智能电子产品设计与制作

智能电子产品设计与制造课程简介本门课程主要义务：经过电子产品实践的制造的过程，掌握电子产品设计的普通步骤和方法，从而掌握电子产品在设计和制造的过程中应掌握的知识和技艺。为在今后从事专业任务打下坚实的根底。课程简介学时：64学时课业评价方式：总成果=实践作品〔50%〕+设计报告〔30%〕+过程考核〔20%〕，作品在制造的过程中，有分阶段检查，根据制定的方案，进展检查。一、电子系统设计的根本方法传统的电子系统设计普通是采用搭积木式的方法进展，即由器件搭成电路板，由电路板搭成电子系统。系统常用的“积木块〞是固定功能的规范集成电路，如运算放大器、74/54系列〔TTL〕、4000/4500系列〔CMOS〕芯片和一些固定功能的大规模集成电路。设计者根据需求选择适宜的器件，由器件组成电路板，最后完成系统设计。传统的电子系统设计只能对电路板进展设计，经过设计电路板来实现系统功能。电子系统已进入数字时代。在计算机、挪动通讯、VCD、HDTV、军用雷达、医用CT仪器等设备中，数字技术与数字电路构成的数字系统曾经成为构成这些现代电子系统的重要部分。进入到20世纪90年代以后，EDA〔电子设计自动化〕技术的开展和普及给电子系统的设计带来了革命性的变化。在器件方面，微控制器、可编程逻辑器件等飞速开展。利用EDA工具，采用微控制器、可编程逻辑器件，正在成为电子系统设计的主流。采用微控制器、可编程逻辑器件经过对器件内部的设计来实现系统功能，是一种基于芯片的设计方法。设计者可以根据需求定义器件的内部逻辑和管脚，将电路板设计的大部分任务放在芯片的设计中进展，经过对芯片设计实现电子系统的功能。灵敏的内部功能块组合、管脚定义等，可大大减轻电路设计和电路板设计的任务量和难度，有效地加强设计的灵敏性，提高任务效率。同时采用微控制器、可编程逻辑器件，设计人员在实验室可反复编程，修正错误，以期尽快开发产品，迅速占领市场。基于芯片的设计可以减少芯片的数量，减少系统体积，降低能源耗费，提高系统的性能和可靠性。采用微控制器、可编程逻辑器件芯片和EDA软件，在实验室里就可以完成电子系统的设计和消费。可以实现无芯片EDA公司，专业从事IP模块消费。也可以实现无消费线集成电路设计公司的运作。可以说，当今的电子系统设计曾经离不开微控制器、可编程逻辑器件和EDA设计工具。二、现代电子系统的设计方法1.“Bottom-up〞〔自底向上〕设计方法传统的电子系统设计采用“Bottom-up〞〔自底向上〕设计方法，设计步骤如图2.“Top－down〞〔自顶向下〕设计方法现代电子系统的设计采用“Top－down〞〔自顶向下〕设计方法，设计步骤如图6.1.2所示。在“Top－down〞〔自顶向下〕的设计方法中，设计者首先需求对整个系统进展方案设计和功能划分，拟订采用一片或几片公用集成电路ASIC来实现系统的关键电路，系统和电路设计师亲身参与这些公用集成电路的设计，完成电路和芯片幅员，再交由IC工厂投片加工，或者采用可编程ASIC〔例如CPLD和FPGA〕现场编程实现。在“Top－down〞〔自顶向下〕的设计中，行为设计确定该电子系统或VLSI芯片的功能、性能及允许的芯片面积和本钱等。构造设计根据系统或芯片的特点，将其分解为接口明晰、相互关系明确、尽能够简单的子系统，得到一个总体构造。这个构造能够包括信号处置，算术运算单元、控制单元、数据通道、各种算法形状机等。逻辑设计把构造转换成逻辑图，设计中尽能够采用规那么的逻辑构造或采用经过考验的逻辑单元或信号处置模块。电路设计将逻辑图转换成电路图，普通都需进展硬件仿真，以最终确定逻辑设计的正确性。幅员设计将电路图转换成幅员，假设采用可编程器件就可以在可编程器件的开发工具时进展编程制片。“Top－down〞〔自顶向下〕设计方法的设计步骤3.设计的划分与步骤采用“Bottom-up〞〔自底向上〕设计方法或者“Top－down〞〔自顶向下〕设计方法，普通都可以将整个设方案分为系统级设计、子系统级设计、部件级设计、元器件级设计4个层次。对于每一个层次都可以采用3步进展思索。例如设计一个数字控制系统，行为描画与设计完成传送函数和逻辑表达式，构造描画与设计完成逻辑图和电路图，物理描画与设计确定运用的元器件、印制板设计、安装方法等。4.设计中应留意的一些问题在设计中采用“Top－down〞〔自顶向下〕设计方法必需留意以下问题：〔1〕在设计的每一个层次中，必需保证所完成的设计可以实现所要求的功能和技术目的。留意功能上不可以有残缺，技术目的要留有余地。〔2〕留意设计过程中问题的反响。处理问题采用“本层处理，下层向上层反响〞的原那么，遇到问题必需在本层处理，不可以将问题传向下层。假设在本层处理不了，必需将问题反响到上层，在上一层中处理。完成一个设计，存在从下层向上层多次反响修正的过程。〔3〕功能和技术目的的实现采用子系统、部件模块化设计。要保证每个子系统、部件都可以完成明确的功能，到达确定的技术目的。输入输出信号关系应明确、直观、明晰。应保证可以对子系统、部件进展修正与调整以及交换，而不牵一发动全身。〔4〕软硬件协同设计，充分利用微控制器和可编程逻辑器件的可编程功能，在软件与硬件利用之间寻觅一个平衡。软件/硬件协同设计的普通流程如下图。三、电子作品设计制造步骤1标题选择选择标题按照如下原那么进展：1、明确设计义务，即“做什么？〞。选择标题应留意标题中不应该有知识盲点，即要可以看懂标题要求。2、明确系统功能和目的，即“做到什么程度？〞。3、要确定能否具有完成该设计的元器件、最小系统、开发工具、丈量仪器仪表等条件。2系统方案论证标题选定后，需求思索的问题是如何实现标题的各项要求，完成作品的制造，即需求进展方案论证。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进展。1〕.确定设计的可行性方案论证最重要的一点是要确定设计的可行性，需求思索的问题有：〔1〕原理的可行性？处理同一个问题，可以有许多种方法，但有的方法是不可以到达设计要求的，千万要留意。〔2〕元器件的可行性？如采用什么器件？微控制器？可编程逻辑器件？能否采购得到？〔3〕测试的可行性？有无所需求的丈量仪器仪表？〔4〕设计、制造的可行性？如难度如何？本组队员能否可以完成？设计的可行性需求查阅有关资料，充分地进展讨论、分析比较后才干确定。在方案设计过程中要要提出几种不同的方案，从可以完成的功能、可以到达的技术性能目的、元器件资料采购的能够性和经济性、采用元器件、设计技术的先进性、以及完成时间等方面进展比较，要敢于创新，敢于采用新器件新技术，对上述问题经过充分、细致的思索和分析比较后，拟订较真实可行的方案。2〕.明确方案的内容〔l〕系统的外部特性系统具有的主要功能？引脚数量？功能？输入信号和输出信号方式〔电压？电流？脉冲？等〕、大小〔量级？〕、相互之间的关系？输入信号和输出信号相互之间的关系？函数表达式？线性？非线性？丈量仪器仪表与方法？〔2〕系统的内部特性系统的根本任务原理？系统的实现方法？数字方式？模拟方式？数字模拟混合方式？系统的方框图？系统的控制流程？系统的硬件构造？系统的软件构造？系统中各子系统、部件之间的关系？接口？尺寸？安装方法？3安装制造与调试安装制造与调试是保证设计能否胜利的重要环节。〔1〕安装制造需求思索的问题有：安装工具？元器件选择与采购？最小系统的采用？微控制器？可编程逻辑器件?印制板设计与制造？低频？高频？数字？模拟？数模混合？地？EMC？子系统、部件安装制造的顺序？〔2〕调试需求思索的问题有：调试参数？调试方法？调试需求的仪器与仪表？软件/硬件的协同？修正软件？修正硬件？丈量数据的记录与处置？建议的安装制造与调试步骤四、子系统的设计制造步骤1单片机与可编程逻辑器件子系统设计步骤在电子设计竞赛中，作为控制器，单片机与可编程逻辑器件运用非常普遍，其设计过程可以分为明确设计要求、系统设计、硬件设计与调试、软件设计与调试、系统集成等步骤。设计的第1步是明确设计要求，确定系统功能与性能目的。普通情况下，单片机与可编程逻辑器件最小系统是整个系统的中心，需求确定最小系统板的功能、输入输出信号特征等；需求思索与信号输入电路、控制电路、显示电路、键盘等电路的接口和信号关系。最小系统板在竞赛中可以采用废品，但接口电路，功率控制电路，A/D与D/A电路，信号调理等电路需求本人设计制造。为了使作品的整体性更好一点，建议将控制器与外围电路设计在一块电路板上，这一部分内容可以在竞赛前进展设计与制造，在竞赛中根据需求进展修正。软件开发工具需求与所选择的硬件配套，软件设计需求对软件功能进展划分，需求确定数学模型，算法、数据构造、子程序等程序模块。软件开发工具的运用需求在竞赛前进展培训。常用的一些程序如系统检测、显示器驱动、A/D、D/A、接口通讯、延时等程序，可以在竞赛前进展编程和调试，在竞赛中根据需求进展修正。系统集成完成软件与硬件联调与修正。在软件与硬件联调过程中，需求仔细分析出现的问题，软件设计人员与硬件设计人员需求进展良好的沟通，一些问题如非线性补偿、数据计算、码型变换等用软件处理问题会容易很多。采用不同的硬件电路，软件编程将会完全不同，在软件设计与硬件设计之间需求寻觅一个平衡点。2数字/模拟子系统设计步骤数字/模拟子系统的设计过程其步骤大致分为：明确设计要求，确定设计方案和进展电路设计制造、调试等步骤。在电子设计竞赛中，数字子系统多采用单片机或者大规模可编程逻辑器件实现，但也可以74/40等系列的数字集成电路实现，本节讨论的数字子系统是基于74/40等系列数字集成电路的。从第1章的标题分析可见，模拟与数字混合的标题占多数。模拟子系统也是作品的重要组成部分，设计制造通常包含有模拟输入信号的处置，模拟输出信号、与数字子系统、单片机、可编程器件子系统之间的接口等电路。1〕.明确设计要求〔1〕对于数字子系统，需求明确的设计要求有：子系统的输入和输出？数量？信号方式？模拟？TTL？CMOS？负载？微控制器？可编程器件？功率驱动？输出电流？时钟？毛刺？冒险竞争？实现器件？〔2〕对于模拟子系统，需求明确的设计要求有：输入信号的波形和幅度、频率等参数？输出信号的波形和幅度、频率等参数？系统的功能和各项性能目的？如增益、频带、宽度、信噪比、失真度等？技术目的的精度、稳定性？丈量仪器？调试方法？实现器件？2〕.确定设计方案对于数字电路占主体的系统，我们的建议是采用单片机或者可编程逻辑器件，不要大量的采用中、小规模的数字集成电路，中、小规模数字集成电路制造作品时非常费事，可靠性也差。模拟子系统的设计方案与所选择的元器件有很大关系。我们的建议是：a．根据技术性能目的、输入输出信号关系等确定系统方框图；b.在子系统中，合理的分配技术目的，如增益、噪声、非线性等。将目的分配到方框图中的各模块，技术参数目的要定性和定量。c.要留意各功能单元的静态目的与动态目的、精度及其稳定性，应充分思索元器件的温度特性、电源电压动摇、负载变化及干扰等要素的影响。d.要留意各模块之间的耦合方式、级间的阻抗匹配、反响类型、负载效应及电源内阻、地线电阻、温度等对系统目的的影响。e.合理的选择元器件，应尽量选择通用、新型、熟习的元器件。应留意元器件参数的分散性，设计时应留有余地。f.要事先确定参数调试与测试方法、仪器仪表、调试与测试点，以及相关的数据记录与处置方法。五、设计总结报告设计总结报告的评分工程由方案设计与论证、实际计算、电路图及设计文件、测试方法与数据、结果分析、设计总结报告的工整性等六个方面组成。设计总结报告中应包含以下内容：1、标题称号标题称号是选择的设计作品的称号2、摘要摘要是对设计总结报告的总结，摘要普通在300字左右。摘要的内容应包括目的、方法、结果和结论，即应包含设计的主要内容、设计的主要方法和设计的主要创新点。摘要中不应出现“本文、我们、作者〞之类的词语。英文摘要内容应与中文相对应；普通用第三人称和被动式。中文摘要前加“摘要：〞；英文摘要前加“Abstract：〞。关键词普通选3～8个关键词。中、英文关键词应—一对应。中文前冠以“关键词：〞，英文前冠以“keywords：〞。3、目录目录包括设计总结报告的章节标题、附录的内容，以及章节标题、附录的内容所对应的页码。1......…...〔第1级〕1.1.........〔第2级〕1.1.1.........〔第3级〕〔1〕………〔第4级〕①............〔第5级〕a.......………〔第6级〕………............。4、正文正文是设计总结报告的中心。设计总结报告正文的主要内容包含有：系统设计、单元电路设计、软件设计、系统测试、结论。〔1〕系统设计在系统设计这一章节中，主要引见系统设计思绪与总体方案的可行性论证，各功能块的划分与组成，引见系统的任务原理或任务过程。应留意的是：在总体方案的可行性论证中，应提出几种〔2～3种〕总体设计方案进展分析与比较，总体设计方案的选择既要思索它的先进性，又要思索它的实现的能够性。〔2〕单元电路设计在单元电路设计中不需求进展多个方案的比较与选择，只需求对已确定的各单元电路的任务原理进展引见，对各单元电路进展分析和设计，并对电路中的有关参数进展计算及元器件的选择等。应留意的是：实际的分析计算是必不可少的。在实际计算时，要留意公式的完好性，参数和单位的匹配，计算的正确性；留意计算值与实践选择的元器件参数值的差别。电路图可以采用手画，也可以采用PROTEL或其它软件工具绘画，应留意元器件符号、参数标注、图纸页面的规范化。假设采用仿真工具进展分析，可以将仿真分析结果表示出来。〔3〕软件设计在许多竞赛作品中，会运用到单片机、DSP、FPGA等需求编程的器件，应留意引见软件设计的平台、开发工具和实现方法，应详细地引见程序的流程方框图、实现的功能以及程序清单等。假设程序很长的话，程序清单可以在附录中列出。〔4〕系统测试详细引见系统的性能目的或功能的测试方法、步骤，所用仪器设备称号、型号，测试记录的数据和绘制图表、曲线。应留意的是：要根据竞赛标题的技术要求和所制造的作品，正确的选择测试仪器仪表和测试方法。例如：作品是一个采用高频开关电源方式的数控电源，假设选择的示波器是低频示波器，所测试的一些参数是会有问题的。测试的数据要以表、图或者曲线的方式表现出来。〔5〕结论对作品的测试的结果和数据进展分析和计算，也可以利用MATLAB等软件工具制造一些图表，必需对整个作品作一个完好的、结论性评价，也就是说要有一个结论性的意见。5、参考文献参考文献部分应列出在设计过程中参考的主要书籍、刊物、杂志等。参考文献的格式如下：a．专著、论文集、学位论文、报告[序号]主要责任者〔.〕文献题名［专著〔[M].〕；论文集〔[C].〕；学位论文〔[D].〕；报告〔[R].〕］〔.〕出版地〔：〕出版者〔，〕出版年〔.〕起止页码〔.〕b．期刊文章[序号]主要责任者〔.〕文献题名〔[J].〕刊名〔，〕年〔，〕卷〔期〕〔：〕起止页码〔．〕c．国际、国家规范[序号]规范编号〔，〕规范称号〔[S]〕参考文献中的作者是英语拼写的，应是姓在前，名在后。参考文献在正文中应标注相应的援用位置，在引文后的右上角用方括号标出。6、附录附录包括元器件明细表、仪器设备清单、电路图图纸、设计的程序清单、电路运用阐明等。应留意的是：元器件明细表的栏目应包含有：①序号、②称号、型号及规格〔例如：电阻器RJ14-0.25W-510Ω±5%〕、③数量、④备注〔元器件位号〕。仪器设备清单的栏目应包含有：①序号、②称号、型号及规格、③主要技术目的、④数量、⑤备注