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1、 电子技能训练 (1)计算机与信息工程学院实验中心 张晓力( 1 )课课 程教学方式与安排程教学方式与安排1.教学方法与方式以学生为中心，教师为辅助，学生是教学 中的主体，提倡提倡同学“做中学”“干中练”，调动学 生的主动性、自觉性与创造性，努力培养学生的创新精神 和能力,促进学生得到最大限度的发展。授课以在计信学 院的相关实验室做系统性，综合性的电子系统设计题目为 主（学生在实验室的累计时间不低于25个学时），专题讲 座为辅(16学时约8-10次）的教学方式 。2.实验室对同学开放,周一至周四为各班做实践活动的时间 ，周五将组织老师解答同学们一周以来所遇到的问题或组 织专题讲座。本课程34学
2、时，总分数为100分。其中：实践技能训练期间的表现（考勤、纪律、学风）综合成绩，占总成绩10；测验、作业及硬件电路制作质量综合成绩，占总成绩40-50；考试答辩考核成绩，占总成绩40-50；成绩合格者将给予两学分。考核与成绩评定课程的主要目标和内容课程的主要目标和内容本课程以小系统电子电路基础训练和设计、制作为主，注重电路的完整性。 电子电路的理论教学基本是以单元电路的分析为主，尽管电子电路实验技术基础是以设计性实验为主，但是，这种设计也都是单元电路。 通过电子系统设计的学习和实践，培养系统设计的基本能力、综合知识应用能力、查阅资料能力以及协作精神，提高自学、动手能力和工程实践能力。教学主要参
3、考书电子系统设计 马建国等编著 高等教育出版社电子系统设计与实践 杨刚 等主编 电子工业出版社电子创新设计与实践 王松武等编著 电子工业出版社Multisim 10 核心Core（比如嵌人式CPU ）和若干IP模块组成。IP（ Intellectual Properties）模块，是指具 有知识产权的模块，包括软IP、固化IP和硬IP 3种类 型。随着IC的发展和SOC复杂程度的提高，IP己成为 SOC设计的技术基础，因此给IP的开发带来巨大的商机 ，使IP成为了一种商品，IP技术越来越成为IC业界广 泛关注的焦点。SoC设计SOC设计观念与传统设计观念完全不同。在SOC设计中，设计者面对的不
4、再是电路芯片；而是能实现设计功能的IP模块库。 SOC设计不能一切从头开始，要将设计建立在较高的基础之上， 利用己有的IP芯核进行设计重用。建立在IP芯核基础上的系统级芯片设计技术，使设计方法从传统的电路级设计转向系统级设计 。设计包括系统级设计、电路级设计、物理实现、物理验证及最终验证。SOC设计中的关键环节是IP Core复用技术，完成一个片上系统设计必须要在很大程度上依赖对公司内部或其它公司 的已成熟芯核即IP Core设计的复用，片上系统由IP Core的组合将完成50%-90%系统功能 。以ASIC和SOC电子系统设计的区别传统的ASIC 设计采用自顶向下(top - down)的设
5、计 方法。例如在设计一个图像处理芯片时,处理算法由图像处 理专家来实现,然后将算法交至集成电路设计人员完成芯 片的寄存器传输描述(RTL) ,经过功能验证后,将RTL 转 化为芯片的门级网表描述,然后进行电路的时序仿真。仿真通过后,由版图人员进行版图设计,完成电路的 布局、布线工作。在芯片原形建立并通过测试后,由软件 人员进行软件调整。整个过程实际上是一个顺序进行的 过程。在设计SOC 芯片时,由于芯片复杂程度的增加,用 上述设计模式很难完成设计任务。SOC 芯片设计从 整个系统的角度出发,把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来。设计方法从以功能设计为基础的传统流
6、程转变到以功能组装为基础的全新流程。1.7 设计示例（1）简易智能电动车 （电子设计大赛2003年E题） n设计任务：n 设计并制作一个简单智能电动车，在涂有5cm宽黑 色边线、2cm宽黑色引导线的白纸铺成的跑道上行驶。跑道示意图设计实例-简易智能电动车n1、基本要求（40分） n（1）车从起跑线出发（车体不超起跑线），沿引导线到达B点。在 “直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有13块宽度为15cm、长度不等 的薄铁片。检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、 显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。（15分） n（2）车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧线到C点（也可脱离 圆弧线到达C点）
7、。C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动 车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声 光信息。（17分） n（3）车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。车 必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。（8分） n（4）电动车完成上述任务后应立即停车，全程行驶时间不能大于 90秒，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。 设计实例-简易智能电动车n2、发挥部分(10分) n（1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（ 中心线）至起跑线间的距离。 n（2）电动车进入停车区域后，能进一步准确驶入车库中，要求电 动车的车身完全进入车库。 n（3）停车后
8、，能准确显示电动车全程行驶时间。 n（4）其它。 设计实例-简易智能电动车n设计方案论证：n单片机选择：89C51为控制核心，价格低、使用简单、运算速度 低、功能单一、 如扩展功能需外扩芯片。SPCE061A为控制核心， 资源丰富、指令周期短、工作速度快、功耗低、电压低、可编程语 音处理，在线下载。n电机驱动模块：步进电机，精确调速、控制较复杂、价格不菲。 数字电位器调整电动机控制电压，达到调速目的，价格贵。用大功 率管构成PWM和H型电机电路，速度快、正反向控制方便。n路面黑线探索模块：采用一组探测头对路面信息进行控制。设计实例-简易智能电动车n车速及路程计算模块：采用断续式光电开关，在车轮
9、上均匀分布遮 光条，车轮转动产生脉冲。n躲避障碍物模块：采用超声波测距，由于障碍物随机放置，测试后 躲避障碍物的模糊控制较为复杂。由于障碍物在两个方形障碍区内， 可依靠光源指示行走。n电源模块：单一电源供电，由于电机启动瞬间电流大，将造成电源 系统的不稳定，可能会影响系统正常工作。双电源供电，将电机驱动 电源与单片机、传感器等电路的供电系统隔离，提高系统的可靠性。设计实例数字电子定时器数字定时器的应用消费类电子产品数字闹钟智能微波炉全自动洗衣机设计实例数字电子定时器功能要求 ： （1）定时时间的设置范围为1-99分，开机上电后的隐含 值为10分，采用LED数码管显示，定时时间可任意设置。 （2
10、）定时器控制一个交流220V、1A的用电设备，上电时 不允许用电设备瞬间通电。 （3）定时时间设定后，启动计时，用电设备通电，同时 显示器逐分倒计时。其间，分个位数码管的小数点每秒 闪亮一次；计时到0分时，切断用电设备电源。 （4）计时误差：100分误差10s。设计实例数字电子定时器整体方案调研：在明确设计系统的性能要求的基础上进行调研， 吸收前人经验，开阔自己的思路。利用“中文科技期刊数据库”、“中国期刊全文 数据库”等数据库进行网络查询，并对资料进行搜集 筛选。设计实例数字电子定时器整体方案论证采用自顶向下的拼凑法构成系统方框图 设计实例数字电子定时器方案1：中、小规模集成电路构成的数字定
11、时器本方案的优点：本方案的优点： 各器件的功能清晰；易于设计。各器件的功能清晰；易于设计。 本方案的缺点：本方案的缺点： 可靠性不高，价格不菲。可靠性不高，价格不菲。设计实例数字电子定时器方案2：基于CPLD/FPGA的数字定时器本方案的优点：本方案的优点： 电路大为简化，系统可靠性高。电路大为简化，系统可靠性高。 本方案的缺点：本方案的缺点： CPLD/FPGACPLD/FPGA成本高，用于低端产品其价格成本高，用于低端产品其价格 难以接受。难以接受。设计实例数字电子定时器方案3：基于MCU的数字定时器 本方案的优点：本方案的优点： （1 1）性能可靠性高；）性能可靠性高； （2 2）MCU
12、MCU选型得当，则成本相当低廉。选型得当，则成本相当低廉。确定方案的原则：确定方案的原则： （1 1）宁软勿硬；）宁软勿硬； （2 2）性价比。）性价比。设计实例数字电子定时器器件选型MCU的选型 主要考虑三个问题：主要考虑三个问题： （1 1）单片机速度是否满足系统要求？）单片机速度是否满足系统要求？ （2 2）单片机片内）单片机片内FLASHFLASH容量是否足够？容量是否足够？ （3 3）单片机）单片机I/OI/O口线是否满足系统需求？口线是否满足系统需求？设计实例数字电子定时器LED数码显示管选型 实物图引脚图设计实例数字电子定时器继电器选型 固态继电器（SSR）性能虽 好，但价格也较
13、高，性价比 不高，最终弃用设计实例数字电子定时器6、硬件设计总体电路图设计实例数字电子定时器上电复位电路电源电路时钟电路系统构成： 单片机最小系统+按 键电路+共阴LED显示 电路+继电器驱动电 路P1.1P3.0 P3.1 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2P3.4P3.2P3.3VCCRSTXTAL1XTAL2P1.0AT89C205122u1K2*10KS+2K78050.1uQ15.1KQ2JIN40010.1u220u+12V6MHz 30PF30PFa b c d efgdpK1K2+5V.设计实例数字电子定时器问题 1 1、电源电路中采用三端稳压器、电源电
14、路中采用三端稳压器LM7805LM7805将将+12V+12V直流电压转直流电压转 变为变为+5V+5V直流电压，相较于直接采用直流电压，相较于直接采用+5V+5V直流电压供电直流电压供电 有何好处？有何好处？ 2 2、从抗干扰的角度出发，继电器的驱动电路还有其它更、从抗干扰的角度出发，继电器的驱动电路还有其它更 好的设计方法吗？好的设计方法吗？ 3 3、电路图中的继电器线圈两端并联的二极管的作用？、电路图中的继电器线圈两端并联的二极管的作用？ 4 4、RSTRST引脚在上电后的波形图是怎样的？引脚在上电后的波形图是怎样的？ 5 5、数码管驱动方式？、数码管驱动方式？设计实例数字电子定时器程序
15、设计整体架构确定 本程序宜采用以系统时钟为核心的 程序结构，本设计要用到以下几个 时间量： 5ms每个数码管显示时间； 20ms按键去抖时间； 0.5s分个位LED小数点闪烁以及 预置时分十位和个位闪烁的时间； 1s计时的单位时间。最常见的主程序流程图 设计实例数字电子定时器程序设计硬件资源分配 INT0： 功能键KS，边沿触发； INT1： 加键KAD，边沿触发 P1.0P1.7：LED段码输出，高电平有效 P3.0：数码管分十位阴极，低电平有效，K1 P3.1：数码管分十位阴极，低电平有效，K2 P3.4：继电器驱动输出，低电平输出有效； T0：16位计时器，系统时钟，5ms中断一次 T1
16、：16位计时器，计时时钟，20ms中断一次程序设计画程序流程图 设计实例数字电子定时器设计实例数字电子定时器各种电子系统设计步骤综述各种电子系统设计步骤综述8、仿真调试 设计实例数字电子定时器1.8 系统仿真技术系统仿真(system simulation)技术是在数学模型基 础上，利用计算机进行实验研究的一种方法。它是建立在 系统科学、系统辨识、控制理论与计算机技术上的一门综 合性很强的实验科学技术，是分析、综合各类系统的一种 研究方法和有力的工具。作为电子系统设计的常用EDA软件有：Matlab, SystemView, Pspice等适合于信号级的仿真；Pspice、 multicism.10(Workbench)、Protel 及max-plus 2、quart6.0等各种FPGA开发工具适合做电 路级的系统仿真。1.9 板卡设计与板卡仿真技术板卡设计是指根
