UPS類功率電源產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)研究
一、前言
產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與研制是提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量、加快產(chǎn)品研制速度、避免產(chǎn)品設(shè)計(jì)失誤的重要方法與手段。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用可以進(jìn)一步降低企業(yè)產(chǎn)品研制與生產(chǎn)成本,在為企業(yè)產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)有:
1）保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品維護(hù)成本;
2）增加設(shè)計(jì)復(fù)用度、減少重復(fù)設(shè)計(jì)、縮短產(chǎn)品研制周期、加快產(chǎn)品上市速度;
3）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)的沉淀與積累,增加研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)能力;
4）增加產(chǎn)品配件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化,降低產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配、工藝難度,提高產(chǎn)品生產(chǎn)的機(jī)械化程度與生產(chǎn)率;
5）有利于提高產(chǎn)品的零部件復(fù)用率、提高零部件的采購(gòu)議價(jià)能力,降低器件采購(gòu)成本。
與產(chǎn)品國(guó)標(biāo)、行標(biāo)、企標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)不同,本文是在結(jié)合作者實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn),并考慮UPS功率電源產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn),從產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念與技巧等角度,來(lái)實(shí)現(xiàn)公司UPS功率電源產(chǎn)品的軟、硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化工作。通過(guò)該項(xiàng)工作,解決當(dāng)前公司電源產(chǎn)品日益擴(kuò)張后所帶來(lái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),縮短產(chǎn)品研發(fā)周期與上市周期。
二、層次化設(shè)計(jì)
展開產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),繞不開產(chǎn)品的層次化設(shè)計(jì)思想。“層次”是自然辯證法中有關(guān)系統(tǒng)論的基本哲學(xué)概念,是形成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的哲學(xué)基礎(chǔ)。唯物主義辯證法指出,“系統(tǒng)”是由相互作用的各部分所組成的、具備一定功能的整體。一個(gè)性能優(yōu)異、功能完備的電力電子產(chǎn)品無(wú)疑也是一個(gè)設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)。
有關(guān)層次化的概念深入在產(chǎn)品與技術(shù)的方方面面,例如麻省理工學(xué)院電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Anant Agarwal在講授《電路與電子學(xué)》過(guò)程中,當(dāng)講到什么是電子工程時(shí),其將電子工程分成了如圖1所示的層次化結(jié)構(gòu)。從最初自然界間的量值關(guān)系開始,進(jìn)而形成自然物理規(guī)律再經(jīng)過(guò)層層集總抽象,最終形成小到烤面包機(jī),大到航天飛機(jī)等電子產(chǎn)品。
在硬件開發(fā)領(lǐng)域中,電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA技術(shù)也完全是按層次化思想開展設(shè)計(jì)的。EDA技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái),融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、電子技術(shù)等最新研究成果,用硬件描述語(yǔ)言HDL完成設(shè)計(jì)的一種全自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD技術(shù)。
HDL語(yǔ)言通過(guò)使用結(jié)構(gòu)級(jí)或行為級(jí)描述,可以在電子產(chǎn)品的不同抽象層次開展電子行為描述與設(shè)計(jì)。HDL語(yǔ)言也是一種層次化設(shè)計(jì)方法,采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法開展數(shù)字電路設(shè)計(jì)。如圖2所示,HDL抽象層次描述包括行為領(lǐng)域、結(jié)構(gòu)領(lǐng)域、物理領(lǐng)域3個(gè)領(lǐng)域,以及系統(tǒng)級(jí)、算法級(jí)、寄存器傳輸級(jí)、邏輯級(jí)與電路級(jí)5個(gè)抽象層次。
在軟件開發(fā)領(lǐng)域,層次化設(shè)計(jì)思想也是應(yīng)用于軟件設(shè)計(jì)的方方面面。在計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)通信模型中,開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI也完全是依據(jù)層次化進(jìn)行設(shè)計(jì)的。如圖3所示,該通信協(xié)議模型分為7層通信邏輯。作為OSI標(biāo)準(zhǔn)模型的子集,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議TCP/IP協(xié)議是國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)協(xié)議,它規(guī)范了信息設(shè)備如何與互聯(lián)進(jìn)行交互信息,其最主要協(xié)議是IP網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和TCP傳輸層協(xié)議所。TCP/IP協(xié)議棧層次化結(jié)構(gòu)包括:網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層4層,每一層都為上層協(xié)議提升必要的功能支持。
此外,還有操作系統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等等,可見層次化的設(shè)計(jì)理念深入在工程技術(shù)的方方面面,大凡上了一定規(guī)模的應(yīng)用設(shè)計(jì)都具備層次化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。利用產(chǎn)品的層次化設(shè)計(jì),即可開展產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。因?yàn)?在一個(gè)產(chǎn)品的各層次間可以形成一個(gè)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的接口,各層次間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口互聯(lián)進(jìn)而形成完整有機(jī)整體。
三、自頂向下的設(shè)計(jì)方法
相對(duì)于產(chǎn)品的自頂向下設(shè)計(jì)方法,自下而上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是一種更為常見的設(shè)計(jì)方法。過(guò)去,人們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中,通常在了解產(chǎn)品功能需求后,從元器件開始形成電路單元設(shè)計(jì),進(jìn)而組成功能部件,最后完成產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這類設(shè)計(jì)方式主要針對(duì)早期一些小型工程與產(chǎn)品是適用的。然而,面對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能的日益復(fù)雜化,這種自下而上的設(shè)計(jì)方式往往導(dǎo)致項(xiàng)目開發(fā)者陷入孤立的產(chǎn)品細(xì)節(jié)問題中,缺乏產(chǎn)品系統(tǒng)的全局觀。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品往往存在很多設(shè)計(jì)缺陷與質(zhì)量隱患。因此,面對(duì)當(dāng)前越來(lái)越復(fù)雜系統(tǒng),產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要自頂向下的設(shè)計(jì)方法來(lái)避免上述問題。
所謂自頂向下的設(shè)計(jì)方法是指:產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程首先從產(chǎn)品整體開始,對(duì)系統(tǒng)的功能與性能進(jìn)行劃分,將整體功能分解為功能較為單一、輸入輸出明確的功能模塊,并明確各功能模塊之間的相互聯(lián)接關(guān)系,重復(fù)上述過(guò)程,直到最后劃分的功能單元可以通過(guò)電路實(shí)物來(lái)實(shí)現(xiàn)。
采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)是從頂層邏輯功能開始,通過(guò)現(xiàn)代軟件仿真工具,即可從設(shè)計(jì)之初即掌握產(chǎn)品的功能性能狀況。如果客戶應(yīng)用需求發(fā)生變化,則可就此調(diào)整設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行產(chǎn)品功能、性能的優(yōu)化與折衷。隨著設(shè)計(jì)層次的展開,產(chǎn)品功能與性能參數(shù)將進(jìn)一步得到細(xì)化與確認(rèn),并可隨時(shí)根據(jù)客戶需求進(jìn)行調(diào)整,從而即保證了設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性又縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。
自頂向下的設(shè)計(jì)方法廣泛的存在于當(dāng)今社會(huì)的各行各業(yè),就電子行業(yè)而言,在現(xiàn)代職業(yè)中,出現(xiàn)了產(chǎn)品構(gòu)架師、軟件構(gòu)架師等新型職業(yè)。如前述,在產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域,EDA設(shè)計(jì)的工程組織是采用自頂向下設(shè)計(jì)方法的;在產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中,自頂向下設(shè)計(jì)方法是將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)軟件通過(guò)自上而下、逐步分解的方式實(shí)現(xiàn)軟件模塊劃分,直到分解為若干單一功能模塊并明確各模塊之間調(diào)用關(guān)系為止?，F(xiàn)在主流系統(tǒng)級(jí)軟件開發(fā)也都是自頂向下進(jìn)行項(xiàng)目組織與模塊化開發(fā)設(shè)計(jì)的。
四、UPS功率電源產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)研究
UPS產(chǎn)品各層次化設(shè)計(jì)如圖3所示,其中產(chǎn)品規(guī)劃為公司集團(tuán)級(jí)頂層設(shè)計(jì)部分,主要用于規(guī)劃產(chǎn)品系列與產(chǎn)品樹,不是本文的重點(diǎn)。本文側(cè)重于從產(chǎn)品部件以及下各產(chǎn)品設(shè)計(jì)層次,結(jié)合自頂向下的設(shè)計(jì)理念以及層次化的設(shè)計(jì)風(fēng)格,研究UPS產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)思路。
4.1產(chǎn)品部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)
UPS產(chǎn)品系統(tǒng)組成大致如圖5所示,主要包括功率及驅(qū)動(dòng)單元、主控制單元、顯示與通信、系統(tǒng)電流與充電器等基本組成模塊。那么,在系列產(chǎn)品內(nèi)、與產(chǎn)品間有很多共通的電路模塊,因此可將這類模塊規(guī)范,并形成標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)。
根據(jù)模塊應(yīng)用范圍,各電路模塊可如表2示例進(jìn)行規(guī)劃:
另外,與顯示單元、系統(tǒng)電源、充電器一樣,功率模塊也可標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),如圖6所示,設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)功率模塊組件。那么相關(guān)產(chǎn)品則只需搭積木一樣,實(shí)現(xiàn)相關(guān)配電與控制即可。
4.2 硬件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)
這里的硬件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是指,根據(jù)公司UPS產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn),在硬件原理圖設(shè)計(jì)上按層級(jí)進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。原理圖級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可開展的設(shè)計(jì)過(guò)程如圖6所示,設(shè)計(jì)過(guò)程可以充分利用現(xiàn)代化的原理圖設(shè)計(jì)工具輔助完成。
各層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化主要工作內(nèi)容與任務(wù)如表3所示:
此外,現(xiàn)代化原理圖設(shè)計(jì)工具對(duì)層次化的標(biāo)準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)均有良好的支持,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化電路模塊的調(diào)用,除實(shí)現(xiàn)原理圖標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)以外,還可以極大減輕PCB制板工作人員的工作量。層次化的原理圖設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程,將完整的產(chǎn)品電路按功能分成若干子系統(tǒng)或子電路模塊,然后通過(guò)模塊電路的輸入、輸出接口將各子系統(tǒng)電路連接。分成子模塊的電路圖即可很好的形成標(biāo)準(zhǔn)化電路模塊圖,應(yīng)用于完全不同的產(chǎn)品與項(xiàng)目。
此外,層次化的原理圖還可以將硬件電路的兩個(gè)設(shè)計(jì)層次:“電路原理”設(shè)計(jì)與“電路信號(hào)流”設(shè)計(jì)清晰的分隔開,使得設(shè)計(jì)思路清晰便于核對(duì),同時(shí)也方便了軟件開發(fā)人員對(duì)硬件信號(hào)的掌握。
4.3 軟件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)
與硬件模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)類似,軟件模塊根據(jù)自頂向下的層次化設(shè)計(jì)理念,可劃分如下設(shè)計(jì)階段與設(shè)計(jì)內(nèi)容:
各層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化主要工作內(nèi)容與任務(wù)如表4所示:
對(duì)于軟件框架,根據(jù)UPS產(chǎn)品的特點(diǎn),UPS嵌入式控制軟件頂層模塊,可以形成如圖9所示的嵌入式軟件的層次結(jié)構(gòu)。
軟件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化是根據(jù)軟件的層次劃分,組織相關(guān)層級(jí)軟件的結(jié)構(gòu)。以APP軟件層設(shè)計(jì)為例,其軟件模塊組織結(jié)構(gòu)如圖10所示,APP模塊設(shè)計(jì)只與具體產(chǎn)品相關(guān)而與底層硬件無(wú)關(guān)。
軟件再下一層設(shè)計(jì),即是開始算法級(jí)軟件模塊設(shè)計(jì),以UPS逆變控制軟件模塊為例,軟件組織與算法規(guī)劃如圖11所示。
經(jīng)過(guò)軟件的層層劃分,形成各軟件層次的標(biāo)準(zhǔn)化接口,即可有機(jī)組織形成軟件整體,也可方便實(shí)現(xiàn)公司代碼評(píng)審與管理。
五、總結(jié)
本文從技術(shù)角度研究了UPS產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的相關(guān)理念與方法,其核心思想主要為:
1、自頂向下的設(shè)計(jì)方法;
2、層次化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
基于這兩條設(shè)計(jì)理念,UPS產(chǎn)品即可劃分為各部件,各部件間相互獨(dú)立,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口又可有機(jī)組成整體。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)不言而喻,這里最后再?gòu)墓芾淼慕嵌忍嵋幌滤膬?yōu)點(diǎn),即:對(duì)于設(shè)計(jì)評(píng)審,特別是軟件設(shè)計(jì)評(píng)審?fù)鶡o(wú)的放矢,那么在實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)后,軟、硬件的評(píng)審工作即變得非常簡(jiǎn)單了,即只需評(píng)審與常規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)不符合的項(xiàng)目即可。
- 上一篇：談“1+1”UPS并機(jī)供電系統(tǒng)的改 2023/9/10
- 下一篇：UPS電池為什么容易著火,應(yīng)怎么做好防火措施 2023/8/17
