1、控制仪表与装置开发的流程与任务控制仪表与装置开发的流程与任务5 5.2.2第五章 计算机测控领域产品设计与开发控制仪表控制仪表与装置开发的任务分析与装置开发的任务分析1 15 5.1.1控制仪表与装置的设计与系统开发控制仪表与装置的设计与系统开发5 5.3.3 任何一款产品的设计开发都需要前期精细的设计需求分析任何一款产品的设计开发都需要前期精细的设计需求分析与立项分析与立项分析,并编制内容详细的产品开发任务书。并编制内容详细的产品开发任务书。产品开发任务书包括以下内容产品开发任务书包括以下内容:l 产品设计的目的l 主要应用领域与适用性l 产品的使用环境与条件l 主要竞争对手分析l 产品的功
2、能、性能设计与合理性分析5.1 控制仪表与装置开发的任务分析 任何一款产品的设计开发都需要前期精细的设计需求分析任何一款产品的设计开发都需要前期精细的设计需求分析与立项分析与立项分析,并编制内容详细的产品开发任务书。并编制内容详细的产品开发任务书。产品开发任务书包括以下内容产品开发任务书包括以下内容:l 产品使用的核心技术与技术难点分析l 产品开发的技术路线制定l 产品的开发计划l 产品的测试计划l 产品的考核计划5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 市场市场目的目的：产品的市场定位：应用领域、行业；产品的品质定位：高、中、低端产品；可预期的市场份额分析：产品可预期年市场总需求量；市场发展的
3、预期分析：未来5-10年市场发展预测；产品的行业适用性分析：产品的主打行业；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 经济经济目的目的：产品的盈利性定位分析成本定位、售价定位（参考市场相关产品性能与价格）；l 技术目的技术目的：(比对市场竞争对手制订）产品的技术指标目标；产品功能设置目标；产品的技术先进性目标定位；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 产品产品应用领域、行业的专项技术分析应用领域、行业的专项技术分析 系统互联技术：通讯网络标准、通讯协议；行业技术规范：功能、外观、安装等行业规范、标准；l 产品产品应用领域的技术准入分析应用领域的技术准入分析 产品的行业认证、及测试流程规范；产品
4、的形式认证、3C认证等5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 自然环境自然环境对产品设计使用的约束分析：对产品设计使用的约束分析：使用环境温度条件：产品元器件的温度特性选择；使用环境的湿度条件：PCB防护、产品整体的防潮、防 水处理、防水等级的确定（IP67、IP68？）使用环境的腐蚀问题：防盐、防腐PCB防护、接 线防式选择与防护、产品整体防护；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 自然环境自然环境对产品设计使用的约束分析：对产品设计使用的约束分析：压力条件构成的约束：产品测量部分的周围压力对产 品测量及整体的设计约束；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 供电供电环境对产品的设计使用分
5、析：环境对产品的设计使用分析：市电环境：电压波动范围、电网噪声环境对产品电源设 计的要求；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 供电供电环境对产品的设计使用分析：环境对产品的设计使用分析：太阳能蓄电池供电、电池供电：低功耗电路设计；低功耗运行方式设计；l 行业行业环境对产品的设计约束分析环境对产品的设计约束分析：防腐/防潮约束：PCB、接线方式、整机的防护措施；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 行业行业环境对产品的设计约束分析环境对产品的设计约束分析：防暴约束：（1区防暴、0区防暴）对电源设计的约束 即：供电电压等级、电路中除能元件的容 量约束，电路中对短路电流限制的措施；防震约束：安
6、装方式、防震缓冲吸能措施；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 主要主要竞争产品的水平现状分析：竞争产品的水平现状分析：竞争产品的技术水平指标、功能等；竞争产品的可靠性水平故障率、稳定性；产品开发在技术上、经济上的针对性5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 主要主要竞争产品的优缺点竞争产品的优缺点分析分析明确产品开发的针对性：技术针对性、价格针对性；l 产品产品开发的特色开发的特色：技术特色、功能特色、价格定位；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 根据工程应用需求设置设计产品功能；l 避免大而全的产品设计、确保产品的性价比；l 根据行业应用合体拆分产品系列细分；l 以可靠性设计为基础，
7、对产品功能设计合理取舍 提高产品的性价比、提高产品的竞争力；l 抓住市场需求与竞争对手的软肋，明确产品功能设计；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 根据应用需求划分必备功能与选配功能；l 分析计算各项功能的实现成本；l 根据产品定位和成本约束对产品的功能进行舍取；l 保留于竞争有利的特色选配功能5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 技术技术先进性的体现先进性的体现：技术指标领先；实用功能领先；性价比领先；系统可靠性领先；l 保障保障竞争能力的技术先进性竞争能力的技术先进性：明确核心竞争指标，并确保其先进性；重点考虑可靠性指标、智能性指标和性价比；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 在
8、明确产品定位、明确核心竞争指标、控制产品成本的基础上，确定产品设计的核心技术，敲定产品的总体设计系统的物理组成、功能、软件架构、核心单元、开发平台、核心测控技术。l 进行设计方案的比较论证：技术指标、功能设计、产品成本、开发成本、开发时间等；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 明确产品开发的技术难点，确定技术解决方案；l 选择备用方案与技术；l 明确产品开发的关键节点与技术要点5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 将开发任务进行合理的分解与分配；l 制订产品开发的各关键技术实验与验证方案；l 确定产品开发的关键环节与开发测试方案；l 确定产品开发的步骤与流程；l 确定产品开发的测试、考核
9、与完善环节；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 产品开发的阶段划分与时间计划；l 产品开发的人力分配与任务分配；l 各阶段任务的资金计划；l 各阶段任务的人力资源规划；l 各阶段任务的材料购置规划；l 各阶段任务的测试、实验仪器设备准备；l 各阶段任务的团队协同计划；5.1 控制仪表与装置开发的任务分析l 产品的阶段测试计划：时间、任务、人员；l 产品的样机测试计划：时间、任务、人员、方案；l 产品的现场测试计划：时间、任务、人员、方案；l 产品的完善测试规划：时间、任务、人员；l 产品的生产测试考核规划：测试设备、软件、步骤、人员5.2 控制仪表与装置开发的流程与任务 产品开发在产品设计
10、任务书的约束与指导下，通常按以下流程图的步骤进行。如图5.2-1所示，产品的开发流程包括以下几个阶段：l 产品总体设计阶段;l 硬件开发阶段;l 软件开发阶段;l 系统联调;5.2 控制仪表与装置开发的流程与任务l 样机现场考核;l 产品定型阶段;其中系统联调、样机现场考核等阶段都可能需要对产品的硬件设计、软件设计，以至于总体设计提出修改，经过多次完善，最终达到产品定型生产的目标。5.2 控制仪表与装置开发的流程与任务图5.2-15.3 控制仪表与装置的设计与系统开发 产品设计是一项系统工程，在产品总体设计阶段要将产品的硬件设计、结构设计、外观设计以工业设计的理念有机的融合。嵌入式产品设计应在
11、产品设计书的约束下实施，总体设计包括以下几个方面：l 硬件原理设计；l 软件规划设计；l 系统结构设计；l 产品工艺设计；l 电磁兼容设计；l 产品工业设计；5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发l 硬件设计的前提条件是已经明确了影响产品性能的各项关键因素在硬件电路上的体现，设计上以系统的高可靠性为根本，以成本控制为约束，兼顾安装结构与生产工艺。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发l 对特殊测控类嵌入式产品开发，“特殊的专业测控电路”的设计是产品硬件设计的核心与难点，该部分电路的设计与实现是产品正式设计的前提。通常“特殊的专业测控电路”需要提前搭建实验电路验证其正确性、可行性，测试相关性能指
12、标后，方能纳入系统的正式硬件设计中。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发测控产品的硬件按功能分类，通常可分为：微机基本系统 系统的测控接口电路 键盘显示接口电路 网络通讯接口电路 电源系统电路5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发 通常根据硬件安装结构关系及与输入输出端子的连接关系来组织硬件电路PCB的原理图设计。下面简要分析一下硬件系统设计所涉及的主要电路的设计要点及典型电路。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机测控接口电路计算机测控接口电路 计算机测控系统的接口电路通常包括输入通道和输出通道两部分，有时也称为前向通道和后向通道。输入通道包括模拟量输入通道、开关量（数字量）输入
13、通道和脉冲量输入通道。输出通道包括模拟量输出通道、开关量输出通道和脉冲量输出通道。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(1)输入通道：模拟量输入通道 常规模拟信号测量放大电路的一般组成如图2-2所示，包括：信号调理、多路转换、测量放大、A/D转换。对具有多路模拟量输入的MPU，测量原理框图可以简化为：信号调理和测量放大两部分，如图5.3-1所示。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(1)输入通道：模拟量输入通道 图5.3-1 多路模拟量输入原理框图5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测
14、控接口电路电路(1)输入通道：模拟量输入通道对于测量传感器远离嵌入式装置，且测量信号容易耦合强电干扰的情况，模拟量测量通道需要与MPU进行信号隔离，如图5.3-2，5.3-3给出了两种隔离方案。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(1)输入通道：模拟量输入通道 图5.3-2 多路模拟量测量电路5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发图5.3-3 多路模拟量测量电路1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(1)输入通道：模拟量输入通道 5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(1)输入通道：开关量输入通道 开关量接口的
15、设计比较简单，在嵌入式系统开关量接口设计上通常直接采用MPU的I/O接口作为开关量的输入引脚。在开关量接口设计中，重点解决的问题有两个：信号的隔离和开关量信号抖动的消除问题。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(1)输入通道：开关量输入通道 信号隔离通常采用光电耦合器来实现，而信号的抖动消除可采取两方面的措施硬件去抖动电路和软件延时去抖。典型的单路开关量输入接口电路如图5.3-4所示。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(1)输入通道：开关量输入通道图5.3-4 单路开关量输入接口电路5.3 控制仪表与装置的设
16、计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(1)输入通道：脉冲量输入通道 许多传感器都以脉冲量的形式输出信号，特别是流量传感器：电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计，脉冲式水表等。另外，运动控制中的主传感器光电编码盘以及各种计数开关，对嵌入式系统而言都是以脉冲量形式输入信号的。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(1)输入通道：脉冲量输入通道 脉冲量接口电路的设计中面临的主要问题通常有三个：输入信号与MPU测量电路的信号隔离、信号的去抖动处理、信号的计数单元设计。在工程上，脉冲信号通常分为有源信号和无源信号，两种在接口设计上有所区别。如图5.3
17、-5，5.3-6分别是有源脉冲输入、无源脉冲输入的接口电路。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(1)输入通道：脉冲量输入通道 图5.3-5 有源脉冲输入接口电路5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发图5.3-6无源脉冲输入接口电路1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(1)输入通道：脉冲量输入通道 5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(2)输出通道：模拟量输出通道现代自动控制系统中，控制器对执行机构的控制信号已规范化为标准的420mA电流环输出。因此，对于制式执行机构的控制，嵌入式计算机控制装置的控制通道设
18、计已经非常明确由D/A器件、V/I转换电路输出标准的420mA电流环信号。在大多数应用中输出电路需进行信号的电气隔离。如图5.3-7和5.3-8所示。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(2)输出通道：模拟量输出通道 有些特殊的设计，需要输出双极性模拟电压信号，通常实现双极性模拟量输出方法有两种，取决于计算机对双极性模拟量的数学表示方式。偏移二进制编码的双极性模拟量输出如图5.3-7所示，对于12位的D/A转换器，0000H对应模拟量-5v，0800H对应模拟量0v，0FFFH对应模拟量：+5v。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测
19、控接口测控接口电路电路(2)输出通道：模拟量输出通道l 偏移二进制编码的双极性模拟量输出 图5.3-7 偏移编码的双极性模拟量测量5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发(2)输出通道：模拟量输出通道 符号数值码的双极性模拟量输出如图5.3-8所示，符号位控制输出信号的极性。图5.3-8 符号数值码双极性模拟量测量5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(2)输出通道：开关量输出通道 嵌入式测控装置的控制输出、报警输出和保护连锁输出需要通过计算机的开关量输出接口实现，在开关量输出接口的硬件设计中通常需要注意两个问题：信号的隔离和接口的输出驱动。图5.3-9、
20、5.3-10分别设计了继电器输出的开关量输出接口和交流固态继电器输出的开关量输出接口。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发(2)输出通道：开关量输出通道 图5.3-9、5.3-10分别设计了继电器输出的开关量输出接口和交流固态继电器输出的开关量输出接口。图5.3-9 继电器开关量输出图5.3-10 交流固态继电器的开关量输出5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(2)输出通道：脉冲量输出通道图5.3-11和图5.3-12为表征嵌入式微机化仪表的有源脉冲输出接口和无源脉冲输出接口。运动控制和特种电源类嵌入式产品的控制输出接口通常是PWM、SPWM方式脉冲
21、量输出，其接口的设计方式取决于被控电力电子器件。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(2)输出通道：脉冲量输出通道图5.3-11 有源脉冲输出接口电路图5.3-12 无源脉冲输出接口电路5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.计算机计算机测控接口测控接口电路电路(2)输出通道：脉冲量输出通道图5.3-13，5.3-14分别为驱动IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）和VMOS（V-notch MOS，V型槽MOS场效应管）的脉冲量接口电路。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发2.键盘、显示
22、接口电路键盘、显示接口电路嵌入式装置的键盘按键数量通常较少，一般都采用独立式按键设计（与之对应的是行/列式按键设计）（1）键盘接口设计 独立式按键设计 利用模拟量测量原理的键盘接口设计（2）显示接口设计 LED数码管显示电路设计 LCD液晶显示电路设计5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发3.网络通讯接口电路网络通讯接口电路 嵌入式系统的网络接口电路包括两个层面的内容：现场级的系统互联现场总线网络和与上层计算机系统进行信息交互的网络接口或无线通讯接口。（1）RS-485接口（2）RS-232接口（3）CAN总线接口（4）LAN接口5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发4.电源电路设计电源电路设
23、计 电源设计是嵌入式系统硬件设计的核心之一，通常可采用线性电源或开关电源作为系统的主电源。线性电源的纹波小、稳定性好，但体积大、效率低，开关电源的体积小、效率高、抗干扰能力强，但电源纹波大，且多路输出只能保证一路主输出的稳压，其他回路的稳压要靠其他手段。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发5.电磁兼容及抗干扰电磁兼容及抗干扰技术技术 抗干扰设计是嵌入式产品设计必须进行的一项工作，应用于各领域的嵌入式产品，在进入市场前必须通过该行业国标的相关电磁兼容测试。产品的电磁兼容及抗干扰设计在产品的硬件原理设计、PCB设计和软件设计上都须采取相应的措施。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发5.电磁兼容
24、及抗干扰电磁兼容及抗干扰技术技术 从“抗干扰的三要素”角度出发，嵌入式系统最终受扰程度取决于三方面因素：干扰源强度、干扰源与嵌入式系统电路的耦合程度和嵌入式系统自身抗干扰的能力。产品的防电磁干扰设计通常采取的措施是：消除或降低系统中可控的干扰源，对不可控的干扰源找出系统与之耦合的通道，采取措施切断耦合或降低耦合的措施，在硬件设计和软件设计上采取各种措施提高系统的抗干扰能力。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发5.电磁兼容及抗干扰电磁兼容及抗干扰技术技术在在硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施：（1）硬件电路原理设计 硬件原理设计的先天缺陷后天很难弥
25、补，首先需要考虑的是微机系统在涉及驱动能力的各单元（包括总线、显示、通讯）的容量上要留有冗余，其次，为了避免数据流、信号量大的数字电路对周围器件的影响，要设立位置合适、电容值恰当的去耦电容。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发5.电磁兼容及抗干扰电磁兼容及抗干扰技术技术在在硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施：（1）硬件电路原理设计 对电路中强电器件产生的开关噪声需采取相关措施吸收，要通过隔离、屏蔽、消除公共阻抗和独立供电等手段避免模拟系统、弱电系统受到数字系统、强电系统的干扰。在原理设计上要保证微机系统具有可靠的“死机”复位手段。5.3 控制仪表
26、与装置的设计与系统开发5.电磁兼容及抗干扰电磁兼容及抗干扰技术技术在在硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施：（2）嵌入式系统与外部系统交互的过程通道接口在过程通道接口设计上，根据现场使用的需要，采取信号隔离（通常为光电隔离）、硬件滤波、信号限幅、信号钳位等必要措施保障系统硬件的可靠性。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发5.电磁兼容及抗干扰电磁兼容及抗干扰技术技术在在硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施：（3）网络通讯接口采取信号隔离的方式，防止通讯线路感应的电信号对嵌入式系统的冲击，在通讯线路上增加浪涌
27、吸收器件等保护网络通讯的接口驱动器件。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发5.电磁兼容及抗干扰电磁兼容及抗干扰技术技术在在硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施：（4）电源电路设计 对来自电网干扰的处理：来自电网的浪涌冲击会对嵌入式系统的电源及后续电路造成损坏，来自电网的谐波分量会对嵌入式系统的稳定运行产生干扰。在电源设计上，通常采用压敏电阻和大功率TVS器件吸收来自电网的浪涌冲击，有时为应对“感应雷”的冲击，也可以在电源输入点增加泄放雷电能量的放电管器件。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发5.电磁兼容及抗干扰电磁兼容及抗干扰技术技术在在硬件电路
28、设计时通常在以下几个方面采取措施硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施：（4）电源电路设计 对来自电网干扰的处理：对降低电网谐波的处理通常采用两种手段，一是在电源输入回路上增加电源滤波器，用于滤除电网的高次谐波；二是在后续的电源变压器原副边绕制（铺设）隔离屏蔽铜箔并将之接入大地，避免电网的高频谐波通过变压器的原副边“层间电容”，由原边直接耦合到副边。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发5.电磁兼容及抗干扰电磁兼容及抗干扰技术技术在在硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施：（4）电源电路设计 对来自电网的“闪变”及瞬时电网掉电的抗干扰处理：解决的办法
29、是增大电源各回路储能电容的容量，采用输入与输出压差数值小的稳压器件。对嵌入式各电源回路瞬间过负荷或短路的处理：对于有可能产生瞬间过负荷或短路的嵌入式电源供电辅助回路增加自恢复保险丝器件。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发5.电磁兼容及抗干扰电磁兼容及抗干扰技术技术在在硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施硬件电路设计时通常在以下几个方面采取措施：（5）PCB设计硬件抗干扰的许多措施和手段都是在PCB电路设计上采取的，在PCB设计上要严格按照PCB电路设计的抗干扰和电磁兼容设计原则和条例实施PCB设计。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发l 在进行软件规划设计前，首先要编写产品的操作使用
30、说明书，它是产品操作功能的体现，是软件的键盘和显示单元编程的依据。l 其次，要根据系统与外部设备设施互联的网络协议关系，根据系统的测控参数、状态参数和报警参数的设定，编写通讯信息表。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发l 最后，对系统的MPU资源、存储器资源进行划分，编制初步的产品软件开发的数据字典，它是产品软件开发的依据。通常产品软件开发的数据字典所描述的变量都是产品软件编程中的“全局变量”。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发l 在数据字典、通讯信息表及产品操作使用说明书的指导下、在充分学习理解MPU的内部功能及各功能的编程使用方法的前提下，根据软件要实现的功能和任务，划分软件的核心功
31、能模块并编制软件的主程序流程。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发l 从宏观上看主流程通常包括以下几个部分：初始化模块、读键盘模块、键处理模块、测量数据数据处理模块、工程量转换模块、报警模块、数据管理模块、控制及输出模块、校准处理模块、通讯处理模块、显示处理模块、异常处理模块。主流程如图5.3-0所示，其中读键盘模块可放在定时器中断处理程序中。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发l 软件规划阶段软件规划阶段:1.明确主流程中各功能模块的任务、组成和对基本计算、显示、转换等子模块、子函数的调用，明确对全局变量及存储器缓冲区的使用，画出主程序流程中各功能模块的软件流程。最后形成主流程各主功能模
32、块的单元设计说明。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发l 软件规划阶段软件规划阶段:2.在完成主流程各功能模块的设计的同时，在对嵌入式系统功能实现全局的掌控下，规划MPU内部中断资源的使用，明确各中断源要实现的任务，并根据任务之间的关联和重要等级划分中断优先级。设计各中断源的软件设计说明。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发l 软件规划阶段软件规划阶段:3.在主功能模块单元设计说明和各中断管理软件模块设计说明完成后，即可实施软件工作的划分与分解，将规模较大的编程任务分解到各个程序员5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发 在已明确产品的安装使用方式（导轨安装、盘式安装、壁挂式安装、手持式）的
33、前提下才能展开产品的结构设计。新产品的设计在结构设计上通常要考虑以下几个因素：l 电气安装对产品结构设计的约束l 行业内主流产品结构外观对新产品设计的影响l 输入输出接口的数量对设计的影响l 输入输出接口的类型对设计的影响5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发 在已明确产品的安装使用方式（导轨安装、盘式安装、壁挂式安装、手持式）的前提下才能展开产品的结构设计。新产品的设计在结构设计上通常要考虑以下几个因素：l 产品硬件电路设计对产品结构设计的影响l 生产工艺因素对产品结构的影响l 电磁兼容对产品结构的约束l 显示方式对结构的影响5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发1.电气安装因素电气安装因素
34、电气安装环境对产品外观和结构设计的影响:l 一方面体现在安装方式上;l 另一方面体现在接线方式和产品的外观结构上;对产品外观和结构的约束进而体现在产品的结构设计上，即产品的PCB组成、位置和连接关系。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发2.主流产品的外观影响因素主流产品的外观影响因素 新产品的开发通常都受到市场中同类型主流产品的影响，因为主流产品代表着被用户和市场接受和认可的诸多因素，另外，新产品进入市场后用户必然要对其与现有产品进行比较。在产品设计上通常要继承已被市场和用户所接受的诸多因素，这些因素许多体现在安装、外观和接口上，进而影响到产品的结构设计。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开
35、发3.电磁兼容因素电磁兼容因素 产品在PCB电路板功能划分上通常考虑的因素是：电路功能、电路连接关系、数字电路与模拟电路、强电电路与弱电电路、与外部接口端子的连接关系等。在PCB板的安装布局及位置关系上，一定要考虑电源强电部分可能产生的空间电磁辐射因素对嵌入式系统 MPU稳定运行的影响，消除由于PCB布线和位置因素所产生的寄生互感所造成的影响。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发4.接口数量因素接口数量因素 产品的接口数量影响到产品的外接端子的类型选择，进而影响到PCB设计与产品结构设计。5.接口类型因素接口类型因素 接口的类型通常有以下几种：供电电源、强电信号接口、弱电信号接口、强电控制输
36、出接口、弱电控制输出接口、网络通讯接口和现场总线通讯接口。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发5.接口类型因素接口类型因素 不同类型的接口要求不同形式的接口端子，不同类型的信号从接线和抗干扰等角度出发，对信号的排列、在产品壳体中的引出位置都有所不同，接口端子的排列位置和引出位置都会对PCB的设计、产品的结构设计产生至关重要的影响。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发6.硬件电路设计因素硬件电路设计因素 硬件电路的设计决定了电路元器件的数量以及PCB板的大小和规模，在壳体大小和接线端子数量、类型、位置、电磁兼容的共同约束下，嵌入式产品的结构设计要统筹考虑并需要进行相关的优化设计。5.3 控制
37、仪表与装置的设计与系统开发7.生产工艺因素生产工艺因素产品的结构设计要考虑到对产品生产加工和安装工艺的影响，所遵循的原则是以减少生产加工和安装的工作量为主导。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发8.显示方式因素显示方式因素 显示方式（LED数码管、LCD液晶显示器）和产品的面板空间、壳体选择设计形成了相互制约，在产品的总体设计阶段需要兼顾电路设计、电磁兼容、PCB设计与显示方式设计的互联关系，统筹考虑产品的结构设计。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发 从产品生产加工的角度考虑，产品设计通常涉及的因素包括：PCB板的安装结构、连接关系，PCB生产的焊接工艺，PCB板的防潮、防尘、绝缘工艺处
38、理，产品的壳体设计，产品的面板及外观设计。5.3 控制仪表与装置的设计与系统开发 一款好的产品不但要有良好的性能指标、操作使用功能和可靠性，还要有亮丽的外观与形状，产品的工业设计遵循将亮丽外观与产品实用性、成本统筹考虑的方式与理念。5.4 产品设计举例设计目标设计目标:设计适合油田物联网、生产指挥系统油井监控 的现场测控单元；l 实现油井运行工况的远程监测；l 油井异常的远程报警；l 远程故障诊断；l 油井运行的远程调参；l 现场传感器的远程设置；5.4 产品设计举例现场测控单元与监控中心的信息关联如图5.4-1所示；5.4 产品设计举例油井生产工艺流程如图5.4-2所示5.4 产品设计举例1
39、油井运行工况远程监测：油井运行工况远程监测：井下工况：井下工况：l 有杆泵“示功图”数据采集泵工况监测；l 单井产液量“基于示功图”的功图量液技术；l 井口工况：油压、套压、油温、回压曲线；5.4 产品设计举例1油井运行工况远程监测：油井运行工况远程监测：井下工况：井下工况：l 油井动液间接测量面“示功图”数据、井口油压、井口套压、井下泵参数（泵径、凡尔孔经、原油密度）；l 油井平衡测量：死点（上/下）、上下冲程平均电流、上下冲程有功功率；5.4 产品设计举例1油井运行工况远程监测：油井运行工况远程监测：井口井口“二级子系统二级子系统”监测监测：l 井口集输加热系统：温度、水位；l 井口“掺稀
40、”水压、流量；l 井口储油罐液位、温度、加热状态；l 井口注热蒸汽温度、流量、干度；5.4 产品设计举例2油井异常报警：油井异常报警：l 传感器越限报警；l 传感器通讯异常报警；l 油井运行异常报警；5.4 产品设计举例3油井运行调参油井运行调参：l 油井运行“冲刺”调节远程调节变频器运行频率；l 现场传感器报警阈值远程修改；l RTU运行模式远程修改；5.4 产品设计举例4油井远程控制油井远程控制l 远程油井启动/停止控制；5上行网络中端数据缓存与恢复；上行网络中端数据缓存与恢复；6产品适合新井与现存老井；产品适合新井与现存老井；5.4 产品设计举例1示功图测量技术的选择与适应；2同步电参采集技术；3各种抽油机的适应技术；4现场传感器网络、传感器数据采集技术的选择；5油井启停控制及新老井适用性；6临时作业设备的进入与采集技术；7上行通讯协议的选择；5.4 产品设计举例5.4 产品设计举例5.4 产品设计举例方案 A5.4 产品设计举例方案 G5.4 产品设计举例方案 H5.4 产品设计举例
