嵌入式控制系統設計/設計示例 1
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華夏公益教科書的
嵌入式控制系統設計
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本章透過一個具體的例子：自動化的旅客自動輸送系統，說明了嵌入式系統設計中的各個步驟。
為了更好地理解設計流程，我們研究了一個 ECS 的例子。設計過程的各個階段都將針對該例子進行討論。
我們選定的 ECS 示例是(自動化的)旅客自動輸送系統。有關旅客自動輸送系統的更多資訊可以在其維基百科頁面上找到。
本章討論了設計過程的不同階段。請注意，設計過程不是非黑即白的，而是灰色的。也就是說，有很多不同的方法可以得到一個設計，而且肯定沒有一個最終的設計過程不需要任何解釋或智慧。
這些討論將讓你瞭解在設計過程的每個階段需要哪些資訊。
本章設計標準解釋了系統級設計的流程。在繼續閱讀之前，建議先閱讀本章。
本階段的目標是產品需求文件。它是一個不能省略的重要需求列表。在本例中，產品需求文件為：
- 鐵路由客戶提供，規格已知。
- 旅客自動輸送系統的佈局為 1 節機車 + 1 (或更多) 節車廂。
- 車輛由電機驅動。
- 電機的動力透過軌道提供。
- 鐵路需要在已知位置安裝信標。
- 機車配備了信標感測器。
- 每個信標都有其自己的反應，存在 3 種反應型別：
- 以一定量加速。
- 以一定量減速。
- 以給定的減速度停止。
- 安全措施。
- 在黑暗時，大燈和內部照明必須開啟。
- 控制塔
- 必須隨時瞭解旅客自動輸送系統的速度和位置。
- 必須能夠在必要時接管旅客自動輸送系統的控制權。
這裡描述了系統所需的效能。一些規範是：
- 根據位置設定所需速度（每個彎道都有不同的速度）。
- 在某些情況下該怎麼做（例如火災、軌道阻塞等）。
- 停止的速度有多快。
- 不同的停靠點在哪裡。
- ...
功能設計階段定義了系統中所需的子過程和子系統。
該系統可以分為三個主要部分：
- 交通指揮系統
- 控制指令系統（= 無線通訊）
- 車輛指令系統
車輛指令系統可以進一步劃分為子系統。最終得到 7 個子系統：
- 無線通訊：實現從控制塔到列車以及反向的資訊傳輸。
- CPU：旅客自動輸送系統的核心。所有資訊都集中在此，然後再分配給不同的子系統。
- 電源：負責電機、其管理系統等。
- 控制迴路：實現驅動器的控制迴路。
- 感測器：收集環境資訊。
- 機械設計。
- 美學設計。
圖 1 示意性地概述了這些子系統。圖 2 展示了不同子系統之間的互動。
本階段將得到系統必須由其構成的所有模組的具體結構。功能設計將在元件級別進行細化。完成此階段後，剩下的就只有實現。可以將此階段視為將功能需求轉換為技術規格。
構建和測試系統的原型。最終形成生產模型。本階段無需進一步解釋。
本章設計上下文解釋了設計的不同上下文。
旅客自動輸送系統要麼是從頭開始的環境，要麼是適應環境，取決於是否存在先前的模型。在設計上下文部分也討論了特定設計上下文的含義。
本章系統複雜度解釋了不同型別的系統，以及複雜度本身的定義。
使用本章，可以清楚地看到旅客自動輸送系統屬於型別 2：分散式硬體 - 集中式控制。也許在將來，當不同的自主旅客自動輸送系統（來自不同的公司）都使用相同的鐵路系統時，分散式控制的必要性就會變得明顯，這種系統中的系統將屬於複雜度類別 3。注意與空中交通管制的類比。
過程控制與系統控制描述了 ECS 可以分為的兩種型別。旅客自動輸送系統有明確的子系統，顯然屬於系統控制型別。