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1、智能電子產品設計與制作,課程簡介,本門課程主要任務： 通過電子產品實際的制作的過程，掌握電子產品設計的一般步驟和方法，從而掌握電子產品在設計和制作的過程中應掌握的知識和技能。為在今后從事專業(yè)工作打下堅實的基礎。,課程簡介,學時：64學時 課業(yè)評價方式：總成績=實際作品（50%）+設計報告（30%）+過程考核（20%），作品在制作的過程中，有分階段檢查，根據制定的計劃，進行檢查。,一、電子系統(tǒng)設計的基本方法,傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)設計一般是采用搭積木式的方法進行，即由器件搭成電路板，由電路板搭成電子系統(tǒng)。系統(tǒng)常用的“積木塊”是固定功能的標準集成電路，如 運算放大器、74/54系列（TTL）、4000/4
2、500系列（CMOS）芯片和一些固定功能的大規(guī)模集成電路。設計者根據需要選擇合適的器件，由器件組成電路板，最后完成系統(tǒng)設計。傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)設計只能對電路板進行設計，通過設計電路板來實現系統(tǒng)功能。,電子系統(tǒng)已進入數字時代。在計算機、移動通信、VCD、HDTV、軍用雷達、醫(yī)用CT儀器等設備中，數字技術與數字電路構成的數字系統(tǒng)已經成為構成這些現代電子系統(tǒng)的重要部分。進入到20世紀90年代以后， EDA（電子設計自動化）技術的發(fā)展和普及給電子系統(tǒng)的設計帶來了革命性的變化。在器件方面，微控制器、可編程邏輯器件等飛速發(fā)展。利用EDA工具，采用微控制器、可編程邏輯器件，正在成為電子系統(tǒng)設計的主流。,采用微控
3、制器、可編程邏輯器件通過對器件內部的設計來實現系統(tǒng)功能，是一種基于芯片的設計方法。設計者可以根據需要定義器件的內部邏輯和管腳，將電路板設計的大部分工作放在芯片的設計中進行，通過對芯片設計實現電子系統(tǒng)的功能。靈活的內部功能塊組合、管腳定義等，可大大減輕電路設計和電路板設計的工作量和難度，有效地增強設計的靈活性，提高工作效率。同時采用微控制器、可編程邏輯器件，設計人員在實驗室可反復編程，修改錯誤，以期盡快開發(fā)產品，迅速占領市場?；谛酒脑O計可以減少芯片的數量，縮小系統(tǒng)體積，降低能源消耗，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。,采用微控制器、可編程邏輯器件芯片和EDA軟件，在實驗室里就可以完成電子系統(tǒng)的設計和生
4、產。可以實現無芯片EDA公司，專業(yè)從事IP模塊生產。也可以實現無生產線集成電路設計公司的運作。可以說，當今的電子系統(tǒng)設計已經離不開微控制器、可編程邏輯器件和EDA設計工具。,二、現代電子系統(tǒng)的設計方法,1. “ Bottom-up”（自底向上）設計方法 傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)設計采用 “ Bottom-up”（自底向上）設計方法，設計步驟如圖,2. “ Topdown”（自頂向下）設計方法,現代電子系統(tǒng)的設計采用“ Topdown”（自頂向下）設計方法，設計步驟如圖6.1.2所示。 在“ Topdown”（自頂向下）的設計方法中，設計者首先需要對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分，擬訂采用一片或幾片專用集
5、成電路ASIC來實現系統(tǒng)的關鍵電路，系統(tǒng)和電路設計師親自參與這些專用集成電路的設計，完成電路和芯片版圖，再交由IC工廠投片加工，或者采用可編程ASIC（例如 CPLD和 FPGA）現場編程實現。,在“ Topdown”（自頂向下）的設計中，行為設計確定該電子系統(tǒng)或VLSI芯片的功能、性能及允許的芯片面積和成本等。結構設計根據系統(tǒng)或芯片的特點，將其分解為接口清晰、相互關系明確、盡可能簡單的子系統(tǒng)，得到一個總體結構。這個結構可能包括信號處理，算術運算單元、控制單元、數據通道、各種算法狀態(tài)機等。邏輯設計把結構轉換成邏輯圖，設計中盡可能采用規(guī)則的邏輯結構或采用經過考驗的邏輯單元或信號處理模塊。電路設計
6、將邏輯圖轉換成電路圖，一般都需進行硬件仿真，以最終確定邏輯設計的正確性。版圖設計將電路圖轉換成版圖，如果采用可編程器件就可以在可編程器件的開發(fā)工具時進行編程制片。,“ Topdown”（自頂向下）設計方法的設計步驟,3. 設計的劃分與步驟,采用“ Bottom-up”（自底向上）設計方法或者“ Topdown”（自頂向下）設計方法，一般都可以將整個設計劃分為系統(tǒng)級設計、子系統(tǒng)級設計、部件級設計、元器件級設計4個層次。對于每一個層次都可以采用3步進行考慮。,例如設計一個數字控制系統(tǒng)，行為描述與設計完成傳遞函數和邏輯表達式，結構描述與設計完成邏輯圖和電路圖，物理描述與設計確定使用的元器件、印制板設
7、計、安裝方法等。,4. 設計中應注意的一些問題,在設計中采用“ Topdown”（自頂向下）設計方法必須注意以下問題： （1）在設計的每一個層次中，必須保證所完成的設計能夠實現所要求的功能和技術指標。注意功能上不能夠有殘缺，技術指標要留有余地。 （2）注意設計過程中問題的反饋。解決問題采用“本層解決，下層向上層反饋”的原則，遇到問題必須在本層解決，不可以將問題傳向下層。如果在本層解決不了，必須將問題反饋到上層，在上一層中解決。完成一個設計，存在從下層向上層多次反饋修改的過程。,（3）功能和技術指標的實現采用子系統(tǒng)、部件模塊化設計。要保證每個子系統(tǒng)、部件都可以完成明確的功能，達到確定的技術指標。
8、輸入輸出信號關系應明確、直觀、清晰。應保證可以對子系統(tǒng)、部件進行修改與調整以及替換，而不牽一發(fā)動全身。 （4）軟硬件協同設計，充分利用微控制器和可編程邏輯器件的可編程功能，在軟件與硬件利用之間尋找一個平衡。軟件/硬件協同設計的一般流程如圖所示。,三、電子作品設計制作步驟,1 題目選擇,選擇題目按照如下原則進行： 1、明確設計任務，即“做什么？”。選擇題目應注意題目中不應該有知識盲點，即要能夠看懂題目要求。 2、明確系統(tǒng)功能和指標，即“做到什么程度？”。 3、要確定是否具有完成該設計的元器件、最小系統(tǒng)、開發(fā)工具、測量儀器儀表等條件。,2 系統(tǒng)方案論證,題目選定后，需要考慮的問題是如何實現題目的各
9、項要求，完成作品的制作，即需要進行方案論證。 方案論證可以分為總體實現方案論證、子系統(tǒng)實現方案論證、部件實現方案論證幾個層次進行。,1）.確定設計的可行性,方案論證最重要的一點是要確定設計的可行性，需要考慮的問題有： （1）原理的可行性？解決同一個問題，可以有許多種方法，但有的方法是不能夠達到設計要求的，千萬要注意。 （2）元器件的可行性？如采用什么器件？微控制器？可編程邏輯器件？能否采購得到？,（3）測試的可行性？有無所需要的測量儀器儀表？ （4）設計、制作的可行性？如難度如何？本組隊員是否可以完成？ 設計的可行性需要查閱有關資料，充分地進行討論、分析比較后才能確定。在方案設計過程中要要提出
10、幾種不同的方案，從能夠完成的功能、能夠達到的技術性能指標、元器件材料采購的可能性和經濟性、采用元器件、設計技術的先進性、以及完成時間等方面進行比較，要敢于創(chuàng)新，敢于采用新器件新技術，對上述問題經過充分、細致的考慮和分析比較后，擬訂較切實可行的方案。,2）. 明確方案的內容,（l）系統(tǒng)的外部特性 系統(tǒng)具有的主要功能？ 引腳數量？功能？ 輸入信號和輸出信號形式（電壓？電流？脈沖？等）、大小（量級？）、相互之間的關系？ 輸入信號和輸出信號相互之間的關系？函數表達式？線性？非線性？ 測量儀器儀表與方法？,（2）系統(tǒng)的內部特性 系統(tǒng)的基本工作原理？ 系統(tǒng)的實現方法？數字方式？模擬方式？數字模擬混合方式？
11、 系統(tǒng)的方框圖？ 系統(tǒng)的控制流程？ 系統(tǒng)的硬件結構？ 系統(tǒng)的軟件結構？ 系統(tǒng)中各子系統(tǒng)、部件之間的關系？接口？尺寸？安裝方法？,3 安裝制作與調試,安裝制作與調試是保證設計是否成功的重要環(huán)節(jié)。 （1）安裝制作需要考慮的問題有： 安裝工具？ 元器件選擇與采購？ 最小系統(tǒng)的采用？微控制器？可編程邏輯器件? 印制板設計與制作？低頻？高頻？數字？模擬？數?；旌希康?？EMC？ 子系統(tǒng)、部件安裝制作的順序？,（2）調試需要考慮的問題有： 調試參數？ 調試方法？ 調試需要的儀器與儀表？ 軟件/硬件的協同？修改軟件？修改硬件？ 測量數據的記錄與處理？,建議的安裝制作與調試步驟,四、子系統(tǒng)的設計制作步驟,1 單
12、片機與可編程邏輯器件子系統(tǒng)設計步驟,在電子設計競賽中，作為控制器，單片機與可編程邏輯器件應用非常普遍，其設計過程可以分為明確設計要求、系統(tǒng)設計、硬件設計與調試、軟件設計與調試、系統(tǒng)集成等步驟。,設計的第1步是明確設計要求，確定系統(tǒng)功能與性能指標。一般情況下，單片機與可編程邏輯器件最小系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，需要確定最小系統(tǒng)板的功能、輸入輸出信號特征等；需要考慮與信號輸入電路、控制電路、顯示電路、鍵盤等電路的接口和信號關系。,最小系統(tǒng)板在競賽中可以采用成品，但接口電路，功率控制電路，A/D與D/A電路，信號調理等電路需要自己設計制作。為了使作品的整體性更好一點，建議將控制器與外圍電路設計在一塊電路
13、板上，這一部分內容可以在競賽前進行設計與制作，在競賽中根據需要進行修改。,軟件開發(fā)工具需要與所選擇的硬件配套，軟件設計需要對軟件功能進行劃分，需要確定數學模型，算法、數據結構、子程序等程序模塊。軟件開發(fā)工具的使用需要在競賽前進行培訓。常用的一些程序如系統(tǒng)檢測、顯示器驅動、A/D、D/A、接口通信、延時等程序，可以在競賽前進行編程和調試，在競賽中根據需要進行修改。,系統(tǒng)集成完成軟件與硬件聯調與修改。在軟件與硬件聯調過程中，需要認真分析出現的問題，軟件設計人員與硬件設計人員需要進行良好的溝通，一些問題如非線性補償、數據計算、碼型變換等用軟件解決問題會容易很多。采用不同的硬件電路，軟件編程將會完全不
14、同，在軟件設計與硬件設計之間需要尋找一個平衡點。,2 數字/模擬子系統(tǒng)設計步驟,數字/模擬子系統(tǒng)的設計過程其步驟大致分為：明確設計要求，確定設計方案和進行電路設計制作、調試等步驟。在電子設計競賽中，數字子系統(tǒng)多采用單片機或者大規(guī)模可編程邏輯器件實現，但也可以74/40等系列的數字集成電路實現，本節(jié)討論的數字子系統(tǒng)是基于74/40等系列數字集成電路的。從第1章的題目分析可見，模擬與數字混合的題目占多數。模擬子系統(tǒng)也是作品的重要組成部分，設計制作通常包含有模擬輸入信號的處理，模擬輸出信號、與數字子系統(tǒng)、單片機、可編程器件子系統(tǒng)之間的接口等電路。,1）. 明確設計要求,（1）對于數字子系統(tǒng)，需要明確
15、的設計要求有： 子系統(tǒng)的輸入和輸出？數量？ 信號形式？模擬？TTL？CMOS？ 負載？微控制器？可編程器件？功率驅動？輸出電流？ 時鐘？毛刺？冒險競爭？ 實現器件？,（2）對于模擬子系統(tǒng)，需要明確的設計要求有： 輸入信號的波形和幅度、頻率等參數？ 輸出信號的波形和幅度、頻率等參數？ 系統(tǒng)的功能和各項性能指標？如增益、頻帶、寬度、信噪比、失真度等？ 技術指標的精度、穩(wěn)定性？ 測量儀器？ 調試方法？ 實現器件？,2）. 確定設計方案,對于數字電路占主體的系統(tǒng)，我們的建議是采用單片機或者可編程邏輯器件，不要大量的采用中、小規(guī)模的數字集成電路，中、小規(guī)模數字集成電路制作作品時非常麻煩，可靠性也差。,模
16、擬子系統(tǒng)的設計方案與所選擇的元器件有很大關系。我們的建議是： a根據技術性能指標、輸入輸出信號關系等確定系統(tǒng)方框圖； b. 在子系統(tǒng)中，合理的分配技術指標，如增益、噪聲、非線性等。將指標分配到方框圖中的各模塊，技術參數指標要定性和定量。 c. 要注意各功能單元的靜態(tài)指標與動態(tài)指標、精度及其穩(wěn)定性，應充分考慮元器件的溫度特性、電源電壓波動、負載變化及干擾等因素的影響。 d. 要注意各模塊之間的耦合形式、級間的阻抗匹配、反饋類型、負載效應及電源內阻、地線電阻、溫度等對系統(tǒng)指標的影響。,e. 合理的選擇元器件，應盡量選擇通用、新型、熟悉的元器件。應注意元器件參數的分散性，設計時應留有余地。 f.要事
17、先確定參數調試與測試方法、儀器儀表、調試與測試點，以及相關的數據記錄與處理方法。,五、設計總結報告,設計總結報告的評分項目由方案設計與論證、理論計算、電路圖及設計文件、測試方法與數據、結果分析、設計總結報告的工整性等六個方面組成 。設計總結報告中應包含以下內容：,1、題目名稱 題目名稱是選擇的設計作品的名稱 2、摘要 摘要是對設計總結報告的總結，摘要一般在300字左右。摘要的內容應包括目的、方法、結果和結論，即應包含設計的主要內容、設計的主要方法和設計的主要創(chuàng)新點。摘要中不應出現“本文、我們、作者”之類的詞語。英文摘要內容應與中文相對應；一般用第三人稱和被動式。中文摘要前加“摘要：”；英文摘要
18、前加“Abstract：”。,關鍵詞一般選 38個關鍵詞。中、英文關鍵詞應一對應。中文前冠以“關鍵詞：”，英文前冠以“key words：”。 3、目錄 目錄包括設計總結報告的章節(jié)標題、附錄的內容，以及章節(jié)標題、附錄的內容所對應的頁碼。,1 .（第1級） 1.1 . （第2級） 1.1.1 . （第3級） （1）（第4級） . （第5級） a.（第6級） .。,4、正文 正文是設計總結報告的核心。設計總結報告正文的主要內容包含有：系統(tǒng)設計、單元電路設計、軟件設計、系統(tǒng)測試、結論。 （1）系統(tǒng)設計 在系統(tǒng)設計這一章節(jié)中，主要介紹系統(tǒng)設計思路與總體方案的可行性論證，各功能塊的劃分與組成，介紹系統(tǒng)的
19、工作原理或工作過程。 應注意的是：在總體方案的可行性論證中，應提出幾種（23種）總體設計方案進行分析與比較，總體設計方案的選擇既要考慮它的先進性，又要考慮它的實現的可能性。,（2）單元電路設計 在單元電路設計中不需要進行多個方案的比較與選擇，只需要對已確定的各單元電路的工作原理進行介紹，對各單元電路進行分析和設計，并對電路中的有關參數進行計算及元器件的選擇等。應注意的是：理論的分析計算是必不可少的。在理論計算時，要注意公式的完整性，參數和單位的匹配，計算的正確性；注意計算值與實際選擇的元器件參數值的差別。電路圖可以采用手畫，也可以采用PROTEL或其它軟件工具繪畫，應注意元器件符號、參數標注、
20、圖紙頁面的規(guī)范化。如果采用仿真工具進行分析，可以將仿真分析結果表示出來。,（3）軟件設計 在許多競賽作品中，會使用到單片機、DSP、FPGA等需要編程的器件，應注意介紹軟件設計的平臺、開發(fā)工具和實現方法，應詳細地介紹程序的流程方框圖、實現的功能以及程序清單等。如果程序很長的話，程序清單可以在附錄中列出。,（4）系統(tǒng)測試 詳細介紹系統(tǒng)的性能指標或功能的測試方法、步驟，所用儀器設備名稱、型號，測試記錄的數據和繪制圖表、曲線。應注意的是：要根據競賽題目的技術要求和所制作的作品，正確的選擇測試儀器儀表和測試方法。例如：作品是一個采用高頻開關電源方式的數控電源，如果選擇的示波器是低頻示波器，所測試的一些
21、參數是會有問題的。測試的數據要以表、圖或者曲線的形式表現出來。,（5）結論 對作品的測試的結果和數據進行分析和計算，也可以利用MATLAB等軟件工具制作一些圖表，必須對整個作品作一個完整的、結論性評價，也就是說要有一個結論性的意見。,5、參考文獻 參考文獻部分應列出在設計過程中參考的主要書籍、刊物、雜志等。參考文獻的格式如下： a專著、論文集、學位論文、報告 序號 主要責任者（.）文獻題名專著（M.）；論文集（C.）；學位論文（D.）；報告（R.）（.）出版地（：）出版者（，）出版年（.）起止頁碼（.）,b期刊文章 序號 主要責任者（.）文獻題名（J.）刊名（，）年（，）卷（期）（：）起止頁碼
22、（） c國際、國家標準 序號標準編號（，）標準名稱（S） 參考文獻中的作者是英語拼寫的，應是姓在前，名在后。參考文獻在正文中應標注相應的引用位置，在引文后的右上角用方括號標出。,6、附錄 附錄包括元器件明細表、儀器設備清單、電路圖圖紙、設計的程序清單、電路使用說明等。 應注意的是：元器件明細表的欄目應包含有：序號、名稱、型號及規(guī)格（例如：電阻器RJ14-0.25W-5105%）、數量、備注（元器件位號）。 儀器設備清單的欄目應包含有：序號、名稱、型號及規(guī)格、主要技術指標、 數量、備注（儀器儀表生產廠家）。 電路圖圖紙要注意選擇合適的圖幅大小、標注欄。程序清單要有注釋，總的和分段的功能說明等。,
23、7、字體要求 一級標題：小二號黑體，居中占五行，標題與題目之間空一個漢字的空。 二級標題：三號標宋，居中占三行，標題與題目之間空一個漢字的空。 三級標題：四號黑體，頂格占二行。標題與題目之間空一個漢字的空。 四級標題：小四號粗楷體，頂格占一行。標題與題目之間空一個漢字的空。 標題中的英文字體均采用Times New Roman體，字號同標題字號。 四級標題下的分級標題的標題字號為五宋。,所有文中圖和表要先有說明再有圖表。圖要清晰、并與文中的敘述要一致，對圖中內容的說明盡量放在文中。圖序、圖題（必須有）為小五號宋體，居中排于圖的正下方； 表序、表題為小五號黑體，居中排于表的正上方；圖和表中的文字
24、為六號宋體；表格四周封閉，表跨頁時另起表頭。,圖和表中的注釋、注腳為六號宋體；數學公式居中排，公式中字母正斜體和大小寫前后要統(tǒng)一。 公式另行居中，公式末不加標點，有編號時可靠右側頂邊線；若公式前有文字，如例、解等，文字頂格寫，公式仍居中；公式中的外文字母之間、運算符號與各量符號之間應空半個數字的間距；若對公式有說明，可接排，如：式中， （雙字線） ； ，當說明較多時則另起行頂格寫“式中 ”；回行與對齊寫“ ”；公式中矩陣要居中且行列上下左右對齊。,一般物理量符號用斜體（如：f(x)、a、b等）；矢量、張量、矩陣符號一律用黑斜體；計量單位符號、三角函數、公式中的縮寫字符、溫標符號、數值等一律用正體；下角標若為物理量一律用斜體，若是拉丁、希臘文或人名縮寫用正體。 物理量及技術術語全文統(tǒng)一，要采用國際標準； 設計報告例子,
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