详细设计报告 目录 1概述 6 1.1 背景 6 1.2 产品功能描述 6 1.3 产品运行环境说明 6 1.4 重要性能指标 6 1.5 产品功耗 6 1.6 必要的预备知识(可选) 6 2 产品各单元详细说明 6 2.1 产品功能单元划分和功能描述 6 2.2 单元详细描述 7 2.2.1 单元1 7
2.2.2 单元2 7 2.2.3 单元N (8) 2.3 产品各单元间配合描述 8 2.3.1 总线设计 8 2.3.2 时钟设计 8 2.3.3 产品上电、休眠、复位设计 8 2.3.4 各单元间的时序关系 9 2.3.5 产品整体可测试性设计 9 2.3.6 软件加载方式说明 9 3 产品电源设计说明 9 3.1 产品供电原理框图 9 3.2 产品电源各功能模块详细设计 9 4 产品接口说明 10 4.1 产品单元内部接口 10 4.2 对外接口说明 10 4.3 软件接口 10 4.4 调测接口 11
5 产品可靠性、可维护性设计说明 11 5.1 产品可靠性设计 11 5.1.1 关键器件及相关信息 11 5.1.2 关键器件可靠性设计说明 11 5.1.3 关键信号时序要求 12 5.1.4 信号串扰、毛刺、过冲及保障措施： 12 5.1.5 其他重要信号及相关处理方案 12 5.1.6 机械应力 12 5.1.7 可加工性 12 5.1.8 电应力 12 5.1.9 环境应力 12 5.1.10 温度应力 13 5.2 产品可维护性设计说明 13 6 EMC、ESD、防护及安规设计说明 13 6.1 产品电源、地的分配图 13 6.2 关键器件和关键信号的EMC设计 13 6.3 防护设计 13
硬件电子电路基础
第一章半导体器件 §1-1 半导体基础知识 一、什么是半导体 半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。（导电能力即电导率）（如：硅Si 锗Ge等＋4价元素以及化合物）
二、半导体的导电特性 本征半导体――纯净、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。 硅和锗的共价键结构。（略） 1、半导体的导电率会在外界因素作用下发生变化 ?掺杂──管子 ?温度──热敏元件 ?光照──光敏元件等 2、半导体中的两种载流子──自由电子和空穴 ?自由电子──受束缚的电子（－） ?空穴──电子跳走以后留下的坑（＋） 三、杂质半导体──N型、P型 （前讲）掺杂可以显著地改变半导体的导电特性，从而制造出杂质半导体。 ?N型半导体（自由电子多） 掺杂为＋5价元素。如：磷；砷P──＋5价使自由电子大大增加原理：Si──＋4价P与Si形成共价键后多余了一个电子。 载流子组成： o本征激发的空穴和自由电子──数量少。 o掺杂后由P提供的自由电子──数量多。 o空穴──少子 o自由电子──多子 ?P型半导体（空穴多） 掺杂为＋3价元素。如：硼；铝使空穴大大增加 原理：Si──＋4价B与Si形成共价键后多余了一个空穴。 B──＋3价 载流子组成：
o本征激发的空穴和自由电子──数量少。 o掺杂后由B提供的空穴──数量多。 o空穴──多子 o自由电子──少子 结论：N型半导体中的多数载流子为自由电子； P型半导体中的多数载流子为空穴。 §1-2 PN结 一、PN结的基本原理 1、什么是PN结 将一块P型半导体和一块N型半导体紧密第结合在一起时，交界面两侧的那部分区域。 2、PN结的结构 分界面上的情况： P区：空穴多 N区：自由电子多 扩散运动： 多的往少的那去，并被复合掉。留下了正、负离子。 （正、负离子不能移动） 留下了一个正、负离子区──耗尽区。 由正、负离子区形成了一个内建电场（即势垒高度）。 方向：N--> P 大小：与材料和温度有关。（很小，约零点几伏）
单元二MPS模块化生产线及传感器的应用 2.1 MPS 教学系统简介 一、MPS 概念 模块化生产培训系统（MPS，Modular Production training System）是目前流行的机电一体化教学设备。MPS 体现了机电一体化的技术实际应用。 MPS 设备是一套开放式的设备，用户可以根据自己的需要选择设备组成单元的数量、类型，最多可由9 个单元组成，当然最少时一个单元亦可自成一个独立的控制系统。而由多个单元组成的生产系统可以体现自动生产线的控制特点。二、MPS 的基本组成 多个单元组成的MPS 系统可以较为真实地模拟出一个自动生产加工流水线的工作过程。其中，每个工作单元都可以自成一个独立的系统，同时也都是一个机电一体化的系统。 图2–1 MPS-1型模块化生产线外形图 各个单元的执行机构主要是气动执行机构和电机驱动机构，这些执行机构的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。 在MPS 设备上应用多种类型的传感器，分别用于判断物体的运动位置、物体的通过状态、物体的颜色、物体的材质、物体的高度等。传感器技术是机电一体化技术中的关键技术之一，是现代工作实现高度自动化的前提之一。 在控制方面，MPS 设备采用PLC 进行控制，用户可根据需要选择不同厂家的PLC（英集斯公司主要使用三菱公司的FX2N 系列PLC、西门子公司的S7-200 系列PLC 和S7-300 系列PLC）。MPS 设备的硬件结构是相对固定的，但学员可以根据自己对设备的理解、对生产
加工工艺的理解，编写一定的生产工艺过程，然后再通过编写PLC 控制程序实现该工艺过程，从而实现对MPS 设备的控制。 三、MPS 的基本功能 MPS 设备给学员提供了一个半开放式的学习环境，虽然各个组成单元的结构已经固定，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各个单元之间如何配合、最终使MPS 模拟一个什么样的生产加工控制过程、MPS 作为一条自动生产流水线具有怎么样的操作运行模式等，学员都可根据自己的理解，运用所学理论知识，设计出PLC 控制程序，使MPS设备实现一个最符合实际的自动控制过程。 MPS 系统中每个单元都具有最基本的功能，学员可这些基本功能的基础上进行流程编排设计和发挥。 四、上料检测单元 功能简介：完成整个系统的上料工作，将大工件输出，判断出其颜色，并将其信息发 给后一站。此站可配合触摸屏或组态控制而为整个系统的主站。 PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列； 扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络； 组成模块：回转料斗、提升装置、光电识别组件。 五、供料单元 功能简介：作用是为加工过程逐一提供加工工件。由双作用气缸从料仓中逐一推出工件，转换模块上的真空吸盘将工件吸起，在旋转缸的驱动下将工件移动至下一个工作站的传输位置。 PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列； 扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络； 组成模块：真空组件、旋转模块、供料模块。 六、检测单元： 功能简介：检测单元主要是检测加工工件的各种特性，如颜色、材质、高度等。 PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列； 扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络； 组成模块：工件高度检测模块、提升模块、工件材质及颜色识别组件。 七、加工单元： 功能简介：工件将在旋转平台上被检测及加工。通过具有四个工位的加工旋转平台， 进行加工模拟，并进行加工质量的模拟检测。 PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列； 扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络。 八、搬运单元： 组成模块：旋转平台、模拟钻孔模块、模拟检测组件功能简介：该搬运单元由无杆气缸、椭圆形活塞气缸和夹爪等部件组成，通过移动、上下伸缩、抓取等动作，将前一单元上的工件传入下一执行单元。 PLC 主机：三菱FX2N 系列、西门子S7 系列； 扩展模块：485、PPI、MPI、Profibus 网络；
硬件电路板设计规范(总36 页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1 -CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除
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1概述............................................... 错误!未定义书签。 适用范围............................................ 错误!未定义书签。 参考标准或资料 ...................................... 错误!未定义书签。 目的................................................ 错误!未定义书签。2PCB设计任务的受理和计划............................ 错误!未定义书签。 PCB设计任务的受理................................... 错误!未定义书签。 理解设计要求并制定设计计划 .......................... 错误!未定义书签。3规范内容........................................... 错误!未定义书签。 基本术语定义........................................ 错误!未定义书签。 PCB板材要求: ....................................... 错误!未定义书签。 元件库制作要求 ...................................... 错误!未定义书签。 原理图元件库管理规范：......................... 错误!未定义书签。 PCB封装库管理规范............................. 错误!未定义书签。 原理图绘制规范 ...................................... 错误!未定义书签。 PCB设计前的准备..................................... 错误!未定义书签。 创建网络表..................................... 错误!未定义书签。 创建PCB板..................................... 错误!未定义书签。 布局规范............................................ 错误!未定义书签。 布局操作的基本原则............................. 错误!未定义书签。 热设计要求..................................... 错误!未定义书签。 基本布局具体要求............................... 错误!未定义书签。 布线要求............................................ 错误!未定义书签。 布线基本要求................................... 错误!未定义书签。 安规要求....................................... 错误!未定义书签。 丝印要求............................................ 错误!未定义书签。 可测试性要求........................................ 错误!未定义书签。 PCB成板要求......................................... 错误!未定义书签。
SUCHNESS 硬件设计文档 型号：GRC60定位终端 编号： 机密级别：绝密机密内部文件 部门：硬件组 拟制：XXXX年 XX月 XX日 审核：年月日 标准化：年月日 批准：年月日
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目录 1系统概述 (3) 2系统硬件设计 (3) 2.1硬件需求说明书 (3) 2.2硬件总体设计报告 (3) 2.3单板总体设计方案 (3) 2.4单板硬件详细设计 (3) 2.5单板硬件过程调试文档 (3) 2.6单板硬件测试文档 (4) 3系统软件设计 (4) 3.1单板软件详细设计 (4) 3.2单板软件过程调试报告 (4) 3.3单板系统联调报告 (4) 3.4单板软件归档详细文档 (4) 4硬件设计文档输出 (4) 4.1硬件总体方案归档详细文档 (4) 4.2硬件信息库 (5) 5需要解决的问题 (5) 6采购成本清单 (5)
1系统概述 2系统硬件设计 2.1、硬件说明书 硬件需求说明书是描写硬件开发目标，基本功能、基本配置，主要性能指标、运行环境，约束条件以及开发经费和进度等要求，它的要求依据是产品规格说明书和系统需求说明书。它是硬件总体设计和制订硬件开发计划的依据，具体编写的内容有：系统工程组网及使用说明、硬件整体系统的基本功能和主要性能指标、硬件分系统的基本功能和主要性能指标以及功能模块的划分等 2.2、硬件总体设计报告 硬件总体设计报告是根据需求说明书的要求进行总体设计后出的报告，它是硬件详细设计的依据。编写硬件总体设计报告应包含以下内容：系统总体结构及功能划分，系统逻辑框图、组成系统各功能模块的逻辑框图，电路结构图及单板组成，单板逻辑框图和电路结构图，以及可靠性、安全性、电磁兼容性讨论和硬件测试方案等 2.3、单板总体设计方案 在单板的总体设计方案确定后出此文档，单板总体设计方案应包含单板版本号，单板在整机中的位置、开发目的及主要功能，单板功能描述、单板逻辑框图及各功能模块说明，单板软件功能描述及功能模块划分、接口简单定义与相关板的关系，主要性能指标、功耗和采用标准 2.4、单板硬件详细设计 在单板硬件进入到详细设计阶段，应提交单板硬件详细设计报告。在单板硬件详细设计中应着重体现：单板逻辑框图及各功能模块详细说明，各功能模块实现方式、地址分配、控制方式、接口方式、存贮器空间、中断方式、接口管脚信号详细定义、时序说明、性能指标、指示灯说明、外接线定义、可编程器件图、功能模块说明、原理图、详细物料清单以及单板测试、调试计划。有时候一块单板的硬件和软件分别由两个开发人员开发，因此这时候单板硬件详细设计便为软件设计者提供了一个详细的指导，因此单板硬件详细设计报告至关重要。尤其是地址分配、控制方式、接口方式、中断方式是编制单板软件的基础，一定要详细写出。
1.1电路硬件设计基础 1.1.1电路设计 硬件电路设计原理 嵌入式系统的硬件设计主要分3个步骤：设计电路原理图、生成网络表、设计印制电路板，如下图所示。 图1-1硬件设计的3个步骤 进行硬件设计开发，首先要进行原理图设计，需要将一个个元器件按一定的逻辑关系连接起来。设计一个原理图的元件来源是“原理图库”，除了元件库外还可以由用户自己增加建立新的元件，用户可以用这些元件来实现所要设计产品的逻辑功能。例如利用Protel 中的画线、总线等工具，将电路中具有电气意义的导线、符号和标识根据设计要求连接起来，构成一个完整的原理图。 原理图设计完成后要进行网络表输出。网络表是电路原理设计和印制电路板设计中的一个桥梁，它是设计工具软件自动布线的灵魂，可以从原理图中生成，也可以从印制电路板图中提取。常见的原理图输入工具都具有Verilog/VHDL网络表生成功能，这些网络表包含所有的元件及元件之间的网络连接关系。 原理图设计完成后就可进行印制电路板设计。进行印制电路板设计时，可以利用Protel 提供的包括自动布线、各种设计规则的确定、叠层的设计、布线方式的设计、信号完整性设计等强大的布线功能，完成复杂的印制电路板设计，达到系统的准确性、功能性、可靠性设计。 电路设计方法(有效步骤) 电路原理图设计不仅是整个电路设计的第一步，也是电路设计的基础。由于以后的设计工作都是以此为基础，因此电路原理图的好坏直接影响到以后的设计工作。电路原理图的具体设计步骤，如图所示。
图1-2原理图设计流程图 （1）建立元件库中没有的库元件 元件库中保存的元件只有常用元件。设计者在设计时首先碰到的问题往往就是库中没有原理图中的部分元件。这时设计者只有利用设计软件提供的元件编辑功能建立新的库元件，然后才能进行原理图设计。 当采用片上系统的设计方法时，系统电路是针对封装的引脚关系图，与传统的设计方法中采用逻辑关系的库元件不同。 （2）设置图纸属性 设计者根据实际电路的复杂程度设置图纸大小和类型。图纸属性的设置过程实际上是建立设计平台的过程。设计者只有设置好这个工作平台，才能够在上面设计符合要求的电路图。 （3）放置元件 在这个阶段，设计者根据原理图的需要，将元件从元件库中取出放置到图纸上，并根据原理图的需要进行调整，修改位置，对元件的编号、封装进行设置等，为下一步的工作打下基础。 （4）原理图布线 在这个阶段，设计者根据原理图的需要，利用设计软件提供的各种工具和指令进行布线，将工作平面上的元件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的原理图。 （5）检查与校对 在该阶段，设计者利用设计软件提供的各种检测功能对所绘制的原理图进行检查与校对，以保证原理图符合电气规则，同时还应力求做到布局美观。这个过程包括校对元件、导线位置调整以及更改元件的属性等。 （6）电路分析与仿真 这一步，设计者利用原理图仿真软件或设计软件提供的强大的电路仿真功能，对原理图的性能指标进行仿真，使设计者在原理图中就能对自己设计的电路性能指标进行观察、测试，从而避免前期问题后移，造成不必要的返工。
中国矿业大学徐海学院 单片机课程设计 姓名：XXX学号： 22090XXX 专业：计算机09-4班 题目：硬件课程设计 专题：简易计算器设计 指导教师： XXX 设计地点：嘉园时间： 2011-12-23 20011年12月
单片机课程设计任务书 专业年级计算机09-4 学号22090XXX 学生姓名XXX 任务下达日期：2011年12 月15日 设计日期：2011 年12 月15 日至2011 年12 月23日 设计题目：硬件课程设计 设计专题题目：简易计算器设计 设计主要内容和要求： 摘要： 利用单片机及外围接口电路(键盘接口和显示接口电路)设计制作一个计算器。 主要能实现 1.加法：能够计算四位以内的数的加法。 2减法：能计算四位数以内的减法。 3乘法：能够计算两位数以内的乘法。 4除法：能够计算四位数的乘法 5有清零功能，能随时对运算结果和数字输入进行清零。 关键词：单片机; 计算器 ; 加减乘除 指导教师签字：
目录 1 系统概述 (1) 1.1硬件知识概述 (1) 1.1.1 单片机 (1) 1.1.2 C语言 (1) 1.1.3 ISP (1) 1.2设计基本思想 (1) 2硬件电路设计 (2) 2.1 单片机最小系统 (2) 2.2键盘接口电路 (2) 2.3数码管显示电路 (3) 3 软件设计 (4) 3.1 复位电路 (4) 4.系统调试 (5) 4.1 软件流程图 (5) 4.1.1系统软件系统流程图 (5) 5.结束语 (6) 参考文献 (7) 附录 (8)
1 系统概述 1.1硬件知识概述 1.1.1 单片机 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 1.1.2 C语言 C语言是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出。1978后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。 1.1.3 ISP ISP（In-System Programming）在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP 方式擦除或再编程。本次课程设计便使用ISP 方式，直接将编写好的程序下载到连接好的单片机中进行调试 1.2设计基本思想 利用单片机及外围接口电路(键盘接口和显示接口电路)设计制作一个计算器，用四位一体数码管显示计算数值及结果。要求用Protel 画出系统的电路原理图，绘出程序流程图，并给出程序清单。 主要能实现 1.加法：能够计算四位以内的数的加法。 2减法：能计算四位数以内的减法。 3乘法：能够计算两位数以内的乘法。 4除法：能够计算四位数的乘法 5有清零功能，能随时对运算结果和数字输入进行清零。
产品设计过程——硬件开发 ●课程简介: 本课程以产品设计过程为主线，详细讲解产品设计过程中的各个环节，帮助学员理解产品开发流程，树立按流程办事和流程优化的思想，更好地开展工作。 ●适合对象：硬件研发类新员工 ●培训目标： 学完本课程后，学员能够达到：了解产品设计过程，并在实际工作中能够按流程办事。 ●课程要点： 硬件工程师职责与基本技能 硬件开发规范化管理的重要性 硬件开发过程及文档规范详解 与硬件开发相关的流程文件介绍
产品设计过程——硬件开发 第一章硬件工程师职责与基本技能 第一节硬件工程师职责 一个技术领先、运行可靠的硬件平台是公司产品质量的基础，硬件工程师职责神圣，责任重大。 1、硬件工程师应勇于尝试新的先进技术之应用，在产品硬件设计中大胆创新。 2、坚持采用开放式的硬件架构，把握硬件技术的主流和未来发展，在设计中考 虑将来的技术升级。 3、充分利用公司现有的成熟技术，保持产品技术上的继承生。 4、在设计中考虑成本，控制产品的性能价格比达到最优。 5、技术开放，资源共享，促进公司整体的技术提升。 第二节硬件工程师的基本素质与技术 硬件工程师应掌握如下基本技能： 1、由需求分析至总体方案、详细设计的设计创造能力； 2、熟练运用设计工具，设计原理图，EPLD，FPGA调试程序的能力； 3、运用仿真设备，示波器，逻辑分析仪调测硬件的能力； 4、掌握常用的标准电路的设计能力，如CPU电路，WDT电路，滤波电路，高 速信号传输线的匹配电路等； 5、故障定位，解决问题的能力； 6、文档的写作能力； 7、接触供应商，保守公司机密的技能。
第二章硬件开发规范化管理 第一节硬件开发规范化管理的重要性 在公司的规范化管理中，硬件开发的规范化是一项重要内容。硬件开发规范化管理是在公司的《硬件开发流程》及相关的《硬件开发文档编制规范》，《PCB 投板流程》等文件中规划的。硬件开发流程是指导硬件工程师按规范化方式进行开发的准则，规范了硬件开发的全过程。硬件开发流程制定的目的是规范硬件开发过程控制，硬件开发质量，确保硬件开发能按预定目的完成。 硬件开发流程不但规范化了硬件开发的全过程，同时也从总体上，规定了硬件开发所完成的任务。做为一名硬件工程师深刻领会硬件开发流程中各项内容，在日常工作中自觉按流程办事，是非常重要的，否则若大一个公司就会走向混乱。所有硬件工程师应把学流程、按流程办事、发展完善流程、监督流程的执行作为自己的一项职责，为公司的管理规范化做出的贡献。 总之，硬件开发流程是硬件工程师规范日常开发工作的重要依据，全体硬件工程师必须认真学习。 第二节硬件开发过程详解 硬件开发过程对硬件开发的全过程进行了科学分解，规范了硬件开发的五大任务，也划分硬件开发的五大阶段。 1、硬件需求分析 2、硬件系统设计 3、硬件开发及过程控制 4、系统联调 5、文档归档及验收申请 硬件开发真正起始应在立项后，即接到立项任务书后，但在实际工作中，许多项目在立项之前已做了大量硬件设计工作。立项完成后，项目组就已有了产品规格说明书，系统需求说明书及项目总体方案书，这些文件都已进行过评审。 1、硬件需求分析
硬件详细设计报告模版
（公司标识，位于文档首页的左上角）XXXX设计报告(题目，宋体小一，居中) 项目名称XXXX 文档编号 版本号VX.X.X 作者XXX
版权所有(版权声明，宋体五号) 大连互联天下科技发展有限公司 本资料及其包含的所有内容为大连互联天下科技发展有限公司(大连互联天下)所有,受中国法律及适用之国际公约中有关著作权法律的保护。未经大连互联天下书面授权，任何人不得以任何形式复制、传播、散布、改动或以其它方式使用本资料的部分或全部内容，违者将被依法追究责任。
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目录 1引言（使用本文档中的一级标题，格式不可手动修改） (7) 1.1版本处理（使用本文档中的二级标题，格式不 可手动修改） (7) 1.2编写目的 7 1.3预期的读者和阅读建议 7 1.4术语、定义和缩略语 7 1.5相关参考资料 8 2基本描述 (9) 2.1设计的基本要求 9 2.2单板运行环境描述 9 2.3单板工作条件限制 9 2.4单板主要性能指标 9 3模块的功能描述 (10) 3.1结构描述 10 3.2模块描述
10 3.2.1电源模块（使用本文档中的三级标题） 10 3.2.2功能块描述 10 3.3单板重用模块说明 11 4接口设计 (12) 4.1单板接口图 12 4.1.1外部接口设计 12 4.1.2内部接口设计 13 4.2板间接口（可选） 13 5实施 (14) 5.1系统电源方案 14 5.1.1各模块供电及功耗计算 14 5.1.2单板电源电压、功率分配表 14 5.1.3外部电源供电方案 15 5.1.4电源备份方案（可选） 16