电子工程设计选题参考

电子工程设计-3 选题参考电子工程设计训练中心2013.2- 1 -电子工程设计-3 题目选择参考电子工程设计-3 提供 12 个设计项目，另外学生还可以自拟设计项目，经任课教师审核合格予以实施。所有设计项目根据技术含量高低及工作量大小分配 0.8-1.2 之间的难度系数，供成绩评定时参考。经过电子工程设计-1、电子工程设计-2 的基本训练，学生已经具备了一定的项目实施能力。电子工程设计-3 的教学中，学生需要根据个人已有的基础及兴趣爱好选择设计项目，并按照个人的情况进行项目实施的内容及时间安排。在课表规定的上课时间，任课教师负责答疑、解决问题，材料室发放材料。实验室提供的设计项目分为系统设计和系统扩展二大类，共计 12 个。系统设计类的项目需要从头开始设计一个全新的项目，系统扩展类项目是在已完成的闭环温度控制系统的基础上进行功能扩展设计。所有设计项目均围绕“闭环温度控制系统”的内容展开，以便继承电子工程设计 1、电子工程设计 2 完成的“闭环温度控制系统”的概念和经验，同时实验室也能够提供完善的调试与评价手段。为便于学生选择与实施设计项目，下面对各项目的内容、要求及知识背景等做简要的介绍，作为学生的选题参考。- 2 -一、系统设计类项目系统设计类项目仍然以“闭环温度控制”为主题，但是在传感器信号处理、数据访问方式、数据处理方式、输出控制方式等方面与已完成的“闭环温度控制系统”相比有所不同。1、基于 SPI/I2C 总线的闭环温度控制系统设计1-1 项目简介全部采用串行数据访问方式进行各部件之间的数据交换，实现闭环温度控制的功能。控温范围 0-100，控制执行部件仍然为半导体制冷片。串行数据访问以具有串行数据访问接口的部件为基础，主要包括三个部分，模/ 数转换、数/ 模转换、人机交互。对比电子工程设计-1 、电子工程设计-2 完成的闭环温度控制系统，该项目主要完成的工作是将并行数据访问模/数转换、数 /模转换、静态人机交互等电路替换为相应的串行数据访问电路的设计。另外为保证项目具有满足教学要求的难度和工作量，要求采用 T 型热电偶作为测温元件。1-2 知识背景：串行数据传输是电子系统中主要的数据访问方式之一。可以简化电路设计，缩小系统规模、降低项目成本。因此在并行数据访问的应用系统中使用的大多数器件都有相应的串行数据接口版本。例如：TLC0831 即是 ADC0804 的串行数据接口版本；TLC5620 是一款串行数据接口的 4 通道电压输出型 DAC；CH452 则是一款串行数据接口的人机交互控制专用集成电路；还有 DS18B20 是一款数字化串行接口的温度传感器等等。用串行器件实现一个应用系统与并行器件相比仅仅是程序设计上有区别，电路设计则大同小异， “同”是外围的信号处理电路相同， “异”是数据接口由并行改为串行。1-3 基本要求 使用 T 型热电偶测温，范围： 0-100 。 模/ 数、数 /模、人机交互等主要电路采用串行数据访问的集成电路。 所有串行数据访问采用 C8051F023 单片机支持的 SPI 总线或 MSBus（I 2C）总线实现。 实现闭环温度控制，2以内。1-4 实验室提供的开发条件 主要元器件TLC0831 单通道 8Bit ADC 支持 SPI 接口数据访问TLC5620 4 通道 8Bit DAC 支持 SPI 接口数据访问CH452 人机交互控制集成电路 支持 I2C 接口数据访问PCF8563 实时钟电路 支持 I2C 接口数据访问C8051F023 单片机模块 支持 SPI 、I 2C 串行总线数据访问- 3 - 调试环境EDT08B 闭环温度控制调试环境Silab IDE C8051F 系列单片机程序集成开发环境1-5 主要工作内容 设计并实现测温范围为 0-100的热电偶信号处理电路。 熟悉串行数据访问总线 SPI 和 I2C 的操作方法。 设计各串行接口器件利用 SPI 和 I2C 总线的访问方法及程序。 重新进行 C8051F023 单片机的接口配置使之具备 SPI、I 2C 接口的访问能力。并更新设备配置文件 Init_Device。1-6 主要难点 SPI 和 I2C 总线数据访问的实现。 需要阅读较多英文芯片资料。 难度系数 1.1。1-7 成绩评定标准 热电偶变送器 15 CH452 人机交互或 PCF8563 定时启动温度控制 1 10 串行接口 ADC 实现温度显示 15 串行接口 DAC 手动控制度温 10 闭环温度控制 2 10 报告+答辩 30+101-8 电路接口说明1 采用 CH452（I 2C 总线）设计人机交互单元或使用 PCF8563 扩展定时启动温度控制的功能。2 该项完成- 项自动得分。- 4 -制+5VDGNA012367RITCSWLEKMOX_H8B图 1-1.单片机电路板接口定义图 1-1 是单片机电路板接口的完整定义，题目 1 主要使用其中的 SPI 和 I2C 串行总线接口信号。如果前期并未使用这些信号，这些引脚可能还没有与单片机相应的口线相连，在使用之前需要先将单片机的 SPI 和 I2C 串行总线接口信号与这些引脚连通。其中 NSS1-NSS3 为 SPI 总线设备的片选信号，可以取自单片机的 I/O 引脚。如果没有空余的 I/O 引脚供使用，则需要更改配置文件，去掉一些不用的信号，释放足够的 I/O 引脚供片选信号使用。- 1 -2、采用多种测温元件的 3 通道闭环温度控制系统设计2-1 项目简介采用 3 种测温元件同时对 3 个温度控制执行部件实施闭环温度控制，控温范围：0-100。 3 种测温元件分别为铂电阻温度传感器 pt100、T 型热电偶测温传感器和数字式一线温度计 DS18B20。温度控制执行部件为半导体制冷片。对比电子工程设计第 1、2 阶段已经完成的温度控制系统，该项目工作内容的不同之处在于：为新采用的测温元件设计信号处理电路和数据采集方法，增加 2 个模/数转换通道和 3 个数/ 模转换通道的设计。2-2 知识背景测温元件有很多种类，本项目要求使用的是较为典型的类型，分别为电压型（T 型热电偶） ，电抗型（pt100） ，数字型（DS18B20） ，除去数字型之外均需要设计信号处理电路。不同类型的测温元件应用是本项目的重点之一。多通道模/ 数转换和数 /模转换的实现是本项目的另一个重点。多通道模/数转换通常使用分时复用技术，并辅以模拟多路开关进行通道切换。多通道数/模转换必须使用多个具有独立输出的 DAC 部件实现。实验室提供的单片机 C8051F023 内建二个带 8 路模拟开关的 ADC 部件，可用于多通道模/数转换。C8051F023 还内建有二个独立的 ADC 部件，可实现二路独立的 DAC 转换。另外 C8051F023 提供的可编程计数器阵列 PCA 还可以产生 5路 PWM 输出作为模拟量输出的功能选项。可以从成本、难易、个人特长等方面综合考虑，制订多通道模拟量输入/输出的方案。2-3 基本要求 使用 Pt100、T 型热电偶、DS18B20 进行测温，范围：0-100。 3 个测温元件与 3 个半导体制冷片各组成 1 个闭环系统实现温度的平稳控制，误差2以内。2-4 实验室提供的开发条件主要元器件ADC0804 并行接口，8bit，单路 ADCDAC0832 并行接口，8bit，单路 DACTLC5620 串行接口，8bit，四路电压输出 DACCD4051 8 选 1 模拟开关C8051F023 8bit ADC （ 8 通道）1 个， 10bit ADC （ 8 通道）1 个10bit DAC （单路） 2 个， PCA（可产生 PWM 波）5 个 调试环境EDT08B 闭环温度控制调试环境Silab IDE C8051F 系列单片机程序集成开发环境- 2 -2-5 主要工作内容 设计并实现热电偶、铂电阻的信号处理电路。 设计 DS18B20 的访问方法及操作程序。 设计并实现多通道模拟量输入/ 输出电路。 设计三路闭环温度控制程序。 如有必要，对 C8051F023 的接口重新配置，使之具有多路模拟输入/输出的能力，并更新设备配置文件 Init_Device。2-6 主要难点 掌握多种测温元件的性能及其测温信号的处理。 如果使用 C8051F023 内建模拟量输入/ 输出部件的话，需掌握这些部件的使用方法。 硬件实现工作量较大。 不使用 C8051F 内建模拟 I/O 部件：难度系数 1.1。使用 C8051F 内建模拟 I/O 部件： 难度系数 1.2。2-7 成绩评定标准 1 路数字测温显示 20 2 路模拟测温显示 20 3 路手动温度控制 10 闭环温控 1 10 报告+答辩 30+102-8 电路接口说明 制5VDGNA0467RITCSWLEKMOX_H8B图 2-1.单片机电路板接口定义1 该项完成- 项自动得分。- 3 -图 2-1 是单片机电路板接口的完整定义，题目 2 使用了一线温度计 DS18B20 作为测温元件，DS18B20 不需要变送器和摸/数转换电路，其信号输出直接与单片机电路板右侧插座的“18B20 ”引脚相连，单片机直接从该引脚获得 DS18B20 的温度数据输出。如果使用单片机内部的 ADC 或 DAC，则需要更改配置文件，去掉一些不用的信号，释放足够的 I/O 引脚供 ADC 输入信号和 DAC 输出信号使用。- 1 -3、采用 FPGA/CPLD 设计并实现闭环温度控制系统3-1 项目简介采用超大规模可编程器件（FPGA/CPLD）设计闭环温度控制系统的核心单元。换句话说，用超大规模可编程器件（FPGA/CPLD）代替闭环温度控制系统的单片机，完成数据采集、数据处理、人机交互、控制输出等工作，实现闭环温度控制。除去模拟量输出之外，原温度控制系统已实现的所有单元均可沿用。3-2 知识背景超大规模可编程器件（FPGA/CPLD）是一种可以由用户决定其最终功能的数字集成电路产品。在专用的开发平台上，借助 EDA 技术，采用专用的硬件描述语言，可以实现超大规模专用数字集成电路（ASIC）的设计。超大规模可编程器件具有足够的集成度，完全可以设计成为一款功能齐全的单片机产品，替代单片机完成过程控制的工作。3-3 基本要求 采用 FPGA/CPLD 设计闭环温度控制系统，控温范围：0-100，误差2。 采用 PWM 作为模拟输出量，控制半导体制冷片的制冷/ 制热功率，实现温度控制。3-4 实验室提供的开发条件 主要元器件：暂无法提供 调试环境EDT08B 闭环温度控制调试环境Quartus II FPGA/CPLD 集成开发环境3-5 主要工作内容 学习 Quartus II FPGA/CPLD 集成开发环境的使用。 掌握 FPGA/CPLD 芯片性能，为其设计与已有电路模块的接口方案。 采用硬件描述语言实现全部控制逻辑，完成对所有外围电路模块的控制。 设计 PWM 输出功能，代替原温度控制系统中的 DAC 模块对半导体制冷片实施控制。3-6 主要难点 FPGA/CPLD 与外围部件进行数据交换的设计。 需