电子竞赛经验分享.ppt

电子设计竞赛 参赛经验分享及题目分析,物理与信息工程学院 张志晓 2009年7月,培养大学生动手能力 培养大学生创新意识 培养大学生团队精神 促进高校的教学改革与实验室建设,目的和宗旨：,具体要求：,不仅要有理论知识和设计水平，而且要有制作与调试能力； 不仅要掌握书本知识，而且要有查阅资料的能力，有新的思想和创新能力； 在短短的4天时间里完成理论设计、实际制作、系统调试和撰写设计总结报告，没有团队精神是不可能完成的。,2、目的和宗旨,2、人员组合与分工,和谐：大家相处融洽，团队有凝聚力，在学习过程中能互相学习，互相鼓励，形成一个良好的学习氛围。 实现较好的知识组合，即队员之间在知识、技能上扬长避短，科学互补，每组3人，可以按照软件编程、硬件制作、设计总结报告写作三部分进行分工，每个队员各有侧重，分工合作，在制作过程中及时进行分析、交流和经验总结。,人员组合主要考虑两点,3、准备过程,要有激情。要有对电子制作的爱好，兴趣是最好的老师。知之者不如好之者，好之者不如乐之者。 要冷静 。不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。 要坚持。坚持就是胜利。比赛的准备过程也是你学习、进步、挑战自我的过程。,4、元器件的选购与准备,集中采购，量大价优 建议大家像这些电阻、电容、插座、单片机可以一起买，比较划算。 提前准备 需要提前准备的主要是针对天丰电子城买不到的，或者说比较少的，主要是传感器。如人体红外传感器、烟雾传感器、温度传感器（18B20，可测水温，单线数字温度传感器），带字库的液晶如果有需要也可以准备。像这些元器件大多要从深圳订购，所以在订购是可以多订购两三个，要不如果比赛时要用在临时买就来不及了。,5、“免费的午餐”,样片申请：MAXIM, 美信， / 以后定期没事MAXIM 发份产品介绍给你.最后你能收集一堆IC手册和一堆牛皮纸信封。 还有，记住，虽然是免费的，但也不要贪多，根据需要申请，不要浪费哈。,6、模块化,所谓模块，就是可组合成系统的、具有某种确定功能和接口结构、典型的通用独立单元。 在实际比赛过程中，只有4天时间，如果真的要完成所有要求，那是比较困难的。所以我们在比赛的准备过程中就要将可能用到的功能进行模块化，这样可以减少设计、调试时间，有助于在比赛中取得好成绩。 同时，模块化的设计思想对以后的学习、工作都是很重要的。因为现代社会对电子产品的要求越来越高，规模和集成度也在一直加大，没有模块化、协同设计是不可能的。,7、模块化具体步骤,模块化时要具体、细化，主要有以下几个步骤： 硬件电路主要是：标识电源线、地线、输入输出接口，每个单独模块都要加上电源指示灯（电阻一般选200-500欧），还有滤波电容(一大一小两个电容并联，一般要求相差两个数量级以上，以获得更大的滤波频段,常用的是0.1UF和100PF)，因为我们设计的电路频率大多比较低，所以用一个0.1UF也就可以了。 软件方面：要有文件说明，主要包括功能、输入输出参数、时间、版本、修改历史，在程序中要进行标识、说明，让别人也看的懂你的程序。 资料要及时整理归档：小组成员要合力做好资料的整理工作，如做硬件的要将电路原理、电路图、所用芯片资料整理清楚，做软件的要画出相应设计流程图，将设计思想用文字表诉清楚，这些资料再全部汇总整理后备份、保存，就差不多完成了一个模块的设计了。,7、模块化实例,悬挂运动控制系统（E题） 一、任务 设计一电机控制系统，控制物体在倾斜（仰角100度）的板上运动。在一白色底板上固定两个滑轮，两只电机（固定在板上）通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动，运动范围为80cm100cm。物体的形状不限，质量大于100克。物体上固定有浅色画笔，以便运动时能在板上画出运动轨迹。板上标有间距为1cm的浅色坐标线（不同于画笔颜色），左下角为直角坐标原点, 示意图如右所示。,二、要求 1、基本要求： （1）控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数； （2）控制物体在80cm100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限300秒内完成； （3）控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，限300秒内完成； （4）物体从左下角坐标原点出发，在150秒内到达设定的一个坐标点(两点间直线距离不小于40cm)。 2、发挥部分 （1）能够显示物体中画笔所在位置的坐标； （2）控制物体沿板上标出的任意曲线运动(见示意图)，曲线在测试时现场标出，线宽1.5cm1.8cm，总长度约50cm，颜色为黑色；曲线的前一部分是连续的，长约30cm；后一部分是两段总长约20cm的间断线段，间断距离不大于1cm；沿连续曲线运动限定在200秒内完成，沿间断曲线运动限定在300秒内完成； （3）其他。,7、模块化实例,单片机选择：控制比较复杂，为了提高精确度，选择凌阳16位单片机，用C语言编程，而且有相应的数学函数可以调用。（暑假开始准备的） 电机控制模块：选用步进电机，精确度高，便于控制，已有成熟模块。 人机交互： 控制选用：红外遥控，方便，也算一个得分点，当然选用键盘也可以（从成本考虑）。 显示模块：带字库的液晶模块，更人性化，比如在显示坐标时可以：“X轴：20.0，Y轴：40.0”，还可以显示相应运动状态。 传感器模块：红外，近距离，灵敏度高，实用。 创新点和亮点：1、用继电器控制画笔的起落；2、小物体直接选用成熟的硬件（猜一下）。,7、模块化实例,串行通信 串行/并行存储器扩展 4*4键盘 人体红外遥感 I/O口扩展（8279，ZLG） A/D, D/A 数码管显示模块 语音控制模块 电话报警 数控电源 小车 其它。,7、模块化实例（前期准备模块）,可以将设计、验证通过的电路画成PCB，并再次验证，保证可行，在比赛时可以提高效率。不过，有个前提，就是有相关的制板设备。 我们比赛时是直接焊的，更快，这也有个前提，就是电路不能太复杂了。 PCB设计是每个硬件工程师的基本功。,7、模块化实例之PCB设计,8、电子竞赛实战,题目选择 明确设计任务，即“做什么？”。选择题目时应注意不应该有知识盲点，因为时间有限。 明确系统功能和指标，即“做到什么程度”。选择是要仔细分析各项要求，选择比较有把握的、分值较高的先现实。 要确定是否有完成该设计的元器件、最小系统、相关仪器。,电子竞赛设计制作需经过题目选择、系统方案论证、子系统、模块设计预制作、系统综合、调试与测量等步骤，同时完成作品和设计总结报告。,系统方案论证 可以分为总体实现方案论证、子系统实现方案论证、部件实现方案论证几个层次。 首先要确定设计的可行性：1、原理的可行性；2、元器件的可行性；3、测试的可行性；4、设计、制作的可行性；5、时间的可行性。这个过程要查阅相关资料，从分地进行讨论、分析后才能确定。 明确方案的内容 外部特性：A、系统所具有的主要功能；B、输入信号和输出信号的形式、相互之间的关系；C、测量仪器仪表与方法； 内部特性：A、系统的基本工作原理；B、系统实现方法？数字方式？模拟方式？数模混合？C、系统的方框图？D、系统的控制流程？E、硬件结构？F、各子系统、部件之间的关系？接口？如何衔接？,系统测量方法和仪器仪表 作品设计制作是否成功是通过能够实现的功能和达到的技术性能指标来实现的，在拟定方案时，就应该认真讨论。 仪器仪表的种类？精度？参数形式？测量方法？测试点？测量数据的记录与处理？ 制作与调试 安装制作与调试是保证设计是否成功的重要环节。 制作是要考虑：安装工具？元器件选择与采购？最小系统的采用？（单片机或者可编程逻辑器件）？PCB还是用万能板？子系统、部件制作的顺序？是否可以并行进行？ 调试是要考虑：调试参数？调试方法？所需仪器仪表？软件/硬件的协同？修改软件？修改硬件？,竞赛时间安排 作品设计制作是否成功是通过能够实现的功能和达到的技术性能指标来实现的，在拟定方案时，就应该认真讨论。,赛题预测仪器仪表类 可以根据赛前要求的测试仪器、元器件、历年试题来预测。,模块化过程主要是单片机最小系统和相关的外围模块。在全国大学生电子设计竞赛中，几乎所有竞赛题的设计都会用到单片机系统。 在竞赛中，可以使用单片机开发系统及EDA开发系统、单片机最小系统板（含单片机芯片、键盘与显示装置、存储器）和可编程逻辑器件。,9、单片机最小系统和外围模块,在全国大学生电子设计竞赛中，几乎所有竞赛题的设计都会用到单片机系统； 依据单片机系统在设计中的作用和地位，有三种可能的情况：,单片机系统在竞赛中应用,很多赛题以单片机系统为核心进行设计，主要功能由单片机系统完成，如： 测量类的“简易逻辑分析仪”、“数字式工频有效值多用表”等； 数据采集类的“数字化语音存储与回放系统”、“多路数据采集系统”等； 控制类的“悬挂运动控制系统”、 “简易智能电动车”等。 电源类的“简易数控直流电源设计”、“数控直流电流源设计”等。,在这类赛题中，单片机系统完成的主要功能有： 信号的采集、输入控制； 信号的存储、运算、分析、判断； 信号的输出控制； 人机交互功能； 多机通讯功能等。,有些赛题需要单片机系统与专用芯片或可编程器件结合，完成设计要求，如： 信号源类的“正弦信号发生器设计”、“实用信号源设计”等； 无线电类的“调频收音机设计”、“单工无线呼叫系统设计”等； 测量类的“简易数字储存示波器”、 “简易数字频率计”等。 电源类的“三相正弦波变频电源设计”、“开关稳压电源”等。,在这类赛题中，单片机系统完成的主要功能有： 信号的输入、输出辅助控制； 信号的存储； 人机交互功能； 多机通讯功能等； 信号的处理过程由专用芯片或可编程器件完成。,还有少量的赛题单片机系统仅起一个辅助作用，主要功能由纯硬件电路完成，如： 放大器类的“测量放大器设计”、 “实用低频功率放大器设计”等。,在这类赛题中，单片机系统完成的主要功能有： 信号的辅助控制； 人机交互功能； 主要功能由纯硬件电路完成。,单片机系统是一个软、硬结合的系统，系统功能的实现既有硬件设计任务，也有软件设计任务。因此，在进行系统软、硬件设计之前，首先要对系统功能进行软、硬件划分； 单片机系统的硬件与软件之间有密切的相互制约的联系，硬件和软件具有一定的互换性； 由硬件来完成一些功能可以提高工作速度，减少软件工作量；由软件来完成某些功能，可降低硬件成本、简化电路，提高系统可靠性； 可根据系统的运行速度、成本、可靠性和研制周期等要求来确定软、硬件功能的划分。,10、单片机系统的功能划分,根据运行速度要求,在绝大多数单片机系统中，划分软、硬件功能往往是由系统的运行速度决定； 例如，单片机的时钟频率一般在612MHz左右，执行一条指令至少需要1s，而完成任何一项工作需要若干条指令，因此比数字逻辑电路(无论是组合电路还是时序电路)都慢得多； 如果某一任务的执行时间要求少于10s，就必须采用硬件电路实现。否则，如采用确能完成此项任务的高速单片机系统，则会造成浪费。,根据成本要求,单片机系统研的制费用包括硬件和软件费用，软件的费用不仅是设计师所花费的脑力劳动，还有各种调试工具、消耗品的费用； 软件费用的特点是研制费用昂贵，复制费用低廉； 在比赛中也可以适当考虑这点，当做一个亮点来写。,根据可靠性要求,硬件线路越复杂，系统可靠性就越差； 采用软件替代硬件功能，是提高可靠性的一个好办法； 在比赛中能用软件实现的尽量用软件实现，注意要模块化，便于差错。,根据研制周期要求,为了加快单片机系统的研制速度，应尽量考虑采用各种标准软硬件或利用已有成熟的软硬件来完成系统的功能，而不必拘泥于前面所述细节。 比赛时间只有4天，所以要通过模块化来提高效率,单片机系统组成,11、单片机系统硬件设计,单片机最小系统是指能使系统运行的最小配置电路； 大多数单片机芯片内部都缺乏晶振电路和复位电路，因此，最小系统的组成中一般都包含晶振和复位电路；,最小系统组成,当单片机片内集成的功能单元不能满足应用需要时就必须进行基本系统扩展； 扩展的内容包括程序存储器(ROM/EPROM)扩展、数据存储器(RAM)扩展、输入/输出口(I/O口)扩展、定时/计数器(T/C)扩展、中断系统扩展及其他特殊功能扩展； 扩展的方法是以接口电路为桥梁，连接CPU与外围芯片或外部设备 扩展的途径是通过单片机的并行总线、串行总线或I/O口进行扩展。,概述,掌握单片机系统接口技术,接口的功能,接口是CPU与外界连接的电路部分，是CPU与外界进行信息交换的中转站； 单片机外围扩展电路芯片大多是一些常规芯片，因此扩展电路及扩展方法都较为典型、规范； 但也有一些外设不能直接与CPU相连，必须通过接口电路使CPU与外设之间达到最佳耦合与匹配； 接口一般有如下功能：数据缓冲功能、设备选择功能和信号转换功能。,信号锁存与缓冲,信号的锁存与缓冲的目的是解决主机高速与外设低速的矛盾，避免因速度不一致而丢失数据。 锁存器的作用是把输入信号锁存起来，等待外设读取； 缓冲器的作用是在需要时通过选通信号来读取外设提供的信息； 常用的锁存器有74LS273，74LS373，74LS374，74LS377等，缓冲器有74LS240，74LS241，74LS244，74LS245，74LS367等。,地址译码,单片机系统中通过并行总线扩展的芯片有多种，同一种芯片也可能有多片，而CPU在同一时间里只能与某一芯片交换信息，这就要借助于接口中的地址译码电路对扩展芯片进行寻址，只有被选中的芯片或单元才能与CPU进行数据交换或通信 译码电路直接确定了每个芯片在单片机访问时的唯一编号(接口地址)； 单片机系统常用译码方式主要有：直接译码、译码器译码。,是指不采用专门的译码电路，直接利用单片机地址总线的高位输出作片选信号的地址译码方式； 直接译码电路的连接较为简单，但许多地址空间因可能使两片以上外设同时被选中而不能使用，存储空间浪费严重； 一般用在需要译码信号不多的场合。,直接译码,是指利用译码器进行地址译码的方式； 例如A15A13经3/8译码器译码，可产生8个地址连续的片选信号。当需要更多的片选信号时，可采用级联扩展技术； 译码器译码可获得几个地址连续、大小一样的片选信号；级联扩展译码则可产生更多片选信号，各级之间片选信号对应地址范围大小不同。,译码器译码,由于扩展芯片所能提供的状态信号和它所需要的控制信号往往与单片机的总线信号不兼容，所以信号转换不可避免； 信号转换包括CPU信号与外设信号的逻辑关系上、时序配合上、以及电平匹配上的转换； 信号的转换可以通过组合逻辑电路和时序逻辑电路来实现。,信号转换,TTL高电平3.65V，低电平0V2.4V CMOS电平Vcc可达到12V CMOS电路输出高电平约为0.9Vcc，而输出低电平约为 0.1Vcc。 CMOS电路不使用的输入端不能悬空，会造成逻辑混乱。 TTL电路不使用的输入端悬空为高电平,单片机基本系统扩展,在单片机系统中，常用的扩展芯片主要有程序存储器、数据存储器、I/O口，以及其他专用功能芯片如定时/计数器、中断控制器、通信控制器等。 典型单片机基本系统扩展如图所示。该系统中除了包括必需的时钟电路和复位电路以外，还扩充了一片2764作为外部程序存储器，一片6264作为外部数据存储器，一片2864作为掉电保持的外部数据存储器以及用74LS245和74LS273扩展的简单I/O口。,单片机系统通道设计,前向通道是被测对象信号输出到单片机CPU信号输入的通道，其结构形式取决于被测对象的环境和输出信号的类型、数量、大小等； 对于模拟量信号，应将小信号放大到能满足A/D转换、V/F转换要求的输入电压； 对于频率信号和开关信号，能满足TTL电平要求时可直接接入单片机的I/O口、扩展I/O口或中断入口，否则也应通过放大、整形变换成TTL电平的方波信号后再送入单片机系统。,前向通道设计,对于频率量和开关量,单片机系统应留有足够的输入口线，例如用单片机芯片提供的I/O口，或通过缓冲器74LS245、可编程I/O扩展芯片8255、8155等提供扩展I/O口。,对于模拟量,一般考虑用A/D转换器实现模拟量到数字量的转换； 根据应用场合不同，可以准备普通A/D（如ADC0809、ADC0804等），高精度A/D （如AD574、MAX144等），或高速A/D（如AD9224、TLC5510等）。,后向通道设计,后向通道是单片机实施控制运算处理后，对控制对象的输出通道接口； 单片机输出的数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字控制系统及频率调制系统； 对于模拟量控制系统，应通过数/模转换输出模拟量控制信号。,开关量、二进制数字量和频率量,单片机系统应留有足够的输出口线，例如用单片机芯片提供的I/O口，或通过锁存器74LS273、可编程I/O扩展芯片8255、8155等提供扩展I/O口。,对于模拟量,一般考虑用D/A转换器实现数字量到模拟量的转换； 根据应用场合不同，可以准备普通D/A （如ADC0832等），高精度D/A （如MAX539等），或高速D/A （如TLC7528等）。,人机通道设计,人机通道有人机对话功能，它包括人对应用系统的状态干预、数据输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果； 人机通道中最常用的输入设备是按键和键盘，拨码盘是对系统置入数据的一种比较廉价、可靠的方法； 人机通道中最常用的输出设备有各种报警指示灯、LED/LCD显示器以及打印机等。,键盘与LED数码管显示,LCD液晶显示组件,相互通道设计,相互通道是指单片机系统之间或单片机与微型机、微处理器实现通信的通道接口； 在较大规模系统中不可避免地要采用多机形式，而单片机在结构上已为实现多机系统提供了很好条件。,多机系统有两种典型的结构形式：主从分布式和串行总线式； 主从分布式结构是目前单片机系统构成较大规模测控系统的典型结构； 串行总线形式结构中的每个单片机或CPU都联在一个串行总线上，各个应用系统的优先、主从关系由多机系统的软、硬件决定。,结构形式,竞赛用单片机系统,系统硬件由学生自己设计、组装、调试； 可用于简单的控制类竞赛