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電子系統設計論文范文1
1.1ARM處理部分
針對ARM內核的高速可順序執行特性,更適合處理復雜協議信息。ARM處理部分在設計中主要負責協議層處理工作,包括通信信息、人機交互設定、系統工作參數監測、報警數據設定、監測以及系統數據分析處理等多方面的工作,整體采用搶占式進行多任務分配,提高CPU利用率以及系統魯棒性。
1.2FPGA控制部分
總體來看,FPGA主要負責硬件設備底層驅動的讀寫,作為ARM的一個外部擴展RAM進行外設數據交換,所有FPGA采集、輸出的數據均可通過ARM的可變靜態存儲控制器(FlexibleStaticMemoryController,FSMC)總線讀寫。在設計中運用FPGA獨特的可多任務并行執行的特性,FPGA控制部分主要負責外部通信模式的選擇;外部模擬信號的采集、輸出溫度的控制、時鐘同步、時鐘移相、數碼管計數顯示等多項功能的處理。在外部模擬量、氫原子鐘內爐溫度采集部分,由FPGA內部硬件采用狀態機形式通過兩片AD7490D對外部32路模擬量采集,并直接用模數轉換器進行控制處理;另一個狀態機通過熱敏電阻對內爐頂,上,底等三部分溫度進行采集;在溫度輸出控制部分,通過三路PWM控制方式,以外部溫控器作為驅動信號,調節加熱功率。在模數轉換部分由專用基準電壓芯片REF192產生參考電壓,溫度轉換經過帶有前置運算放大器(Operationalamplifier,OP)的模數轉換器進行采樣,并同時具有抑制50Hz抑制功能,以抵消測量中所產生的工頻干擾。在通信電路的設計部分由FPGA來選擇所采用的通信方式,其中串口通信采用隔離式電平變換芯片,避免電平不兼容或是不同設備間的靜電釋放(Electro-Staticdischarge,ESD)所帶來的放電損壞;以太網部分采用專用以太網接口模塊,可同時兼容TCP/IPv4、用戶數據報協議(UserDatagramProtocol,UDP)等。
1.串口通信接口的電路設計
原本的串口通信設計為了滿足兩路串口通信的技術指標,采用AT89C52結合通用同步異步接收發送器8251A實現雙串口的擴展。本文采用ADM3251E[3]來解決多路串口的通信功能。ADM3251E是一款高速、2.5kV完全隔離、單通道RS-232/V.28收發器、具有isoPower隔離電源的雙通道數字隔離器,設計中無需使用單獨的隔離DC-DC轉換器。由于RIN和TOUT引腳提供高壓ESD保護,因此該器件非常適合在惡劣的電氣環境中工作,或頻繁插拔RS-232電纜的場合。ADM3251E采用ADI公司的芯片級變壓器iCoupler技術,能夠同時用于隔離邏輯信號和集成式DC-DC轉換器,因此該器件可提供整體隔離解決方案。
2.ADC模擬量采樣電路設計改進
原本的ADC采樣電路使用兩片ADC0816。ADC0816是逐次比較式16路8位A/D轉換器,其內部包含有一個8位A/D轉換器和16路的單端模擬信號多路轉換開關,轉換精度為1/2LSB,轉換時間為100us(時鐘頻率為640KHz)。改進設計中采用AD7490,它是一款12位高速、低功耗逐次逼近型ADC。同時AD7490采用單電源工作,電源電壓為2.7V至5.25V,最高吞吐量可達1MSPS;其內置一個低噪聲、寬帶寬采樣/保持放大器,可處理1MHz以上的輸入頻率;轉換過程和數據采集過程通過CS和串行時鐘進行控制,從而為器件與微處理器接口創造了條件。
3.溫度控制部分的設計改進
溫度對于氫原子鐘來說是個很重要的因素,溫度控制不好會引起氫原子鐘穩定度變差;溫度失控會直接導致氫原子鐘沒有中頻信號輸出。因此在溫度控制的設計中首先要做到可靠、穩定。原先的溫度控制系統采用模擬控制多塊電路板各溫度區域獨立控制模式,其缺點是變容二極管參數數值不在正常工作范圍內之后,需要人為調整電路板的電位器,即通過人為改變電阻的模式來達到調整溫度的目的。在數字化智能溫控設計中采用AD7792[4],AD7792具有兩個高精度的可編程恒流激勵源,內置有可編程的儀表放大器,可以對不同的輸入信號選擇相對應的放大倍數,實現信號的匹配。它內置16位ADC,采用SPI串行接口,容易實現光耦隔離,有三路差分模擬輸入,可以滿足設計中分別對內爐頂,上,底三部分溫度進行采集的設計要求。AD7792為適應高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端,內置一個低噪聲、帶有三個差分模擬輸入的16位Σ-Δ型ADC。它還集成了片內低噪聲儀表放大器,因而可直接輸入小信號;內置一個精密低噪聲、低漂移內部帶隙基準電壓源,而且也可采用一個外部差分基準電壓。圖2中所示CHAN表示溫度區域,其中CH1代表內爐頂,CH2代表內爐上,CH3代表內爐底;ACTU代表采樣溫度數值,SET代表設定溫度數值,OUT代表了輸出功率的大小。
4.移相同步精度設計改進
傳統控制板同步精度為100ns±邏輯門延時(約幾個ns),移相分辨率為0.1us。經過設計改進后,采用獨特的先倍頻后同步技術,可大大提高移相同步分辨率。在本次應用中,先對外部輸入的10MHz方波信號,經過FPGA內部的鎖相環(PhaseLockedLoop,PLL)的配置進行零度移相五倍頻,得到和輸入信號零相位差的50MHz信號。上一幅為10MHz信號波形,下一幅為倍頻后的50MHz方波信號波形。
5.DDS電路設計部分
之前控制板在綜合器設計輸出時,采用AT89C52驅動三片74LS595串入并出輸出6位8421碼共24位數據信息經25芯彎角插座(DR-25)將數據傳輸至接收機控制板,再由CPLD處理后輸出所需的頻率信號。而目前設計中選取AD9956[5],使用直接數字式頻率合成器(DirectDigitalSynthesizer,DDS)技術直接從監控板輸出所需的頻率信號,AD9956是由美國AnalogDevice公司推出的高性能的DDS芯片,提供速度高達400MHz的內部時鐘,可合成頻率高達160MHz,支持2.7GHz的時鐘輸入(可選2,4或8分頻)、內部集成14位的D/A轉換器,具備快速頻率轉換、精細頻率分辨率和低相位噪聲輸出的性能,適用于快速跳頻頻率合成器的設計,本設計DDS輸出頻率信號可以根據鍵盤鍵入的頻率值不同而輸出不同的頻率值。
6.存儲器設計改進
氫原子鐘必需具有對時間以及對所監測數據實時保存的功能。然而外部存儲器的選擇也是多種多樣的,目前應用最多的仍是SRAM、EEPROM及NVRAM這三種方案。我們目前使用的存儲器就是采用SRAM加后備電池的模式,型號62256,它是組織結構為32K*8位字長的高性能CMOS靜態RAM。在設備掉電的情況下,存儲數據易丟失。同時SRAM加后備電池的方法增加了硬件設計的復雜性,降低了系統的可靠性;EEPROM方式可擦寫次數較少(約10萬次),且寫操作時間較長(約10ms);而NVRAM的價格問題又限制了它的普遍應用。因此越來越多的設計者將目光投向了新型的非易失性鐵電存儲器(FRAM)。鐵電存儲器具有以下幾個優點:可以總線速度寫入數據,而且在寫入后不需要任何延時等待;有近乎無限次擦寫壽命;數據保持45年不丟失;具有較低的功耗。設計中采用的FM25L16是串行FRAM。其內部存儲結構形式為2k×8位,地址范圍為0000H~07FFH,FM25L16支持SPI方式0和方式3。具有先進的寫保護設計,包括硬件保護和軟件保護雙重保護功能。FM25L16的數據讀寫速度能達到18MHz,可與當前高速的RAM相媲美。結束語從設計的測試結果來看,全新的設計模式對電路的性能,可靠性,穩定性等多方面都有很大的提高,具體表現如下所示:
(1)設計中采用AD7490替代ADC0816,從而使得ADC精度提高8bit升級到12bit,精度提高了16倍,并且無需經過外接模擬開關,減少了信號經過多個模擬芯片引起誤差。
(2)溫度控制系統采用全數字化設計模式,提高測量精度,降低干擾,可避免處理運放電路所造成的對溫度飄移的影響以及多級模擬帶來的累計誤差,最重要的一點就是不用再人為的通過改變電阻模式來達到調整溫度的目的。
(3)綜合器設計部分采用DDS處理技術,直接從監控板輸出所需頻率信號,從而大大減少設計中潛在的故障點,大大提高了設計的可靠性,穩定性。
電子系統設計論文范文2
為適應應用型專業轉型的需要,促進電子信息類專業課程向應用型課程轉化,文章以“電子系統設計”課程為例,從專業課程的課程理念、教學內容、教學模式、考核方式等方面對適應于應用型人才教育的專業課程改革模式進行了探索,給出了相應的改革內容,為其他應用型課程改革提供了參考。
關鍵詞:
應用型課程;電子信息類專業課程;教學模式
隨著信息化社會的不斷發展,我國經濟建設對人才的需求方向也發生了改變,不僅僅需要學術研究性人才,同時更加需要應用型人才和職業技能型人才,尤其是能將所學理論知識轉化為社會生產力的應用型人才的需求比重最大。在這一背景下,各地方高校擔負起應用型人才培養的重任[1],開始將高校人才培養目標向應用型人才培養方向轉化,切實通過轉型發展促進內涵發展、特色發展,提高質量,解決好急需人才不夠用、普通人才就業難問題。在專業轉型的大背景下,如何將人才培養從原來的學術型人才培養過渡到應用型人才培養,切實對轉型過程中在人才培養方案、專業設置、課程體系、師資配備、教學管理機制等問題提出具體可行的方案,成為高校教育改革研究的新課題。目前本科院校的應用型課程建設已成為當前提高應用型高校教育質量的核心環節,在課程建設中必須能夠突出應用性知識的傳授與學生實踐能力的培養[2],這樣才能將課程的應用性改造落到實處。電子信息類專業課程作為本科高等院校教學中應用性較強的專業課程,由于其專業本身具有的技術更新快、實踐性和應用性極強的特點,在課程的教學過程中必須注重新技術與工程性的結合、理論與實用的結合,所以在其教學開展中更應對課程理念、課程教學設計的優化、課程內容、評價體系等方面進行探討研究。文章從專業轉型的背景出發,以“電子系統設計”為例,在專業課程的課程理念、教學內容、教學模式、考核方式等方面對適應于應用型人才教育的專業課程改革模式進行了探索。
一、電子信息類專業課程現狀分析
目前國內各高校都著眼于學生動手實踐能力培養、并不斷提高學生學習的自覺性,但學生在專業課程學習中仍存在缺少創新精神和科學研究的主動性的問題。這也反應了在專業課程的設置及教學活動開展過程中存在的問題,主要表現為理論教學學時長、側重于理論知識的傳授;課程教學活動設計單一,缺乏體驗式教學;課程內容更新慢,與新技術脫節;實踐環節項目內容缺乏實際性和趣味化,學生難以深入;考核方式單一,仍然是簡單的考核學生對理論知識點的掌握程度。這一情況的存在,使學生在面臨就業時,與用人企業的需求相脫離,不能滿足企業對于綜合素質和實踐能力強的應用型人才的需要。“電子系統設計”是一門綜合性、實踐性和應用性很強的專業課程,面向電子信息類專業本科三年級開設的理論與實踐相結合課程[3]。課程系統地介紹電子系統分析、規劃、設計和工程實現的方法與步驟,并結合技術發展情況,介紹新技術、新方法、新器件在電子系統設計中的應用。該課程是本科生了解當前電子系統技術的窗口,是相關硬件與軟件設計結合、將所學理論知識付諸實踐、由書本走向實際的橋梁課程,因此其具有電子信息類專業課程的專業技術特點,通過對其向應用型轉型課程建設的研究具有一定的代表性。
二、課程改革內容
“電子系統設計”課程的改革主要從四個方面展開:課程理念的轉變、優化教學模式、課程內容的更新、建立多元的評價方式。
(一)課程理念的轉變
應用型人才不僅需要具備專業知識素養,而且需要能夠應用專業知識解決實際問題,因此必須對現有的課程理念進行轉變來指導課程建設。專業課程作為專業人才培養的重要教學科目,是學生在教師指導下通過學習專業知識來增長專業知識和專業能力的重要過程。而根據電子信息類專業課程的特點,更應將學生作為課程的主體,由學生主動的發現知識、主動思考、積極地參與學習,同時根據課程特點,由教師在學生的主動學習過程中給予專業指引,不再局限于教師的“教”,而是拓展為教師的“引”與學生的“學”相結合,注重對學生主動性、參與性的培養。同時注重課程教學設計的優化,課程教學內容的設置以及多元化的評價方式。以“電子系統設計”課程來說,主要綜合模擬電子技術、數字電子技術、嵌入式系統、DSP處理等相關技術[4],將理論教學內容向實際應用轉化,其教學理念主要更應以學生的“學”為主,通過教師對相關技術及前沿發展的引導,激發學生的主動性,變被動學習為主動學習,在教學過程中除了理論知識講授外,增加課堂討論、項目實踐,使學生成為教學的主導。
(二)優化教學模式
原有的專業課教學側重于理論知識的傳授,課程教學多采用理論講授,造成填鴨式、灌輸式課程教學方法,學生通過聽、記完成應用型課程的學習,這必然導致僅僅對知識的掌握,而脫離實踐;同時,啟發式、研究式教學的運用少,也導致學生沒有學習的主動性。將CDIO工程教育理念[5]引入課程的專題項目教學中,通過對特定專題項目內容的構思、設計、實現和運作,讓學生以主動的、實踐的方式學習,培養學生的工程基礎知識、個人能力、人際團體能力和工程系統能力,從而培養學生的實踐應用能力。在“電子系統設計”課程中,采用以項目設計為導向、基于項目、問題學習的教學模式,通過讓學生通過對實際項目的構思與設計來激發學生的興趣,利用所學知識來開展系統層次上的構思、設計、實現及運用。
(三)課程內容的更新
若對應于項目驅動教學模式[6],原有的課程內容必然不利用教學實踐的開展,同時課程內容也應與專業發展前沿相對應,所以在課程模塊中增加技術前沿介紹等的相關板塊,并不斷更新課程內容,使其與技術發展、專業應用相適應,既要考慮符合專業學習的邏輯,又要注重專業范圍的限定和課程內容的順序安排,盡可能使課程內容對學生有意義并具有合理性和綜合性,并且滿足不同層次學生的學習需求,適于課程教學活動的開展。在“電子系統設計”課程中,將課程內容整合優化為電子系統設計方法、專題技術知識、項目設計與實踐三大模塊。其中電子設計方法主要介紹電子系統設計概論、模擬電子系統設計方法、數字系統設計方法、基于嵌入式系統設計方法、基于DSP系統設計方法及電子系統實現過程中可靠性設計;專題技術知識主要結合新技術的發展和新器件應用,將在專業基礎課程中所學的相關知識與實際應用相聯系,介紹典型傳感器應用、模擬信號變換、放大及濾波電路應用設計、基于可編程邏輯器件的數字系統設計、基于嵌入式平臺的系統設計、DSP系統應用;項目設計與實踐要求學生完成具有工程應用背景的項目的規劃、確定項目設計方案、項目設計與實踐。這里項目實踐配合課程設計實驗及學生的課外科技活動、開放式實驗室教學進行,使課程的內容改革不僅僅局限于課堂內的教學,而是拓展學生的學習空間。
(四)建立多元的評價方式
現行的課程考核多以階段性考核(平時成績)和總結性考核(期末考試)構成,而對于采用學生主動式學習的專業課程,這種考核方式不符合面向應用型人才的培養模式,所以應采取有效且具有多元性的考核評價方式,對學生的知識掌握、實踐能力、應用素養等幾方面進行綜合評價。也就是說需要對學生的知識點轉化為實踐能力、思維能力、課堂參與程度、作業及實踐活動完成質量進行考核。“電子系統設計”課程的考核不僅要考核學生對課程基本理論知識的理解和掌握,還要考核學生對所學知識的吸收與應用情況,同時考核還要體現學生實踐動手能力。因此,課程考核包括平時成績、開卷考試和實踐考核。平時成績主要考核學生對課程的參與程度,包括課堂討論成績、課后作業,其中課后作業一方面對課堂講授知識進行復習,同時要求學生通過文獻檢索、網絡檢索對相關新器件、新技術應用進行學習,其占總成績的10%。開卷考試的命題過程中,從培養應用型人才的目標出發,不再含有記憶型考題,而是采取應用能力型考題??碱}涵蓋器件應用、電路模塊設計和系統設計,其占總成績40%。實踐考核通過學生根據所學知識,進行電子系統設計理論探討,撰寫小論文;完成電路設計、仿真及實現,遞交設計報告及作品;實踐考核題目可選固定命題,也可以自主命題,特別鼓勵同學大膽想象,自擬課題,經教師確認后,完成相應任務??己诉^程中設有答辯環節,學生以PPT形式向教師及全體同學展示項目研究及作品,并由教師進行提問,學生給予作答。通過答辯環節主要完成知識點的檢查和研究作品的展示,考查學生在從事設計和撰寫論文中知識點的應用情況和創新性。實踐考核占總成績50%。
三、結束語
經過對“電子系統設計”課程改革的初探,在課程教學和課程理念的重構方面進一步拓展了思路;課程內容的不斷更新使學生開拓了眼界;同時也可以將教師科研方面中應用性較強、具有工程背景的課題項目引入教學;面向實踐能力考核的多元化考核機制對提高學生學習主動性、積極性有一定推動作用。我國的信息化建設的不斷增強對信息化人才的需求也正在逐年增大。但電子信息類應屆本科生的理論基礎較好,但動手實踐能力薄弱,使學生就業加大了難度,造成了應用型人才的供給不足。通過對電子信息類專業課程的教學改革,提出適用于電子信息類應用型人才學生培養的課程理念,建立既能夯實學生基礎實踐能力,又可以培養學生創新精神和創新實踐能力的平臺,建立多元化考核機制,有效地實現學生實踐能力的檢驗,同時與不斷追蹤信息科學技術的發展,緊跟行業科技進步,不斷更新課程內容,將對學生的科技素養、應用能力培養起到重要作用,且對其他應用型課程改革具有一定的參考價值。
作者:馬利 張玉奇 牛斌 單位:遼寧大學
參考文獻
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[2]王春霞.以應用性為導向的《設計概論》課程教學改革研究[J].中國包裝工業,2015,16:102+104.
[3]吳大鵬,黃沛昱.“電子系統綜合設計”課程建設探索[J].電氣電子教學學報,2014,06:41-43.
[4]田良.綜合電子設計與實踐[M].東南大學出版社,2002.
電子系統設計論文范文3
【關鍵詞】實踐教學;教學改革;電工電子
【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097(2010)04―0132―03
引言
高等教育提出朝著“寬口徑、厚基礎、重能力”的方向發展,培養適應能力強、發展潛力大的復合型人才是高等教育追求的目標。電子信息類專業主要培養具有寬厚電子技術和信息系統的基礎理論、較強的電子信息系統設計實踐能力、科學的思維方法、獨立分析問題和解決問題的能力、能從事各類電子設備和智能儀器的研究、設計、制造、應用和開發的應用型工程技術人才。
當今世界,電子產品層出不窮,并且向智能化方向發展,這樣日益凸現出單片機和FPGA等可編程器件在電子產品設計和創新中的重要性,用人單位普遍要求求職的畢業生能夠掌握單片機的基本原理和設計方法,有的單位甚至要求畢業生具有基于單片機系統的電子產品的設計經驗[1]。電子系統設計主要是指基于單片機控制的完整應用系統的設計,包括系統軟硬件設計及系統調試等多方面的知識。電子系統設計課程體系是以《單片機原理及應用》課程為核心,由《模擬電子技術》、《數字電子技術》、《感測技術》、《電子設計自動化》、《可編程邏輯器件及應用》、《C語言程序設計》等相關課程組成。
一 設課背景
學生經過《模擬電子技術》、《數字電子技術》、《單片機原理及應用》、《感測技術》、《電子設計自動化》、《可編程邏輯器件及應用》、《C語言程序設計》等課程的學習,通過教師教學和隨課的驗證性實驗,對于電子信息領域的相關理論知識有了了解和掌握,基本能夠進行單元電路的設計和調試,但驗證性實驗多數是教材內容的演示和再現,學生基本沒有進行系統級的設計和實訓,綜合實踐能力有待提高,學生沒有發揮自己的主觀能動性,不利于創新性人才的培養。
通過分析學生參加多屆電子設計競賽的情況,我們發現,按傳統理論教學和實驗方法培養的學生,在參加電子設計競賽時,會出現很多問題,達不到預期目標。比如:對某一功能電路進行設計,理論上設計正確但在工程上卻無法實現;單元電路正確卻無法實現系統聯調;各模塊功能實現卻無法完成一個系統等等。這是因為電子設計競賽既不是單純的理論設計競賽,也不僅僅是實驗競賽,而是由一個參賽隊共同設計、制作完成一個有特定工程背景的題目的競賽。電子設計競賽不僅要在單元電路上實現預期功能,更要考慮模塊間的接口關系;它既強調理論設計,更強調系統實現;它考核了學生綜合運用基礎知識的能力,更注重考察學生的創新意識,在2009年的全國大學生電子設計競賽中又增加了性能價格比和節能減排方面的考核內容,更加貼近工程實際和產品設計。從所涉及的課程內容上看,已經不是競賽題目一門或者幾門課程所能解決的,而是一個由相關課程組成的課程群。再從競賽使用的器件上看,有很大一部分是理論教學中沒有講授和更新的,因為電子信息技術的發展太快,新技術、新器件層出不窮,傳統的教學方法和體系面臨了嚴重的挑戰,如果不進行改革,建立一個新的理論課和實踐課教學課程體系,就無法適應培養現代化人才和發展高等教育的需要。
高等學校培養的人才最終是為社會和國家服務的,學生經過四年的本科學習,最終要走向社會,從畢業生的就業情況看,絕大多數畢業生從事電子信息相關的工作[2]。統計發現,到企業進行產品研發的學生通常是電子競賽獲獎或參加了電子競賽培訓的學生,動手能力較強,而從事銷售、服務等工作的畢業生很大比例是不能夠進行研發,不得已才去做銷售、服務的。為了使學生掌握電子系統的設計與開發,在相關理論課教學完成后我們開設了一系列的獨立的綜合設計實踐課,對學生開放實驗室,學生可以集中時間完成一系列的綜合性、設計性實驗項目,鞏固理論教學內容,提高學生的綜合設計能力和設計水平,為參加各級電子設計競賽和以后就業打好基礎,一舉兩得,事半功倍[3]。
二 實踐課設置情況
系列實踐課的設置遵循認知規律,是在隨課實驗基礎上的擴展和深入,經過調研和討論,聽取兄弟院校、相關企業和畢業生的意見和建議,在培養學生動手能力方面除了專業實習和畢業設計環節外,設置了一系列的獨立實踐課,分布于各個學期的教學中。以電子信息工程專業培養方案為例,實踐課設置情況如表1所示:
實踐課的教學基本上在相關的理論課程教學完成后進行,保證學生在進行實踐課時已經完成先導課程的學習和驗證性實驗,除《電子技術綜合實踐》,其它多數實踐課是對某一課程的強化和拓展。
三 《電子技術綜合實踐》教學過程
在系列獨立實踐課中,《電子技術綜合實踐》是關鍵性的教學環節,是最貼近電子設計競賽和實際工作應用的課程,要求綜合模擬電子技術、數字電子技術、傳感器、單片機、FPGA等多方面的知識。該課程強調以學生為主體,允許學生自由選題,題目的難度一般介于驗證性實驗和畢業設計之間。
本課程使學生能夠較系統地掌握電子系統設計的全過程,包選題、文獻查閱、方案論證、器件選擇、電路設計、電路實現、軟件編程、裝配調試、系統測試、總結報告、文檔整理等。學生完成由單元設計向系統設計的過渡,掌握現代化儀器設備在系統設計和實踐中的應用。課程充分發揮學生的主觀能動性和創造力,培養學生的獨立工作能力以及協作精神,并通過該課程選拔參加各類設計競賽的參賽選手。
1 題目設置
在該實踐課的教學上我們選擇了多個有代表性的、難易不同的實踐題目供學生選擇。具體題目有:液體點滴速度監控裝置、電子秤的設計與制作、智能電梯控制系統、水溫控制系統、脈搏測量儀的制作、直流數控穩壓源、數字式液量測量系統、轉速控制測量儀、數據采集系統、信號發生器、智能小車等等。這些題目基本上都是綜合性、設計性的,有的題目是歷年電子設計競賽題目的簡化或分解。以液體點滴速度監控裝置為例,該設計要求制作一個液體點滴速度監測與控制裝置,如圖1所示,實現的功能有:
(1)在滴斗處檢測點滴速度,并制作一個顯示裝置,能動態顯示點滴速度(滴/分)。
(2)通過改變h2控制點滴速度,也可以通過控制輸液軟管夾頭的松緊等其它方式來控制點滴速度。點滴速度可用鍵盤設定并顯示,設定范圍為20-150滴/分,控制誤差范圍為設定值 10% 。
(3)調整時間≤2分鐘(從改變設定值起到點滴速度基本穩定,能人工讀出數據為止)。
(4)當h1降到警戒值(2~3cm)時,能發出報警信號。
這個題目中對點滴速度和液面位置的檢測要用到傳感器,要有聲光報警電路,需要電機改變h2高度來控制點滴速度,整個系統由單片機進行控制,通常選擇PID算法來調整點滴速度。從實用和智能化角度出發,可以擴展成網絡,采用簡單的RS-232通訊實現從站和主站之間的通信,實現智能化管理。
學生在選題過程中進行引導,避免多組學生選擇同一題目,學生也可以自主擬定題目,經過指導教師審核即可。學生3人為1個小組,成員有所分工。
2 教學要求
(1)綜合運用EDA軟件
學生根據所選題目進行方案設計,對方案中的電路進行設計計算,包括元器件的選擇和電路參數的計算。要求學生通過各種EDA軟件進行仿真驗證,選擇Multisim7、Proteus、ISE等軟件進行相關仿真實驗。
(2)硬件電路制作
設計方案經指導教師審查通過后,學生領取所需元器件等材料,設計PCB電路板并且自己加工,最后焊接制作電路并調試。
本課程教學采用了“模板化”設計方法,將學生設計調試好的A/D轉換器、D/A轉換器、鍵盤、顯示電路“模板化”,使系統設計的局部和整體有機結合,提高了實驗資源的利用率和實踐效率,“模板化”后的單元電路在電子設計競賽中也可使用。
(3)軟件的編制與仿真。根據已設計出的軟件系統流程圖,編制出各功能模塊的子程序及整機軟件系統的主程序,程序設計時,要充分考慮與所設計硬件電路的連接及有關指標要求。向學生推薦使用C語言進行單片機的編程與開發,用C語言進行程序開發更方便移植,貼近實際工程背景,適合開發大型的工程應用程序。
(4)系統聯調。學生集中在1周內完成所選題目,3個學生為1組,按照模塊化設計方式有所分工,當每個同學所負責的模塊調試成功后進行系統聯調,要求學生之間相互配合,遇到問題一起找原因、想辦法,而不是相互埋怨、推脫責任,培養學生的合作精神,積累系統調試的經驗,培養學生分析問題和解決問題的能力。
(5)撰寫實踐總結報告。
書寫高質量的工作總結是反映工作實踐素質高低的一個重要方面,工程技術人員應能用書面形式系統、完整、清晰地表達自己的研究成果,其目的是讓人很容易地看懂所研究課題的內容、方案、原理、實現方法等。因此,書寫實踐總結報告也是實踐課考核的主要內容之一。
3 考核方法
(1)設計方案正確性與合理性,綜合考慮性能價格比和系統功耗。
(2)實踐動手能力,包括PCB設計水平、安裝工藝水平、焊接工藝水平。
(3)設計成果,達到的指標。
(4)調試中分析和解決問題的能力,創新精神。
(5)題目的難易程度。
(6)獨立工作能力,實踐工作態度。
(7)總結報告完成的質量。
四 教學效果
經過幾年的教學和改革,對學生動手能力的培養取得了較好的效果。2005年以來,學生參加了全國大學生電子設計競賽和浙江省大學生電子設計競賽,共獲3個全國一等獎,2個全國二等獎,4個省一等獎,6個省二等獎。近5年,本科生一次就業率年均在90%以上,多數畢業生到企業從事研發工作,少數畢業生獨立創業、注冊公司進行電子產品的設計與開發。
此外,學生參與教師科研項目、獨立申報承擔浙江省新苗計劃項目、浙江省大學生創新項目、校級學生科研項目的數量都顯著提高。
五 結束語
實踐課主要體現在對實際工程應用系統或產品的研制,使學生經歷從課題任務的提出到方案的論證、設計,軟件及硬件的開發、聯機調試等若干步驟。學生通過自己設計實驗電路、實驗步驟、實驗方法等,綜合應用電子技術的能力、理論聯系實際的能力得到了很大的提高,促進了學生創造性思維的發揮。這些實踐課是在理論課教學和相應驗證性實驗基礎上的深入和提高,是對學生電子系統設計的綜合性訓練,這種訓練培養了學生工程實踐能力、獨立工作能力及創新能力。
參考文獻
[1] 王劍.電子系統設計課程體系改革的探討[J].長江大學學報(自然科學版),2009,6(2):377-378.
電子系統設計論文范文4
關鍵詞:研究性教學;EDA技術;研究性教學平臺;研究性教學模式;研究性教學成效
作者簡介:譚會生(1966-),男,湖南茶陵人,湖南工業大學電氣與信息工程學院,副教授。(湖南株洲412008)
基金項目:本文系湖南工業大學教育教學改革教學之星專項(2011C03)、湖南省教育廳大學生研究型學習與創新性實驗計劃項目(2009-225)的研究成果。
中圖分類號:G642 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2012)17-0035-02
一、開展本科生研究性教學的必要性和條件
研究性教學[1-4]是一種新的教育理念,是一種新的現代學習觀,強調學習的自主性和開放性,在教師的研究性教學理念的引導下,在教學設計上將教學看成是一項系統工程,從研究思想、研究手段、研究策略等各方面進行教學過程的全新設計,激發學生的研究及探索科學問題的興趣。通過讓學生運用探索的方法對問題進行研究,最終獲得知識。研究性教學理念要求教師通過自己的教學,培養學生做事和做人的能力和素質。
開展本科生研究性教學,綜合文獻[1-6]有關觀點并結合多年實際開展研究性教學的實踐,其必要性如下:大眾化高等教育的差異化教育的需要;提高大學生綜合應用能力的需要;提高大學生實踐動手能力的需要;提高大學生專業創新能力的需要;提高大學生專業綜合素養的需要;改變大學生被動學習學風的需要。隨著我國經濟社會的發展和高等教育的大力發展,我國高等教育已由精英化教育轉向大眾化教育,學生群體出現多樣化的趨勢,學生學習興趣、學習能力、學習需求的差異性日顯突出。為了提高大眾化高等教育的質量,更好地滿足市場經濟條件下對人才的高要求,按人才培養方案組織大學基本教育的同時,對一些優秀和比較優秀的學生應根據社會發展的需求、學生的興趣愛好、學生的職業規劃等進行加深與擴展,實現優才優教。
開展本科生研究性教學,綜合文獻[3,7]有關觀點并結合多年實際開展研究性教學的實踐,其主要條件如下:提高教師研究性教學的能力;激發學生研究性學習的積極性;提供研究性教學資源與教學場地;選擇合適的有效平臺;構建有效的研究性教學評價與評估體系。其中選擇合適的有效平臺是研究性教學持續而有效開展的一個關鍵性因素。作為電類專業研究性教學的有效平臺,應該能方便學生進行軟件仿真和硬件設計與制作,并具有綜合性強、創新性強、成本低廉、靈活性強等優點。
二、基于EDA技術的研究性教學的主要優勢
EDA技術起源于20世紀70年代,在20世紀90年代才真正形成一門新技術。在我國EDA技術的研究和教育只有10年左右的歷史。所謂EDA技術,就是指以大規??删幊踢壿嬈骷樵O計載體,以硬件描述語言為系統邏輯描述的主要表達方式,以計算機、大規??删幊踢壿嬈骷拈_發軟件及實驗開發系統為設計工具,通過有關的開發軟件,自動完成用軟件方式設計的電子系統到硬件系統的各種轉化,直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射、編程下載等工作,最終形成集成電子系統或專用集成芯片的一門新技術。
利用EDA技術設計實現電子系統,它具有傳統電子系統設計實現無法比擬的許多優點,綜合起來它有以下幾個方面的優點:[8]用軟件的方式設計硬件,設計成本低,設計周期短,修改移植方便;系統具有重配置性,可現場編程,在線升級,設計調試非常方便,節約開發成本;并行執行,速度快,實時性好;集成度高,體積小,可靠性好,功耗低。
EDA技術作為研究性教學的平臺具有以下優點:技術先進,社會急需,綜合性強,創新性強,靈活性好,可重配置,成本低廉。
三、基于EDA技術的研究性教學的研究模型
為了描述基于EDA技術的研究性教學的研究背景、主要研究目標、主要研究內容以及主要研究期望,圖1給出了基于EDA技術的研究性教學模型?,F將主要內容具體闡述如下:
1.利用EDA技術開展研究性教學的研究目標
利用EDA技術開展研究性教學的研究目標,主要包括三個方面:基于EDA技術的系統設計與實現基礎訓練;基于EDA技術的系統設計與實現相關研究;基于EDA技術的系統設計與實現課題研究。
2.利用EDA技術開展研究性教學的研究內容
利用EDA技術開展研究性教學的研究內容,主要包括三個方面的內容:[8-11]
(1)基于EDA技術的系統設計與實現基礎訓練:包括大規模可編程邏輯器件FPGA/CPLD;硬件描述語言VHDL/Verilog HDL;EDA實驗開發軟件;EDA實驗開發系統等系統設計與開發基礎理論、基本方法、基本工具的學習與使用;流水線、并行處理、重定時、展開、折疊、脈動結構等各種VLSI結構設計優化技術的基本理論、分析比較和實際應用;強度消減、超前或馳豫超前等FPGA系統性能優化技術。
(2)基于EDA技術的系統設計與實現相關研究:主要是與課題設計與開發有關的數字信號處理、數字圖像處理、工業智能控制、網絡通信控制、數字家電控制等基礎理論、實現算法和系統仿真等研究,重點是實現算法的設計、選擇和仿真。
(3)基于FPGA實現的系統設計與課題實現研究:包括系統控制算法的選擇;系統控制模型的確定;FPGA實現結構的設計;FPGA系統性能的優化;FPGA系統實現及測試等。
3.利用EDA技術開展研究性教學的主要形式
利用EDA技術開展研究性教學的主要形式,包括組建EDA技術學習興趣小組、課題系統設計與實現研究小組和選撥教師科研項目助理等,通過專題訓練、分散研究、定期討論、按需答疑、總結匯報等形式開展研究活動。
四、基于EDA技術的研究性教學的主要成效
1.熟練掌握EDA技術的基礎理論、基本方法、基本技巧、調試方法和調試技巧
通過研究性學習訓練的學生,通過畢業設計論文的質量可以看出,熟練掌握ARM嵌入式系統基礎理論、基本方法、基本技巧、調試方法和調試技巧,能夠盡快適應從事嵌入式系統設計與開發工作。
2.熟練掌握基于EDA技術系統設計開發課題相關的基礎理論、基本方法、基本技巧
通過研究性學習訓練的學生,與課題相關的基礎理論、基本方法、基本技巧,無論是以前學習過并且掌握的,還是以前學過但似是而非的,或是以前根本沒接觸過需重新學習的,熟練掌握與EDA系統設計開發課題相關的基礎理論、基本方法、基本技巧。
3.全面提高學生的綜合應用能力、實踐動手能力、創新創業能力和就業核心競爭力
通過研究性學習訓練的學生不但具有良好的參考文獻查找能力、分析利用和文檔處理能力,同時學生的綜合應用能力、實踐動手能力、創新創業能力大為提高,就業核心競爭力顯著提高,80%的學生畢業時均能找到從事嵌入式系統設計與開發的工作,并且工資待遇也相當不錯。
五、結論
實踐結果表明,以課題為中心,以興趣為紐帶,以現代電子設計核心技術——EDA技術的學習與應用為目標,采用EDA技術學習興趣小組、課題設計與實現研究小組、參加教師科研項目等形式,通過具體的專題訓練、分散研究、定期討論、按需答疑、總結匯報等活動開展基于EDA技術的電類專業本科研究性教學,對于提高大學生綜合應用能力、實踐動手能力、創新創業能力,提高大學生的專業核心能力,提高大學生就業的核心競爭力,培養從事EDA技術研究、設計與開發的高級人才,具有非常明顯的成效。
參考文獻:
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電子系統設計論文范文5
本課題旨在使電子設計類課程的教學與畢業設計相結合,貫穿于本科二年級到四年級,即從二年級開始開設的設計類課程到大四的畢業設計,有效地提升電子信息工程專業的教學質量和學生的專業水平。
一 電子設計類課程的教學模式
以單片機課程的教學為例。
1 在實例中傳授理論知識
打破傳統上以“講概念說原理”為主的教學模式,消除電子設計類課程的神秘感及學生的懼怕心理,提高和改進學習效果,使此類課程被更多學生所接受[2]。設計幾個較基礎的實例,將理論知識融合其中,使學生對課程有著最直接的深刻認識,可收到事半功倍的學習效果。例如:在講授單片機的I/O口資源時,直接給學生演示鍵盤控制LED的效果,這樣有利于強化學生對I/O口作用的理解,同時也熟知某引腳具備輸入或輸出功能時的應用。
2 課程實踐項目的設計
“會考試,不會做”是目前電子信息工程專業學生普遍存在的問題。以實際項目的開發過程和方法為主線,采用“項目驅動、案例導向”模式進行啟發式教學,將“邊做邊學、以做促學”的教學思想貫穿于整個教學過程中。這樣,學生不僅加深了對原來只停留在書本上的專業概念和原理的理解,而且每個學生或項目團隊都能完成一個完整的、甚至有創造性的作品。充分激發了學生的成就感和自主學習的積極性,有利于顯著提高課程教學效果[3-4]。
本課題通過建立“三層次實踐項目”(基本型項目、提高型項目、研究創新型項目)教學模式和與該模式配套的實踐教學管理體系[5],在每個實踐項目中,提出了“基本”與“擴展”內容的不同要求,保證了實踐教學的系統性和實踐環節的完整性,形成了“基礎―提高―創新”的研究型實踐教學新體系,從而兼顧了不同層次的學生[6],使所有學生都能根據自己的知識水平選擇適合自己的實驗項目,從根本上解決了“單片機只是為少數學生開設的課程”這一問題。單片機實踐項目的設計如表1所示。
3 課程考核方式
以項目考核代替筆試。以表1中的實踐項目完成情況及期末作品(期末作品完全由學生自由選擇,可以參考“研究創新型”項目)進行綜合評價。為了防止學生拿他人成果作為作品,按畢業設計的要求來驗收作品項目――提交完整的設計報告、設計源代碼、分組進行答辯,其中設計報告需包括目錄、設計題目、設計任務、設計思路(原理組成框圖、資源分配)、硬件電原理圖和連接圖、程序流程圖、設計心得和參考資料;設計源代碼要有較為詳細的注釋。這樣的做法將是學生對畢業設計過程的一次預練,也有利于督促學生在項目上多花時間和精力,真正掌握單片機的知識及其設計方法。
4 項目在課程結束后的延續
在教學過程中發現,很多學生在課程結束后都會存在項目(特別是提高型項目和研究創新型項目)的部分功能未完成或想進一步完善的情況。這時如果繼續給學生提供實驗室平臺和相關資源,將會使學生更進一步。可以按本科畢業設計的難易程度對項目在原有基礎上進行功能的添加,修改成畢業設計題目,有助于學生學習的延續,也為畢業設計提前做了準備。
二 基于提升畢業設計質量的應用實踐
學生在做畢業設計中存在兩大問題:一是從畢業設計題目下達到畢業答辯不到一年的時間里,部分學生考研或找工作占用了大四的絕大部分時間,真正進行畢業設計的時間不夠;二是學生對所選題目不了解或不感興趣使得很難進入設計工作狀態。這兩方面因素最終導致畢業設計質量不高,部分學生到了答辯時還不清楚自己的設計方向,甚至為了應付完成任務,少數人去抄襲或購買畢業設計作品或論文。
為了提升畢業設計的質量,很多人提出了各種辦法和建議,如:適當延長畢業設計的時間,讓學生有充分的時間來深入研究一個課題[7]。增設命題介紹環節,提供選題依據,允許自選題目;采用信息化管理手段,提高管理效率和畢業設計教學質量[8]。增強指導教師責任心,嚴格畢業答辯[9]。不可否認,這些方法都能從一定程度上提升畢業設計的質量,但不能從根本上解決問題。我們認為,畢業設計質量能否提升,真正的決定性因素在于學生,而不在于教師或管理手段。必須讓學生先對題目有深入了解,根據自身的專業水平選題,進而產生興趣,才有可能真正投入到設計工作中[10]。
將設計類課程的項目開發延續到畢業設計中(在原有項目的基礎上進行擴展,作為畢業設計的提前準備),學生有了更充裕的時間和更明確的設計任務,可以和指導教師協商選擇自己感興趣的畢業設計課題,從而充分發揮學生的潛能,提高畢業設計質量。
實踐表明,平時在課堂上按教師的指導完成課程任務的學生對單片機系統設計有較為深入的認知。以課堂上完成的項目為基礎,提前進入畢業設計環節,普遍使畢業設計的完成質量有了明顯的提高。由學生自由組隊進行實踐項目開發,培養團隊合作能力;鼓勵學生自選題目,充分發揮學生的自主想象力和創造力。文中的教學過程主要以單片機為例,項目的設計稍加修改可以推及到嵌入式系統、電子系統設計等課程,具有一定的參考價值和推廣意義。
參考文獻
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電子系統設計論文范文6
論文關鍵詞:核
1引言
EDA是(ElectronicDesignAutomation)的縮寫即電子設計自動化。EDA的關鍵技術之一就是IP核(IntellectualProperty)。IP核是一段具有特定電路功能的硬件描述語言程序,具有可移植性,并具有很高的通用性和靈活性,可以通過軟件編程完成用戶需要的,不同的,特定的功能,可以任意使用在各種嵌入式微控制系統中。嵌入式IP核的應用,大幅降低了設計成本,縮短了設計周期,成為當今SOC的重要設計手段。在EDA技術和開發中占有重要的地位。
2系統介紹
本文的設計工具是Altera公司的QuartusII,用VHDL語言進行描述,采用自頂向下的設計原則。MC8051IPCore頂層結構圖如圖1所示,圖1中指示了mc8051_core的頂層結構以及與三個存儲模塊的連接關系,同時顯示了頂層的輸入輸出I/O口。定時器/計數器和串行接口單元對應于圖1中的mc8051_tmrctr和mc8051_siu模塊,數量是可選擇的,在圖中用虛線表示。MC8051IPCore核心由定時器/計數器、ALU、串行接口和控制單元各模塊組成。ROM和RAM模塊不包括于核心內,處于設計的頂層,方便于不同的應用設計及仿真。
圖1MC8051IPCore頂層結構圖
3系統實現
3.1可編程時間間隔定時/計數器8254的設計
任何微型計算機系統中都存在定時控制問題,可編程時間間隔定時/計數器8254的設計是在使用軟件控制下的精確時間延遲,這樣可以解決定時控制問題。內部結構如圖2所示。
圖28254內部結構圖
3.28259的設計
分析8259A的功能和內部結構可知,本單元應分成五個部分三個模塊來實現,模塊層次關系如圖3所示:
圖38259層次關系圖
各模塊的主要功能如下:
數據緩沖模塊:對8259A數據緩沖和暫存。
讀寫控制模塊:負責8259A的所有初始化工作及讀寫操作。
中斷請求模塊:負責中斷詢求、中斷信號的產生及判優。
中斷控制模塊:完成中斷應答功能,中斷向量的生成,級聯選通,主從功能設置等這一系列功能。
優先級控制模塊:設定實現不同的優先級判別方式。
3.3MCS-51IP核的設計
按照自頂向下的設計原則,整個系統分為:控制模塊、定時/計數模塊、算術邏輯模塊ALU、串行通信模塊四個功能模塊,而RAM和ROM在使用時,只根據需要進行定制。系統核心由定時器/計數器、ALU、串行接口和控制單元各模塊組成。ROM和RAM模塊為方便各種應用設計和仿真,處于設計的頂層。在本設計中控制單元主要完成操作指令譯碼、時序邏輯控制、中斷響應優先順序處理和微操作控制等功能。它分為中斷的響應及指令的譯碼子模塊和微操作控制模塊兩個子模塊。其中,ontrol_fsm模塊產生各指令的控制信號并主要實現MCS-51中斷的響應,ontrol_fsm模塊產生微操作信號的具體操作過程,控制RAM存儲器的讀寫地址及數據傳輸、PC寄存器的賦值、串口與定時器的中斷信號處理、中斷的查詢、SFR的讀寫等功能。在定時/計數器單元,本設計能保證計數速率為1/12個振蕩器頻率。計數脈沖在選擇計數器工作模式時在來自相應的外部輸入引腳T0或Tl。對外部輸入信號的占空比這一電平至少要保持一個機器周期,因為必須確保某一給定的電平在變化之前至少被采樣一次。算術邏輯運算模塊設計調試以優化后綜合后產生的模塊符號圖如圖4所示,該工程項目文件可在其它邏輯電路設計中直接調用。
圖4ALU模塊符號圖
通過前面的模塊設計和綜合后生成MSC-51單片機系統,如圖5所示:
圖5mc8051最終圖形
4.結束語
EDA技術近年來發展速度令人驚奇,它作為當下電子設計技術的核心,被廣泛的應用在電子系統設計中。
本文創新點:1.采用完全同步設計,即整個SOC系統都是在統一工作時鐘的協調下工作的。內部采用鎖相環進行分頻得到其它工作頻率。2.指令集和標準8051微控制器完全兼容。3.優化的CPU時序使得完成一條指令最多只需1~4個時鐘周期,執行性能優于標準8051微控制器8倍左右,提高其運算速度。4.用戶可選擇定時器/計數器、串行接口單元的數量。5.新增了特殊功能寄存器用于選擇不同的定時器/計數器、串行接口單元。6.可選擇是否使用乘法器(乘法指令MUL)。7.可選擇是否使用除法器(除法指令DIV)。8.可選擇是否使用十進制調整功能(十進制調整指令DA)。9.I/O口不復用。10.內部帶256BytesRAM。11.最多可擴展至64Kbytes的ROM和64Kbytes的RAM。12.最多可擴展至64Kbytes的ROM和64Kbytes的RAM。
參考文獻
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