电子设计竞赛备赛指南ppt课件.ppt

2011年电子设计竞赛赛前准备 福州大学物理与信息工程学院吴钟华 1 电子设计赛前准备 1 电子设计概述2 数字系统设计3 模拟系统设计4 微处理器系统设计5 微处理器CPU选型6 微处理器部分各模块准备7 软件编程思想 2 一 电子系统概述 电子系统 完成一个特定功能的 完整的电子装置称为电子系统 如出租车计价器 温度控制系统 航天飞机测控系统 电子系统组成 一般包含模拟 数字和微处理机子系统 电子系统分类 可分为非智能型和智能型系统 前者功能简单且单一 后者具有记忆 接收信息能力 并根据信息进行分析 判断 决策和控制操作的能力 一般人们将以CPU为核心 软硬结合的电子系统称为智能型系统 3 一 电子系统概述 根据电子系统实现的功能 有以下几类 测控系统 相机快门系统 锅炉控制系统 飞行轨道控制系统等 测量系统 电量测量 非电量测量系统等 数据处理系统 语音处理 图像处理 雷达信息处理等 通信系统 数字通信 微波通信 卫星通信 短波通信等 计算机系统 单机系统 计算机网络系统等 家电系统 多媒体彩电系统 音频系统 报警系统 4 一 电子系统概述 电子系统指标 系统功能 规模以及应用场合不同 对系统的要求不同 因此衡量系统的指标不同 常用指标 功能 工作范围 工作环境 供电方式 功耗 体积 重量 容量 精度 灵敏度 稳定度 可靠性 响应速度等 5 光伏并网发电模拟装置 A题 声音导引系统 B题 宽带直流放大器 C题 无线环境监测模拟装置 D题 电能收集充电器 E题 数字幅频均衡功率放大器 F题 低频功率放大器 G题 LED点阵书写显示屏 H题 模拟路灯控制系统 I题 音频信号分析仪 A题 无线识别 B题 数字示波器 C题 程控滤波器 D题 开关稳压电源 E题 电动车跷跷板 F题 积分式直流数字电压表 G题 信号发生器 H题 可控放大器 I题 电动车跷跷板 J题 第九届全国大学生电子设计竞赛题目 第八届全国大学生电子设计竞赛题目 6 正弦信号发生器 A题 集成运放参数测试仪 B题 简易频谱分析仪 C题 单工无线呼叫系统 D题 悬挂运动控制系统 E题 数控直流电流源 F题 三相正弦波变频电源 G题 电压控制LC振荡器 A题 宽带放大器 B题 低频数字式相位测量仪 C题 简易逻辑分析仪 D题 简易智能电动车 E题 液体点滴速度监控装置 F题 第七届全国大学生电子设计竞赛题目 第六届全国大学生电子设计竞赛题目 7 A题波形发生器B题简易数字存储示波器C题自动往返电动小汽车D题高效率音频功率放大器E题数据采集与传输系统F题调频收音机 第五届全国大学生电子设计竞赛题目 第四届全国大学生电子设计竞赛题目 A题测量放大器B题数字式工频有效值多用表C题频率特性测试仪D题短波调频接收机E题数字化语音存储与回放系统 8 二 数字系统设计 数字系统是一个完成一系列复杂操作的逻辑单元 它可以是一台数字计算机 一个自动控制系统 一个数据采集系统或者是日常生活中用的电子秤 也可以是大系统中的子系统 1 数字系统组成 数据子系统主要完成数据的采集 存储 运算和传输 主要由存储器 运算器 数据选择器等部件组成 控制子系统是执行算法的核心 具有记忆功能 是时序系统 9 2 数字系统设计步骤明确设计要求 将设计要求分解成条目 每一条都应是无二义的 明确设计系统的逻辑功能及性能指标 画出简单框图 确定系统方案 用方框图 流程图或描述语言描述系统方案 画出系统方框图 流程图或算法 如需要画出时序图 数据子系统设计 根据系统方案 选择合适的器件构成数据子系统原理图 根据设计要求对原理图进行时序设计 控制子系统设计 按照规则及要求选择电路构成控制子系统 必要时进行时序设计 设计方法 在整个设计过程中应尽可能多地利用EDA软件 及时地进行逻辑仿真 优化 以保证设计工作优质快速地完成 10 3 数字系统设计举例设计要求 完成一个十字路口交通灯控制系统的设计 1 明确设计要求进一步明确十字路口车辆行驶的规则如何 道路多宽 允许几车道行驶 控制灯有几种 通行和禁止的时间是多少 是否需要显示时间 有否有行人穿行指示 有无连网要求 明确以上问题 将设计要求具体化 也就明确了设计系统的逻辑功能 11 双向六车道 只有汽车没有自行车行驶 车辆直行时不允许车辆左拐 允许右拐 另设左拐时间 车辆控制灯有直行 左拐 和右拐 三个绿灯 黄灯以及红灯 车辆通行时间为40秒 由各方向设置的倒计时显示器显示 向司机提示剩余时间 黄灯持续时间2秒 行人过马路需提出申请 且只在车辆直行时才响应行人的请求 行人在申请得到响应后方可穿越 穿越时间为60秒 警察有权随时指定系统停在某个状态 确保某个方向的车辆畅通 暂不考虑连网要求 12 2 确定系统方案确定系统方案就是找出实现上述设计要求的方法 在确定系统方案的过程中应有意识的把系统分为控制子系统和数据子系统两部分 先画出简单的流程图 再将简单的流程图逐步细化为描述系统操作的详细流程图 13 由于设计要求中规定车辆直行时不允许各路车辆左拐通行 须另设左拐时间 因此可以设置以下四种车辆通行方式 南北向的直行和各路右拐 南北向的左拐和各路右拐 东西向直行和各路右拐 东西向的左拐和各路右拐 行人请求及警察控制可以认为是上述四个状态转换时产生的条件分支 由控制器接受请求并判断是否响应 由于警察控制的优先级最高 所以流程图中应首先判断警察的控制 行人请求只能在车辆直行时响应 车辆左拐时不允许响应行人请求 14 三 模拟系统设计 多数电子系统一般都同时使用数字和模拟两类技术 两者互为补充 发挥各自优势 但对一个具体应用系统而言 使用技术的侧重点有所不同 有的以数字为主 有的以模拟为主 假设一个电子系统对获得的模拟信号不需要作复杂处理 也不作远距离传送 最后的执行机构也用模拟信号驱动 在这样的系统中用模拟技术处理比较合理 1 模拟系统特点与数字电子系统相比 模拟电子系统有以下一些特点 15 1 工作在模拟领域中单元电路的种类多 例如 各种传感器电路 电源电路 放大电路 音响电路 视频电路 性能各异的振荡 调制 解调等 2 要求电路实现规定的功能 更要达到规定的指标 模拟电路一般要求工作在线性状态 因此电路的工作点选择 工作点的稳定 运行范围的线性程度 单元之间的耦合等都很重要 3 系统的输入单元与信号源之间的匹配 系统的输出单元与负载 执行机构 之间匹配 模拟系统的输入单元要考虑输入阻抗匹配 提高信噪比 抑制各种干扰和噪声 输出单元与负载的匹配 且输出最大功率和提高效率等 16 4 调试电路的难度 一般来说模拟系统的调试难度要大于数字系统的调试难度 特别是对于高频系统或高精度的微弱信号系统难度更大 这类系统中的元器件布置 连线 接地 供电 去耦等对性能指标影响很大 要想完成模拟系统的设计 除了设计正确外 设计人员具备细致的工作作风和丰富的实际工作经验显得非常重要 5 人工设计在模拟系统设计中仍起着重要的作用 当前电子系统设计工作的自动化发展很快 但主要在数字领域 而模拟系统的自动化设计进展比较缓慢 17 2 模拟系统设计步骤总体方案设计 对系统功能 性能 体积 成本等多方面作权衡比较 确定方案 有分立器件 功能级集成电路 系统级集成电路 直至ASIC电路 它们都可能适用系统设计 划分功能块 设计总框图 根据系统功能 总体指标 按信号流向划分功能块 应考虑指标分配 装配连接合理性等因素 功能电路设计 根据各功能电路的功能和指标 完成功能电路的设计 设计功能电路时应首选集成电路 计算该集成电路外部电路的参数 18 例如 扩音系统的设计 可划分成前置放大器 音调控制放大器和功率放大器 前置放大器完成对输入信号的匹配 频率特性均衡 音调控制放大器完成音调的调节 功率放大器完成功率输出 在功能块设计时 应将扩音系统总增益分配到各单元增益设计中 例如 数据采集系统的前向通道设计 通常划分为输入放大器 滤波器 取样 保持电路 多路模拟开关 A D转换器等 每个功能块是根据每个单元完成一个特定功能划分 在采集系统的前向通道设计中 要把总误差合理地分配到各功能块 19 系统原理图设计 系统原理图的设计需要解决两个方面的问题 单元电路之间的耦合和整体电路的配合 设计印刷电路板布线图 考虑测试方案 设置测试点 由于模拟系统的特殊性 元件布置和印刷电路板布线显得更为重要 例如 有用输入信号很小 小到微伏级 且各单元电路大都处于线性工作状态 对干扰的影响极为敏感 最终设计的模拟系统能否达到预期要求 要经过调试和测量才能得出 20 模拟系统设计与数字系统设计有很大差别 模拟系统自动化设计工具少 器件种类多 实际因素影响大 其人工设计成分比数字系统大的多 对设计者的知识面和经验要求高 由于客观环境的影响 模拟电路 特别是小信号 高精度电路以及高频 高速电路的实现远不可能单由理论设计解决 它们与实际环境 元器件性能 电路结构等有着密切关系 因此在设计模拟系统时 不单单是设计电路 还要选用正确的元器件 设计实现电路结构 如印刷板设计 才能达到设计要求 21 3 模拟系统设计举例 1 设计任务设计一个输出电压可调的数控直流电压源 数码管显示输出值 具体要求如下 输出电压2 20V之间 调节单位为0 1V 电压稳定度 VO V 小于0 2 纹波电压小于10mV 输出电流1A 输出电压值由数码管显示 设置 键分别控制输出电压步进增减 电源应具有输出短路保护和功率器件的过热保护功能 22 2 方案论证方案一 根据任务要求 要求实现输出电压的数字控制和数字显示 考虑利用数模转换器 DAC 和逻辑电路控制常用的线性稳压电源 逻辑控制部分若采用中小规模器件实现 繁琐而且对可靠性及抗干扰能力会带来一些影响 逻辑控制电路可以采用单片机 便于系统的功能扩展 23 方案二 DAC可以很方便地实现程控电源的基本功能 DAC输入的数字量可以由拨盘开关设定或用单片机控制 可加功率放大电路 满足系统要求 方案二的输出部分不再用传统的调整管 由于功放输出的波形与DAC输出波形相同 因此该系统可以很容易地实现具有功率输出的信号发生器 24 方案三 设计任务中提出的输出电压 电流值不大 输出电压可调范围不宽 因此直接选用集成三端稳压器 这类芯片内部都有过流和过热的保护电路 例如W117 额定电流可达1 5A 输出电压的调节范围为1 2 37V 内部有过热和过流保护电路 所以采用这种芯片为主体组成所要求的系统比较合理 25 四 微处理系统设计 1 微处理器系统组成以微处理器系统为核心 以人机通道 前向通道 后向通道和相互通道为桥梁 完成对被控对象的测控任务 26 人机通道一侧的外部设备包括打印机 显示器 键盘以及软 硬盘等 右侧信号形式有模拟量 数字量 开关量和脉冲量 这四种形式的信号有输入信号也有输出信号 由模拟量传感器 数字量传感器 开关量传感器和脉冲量传感器以及相应的接口组成输入通道 也称为前向通道 输出通道产生相应的控制量 模拟量输出 数字量输出 开关量输出和脉冲量输出 输出通道也被称为后向通道 在较大规模的测控系统中 各微型计算机之间实现相互之间的通信与控制 其通道接口被称为相互通道 27 2003年简易智能电动车 E题 设计任务 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 28 设计要求 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 29 1 基本要求 40分 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1 3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 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 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 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 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 30 2 发挥部分 10分 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 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 3 停车后 能准确显示电动车全程行驶时间 4 其它 31 设计方案论证 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 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 路面黑线探索模块 采用一组探测头对路面信息进行控制 32 车速及路程计算模块 采用断续式光电开关 在车轮上均匀分布遮光条 车轮转动产生脉冲 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 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 33 5 微处理器CPU选型 1 基本资源是否够用 2 性能怎么样 3 开发流程与平台是否简单 容易上手 34 5 微处理器CPU选型 经过以上比较 我推荐以下几种CPU并作相关说明 1 STC系列 例如89C58RD 等 2 C8051FXXX系列 例如C8051F330D等 3 AVR系列单片机3 STM32系列4 LPC21XX系列5 MSP430F149 35 6 微处理器部分各模块准备 1 单片机最小系统篇单片机最小系统的设计和制作及I O的应用 单片机的最小系统给出了新的界定 在此一定要留意小心 2 键盘篇 1 8位独立式模块 2 16位行列式键盘模块3 液晶篇 1 1602字符型液晶显示篇 2 12864点阵型液晶显示篇 3 FM12232F图形液晶显示模块 4 16X16点阵的设计 36 微处理器部分各模块准备 4 红外线 无线 遥控篇5 数码管篇 1 数码管的驱动方法 2 4位静态数码管的显示模块 3 4位动态数码管的显示模块6 传感器篇 1 DS18B20 2 物理量采集 显示 处理控制 报警系统 37 微处理器部分各模块准备 7 I2C总线模块8 串行通信篇 RS232模块 RS485模块 串口调试软件使用方法 1 UART UniversalAsynchronousReceive Transmitter通用异步收发器 通信原理 2 通信芯片MAX485 及通信原理 3 MAX485芯片功能特点 4 MODBUS通信协议标准 38 微处理器部分各模块准备 10 继电器控制模块 包括光耦联接方法 光耦6N137 线性高速10Mbit s 光耦HCNR200 线性光耦 2501 817 普通光耦 低成本 线性 TLP521 普通光耦 低成本 开关量 11 DS1302实时钟模块 原理和编程方法 12 步进电动机模块 步进电动机的分类与结构 步进电动机 直流电机等 L298双H桥 可提供两路直流或者1路步进驱动能力 功率高 低成本 39 微处理器部分各模块准备 9 运放各类竞赛题目一般都会用到放大器 放大器包括精密 高速 功率放大和特殊功能放大器四大部分 40 微处理器部分各模块准备 10 A D D A篇 1 AD模块设计AD0809模块设计 AD0832模块设计 芯片简介 典型的应用电路及C程序编程的方法 AD770516bitSPI接口1mw超低功耗2通道DIPAD78228bit 2Msps 高速 低功耗 2 DA模块设计 PWM模块篇 基于DA芯片及成本和性价比的考虑 在此我建议采用PWM RC滤波实现D A芯片的功能 MAX50410bit串行DAC902U12bit65M高速DA 高精度 41 7 软件编程思想 基本原则 质量是关键 1了解单片机的能力 规则1 设计满足要求的最精简的系统 正确估计单片机的能力 知道单片机能做什么 最大程度的挖掘单片机的潜力对一个单片机系统设计者来说是至关重要的 我们应该有这样一个认识 即单片机的处理能力是非常强大的 单片机的能力的关键就在软件设计者编写的软件上 只有充分地了解到单片机的能力 才不会做出 冗余 的系统设计 而采用许多的外围芯片来实现单片机能实现的功能 这样做 即增加了系统成本 也可能会降低了系统的可靠性 42 7 软件编程思想 基本原则 质量是关键 2系统可靠性至关重要 规则2 使用看门狗 看门狗电路通常是一块在有规律的时间间隔中进行更新的硬件 更新一般由单片机来完成 如果在一定间隔内没能更新看门狗 那看门狗将产生复位信号 重新复位单片机 更新看门狗的具体形式多是给看门狗芯片相关引脚提供一个电平上升沿或读写它的某个寄存器 使用看门狗电路将在单片机发生故障进行死机状态时 重新复位单片机 当前有多种看门狗的芯片 如MAXIM公司的MAX802 MAX813等 而且 有好多种单片机中本身就集成有看门狗 43 7 软件编程思想 基本原则 质量是关键 规则3 确定系统的初始化有效 系统程序开始应延时一段时间 这是很多单片机程序设计中的常用方法 为什么呢 因为系统中的芯片以及器件从上电开始到正常工作的状态往往有一段时间 程序开始时延时一段时间 是让系统中所有器件到达正常工作状态 究竟延时多少才算合适 这取决于系统的各芯片中到达正常工作状态的时间 通常以最慢的为准 一般来说 延时20 100毫秒已经足够 当然 这都需要在系统实际运行中进行调整 44 7 软件编程思想 基本原则 质量是关键 规则4 在仿真前做好充分的准备单片机硬件仿真器给单片机开发者带来了极大的方便 同时也很容易造成人的依赖性 很多时候 没有仿真器却能促使工程师写出更高质量的程序 也许在硬件仿真调试之前 下面准备工作将会对你有用 1 程序编完后 对代码仔细逐行检查 检查代码的错误 建立自己的代码检查表 对经常易错的地方进行检查 检查代码是否符合编程规范 2 对各个子程序进行测试 测试的方法 用程序测试程序 编制一个调用该子程序的代码 建立要测试子程序的入口条件 再看看它是否按预期输出结果 3 如果代码有修改 再次对代码进行检查 4 有可能的话 进行软件仿真 使用KeilC的软件仿真或使用Proteus进行仿真 软件仿真可以防止因硬件的错误 如器件损坏 线路断路或短路 而引起调试的错误 5 开始硬件仿真 45 7 软件编程思想 基本原则 质量是关键 规则5 通过恰当的语法运用 让生成的C代码达到最优化1 尽量使用unsigned型的数据结构 2 尽量使用char型 实在不够用再用int 然后才是long 3 如果有可能 不要用浮点型 4 使用简洁的代码 因为按照经验 简洁的C代码往往可以生成简洁的目标代码 46 7 软件编程思想 关于const static volatile extern等关键字的使用Const表示 只读 嵌入式中 用const定义大型只读数组 编译器会将其放入ROM中Static表示 静态 局部 可修饰函数内的静态局部变量 也可以修饰函数或模块内的全局变量 用于限定其作用范围Volatile表示 易变 防止编译器按照普通C语言进行意外的优化Extern表示 外部 当在某个模块内需要使用其他模块的变量或函数时 需要用这个词修饰 47 7 软件编程思想 我们在入门阶段 一般面对的设计都是单一的简单的任务 流程图