电子系统的层次分解及模型建立.docx

电子系统的层次分解及模型建立引言 无论电路系统设计、制作得如何细心、完善，在简单多变的电磁干扰面前总会暴露出各种各样的缺憾，从而影响电子系统的性能与寿命如何在简单电磁环境下有效地构筑电子系统，提高电子系统的各种性能指标，增加电子系统的抗电磁干扰力量都是亟待解决的问题生物界经过45亿年长期的进化，其结构与功能已达到近乎完善的程度，实现了结构与功能的统一，局部与整体的协调和统一生物系统的优良特性，给电子系统的抗电磁干扰技术以全新的启示，并形成以电磁仿生为中心的讨论思路从电子系统的结构层面考虑，可在系统模块冗余的基础上使系统的连接处于柔性状态，从而进行自由组合和配置，可望将生物系统的物质流淌等效为电子系统中连接结构的变动本文基于此种设想，构建了电子系统的层次结构模型并进行了相应的争论，为电子系统自适应、自修复、自进化的实现供应理论基础和技术支撑 1 电子系统的定义及层次模型的建立 电子系统是由很多电子元器件或电子部件组成的可产生、传输或处理电信号及信息的能够独立完成一系列特定功能的客观实体从功能层面看，电子系统是由肯定的功能模块及其各部件的有机连接组成如将系统功能模块和各部间的有机连接分别封装为一个整体，电子系统便可分解为两大层面：系统功能模块层M和系统连接结构层A,从而可构建电子系统层次结构模型，如图1所示。

图1 电子系统层次模型功能模块层主要实现系统的各种功能连接结构层则包含了系统各部件全部的连接状况电子系统S可由系统功能模块层M和系统连接结构层A完全确定，即S=A M对于输入矩阵X=（x1,x2, ,xm），输出矩阵Y=（y1,y2, ,yn）的电子系统，S应具有如下系统功能： 即Y=G（X）其中，G为系统功能矩阵此时，电子系统S的层次结构模型可完整描述为： 2 电子系统层次模型的描述 电子系统的连接结构层描述了系统内部的连接关系假如将系统模块进行排序，各种连接根据某种规章进行规整，两者便存在特定的规律关系 如图2所示，对于输入矩阵X=（x1,x2, ,xm），输出矩阵Y=（y1,y2, ,yn）的电子系统S,功能模块层M与连接结构层A便形成了一种较明显的映射关系 现做如下定义： 定义1 将系统输入信号及功能模块的全部输出信号形成的各纵向通道称为输入端子；将系统输出信号及功能模块的全部输入信号形成的各横向通道称为输出端子 定义2 连接结构层中，依据输入端子与输出端子节点处的连接状况给予0或1,便形成了一个以1,0为元素的矩阵A,定义矩阵A为系统的连接结构矩阵，简称结构矩阵。

结构矩阵A描述了连接结构层内的详细连接形式，遵循以下规章： （1）矩阵中的元素非1则0,即每个节点只有连接与断开两种状态； （2）矩阵行向量元素和小于等于1,即一个输出端子上多只能连接一个输入端子； 3 层次结构模型的可行性证明 3.1 全局性证明 全局性证明的实质就是要求结构矩阵A能完全表示系统S的连接状态如二者相等，则可完全对应表示 证明：对于输入矩阵X=（x1,x2, ,xm），输出矩阵Y=（y1,y2, ,yn）的电子系统S,模块矩阵M的总输入端口数为a;总输出端口数为b,可建立结构矩阵A,A!C（a+n）（b+m） 由于模块矩阵M中每个模块的输入端口只能连接一个输出端口或系统输入端口，故每个模块输入端口的连接状态数为b+m,模块矩阵M的连接状态数为（b+m）a 系统输出端口只能连接一个系统输入端口或模块输出端口，故每个系统输出端口的连接状态数为b+m,系统输出端口的总连接状态数为（b+m）n 系统总连接状态数为： （b+m）a（b+m）n=（b+m）a+n对于结构矩阵A!C（a+n）（b+m），其元素值为0或1,且其行向量只能有一个元素值为1,则矩阵A每个行向量的状态数为b+m,矩阵总的状态数为（b+m）a+n,即： 结构矩阵状态数=电子系统连接状态数所以，结构矩阵A可以完全表示电子系统S的状态，全局性得到证明。

3.2 确定性 证明层次模型的确定性，主要包括两个方面：一是电路的确定性，即一种模型特例能且只能对应一种详细电路结构；二是模型的确定性，即一种详细电路结构能且只能对应一种模型特例 证明： （1）存在性 由于结构矩阵的各行列与电子系统的输入、输出以及功能模块的输入、输出一一对应，所以确定的电路必定存在与其对应的结构矩阵 同理，从一个结构矩阵特例也必定可以建立起所对应的电路结构 存在性得证 （2）惟一性 惟一性即证明模型中连接结构矩阵中只能对应一种电路连接结构 假设结构矩阵A的一个特例A*对应电子系统S有两种连接状态S1,S2由于A的状态数为（b+m）a+n,且每种状态有其对应的电路结构 所以，S的连接状态数至少为（b+m）a+n+1,这与系统S连接状态数（b+m）a+n相悖 故，一种模型特例只能对应一种详细电路结构 同理，一种详细电路结构也只能对应一种模型特例 惟一性得证 4 结论 层次结构模型将电子系统分解为功能模块层和连接结构层，从而将电子系统的电路结构转换为一种矩阵描述，使其从庞杂的系统中分别出来，具有了肯定的敏捷性和可求解性。

层次模型的贡献就是将电子系统的设计、故障检测、故障修复等问题转换为一种带参数的数学求解问题，并将计算机技术和搜寻、计算方法等引入其中，使电磁仿生的思想得以向前推动同时为生存环境简单、探究求解困难等简单生疏领域中电子系统的设计供应了依据 6Word版本。