智能電子產(chǎn)品設(shè)計與制作課件

1、智能電子產(chǎn)品設(shè)計與制作課程簡介本門課程主要任務(wù)：通過電子產(chǎn)品實際的制作的過程，掌握電子產(chǎn)品設(shè)計的一般步驟和方法，從而掌握電子產(chǎn)品在設(shè)計和制作的過程中應(yīng)掌握的知識和技能。為在今后從事專業(yè)工作打下堅實的基礎(chǔ)。課程簡介學(xué)時：64學(xué)時課業(yè)評價方式：總成績=實際作品（50%）+設(shè)計報告（30%）+過程考核（20%），作品在制作的過程中，有分階段檢查，根據(jù)制定的計劃，進行檢查。一、電子系統(tǒng)設(shè)計的基本方法 傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)設(shè)計一般是采用搭積木式的方法進行，即由器件搭成電路板，由電路板搭成電子系統(tǒng)。系統(tǒng)常用的“積木塊”是固定功能的標(biāo)準(zhǔn)集成電路，如 運算放大器、74/54系列（TTL）、4000/4500系列（C

2、MOS）芯片和一些固定功能的大規(guī)模集成電路。設(shè)計者根據(jù)需要選擇合適的器件，由器件組成電路板，最后完成系統(tǒng)設(shè)計。傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)設(shè)計只能對電路板進行設(shè)計，通過設(shè)計電路板來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。電子系統(tǒng)已進入數(shù)字時代。在計算機、移動通信、VCD、HDTV、軍用雷達、醫(yī)用CT儀器等設(shè)備中，數(shù)字技術(shù)與數(shù)字電路構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)已經(jīng)成為構(gòu)成這些現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要部分。進入到20世紀(jì)90年代以后， EDA（電子設(shè)計自動化）技術(shù)的發(fā)展和普及給電子系統(tǒng)的設(shè)計帶來了革命性的變化。在器件方面，微控制器、可編程邏輯器件等飛速發(fā)展。利用EDA工具，采用微控制器、可編程邏輯器件，正在成為電子系統(tǒng)設(shè)計的主流。 采用微控制器、可編程邏輯

3、器件通過對器件內(nèi)部的設(shè)計來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，是一種基于芯片的設(shè)計方法。設(shè)計者可以根據(jù)需要定義器件的內(nèi)部邏輯和管腳，將電路板設(shè)計的大部分工作放在芯片的設(shè)計中進行，通過對芯片設(shè)計實現(xiàn)電子系統(tǒng)的功能。靈活的內(nèi)部功能塊組合、管腳定義等，可大大減輕電路設(shè)計和電路板設(shè)計的工作量和難度，有效地增強設(shè)計的靈活性，提高工作效率。同時采用微控制器、可編程邏輯器件，設(shè)計人員在實驗室可反復(fù)編程，修改錯誤，以期盡快開發(fā)產(chǎn)品，迅速占領(lǐng)市場?；谛酒脑O(shè)計可以減少芯片的數(shù)量，縮小系統(tǒng)體積，降低能源消耗，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。 采用微控制器、可編程邏輯器件芯片和EDA軟件，在實驗室里就可以完成電子系統(tǒng)的設(shè)計和生產(chǎn)?？梢詫崿F(xiàn)無芯

4、片EDA公司，專業(yè)從事IP模塊生產(chǎn)。也可以實現(xiàn)無生產(chǎn)線集成電路設(shè)計公司的運作。可以說，當(dāng)今的電子系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)離不開微控制器、可編程邏輯器件和EDA設(shè)計工具。二、現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計方法 1. “ Bottom-up”（自底向上）設(shè)計方法傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)設(shè)計采用 “ Bottom-up”（自底向上）設(shè)計方法，設(shè)計步驟如圖2. “ Topdown”（自頂向下）設(shè)計方法現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計采用“ Topdown”（自頂向下）設(shè)計方法，設(shè)計步驟如圖6.1.2所示。在“ Topdown”（自頂向下）的設(shè)計方法中，設(shè)計者首先需要對整個系統(tǒng)進行方案設(shè)計和功能劃分，擬訂采用一片或幾片專用集成電路ASIC來實現(xiàn)系統(tǒng)的

5、關(guān)鍵電路，系統(tǒng)和電路設(shè)計師親自參與這些專用集成電路的設(shè)計，完成電路和芯片版圖，再交由IC工廠投片加工，或者采用可編程ASIC（例如 CPLD和 FPGA）現(xiàn)場編程實現(xiàn)。 在“ Topdown”（自頂向下）的設(shè)計中，行為設(shè)計確定該電子系統(tǒng)或VLSI芯片的功能、性能及允許的芯片面積和成本等。結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)或芯片的特點，將其分解為接口清晰、相互關(guān)系明確、盡可能簡單的子系統(tǒng)，得到一個總體結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)可能包括信號處理，算術(shù)運算單元、控制單元、數(shù)據(jù)通道、各種算法狀態(tài)機等。邏輯設(shè)計把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成邏輯圖，設(shè)計中盡可能采用規(guī)則的邏輯結(jié)構(gòu)或采用經(jīng)過考驗的邏輯單元或信號處理模塊。電路設(shè)計將邏輯圖轉(zhuǎn)換成電路圖，一般

6、都需進行硬件仿真，以最終確定邏輯設(shè)計的正確性。版圖設(shè)計將電路圖轉(zhuǎn)換成版圖，如果采用可編程器件就可以在可編程器件的開發(fā)工具時進行編程制片。“ Topdown”（自頂向下）設(shè)計方法的設(shè)計步驟3. 設(shè)計的劃分與步驟采用“ Bottom-up”（自底向上）設(shè)計方法或者“ Topdown”（自頂向下）設(shè)計方法，一般都可以將整個設(shè)計劃分為系統(tǒng)級設(shè)計、子系統(tǒng)級設(shè)計、部件級設(shè)計、元器件級設(shè)計4個層次。對于每一個層次都可以采用3步進行考慮。 例如設(shè)計一個數(shù)字控制系統(tǒng)，行為描述與設(shè)計完成傳遞函數(shù)和邏輯表達式，結(jié)構(gòu)描述與設(shè)計完成邏輯圖和電路圖，物理描述與設(shè)計確定使用的元器件、印制板設(shè)計、安裝方法等。 4. 設(shè)計中應(yīng)

7、注意的一些問題在設(shè)計中采用“ Topdown”（自頂向下）設(shè)計方法必須注意以下問題：（1）在設(shè)計的每一個層次中，必須保證所完成的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能和技術(shù)指標(biāo)。注意功能上不能夠有殘缺，技術(shù)指標(biāo)要留有余地。（2）注意設(shè)計過程中問題的反饋。解決問題采用“本層解決，下層向上層反饋”的原則，遇到問題必須在本層解決，不可以將問題傳向下層。如果在本層解決不了，必須將問題反饋到上層，在上一層中解決。完成一個設(shè)計，存在從下層向上層多次反饋修改的過程。（3）功能和技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)采用子系統(tǒng)、部件模塊化設(shè)計。要保證每個子系統(tǒng)、部件都可以完成明確的功能，達到確定的技術(shù)指標(biāo)。輸入輸出信號關(guān)系應(yīng)明確、直觀、清晰。應(yīng)保

8、證可以對子系統(tǒng)、部件進行修改與調(diào)整以及替換，而不牽一發(fā)動全身。（4）軟硬件協(xié)同設(shè)計，充分利用微控制器和可編程邏輯器件的可編程功能，在軟件與硬件利用之間尋找一個平衡。軟件/硬件協(xié)同設(shè)計的一般流程如圖所示。 三、電子作品設(shè)計制作步驟1 題目選擇 選擇題目按照如下原則進行：1、明確設(shè)計任務(wù)，即“做什么？”。選擇題目應(yīng)注意題目中不應(yīng)該有知識盲點，即要能夠看懂題目要求。 2、明確系統(tǒng)功能和指標(biāo)，即“做到什么程度？”。 3、要確定是否具有完成該設(shè)計的元器件、最小系統(tǒng)、開發(fā)工具、測量儀器儀表等條件。 2 系統(tǒng)方案論證 題目選定后，需要考慮的問題是如何實現(xiàn)題目的各項要求，完成作品的制作，即需要進行方案論證。方

9、案論證可以分為總體實現(xiàn)方案論證、子系統(tǒng)實現(xiàn)方案論證、部件實現(xiàn)方案論證幾個層次進行。 1）.確定設(shè)計的可行性方案論證最重要的一點是要確定設(shè)計的可行性，需要考慮的問題有：（1）原理的可行性？解決同一個問題，可以有許多種方法，但有的方法是不能夠達到設(shè)計要求的，千萬要注意。（2）元器件的可行性？如采用什么器件？微控制器？可編程邏輯器件？能否采購得到？（3）測試的可行性？有無所需要的測量儀器儀表？（4）設(shè)計、制作的可行性？如難度如何？本組隊員是否可以完成？設(shè)計的可行性需要查閱有關(guān)資料，充分地進行討論、分析比較后才能確定。在方案設(shè)計過程中要要提出幾種不同的方案，從能夠完成的功能、能夠達到的技術(shù)性能指標(biāo)、元

10、器件材料采購的可能性和經(jīng)濟性、采用元器件、設(shè)計技術(shù)的先進性、以及完成時間等方面進行比較，要敢于創(chuàng)新，敢于采用新器件新技術(shù)，對上述問題經(jīng)過充分、細致的考慮和分析比較后，擬訂較切實可行的方案。 2）. 明確方案的內(nèi)容 （l）系統(tǒng)的外部特性系統(tǒng)具有的主要功能？引腳數(shù)量？功能？輸入信號和輸出信號形式（電壓？電流？脈沖？等）、大?。考墸浚?、相互之間的關(guān)系？輸入信號和輸出信號相互之間的關(guān)系？函數(shù)表達式？線性？非線性？測量儀器儀表與方法？（2）系統(tǒng)的內(nèi)部特性系統(tǒng)的基本工作原理？系統(tǒng)的實現(xiàn)方法？數(shù)字方式？模擬方式？數(shù)字模擬混合方式？系統(tǒng)的方框圖？系統(tǒng)的控制流程？系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)？系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)？系統(tǒng)中各子系統(tǒng)

11、、部件之間的關(guān)系？接口？尺寸？安裝方法？3 安裝制作與調(diào)試安裝制作與調(diào)試是保證設(shè)計是否成功的重要環(huán)節(jié)。（1）安裝制作需要考慮的問題有：安裝工具？元器件選擇與采購？最小系統(tǒng)的采用？微控制器？可編程邏輯器件?印制板設(shè)計與制作？低頻？高頻？數(shù)字？模擬？數(shù)模混合？地？EMC？子系統(tǒng)、部件安裝制作的順序？ （2）調(diào)試需要考慮的問題有：調(diào)試參數(shù)？調(diào)試方法？調(diào)試需要的儀器與儀表？軟件/硬件的協(xié)同？修改軟件？修改硬件？測量數(shù)據(jù)的記錄與處理？建議的安裝制作與調(diào)試步驟 四、子系統(tǒng)的設(shè)計制作步驟 1 單片機與可編程邏輯器件子系統(tǒng)設(shè)計步驟在電子設(shè)計競賽中，作為控制器，單片機與可編程邏輯器件應(yīng)用非常普遍，其設(shè)計過程可以

12、分為明確設(shè)計要求、系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)計與調(diào)試、軟件設(shè)計與調(diào)試、系統(tǒng)集成等步驟。設(shè)計的第1步是明確設(shè)計要求，確定系統(tǒng)功能與性能指標(biāo)。一般情況下，單片機與可編程邏輯器件最小系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，需要確定最小系統(tǒng)板的功能、輸入輸出信號特征等；需要考慮與信號輸入電路、控制電路、顯示電路、鍵盤等電路的接口和信號關(guān)系。 最小系統(tǒng)板在競賽中可以采用成品，但接口電路，功率控制電路，A/D與D/A電路，信號調(diào)理等電路需要自己設(shè)計制作。為了使作品的整體性更好一點，建議將控制器與外圍電路設(shè)計在一塊電路板上，這一部分內(nèi)容可以在競賽前進行設(shè)計與制作，在競賽中根據(jù)需要進行修改。 軟件開發(fā)工具需要與所選擇的硬件配套，軟件設(shè)計

13、需要對軟件功能進行劃分，需要確定數(shù)學(xué)模型，算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、子程序等程序模塊。軟件開發(fā)工具的使用需要在競賽前進行培訓(xùn)。常用的一些程序如系統(tǒng)檢測、顯示器驅(qū)動、A/D、D/A、接口通信、延時等程序，可以在競賽前進行編程和調(diào)試，在競賽中根據(jù)需要進行修改。 系統(tǒng)集成完成軟件與硬件聯(lián)調(diào)與修改。在軟件與硬件聯(lián)調(diào)過程中，需要認真分析出現(xiàn)的問題，軟件設(shè)計人員與硬件設(shè)計人員需要進行良好的溝通，一些問題如非線性補償、數(shù)據(jù)計算、碼型變換等用軟件解決問題會容易很多。采用不同的硬件電路，軟件編程將會完全不同，在軟件設(shè)計與硬件設(shè)計之間需要尋找一個平衡點。 2 數(shù)字/模擬子系統(tǒng)設(shè)計步驟 數(shù)字/模擬子系統(tǒng)的設(shè)計過程其步驟大致分

14、為：明確設(shè)計要求，確定設(shè)計方案和進行電路設(shè)計制作、調(diào)試等步驟。在電子設(shè)計競賽中，數(shù)字子系統(tǒng)多采用單片機或者大規(guī)模可編程邏輯器件實現(xiàn)，但也可以74/40等系列的數(shù)字集成電路實現(xiàn)，本節(jié)討論的數(shù)字子系統(tǒng)是基于74/40等系列數(shù)字集成電路的。從第1章的題目分析可見，模擬與數(shù)字混合的題目占多數(shù)。模擬子系統(tǒng)也是作品的重要組成部分，設(shè)計制作通常包含有模擬輸入信號的處理，模擬輸出信號、與數(shù)字子系統(tǒng)、單片機、可編程器件子系統(tǒng)之間的接口等電路。 1）. 明確設(shè)計要求（1）對于數(shù)字子系統(tǒng)，需要明確的設(shè)計要求有：子系統(tǒng)的輸入和輸出？數(shù)量？信號形式？模擬？TTL？CMOS？負載？微控制器？可編程器件？功率驅(qū)動？輸出電流

15、？時鐘？毛刺？冒險競爭？實現(xiàn)器件？（2）對于模擬子系統(tǒng)，需要明確的設(shè)計要求有：輸入信號的波形和幅度、頻率等參數(shù)？輸出信號的波形和幅度、頻率等參數(shù)？系統(tǒng)的功能和各項性能指標(biāo)？如增益、頻帶、寬度、信噪比、失真度等？技術(shù)指標(biāo)的精度、穩(wěn)定性？測量儀器？調(diào)試方法？實現(xiàn)器件？2）. 確定設(shè)計方案對于數(shù)字電路占主體的系統(tǒng)，我們的建議是采用單片機或者可編程邏輯器件，不要大量的采用中、小規(guī)模的數(shù)字集成電路，中、小規(guī)模數(shù)字集成電路制作作品時非常麻煩，可靠性也差。模擬子系統(tǒng)的設(shè)計方案與所選擇的元器件有很大關(guān)系。我們的建議是：a根據(jù)技術(shù)性能指標(biāo)、輸入輸出信號關(guān)系等確定系統(tǒng)方框圖；b. 在子系統(tǒng)中，合理的分配技術(shù)指標(biāo)，

16、如增益、噪聲、非線性等。將指標(biāo)分配到方框圖中的各模塊，技術(shù)參數(shù)指標(biāo)要定性和定量。c. 要注意各功能單元的靜態(tài)指標(biāo)與動態(tài)指標(biāo)、精度及其穩(wěn)定性，應(yīng)充分考慮元器件的溫度特性、電源電壓波動、負載變化及干擾等因素的影響。d. 要注意各模塊之間的耦合形式、級間的阻抗匹配、反饋類型、負載效應(yīng)及電源內(nèi)阻、地線電阻、溫度等對系統(tǒng)指標(biāo)的影響。e. 合理的選擇元器件，應(yīng)盡量選擇通用、新型、熟悉的元器件。應(yīng)注意元器件參數(shù)的分散性，設(shè)計時應(yīng)留有余地。f.要事先確定參數(shù)調(diào)試與測試方法、儀器儀表、調(diào)試與測試點，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄與處理方法。五、設(shè)計總結(jié)報告 設(shè)計總結(jié)報告的評分項目由方案設(shè)計與論證、理論計算、電路圖及設(shè)計文件

17、、測試方法與數(shù)據(jù)、結(jié)果分析、設(shè)計總結(jié)報告的工整性等六個方面組成 。設(shè)計總結(jié)報告中應(yīng)包含以下內(nèi)容： 1、題目名稱題目名稱是選擇的設(shè)計作品的名稱 2、摘要摘要是對設(shè)計總結(jié)報告的總結(jié)，摘要一般在300字左右。摘要的內(nèi)容應(yīng)包括目的、方法、結(jié)果和結(jié)論，即應(yīng)包含設(shè)計的主要內(nèi)容、設(shè)計的主要方法和設(shè)計的主要創(chuàng)新點。摘要中不應(yīng)出現(xiàn)“本文、我們、作者”之類的詞語。英文摘要內(nèi)容應(yīng)與中文相對應(yīng)；一般用第三人稱和被動式。中文摘要前加“摘要：”；英文摘要前加“Abstract：”。 關(guān)鍵詞一般選 38個關(guān)鍵詞。中、英文關(guān)鍵詞應(yīng)一對應(yīng)。中文前冠以“關(guān)鍵詞：”，英文前冠以“key words：”。3、目錄目錄包括設(shè)計總結(jié)報告

18、的章節(jié)標(biāo)題、附錄的內(nèi)容，以及章節(jié)標(biāo)題、附錄的內(nèi)容所對應(yīng)的頁碼。 1 .（第1級） 1.1 . （第2級） 1.1.1 . （第3級） （1）（第4級） . （第5級） a.（第6級） .。4、正文正文是設(shè)計總結(jié)報告的核心。設(shè)計總結(jié)報告正文的主要內(nèi)容包含有：系統(tǒng)設(shè)計、單元電路設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)測試、結(jié)論。（1）系統(tǒng)設(shè)計在系統(tǒng)設(shè)計這一章節(jié)中，主要介紹系統(tǒng)設(shè)計思路與總體方案的可行性論證，各功能塊的劃分與組成，介紹系統(tǒng)的工作原理或工作過程。應(yīng)注意的是：在總體方案的可行性論證中，應(yīng)提出幾種（23種）總體設(shè)計方案進行分析與比較，總體設(shè)計方案的選擇既要考慮它的先進性，又要考慮它的實現(xiàn)的可能性。 （2）單元

19、電路設(shè)計在單元電路設(shè)計中不需要進行多個方案的比較與選擇，只需要對已確定的各單元電路的工作原理進行介紹，對各單元電路進行分析和設(shè)計，并對電路中的有關(guān)參數(shù)進行計算及元器件的選擇等。應(yīng)注意的是：理論的分析計算是必不可少的。在理論計算時，要注意公式的完整性，參數(shù)和單位的匹配，計算的正確性；注意計算值與實際選擇的元器件參數(shù)值的差別。電路圖可以采用手畫，也可以采用PROTEL或其它軟件工具繪畫，應(yīng)注意元器件符號、參數(shù)標(biāo)注、圖紙頁面的規(guī)范化。如果采用仿真工具進行分析，可以將仿真分析結(jié)果表示出來。 （3）軟件設(shè)計在許多競賽作品中，會使用到單片機、DSP、FPGA等需要編程的器件，應(yīng)注意介紹軟件設(shè)計的平臺、開發(fā)

20、工具和實現(xiàn)方法，應(yīng)詳細地介紹程序的流程方框圖、實現(xiàn)的功能以及程序清單等。如果程序很長的話，程序清單可以在附錄中列出。（4）系統(tǒng)測試詳細介紹系統(tǒng)的性能指標(biāo)或功能的測試方法、步驟，所用儀器設(shè)備名稱、型號，測試記錄的數(shù)據(jù)和繪制圖表、曲線。應(yīng)注意的是：要根據(jù)競賽題目的技術(shù)要求和所制作的作品，正確的選擇測試儀器儀表和測試方法。例如：作品是一個采用高頻開關(guān)電源方式的數(shù)控電源，如果選擇的示波器是低頻示波器，所測試的一些參數(shù)是會有問題的。測試的數(shù)據(jù)要以表、圖或者曲線的形式表現(xiàn)出來。（5）結(jié)論對作品的測試的結(jié)果和數(shù)據(jù)進行分析和計算，也可以利用MATLAB等軟件工具制作一些圖表，必須對整個作品作一個完整的、結(jié)論性

21、評價，也就是說要有一個結(jié)論性的意見。 5、參考文獻參考文獻部分應(yīng)列出在設(shè)計過程中參考的主要書籍、刊物、雜志等。參考文獻的格式如下：a專著、論文集、學(xué)位論文、報告 序號 主要責(zé)任者（.）文獻題名專著（M.）；論文集（C.）；學(xué)位論文（D.）；報告（R.）（.）出版地（：）出版者（，）出版年（.）起止頁碼（.）b期刊文章 序號 主要責(zé)任者（.）文獻題名（J.）刊名（，）年（，）卷（期）（：）起止頁碼（）c國際、國家標(biāo)準(zhǔn) 序號標(biāo)準(zhǔn)編號（，）標(biāo)準(zhǔn)名稱（S）參考文獻中的作者是英語拼寫的，應(yīng)是姓在前，名在后。參考文獻在正文中應(yīng)標(biāo)注相應(yīng)的引用位置，在引文后的右上角用方括號標(biāo)出。6、附錄附錄包括元器件明細表、儀器設(shè)備清單、電路圖圖紙、設(shè)計的程序清單、電路使用說明等。應(yīng)注意的是：元器件明細表的欄目應(yīng)包含有：序號、名稱、型號及規(guī)格（例如：電阻器RJ14-0.25W-5105%）、數(shù)量、備注（元器件位號）。儀器設(shè)備清單的欄目應(yīng)包含有：序號、名稱、型號及規(guī)格、主要技術(shù)指