全国大学生电子设计竞赛培训.ppt

2010大学生电子设计竞赛培训 第一讲 综合类 陈俊10 7 13 竞赛简介 全国大学生电子设计竞赛是教育部高等教育司和信息产业部人事司共同举办并与教学改革实践紧密结合的大型学科竞赛之一 其规模和影响力不断扩大 竞赛对教改的促进作用日渐显著 电子设计竞赛对于将来励志搞电子的大学生来说 确实是一个练兵的好机会 在这短短的4天中 其实不止这几天 很多大学生都会在暑假集中训练 大家将学到很多的东西 这些东西就使大家受益无穷 2010大学生电子设计竞赛培训情况 今年暑假的培训安排时间 7月13日到9月1日 这段时间所有参加培训的同学都必须在学校 当然有能力并希望取得好的名次的同学可能整个暑假都要努力了 参赛形式 l 全国大学生电子设计竞赛原则上安排在单数年的9月上旬举行 为期4天 竞赛以赛区为单位统一组织报名 竞赛 评审和评奖工作 2 鼓励设有信息与电子学科及相关专业或已开展电子设计科技活动的高等学校 积极组织学生参加全国大学生电子设计竞赛 3 学生自愿组合 三人一队 由所在学校统一向赛区组委会报名 参赛队数由学校自行确定 4 为鼓励不同类型的高校和不同专业或专业方向的学生都能参加竞赛 全国竞赛专家组根据命题原则 将统一编制若干个竞赛题目 供参赛学生选用 5 竞赛所需场地 仪器设备 元器件或耗材原则上由参赛学校负责提供 竞赛规则 l 参赛学生应是高等学校中具有正式学籍的全日制在校本科或专科学生 2 参赛学生必须按统一时间参加竞赛 按时开赛 准时交卷 各赛区组委会须按时收回学生的答卷 报告和制作实物 并及时封存 然后按规定交赛区专家组评审 3 竞赛期间 参赛学生可以使用各种图书资料和计算机 但不得与队外人员讨论 教师必须回避 4 竞赛期间 各赛区组委会要组织巡视检查 以保证竞赛活动正常进行 5 在竞赛中 如发现辅导教师参与 队与队之间讨论 队员与队外人员讨论 不按规定时间发题和收卷 以及赛前泄题等违纪现象 将取消获奖名次 并通报批评 竞赛评奖 各赛区负责本赛区的评奖工作 赛区奖的评奖等级及各奖项获奖比例由各赛区根据实际情况自行确定 竞赛内容 l 以电子电路 含模拟和数字电路 应用设计为主要内容 可以涉及模 数混合电路 单片机 可编程器件 EDA软件工具和PC机 主要用于开发 的应用 题目包括 理论设计 和 实际制作与调试 两部分 竞赛题目应具有实际意义和应用背景 并考虑到目前教学的基本内容和新技术的应用趋势 同时对教学内容和课程体系改革起一定的引导作用 2 题目着重考核学生综合运用基础知识进行理论设计的能力 考核学生的创新精神和独立工作能力 考核学生的实验技能 制作 调试 3 题目在难易程度方面 既要考虑使一般参赛学生能在规定的时间内完成基本要求 又能使优秀学生有发挥与创新的余地 题目分类 竞赛题目主要可以划分为4类 1 信号源类2 仪器仪表类3 高频类4 控制类 信号源类 波形发生器 第五届2001年A题 电压控制LC振荡器 第6届2003年A题 正弦信号发生器 第7届2005年A题 数控恒流源 第7届2005年F题 三相正弦波变频电源 第7届2005年G题 开关稳压电源 第7届2007年E题 电能收集充电器 第9届2009年E题 光伏并网发电模拟装置 第9届2009年A题 仪器仪表类 简易数字存储示波器 第五届2001年B题 高效率音频功率放大器 第五届2001年D题 数据采集与传输系统 第五届2001年E题 宽带放大器 第6届2003年B题 低频数字式相位测量仪 第6届2003年C题 简易逻辑分析仪 第6届2003年D题 集成运放测试仪 第7届2005年B题 简易频谱分析仪 第7届2005年C题 音频信号分析仪 第8届2007年A题 数字示波器 第8届2007年C题 程控滤波器 第8届2007年D题 宽带直流放大器 第9届2009年C题 数字幅频均衡的功率放大器 第9届2009年F题 高频类 调频收音机 第五届2001年F题 单工无线呼叫系统 第7届2005年D题 无线识别装置 第8届2007年B题 无线环境监测模拟装置 第9届2009年D题 控制类 自动往返电动小汽车 第五届2001年C题 简易智能电动车 第6届2003年E题 液体点滴速度监控装置 第6届2003年F题 悬挂运动控制系统 第7届2005年E题 电动车跷跷板 第8届2007年F题 声音导引系统 第9届2009年B题 2010大学生电子设计竞赛试题 建议为了夺奖的朋友专注自己的强项 作控制的作控制 做电源的做电源 相信2010年的电子竞赛题目绝对会有这些 也许今年的题目会更多 大概应该在6 8个题目 这样大家的可选择性就更多了 如何准备2010大学生电子设计竞赛 如果你没有准备就参加电子竞赛 那么你简直就是在浪费学校的资源 糟蹋你自己 每年都能在网上听到很多同学抱怨自己学校有些没有怎么准备就参加的同学 这些学生只是为了将来找工作时在自己的简历上填上这个经历 其实这些人这种做法是不可取的 那么我们该如何准备呢 我认为需要分为这么几个部分 1 团队的选择 古人云 三个臭皮匠抵过一个诸葛亮 也有人云 一个中国人一条龙 三个中国人三条虫 一个能在大学生电子竞赛中得奖的团队必须具备这样几个特征 绝对喜欢电子开发 在软件 硬件 论文写作中各有所长 你想想3个只会C语言的家伙合一起能干什么 要有充足的时间 暑假的时间本来就很短 如果大家不好好利用的话 培训就没有效果 有一个核心人物 他的话在非常时期大家必须绝对服从 大部分时间大家可以商量干 但是起争执了 他说了算 相信这个核心人物很容易体现出来 身体要好 病殃殃的样子不适合干这个 4天3夜是个什么概念大家心里要很清楚 要有坚定的信念 要有获奖的信心 也许参加完电子竞赛 你们三人将成为一辈子的朋友 2 CPU 单片机 选型 有人说 男人选择东西只选贵的 不选对的 女人选东西只选好看的 不选实用的 假如你想在2010年的大学生电子竞赛中得奖 你一定要选择对的 也就是你最熟悉的 而不要选择贵的 要选择实用的 而不是功能天花乱坠的 CPU是电子设计竞赛的核心器件 现在的微处理器很多 如8051单片机 AVR单片机 PIC单片机 MSP430单片机 但是主流还是8051单片机 倒不是说8051单片机有多好 而是说它有很多的参考资料 价格便宜 容易买 强大的开发系统Keil支持 现在也出了很多的8051增强型单片机 如新华龙的8051C系列的单片机 这类单片机含有很多的扩充资源 如大量的FLASH 这些FLASH对LCD字库很有帮助 中速AD D A 多定时器 PWM等等 这些资源会给开发带来很多的方便 假如你选择8051单片机作为CPU 建议选择C8051FXXX 它还有一个特点 速度快 比传统8051单片机快很多倍 假如你擅长AVR单片机 PIC单片机 MSP430单片机等单片机 也没关系 它们也有各自的优点 他们只所以存在 肯定有一定的合理性 前提是你一定要对他们的资源了如指掌 如RAM FLASH大少 DA A D精度 速度 定时器个数 对他们的软件开发环境绝对熟悉 时代是变化 技术是进步的 现在很多人都对ARM DSP比较感兴趣 利用ARM与DSP参加电子竞赛也会逐渐提到日程上来 估计今年应该会有一道关于高速数据处理的的题目 比如高速数据采集 高速数据传输等等 这样这两个东西会有用到的 即使不需要用到它们 你合理的用到他们 会给你带来方便 CPLD FPGA这两个关于高速数字逻辑处理的工具 今年肯定会派上用场 但是它必须和单片机配合起来使用 3 基本技能准备 磨刀不误砍材功根基不牢就不要往上爬 爬得越高 摔得越重 这个方面 你需要连接常用的电路 如高增益放大电路 跟随电路 滤波电路的设计 学习protel制图软件 会画电路原理图 会PCB制板 在准备期间一定要会用万用板焊接电路 或者用三氯化铁或双氧水腐蚀电路 这个效果非常好 在正式比赛前 一定要团队在4天内练习做完至少一个完整的电子系统 不要以为你能做好各个模块 但是联机调试你就不一定成功 总是会缺点什么 事实证明 大部分的竞赛队失败就失败在最后的联机上 4 基本模块的准备 参加电子设计竞赛 离不开一些基本模块 像单片机最小系统版 LED LCD子电路 子程序 A D D A电路 搞控制的总得选好步进电机的型号 驱动电路 驱动程序吧 那搞无线的应该准备一些常用的通信模块 红外收发模块等等 程序设计一定最好要用C语言 准备一定要充分 比赛一定要坚持到最后 好得创意会在最后一天产生 一定要相信自己的团队 相信自己 一定要在比赛前几天保证好睡眠 体力 5 需要大量的精力和财力 几年的经验下来 我们发现做电子设计竞赛实际上对于每个同学来说都是一笔比较大的花费 至于是不是物有所值 就要看大家自己的看法了 先祝福大家通过培训能在在2010大学生电子设计竞赛增长知识 取得好成绩 2010大学生电子设计竞赛培训 第二讲 电子设计竞赛赛题分析 纵观历届赛题 大致可分为以下四类 1 基本电路此类赛题有 简易数控直流电源 测量放大器 高效率音频功率放大器 电能收集充电器 光伏并网发电模拟装置 2 测量仪器此类赛题有 实用信号源的设计与制作 简易电阻 电容 电感测试仪 简易数字频率计 数字式工频有效值多用表 频率特性测试仪 波形发生器 简易数字存储示波器 宽带直流放大器 数字幅频均衡的功率放大器 3 通信设备此类赛题有 简易无线电遥控系统 调幅广播接收机 短波调频接收机 调频收音机 数据采集与传输系统 无线环境监测模拟装置 4 其他如 水温控制系统 自动往返电动小汽车 数字化语音存储与回放系统 多路数据采集系统 电动车跷跷板 声音导引系统 不难看出 后三类的赛题都届于电子系统设计的课题 即使是基本电路类赛题 例如测量放大器 其控制功能亦相当复杂 设计时候也应按系统设计的方法完成 所以有必要先对电子系统的设计方法做一个简要的介绍 电子系统设计的基本方法 电子系统的设计方法有自顶向下 自底向上以及自顶向下与自底向上相结合的设计方法 自顶向下方法的特点是将系统按 系统 子系统 功能模块 或称部件 单元电路 元 器件 版图 这样的过程来设计 如下图中左边箭头所示 自底向上的方法则相反 按 元器件 版图 单元电路 功能模块 子系统 系统 这样的过程来设计 自顶向下法从系统级设计开始 首先根据设计课题中对系统的指标要求 将系统的行为 功能 全面 准确地描述出来 然后根据该系统应具备的各项功能将系统划分和定义为若干个适当规模的 能够实现某一功能且相对独立的子系统 全面 准确地描述它们的功能 即输入 输出关系 及相互之间的联系 这项任务完成之后 就设计或选用一些部件去组成实现这些既定功能的子系统 最后进行元件级的设计 即选用适当的元件去实现前面所设计的各个部件 自顶向下法是一种概念驱动的设计方法 该方法要求在整个设计中尽量运用概念 即抽象 去描述和分析设计对象 而不要过早地考虑实现该设计的具体电路 元器件和工艺 以便抓住主要矛盾 避免纠缠在具体细节上 这样才能控制住设计的复杂性 自底向上的方法与其相反 它是根据要实现的系统的各个功能的要求 先从可用的元件中选出合用的 设计成一个个部件 当一个部件不能直接实现系统的某个功能时 就须由多个部件组成子系统去实现该功能 直至系统所要求的全部功能都能实现为止 显然 由于在设计过程中 部件设计在先 设计人员的思想将受限于这些所设计出的或选用的现成部件 便不容易实现系统化的 清晰易懂以及可靠性高 可维护性好的设计 因此在现代设计中普遍采用自顶向下法 但自底向上法也并非完全无用武之地 它在系统的组装和测试过程中却是行之有效的 此外 在以IP核为基础的VLSI片上系统的设计中也得到重视和采用 自顶向下法的要领在于整个设计件概念上的演化从顶层到底层应当逐步由概括到展开 由粗略到精细 只有当整个设计在概念上得到验证与优化后 才能考虑 采用什么电路 元器件和工艺去实现该设计 这类具体问题 此外 设计人员在运用该方法时还必须遵循下列原则 方能得到一个系统化的 清晰易懂的以及可靠性高 可维护性好的设计 1 正确性和完备性原则该方法要求在每一级 层 的设计完成后 都必须对设计的正确性和完备性进行反复的过细检查 即俭查指标所要求的各项功能是否都实现了 且留有必要的余地 最后还要对设计进行适当的优化 2 模块化 结构化原则每个子系统 部件或子部件应设计成在功能上相对独立的模块 即每个模块均有明确的可独立完成的功能 而且对整个模块内部进行修改时不应影响其他的模块 子系统之间 部件之间或者子部件之间的联系形式应当与结构化程序设计中模块间的联系形式相仿 3 问题不下放原则在某一级的设计中如果遇到问题时 必须将其解决了才能进行下一级 层 的设计 切不可把上一级 层 的问题留到下一级 层 去解决 综上所述 进行一项大型 复杂系统设计的过程 实际上是一个在自顶向下的过程中还包括了由底层回到上层进行修改的多次反复的过程 如下图所示 电子系统设计的一般步骤 一般情况下 电子系统设计约需经过以下五步 审题 方案论证 单元设计 组装调测和总结报告 审题 无论采用自顶向下还是自顶向下与自底向上相结合的设计方法 设计的第一步总是审题 即对设计课题作认真的分析 而在未将竞赛题充分 吃透 以前 千万不要匆匆动手设计 特别要注意不要选取与自己的背景知识相差太远的赛题 因为竞赛只有4天时间 每一分钟都十分宝贵 是轻易返工不得的 必须将题意理解清楚 明确题目要求我们 做什么 以及 做到何种程度 即明确所要设计的系统的功能 性能 技术指标及要求 对赛题中每一个细节都不能放过 来不得半点含糊 否则将有偏题或漏题的危险 例如1999年A题 测量放大器 中要求其增益的步进为1 有人为了使电路简单 将其设计为增益在1 9范围内步进为1 在l0 9l 范围内步进为l0 在l00 900范围内步进为100 这种设计的考虑有其合理的地方 但与题目的要求不符 再如2001年B题 简易数字序储示波器 发挥部分的要求中 要求显示存储的波形时能在屏幕上移动 原意是指将存储器的存储深度加大一倍 但只显示其小的一半 通过改变显示的首地址实现波形移动的功能 有的同学采用改变采样速率 在不增加存储深度的前提下 改变所显示的波形的宽度的方法实现此功能 虽然这种方法有一定创意 但对题意的理解却是错误 方案论证 弄清 做什么 以及 做到何种程度 后 就要考虑怎样做了 这需要对完成该任务的方法充分地调研 查阅有关资料 一般而言 光光参考教科书是不够的 因为教科书上所介绍的通常只是一些基本原理 与实际使用的电路和系统还有一些差别 而且常常不能反映最新的科技成果 所以建议到文献资料中去查找 最好能通过网络来检索 可以参照一些与设计题目相同或相近的产品或以往赛题所使用的方法 但要注意这些方法的使用条件与赛题是否相符 赛题所要求的性能指标是否能达到 对于可以采用的各种方法 须认真比较它们的忧缺点 特别要注意讨论设计的可行性 这里所说的可行性包括这样几方面 1 所使用的器件能否保证供应 价格如何 2 设计的难度如何 自己的知识与能力能否能胜任 3 工作量如何 4天时间能否完成 4 有无进一步发挥的余地 对上述问题经过充分 细致的年虑和分析比较后 拟订较切实可行的方案 初步方案应包含内容 1 系统的外部特性 系统有哪些主要功能以及输入和输出 它们各是什么物理量 有何特征 相互之间是什么关系 其来源或负载是什么 对系统的信号源和负载有何要求 以 简易数字频率计 的设计为例 根据题目给定的技术要求 将被测信号幅度确定为0 02v 频率为0 1Hz 10MHz的正弦信号 分析可知 这是一个适中的 比较容易实现的指标 请注意 该题的多项要求中 被测信号的幅度为0 5 5v 这里选择0 02v是考虑了对灵敏度的发挥 如果竞赛时先不考虑发挥的要求仅就基本要求来设计 待基本要求实现后再考虑发挥的要求 则4天的时间通常是不够的 尤其像该指标是影响输入通道放大器增益和噪声系数的参数 如果改变 一切又将重新设计 所以在竞赛时宜将基本要求和发挥要求一并考虑 但若参赛者能力不够 仅将自己的目标锁定在基本要求上 则应将被测信号的幅度确定为0 5 5V 这样 设计的难度将减少很多 以上这一步可以称之为系统级设计中的行为描述与设计 它是系统级设计的第一步 2 系统的内部特性 实现系统功能的基本原理 基本框图 系统的基本控制流程 注意此时的方框图通常只要画出一些子系统 以及各子系统之间的接口要求 例如 简易数字频率计 的设计中就将系统划分为输入通道 多周期同步等精度测量频率计的核心结构 键盘开关旋扭以及LED数码显示器一般说来 这些子系统有数字子系统 模拟子系统 计算机 单片机 DSP 子系统 电源子系统 时钟子系统等类型 这是系统级设计中的第二步 结构描述与设计 这一步中最关键之处是确定系统的实现技术 单元设计 在经过方案论证的基础上 就可以进行单元模块的设计了 这个时候 一个人的基本功是不是扎实就能够很好的体现出来 单元电路设计的好坏 焊接的好坏 编程的周密性等等的问题都会在这个部分表现无疑 自然 不主张大家在竞赛那几天去重新制作单元电路 这些单元电路必须在暑假期间大家就好准备好 并把这些电路搞懂 搞熟 这样竞赛的时候 只需要根据题目作适当的改动就可以直接利用了 组装调测 设计完毕 进入装配 调试阶段 这是大学作电子设计竞赛中至关重要的一个环节 设计成功与否 是用作品体现的 竞赛成绩的评定 有2 3取决于作品的实测结果是否满足赛题的要求 1 3取决于报告的水平 所以参赛学生必须具有较强的动手能力 才能取得优秀的成绩 一般的组装可在通用印制板上完成 安装前须设计好各元器件之间的布局 如缺乏使用计算机模拟的条件 有时还需事先在面包板搭试 对高频电路 最好制作印制电路板 绘制印制电路板时一定要充分考虑电磁兼容的问题 防止因干扰影响电路的正常工作 组装调试工作与设计时相反 是采用自底向 的方法 其过程也是先电路及部件 再子系统 最后才是整个系统 所以通常应先调试行个单元 单元调试正确后 再调试整个系统 并认真做好记录 当整个系统的工作调整至正常时 需要选用恰当的测量仪器 对照任务书中各项技术指标逐项的进行测试 总结报告 总结报告也就是本次设计的一篇小论文 它的成绩占最后总成绩的1 3 因此也不能小视 而且想取得好的成绩的队伍 在文章上面还要下很大的功夫 一般来说 总结报告分成以下几个部分 1 系统的总统方案介绍就是对整个系统的采用的方案进行比较详细的介绍 然别人一看就知道你所采用的方案 2 必要的理论计算无论是方案论证还是元件参数的选取都要有足够的根据 应通过必要的计算确定而不是模糊地选取 3 电路图和有关的设计文件各级设计结果皆应有相应的图纸和文件 图纸方面有方框图 流程图 单元电路团等 最后还应有一张完整的总电路原理图 对PLD设计应有顶层原理图 模块原理图与代码 用语言描述时 对单片机设计应有流程图和相关程序 4 测试方法和数据要通过电路图和文字说明测试所使用的方法 记录测试的数据及相应的测试条件 记录所使用的测试仪器的型号及编号 5 结果分析对测试结果作必要的分析 找出未达到预定指标的原因 提出对设计改进的设想 此外 在报告的开头还需要有一段摘要 用简短简练的文字 将报告的主要设计思想和特色提供给阅读者 综合以上各点 一个电子系统设计的全过程可以通过下图来表示 其中soc方法在电子设计竞赛中不使用 控制类的题目 控制类的题目一般包括 机械部分 驱动部分 传感器部分和CPU处理器部分机械部分 机械部分一般来说 题目都有给出参考或者大体的思路 当然我们也可以在满足题意的情况下自己设计出更具有创意的结构 驱动部分 驱动部分要考虑的驱动的能力和动作的幅度 可控性 还有输入信号的电平匹配和抗干扰问题 首先 驱动能力是最主要的 如果驱动部分达不到要求的话 其它部分做的再好都没用 其次就是驱动的幅度和可控性了 一般来所驱动幅度越大 动作速度也就越快 当然可控性也就越差了 所以在设计的时候应该综合考虑 可控性还包括控制性质 方向等 还有就算控制幅度 大