电子技能训练(1-1)2014.9.2

电子技能训练(1)

计算机与信息工程学院实验中心张晓力(1)课程教学方式与安排1.教学方法与方式以学生为中心，教师为辅助，学生是教学中的主体，提倡提倡同学“做中学”“干中练”，调动学生的主动性、自觉性与创造性，努力培养学生的创新精神和能力,促进学生得到最大限度的发展。授课以在计信学院的相关实验室做系统性，综合性的电子系统设计题目为主（学生在实验室的累计时间不低于25个学时），专题讲座为辅(16学时约8-10次）的教学方式。2.实验室对同学开放,周一至周四为各班做实践活动的时间，周五将组织老师解答同学们一周以来所遇到的问题或组织专题讲座。

本课程34学时，总分数为100分。其中：实践技能训练期间的表现（考勤、纪律、学风）综合成绩，占总成绩10％；测验、作业及硬件电路制作质量综合成绩，占总成绩40-50％；考试答辩考核成绩，占总成绩40-50％；成绩合格者将给予两学分。考核与成绩评定课程的主要目标和内容

本课程以小系统电子电路基础训练和设计、制作为主，注重电路的完整性。电子电路的理论教学基本是以单元电路的分析为主，尽管电子电路实验技术基础是以设计性实验为主，但是，这种设计也都是单元电路。通过电子系统设计的学习和实践，培养系统设计的基本能力、综合知识应用能力、查阅资料能力以及协作精神，提高自学、动手能力和工程实践能力。教学主要参考书《电子系统设计》马建国等编著高等教育出版社《电子系统设计与实践》杨刚等主编电子工业出版社《电子创新设计与实践》王松武等编著电子工业出版社《Multisim10&Ultiboard10原理图仿真与PCB设计》唐赣等编著电子工业出版社《Protel99SE印刷电路板教程》郭勇等编著机械工业出版社教学基本安排

第1-3周电子系统设计导论电子技术基础知识第6–7周电子技能制作基础及基本测量训练（电路仿真技术）第8-11周电子技能制作基础及基本测量训练（电路原理图及PCB板的设计）第12-15周典型电子系统设计（函数信号发生器等）第16-17周单片机组成的数字钟的设计组装调试第18-19周硬件电路验收，答辩，考试评定成绩第4-5周电子系统的模块化设计

第一单元电子系统设计导论1电子系统概述

1.系统的定义

系统是由两个以上各不相同且相互联系，互相制约的单元组成的，在给定环境下能够完成一定功能的综合体。在功能与结构上具有高度的综合性、层次性和复杂性。2.电子系统的定义

通常可以完成一个特定功能的完整的电子装置都可称为电子系统。例如，通信系统、计算机系统、电子测量系统、自动控制系统等。一个复杂的电子系统可以分为若干子系统，子系统又可分为若干部件组成系统。

电子系统是由电子元器件或部件组成的能够产生、传输或处理电信号及信息的客观实体。电子电路系统框图3、电子系统基本类型模拟电子系统对讲机无线遥控门铃子系统基本类型数字电子系统3、子系统基本类型单片机系统3、子系统基本类型DSP系统3、子系统基本类型嵌入式系统1.2电子系统设计的特点

现代电子系统设计主要的特点：

1.系统性2.社会性3.创造性4.最优化5.动态性6.人性化7.智能化8.EDA化1.3电子系统设计的基本原则1.满足系统功能和性能指标要求。基本条件2.电路简单。

系统集成技术是简化系统电路的最好方法。3.电磁兼容性好。EMI，EMC

基本特性

4.可靠性高。5.系统集成度高。重要原则6.调试简单方便。7.生产工艺简单。重要环节8.操作简单。重要特征9.性能价格比。基本追求元器件级（单元电路）系统级子系统级部件级(功能模块）

1.4电子系统结构的层次典型的电子系统的结构1.5电子系统设计方法1.自顶向下设计方法2.自底向上设计方法3.层次式设计方法4.嵌入式设计方法5.基于IP的系统芯片（SOC）的设计电子系统设计方法何谓顶？顶——系统的功能何谓底？底——最基本的元、器件，甚至是版图自顶向下设计方法自顶向下设计方法自上而下法的要领从顶层到底层从概括到展开从粗略到精细自顶向下设计方法自底向上设计方法1.5电子系统设计方法子系统级部件级元件级自顶向下自底向上系统级电子系统设计的几个概念行为描述与设计

描述系统的各项功能、各个单元的输入输出关系、各种技术指标结构描述与设计

描述各单元之间的互连关系或协议物理描述与设计

实现结构的具体形式，技术，工艺系统级子系统级部件级元件级行为级结构级物理级用户需求变为技术规范与功能描述实现给定规范与功能的子系统、部件或元件及其互联方式用一定的材料与工艺实现结构

1.6电子系统设计过程和方法设计过程归纳为五个技术环节:1.设计需求分析2.方案设计论证3.单元电路的设计、参数计算和元器件选择4.EDA仿真5.安装调试电子产品设计的过程从本质上是一个创新过程，是将创新构思转化为有竞争力的产品的过程。方案设计选择设计要求分析电路设计器件设计PCB设计结构设计系统样机电路调试及EDA仿真1.设计需求分析明确设计要求：做什么？系统的功能、输入和输出。做到何种程度？性能、技术指标弄清设计方法：有那些可使用的设计方法？比较各种方法的先进性、性价比、可行性了解设计关键：决定指标的关键：难点、重点（工作量大）2.方案设计论证1.根据设计任务、指标要求分析系统应完成的功能，并将系统按功能分解成若干子系统，分清主次和相互关系，形成若干单元功能模块组成的总体方案。2.对几个方案进行比较和论证，择优选取。3.选择的原则一般是“相对容易，相对巧妙，性价比高”。3.单元电路的设计

1.设计单元电路的一般方法和步骤如下：

根据设计要求和已选定的总体方案原理框图，确定对各单元电路的设计要求，拟定主要单元电路的性能指标、与前后级之间的关系、分析电路的构成形式。应注意各单元电路之间的相互配合，注意各部分输入信号、输出信号和控制信号的关系，按信号流程顺序分别设计各单元电路。2.器件设计和选择选择元器件可从“需要什么”和“有什么”两个方面来考虑。“需要什么”是指根据具体问题的要求所选择的方案需要什么样的元器件，即每个元器件各应具有哪些功能和什么样的性能指标。“有什么”是指有哪些元器件，哪些在市场上能买得到，它们的性能如何、价格如何、体积多大等。计算机仿真和实验验证电路图的绘制生成PCB图组装与调试编写设计文档与总结报告编写设计文档与总结报告

设计文档的编写

设计文档的具体内容与以上设计过程是相呼应的：

1、系统的设计要求与技术指标的确定；2、方案选择与可行性论证；3、单元电路设计、参数选择和元器件选择；4、测试调整；

5、结论；

6、参考文献。总结报告的编写

总结报告的具体内容有：1、设计工作的进程记录；2、原始设计修改部分的说明；3、实际电路原理图、程序清单等；4、功能与指标测试结果(注明所使用的仪器型号与规格)；5、系统的操作使用说明；6、存在的问题及改进措施等。1.6.1以模拟器件为核心的电子系统设计系统描述和分析选择总体方案系统模块划分设计单元电路计算和调整参数选择元器件单元电路调试系统连调编写设计文档系统产品投入使用1.6.2以标准数字集成电路为核心的电子系统设计

传统的数字系统设计，是从具体的门电路以及中规模逻辑部件入手，通过真值表、状态转换图、状态转换表、状态方程组、时序图、卡诺图等描述来实现数字电路的设计。这种基于通用集成电路进行的数字系统设计称为“积木式”设计，这种方法的设计过程是由器件搭成电路板，由电路板搭成数字系统。

数字系统的组成数据子系统控制子系统数据输入数据输出控制与条件信号时钟外部控制信号系统描述和分析选择总体方案并确定算法系统模块划分系统逻辑描述设计单元电路选择元器件单元电路时序和功能校验系统连调编写设计文档系统产品投入使用EDA技术概念

EDA(电子线路设计自动化)技术是以计算机为工作平台、以硬件描述语言(VHDL)为设计语言、以可编程器件(CPLD／FPGA)为实验载体、以ASIC／SOC芯片为目标器件、进行必要的元件建模和系统仿真的电子产品自动化设计过程。EDA是电子设计领域的一场革命，它源于计算机辅助设计，计算机辅助制造、计算机辅助测试和计算机辅助工程。电子设计师从概念，算法、协议开始设计电子系统，从电路设计，性能分析直到IC版图或PCB版图生成的全过程均可在计算机上自动完成。

EDA基本特征EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，其基本特征是设计人员以计算机为工具，按照自顶向下的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，由硬件描述语言完成系统行为级设计，利用先进的开发工具自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线、仿真及特定目标芯片的适配编译和编程下载，这被称为数字逻辑电路的高层次设计方法。1.6.3以PLD为核心的电子系统设计

随着集成电路技术和EDA技术的发展，传统的数字系统设计方法、设计手段也取得了飞跃性的进步。使用的器件从通用集成电路向专用半定制电路转移；使用的描述方法由真值表、转换图、卡诺图向ASM图、硬件描述语言（HDL）转移；使用的设计方法由传统的自底而上方法向自顶而下方法转移；使用的设计手段将更加依靠计算机，借助EDA开发工具进行数字系统的设计与实现。PLD器件和EDA技术的出现改变了传统的设计思路，使人们可以通过设计芯片来实现各种不同功能的数字电路或数字系统。新的设计方法能够由设计者自己定义器件的内部逻辑和管脚，将原来由电路板设计完成的大部分工作放在芯片设计中进行。

可编程逻辑器件（PLD）是一种基于计算机逻辑模拟仿真基础上的通用半导体芯片，它是一种利用改变内部单元状态或联接方式实现用户指定功能的一种器件，在编程前它是一种通用芯片，编程后即成为具有用户指定功能的器件。包括设计准备、设计输入、设计处理和器件编程四个步骤以及相应的功能仿真（前仿真）、时序仿真（后仿真）和器件测试3个验证过程。

可编程逻辑器件的概念设计准备设计输入原理图硬件描述语言波形图设计处理优化、综合适配、分割布线、布局器件编程功能仿真时序仿真器件测试调试1.6.4以MPU和MCU为核心的电子系统设计

以微处理器（MPU)和微控制器(MicroControlUnit)（MCU,又称单片机）为核心的电子系统，具有结构简单、灵活编程修改功能方便、通用性强的突出优点，适合于系统比较复杂、时序状态比较多的应用场合，常常作为综合电子系统的控制核心。确定任务，完成总体设计硬件、软件设计与调试系统总调、性能测试1.6.5以ASIC为核心的电子系统设计

专用芯片ASIC是

(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)英文缩写：

是为完成某一特定功能制定的芯片。如图像压缩芯片，射频、音频接口芯片、编解码芯片等。

通常专用芯片ASIC中既有数字系统又有模拟系统，它们采用不同的设计流程。模拟系统的设计比数字系统设计复杂的多。ASIC系统设计流程

系统描述和分析功能设计逻辑设计电路设计物理设计芯片制造和测试封装1.6.6以SOC为核心的电子系统设计

片上系统SOC（SystemonaChip）技术,是以超深亚微米VDSM（VeryDeepSubMicron）工艺和知识产权IP（IntellectualProperty）核复用（Reuse）技术为支撑。SOC技术是当今超大规模集成电路的发展趋势，也是21世纪集成电路技术的主流，为集成电路产业提供了前所未有的广阔市场和难得的发展机遇。SOC设计相对比较复杂。SoC、IP的概念

SOC是能在单一硅片上实现信号采集、转换、存储、处理、UO等功能，将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、MPU，MCU，DSP等集成在一块芯片上实现一个系统功能;核心Core（比如嵌人式CPU）和若干IP模块组成。

IP（IntellectualProperties）模块，是指具有知识产权的模块，包括软IP、固化IP和硬IP3种类型。随着IC的发展和SOC复杂程度的提高，IP己成为SOC设计的技术基础，因此给IP的开发带来巨大的商机，使IP成为了一种商品，IP技术越来越成为IC业界广泛关注的焦点。SoC设计

SOC设计观念与传统设计观念完全不同。在SOC设计中，设计者面对的不再是电路芯片；而是能实现设计功能的IP模块库。SOC设计不能一切从头开始，要将设计建立在较高的基础之上，利用己有的IP芯核进行设计重用。建立在IP芯核基础上的系统级芯片设计技术，使设计方法从传统的电路级设计转向系统级设计。设计包括系统级设计、电路级设计、物理实现、物理验证及最终验证。SOC设计中的关键环节是IPCore复用技术，完成一个片上系统设计必须要在很大程度上依赖对公司内部或其它公司的已成熟芯核即IPCore设计的复用，片上系统由IPCore的组合将完成50%-90%系统功能。以ASIC和SOC电子系统设计的区别

传统的ASIC设计采用自顶向下(top-down)的设计方法。例如在设计一个图像处理芯片时,处理算法由图像处理专家来实现,然后将算法交至集成电路设计人员完成芯片的寄存器传输描述(RTL),经过功能验证后,将RTL转化为芯片的门级网表描述,然后进行电路的时序仿真。仿真通过后,由版图人员进行版图设计,完成电路的布局、布线工作。在芯片原形建立并通过测试后,由软件人员进行软件调整。整个过程实际上是一个顺序进行的过程。

在设计SOC芯片时,由于芯片复杂程度的增加,用上述设计模式很难完成设计任务。SOC芯片设计从整个系统的角度出发,把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来。设计方法从以功能设计为基础的传统流程转变到以功能组装为基础的全新流程。1.7设计示例（1）简易智能电动车（电子设计大赛2003年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。跑道示意图设计实例--简易智能电动车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。

设计实例--简易智能电动车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。设计实例--简易智能电动车设计方案论证：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