嵌入式控制系统设计/设计示例 1
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维基教科书的
嵌入式控制系统设计
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本章通过一个具体的例子：自动化的旅客自动输送系统，说明了嵌入式系统设计中的各个步骤。
为了更好地理解设计流程，我们研究了一个 ECS 的例子。设计过程的各个阶段都将针对该例子进行讨论。
我们选定的 ECS 示例是(自动化的)旅客自动输送系统。有关旅客自动输送系统的更多信息可以在其维基百科页面上找到。
本章讨论了设计过程的不同阶段。请注意，设计过程不是非黑即白的，而是灰色的。也就是说，有很多不同的方法可以得到一个设计，而且肯定没有一个最终的设计过程不需要任何解释或智慧。
这些讨论将让你了解在设计过程的每个阶段需要哪些信息。
本章设计标准解释了系统级设计的流程。在继续阅读之前，建议先阅读本章。
本阶段的目标是产品需求文档。它是一个不能省略的重要需求列表。在本例中，产品需求文档为：
- 铁路由客户提供，规格已知。
- 旅客自动输送系统的布局为 1 节机车 + 1 (或更多) 节车厢。
- 车辆由电机驱动。
- 电机的动力通过轨道提供。
- 铁路需要在已知位置安装信标。
- 机车配备了信标传感器。
- 每个信标都有其自己的反应，存在 3 种反应类型：
- 以一定量加速。
- 以一定量减速。
- 以给定的减速度停止。
- 安全措施。
- 在黑暗时，大灯和内部照明必须打开。
- 控制塔
- 必须随时了解旅客自动输送系统的速度和位置。
- 必须能够在必要时接管旅客自动输送系统的控制权。
这里描述了系统所需的性能。一些规范是：
- 根据位置设定所需速度（每个弯道都有不同的速度）。
- 在某些情况下该怎么做（例如火灾、轨道阻塞等）。
- 停止的速度有多快。
- 不同的停靠点在哪里。
- ...
功能设计阶段定义了系统中所需的子过程和子系统。
该系统可以分为三个主要部分：
- 交通指挥系统
- 控制指令系统（= 无线通信）
- 车辆指令系统
车辆指令系统可以进一步划分为子系统。最终得到 7 个子系统：
- 无线通信：实现从控制塔到列车以及反向的信息传输。
- CPU：旅客自动输送系统的核心。所有信息都集中在此，然后再分配给不同的子系统。
- 电源：负责电机、其管理系统等。
- 控制回路：实现驱动器的控制回路。
- 传感器：收集环境信息。
- 机械设计。
- 美学设计。
图 1 示意性地概述了这些子系统。图 2 展示了不同子系统之间的交互。
本阶段将得到系统必须由其构成的所有模块的具体结构。功能设计将在组件级别进行细化。完成此阶段后，剩下的就只有实现。可以将此阶段视为将功能需求转换为技术规格。
构建和测试系统的原型。最终形成生产模型。本阶段无需进一步解释。
本章设计上下文解释了设计的不同上下文。
旅客自动输送系统要么是从头开始的环境，要么是适应环境，取决于是否存在先前的模型。在设计上下文部分也讨论了特定设计上下文的含义。
本章系统复杂度解释了不同类型的系统，以及复杂度本身的定义。
使用本章，可以清楚地看到旅客自动输送系统属于类型 2：分布式硬件 - 集中式控制。也许在将来，当不同的自主旅客自动输送系统（来自不同的公司）都使用相同的铁路系统时，分布式控制的必要性就会变得明显，这种系统中的系统将属于复杂度类别 3。注意与空中交通管制的类比。
过程控制与系统控制描述了 ECS 可以分为的两种类型。旅客自动输送系统有明确的子系统，显然属于系统控制类型。