電子競賽訓練與典型案例分析

電子競賽訓練與典型案例分析山東大學陳言俊

2010.11學生培養(yǎng)學生來源學生實習——低年級學生創(chuàng)新實習課選修課——開設多門選修課培養(yǎng)學生興趣申報選拔——公開招收選拔學生校內(nèi)競賽——在二年級校內(nèi)競賽中發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀學生課堂發(fā)掘——理論課和課程設計中表現(xiàn)突出的學生學生引導——學生最了解學生，高年級學生引導協(xié)會推薦——匯集一定數(shù)量的有專長的學生毛遂自薦——時有拔尖人才相互吸引——人以類聚，物以群分科技立項——大學生科技創(chuàng)新立項（國家級、校級）選拔方式筆試+面試+實物制作+特招學生培養(yǎng)培養(yǎng)方式--業(yè)余訓練

課余、周日周六、興趣小組、課堂制作、科協(xié)集中競賽模式集中選拔、集中訓練、集中參賽長期培養(yǎng)模式長期培養(yǎng)，良性循環(huán)大學生科技創(chuàng)新立項（國家級、校級）一至兩年學生培養(yǎng)大一大二大三大四優(yōu)秀人才創(chuàng)新立項報名校內(nèi)競賽發(fā)掘?qū)I(yè)課堂發(fā)掘競賽集中選拔培訓：講座觀摩小制作創(chuàng)新實驗訓練競賽集中訓練各項學科競賽課程設計畢業(yè)設計創(chuàng)新實驗作品各項競賽獲獎優(yōu)秀作品成果激發(fā)興趣發(fā)掘人才指導指導學生來源最終成果階段成果培養(yǎng)方式良性循環(huán)選修課學生實習科協(xié)社團招新研究生助研崗一、賽前培訓二、競賽準備及競賽三、論文寫作要求四、競賽注意事項五、競賽典型題目分析要點1.參賽隊員暑期學校、自愿報名，多次篩選；校內(nèi)科技創(chuàng)新大賽是電子設計競賽預選賽。在理論和實訓課程培訓中分階段篩選，確定參賽隊員；有競爭就有壓力，有壓力才有動力。一、賽前培訓大三、大二學生比例數(shù)約為3：1多學院、多專業(yè)、多學科相交叉隊員的組合與分工確定。一、賽前培訓一、賽前培訓一、賽前培訓FPGAFPGA（Field－ProgrammableGateArray），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。FPGA工作原理

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（LogicCellArray）這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（ConfigurableLogicBlock）、輸出輸入模塊IOB（InputOutputBlock）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。FPGA的基本特點

1）采用FPGA設計ASIC電路(特定用途集成電路)，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。

4）FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。

5)FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容?？梢哉f，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。一、賽前培訓一、賽前培訓4.實踐環(huán)節(jié)培訓

4.1儀器儀表使用訓練★基礎訓練包括實驗室工具使用方法、裝配工藝等器件識別與選用原則數(shù)字萬用表、示波器邏輯分析儀LC測試儀頻譜分析儀信號發(fā)生器等儀器儀表的使用一、賽前培訓4.2鍵盤、顯示部分鍵盤部分（1x8;4x4等）如果需要的鍵較少，可直接使用I/O口，也可以使用74LS148等編碼器。顯示部分除了鍵盤部分外，可以用驅(qū)動LED或LCD顯示。一般來說分兩大類：LED和LCD。一、賽前培訓4.3傳感器熟悉常用傳感器的性能和使用。主要包括電壓、電流、溫度（熱電偶，Pt1000，AD590，DS18B20等）壓力，轉(zhuǎn)速、位置（霍爾，碼盤等）；T6114（6124）超聲波開關模塊，紅外線反射傳感器。如果有機器人方面的題目還要熟悉如紅外傳感器，接近開關，光敏電阻，金屬探測等傳感器，這一部分應該是我們的長項。一、賽前培訓單元電路訓練包括自制直流穩(wěn)壓電源基本放大電路電機驅(qū)動電路LED和LCD驅(qū)動電路功率放大器單元波行發(fā)生器電路（DDS）比較器電路光電、紅外、超聲等傳感器電路A/D電路、D/A電路等電壓/頻率變換電路電壓/電流變換電路無線傳輸電路單元電路設計完備接口，備日后裝配使用4.4單元電路訓練一、賽前培訓注意模擬電路設計（前向通道）

多路轉(zhuǎn)換開關、調(diào)理電路、放大、濾波、隔離等學會使用常用普通精密放大器、儀表放大器、隔離放大器等；這一部分的連線，制板等都顯得比較重要。集成運算放大器：

1.通用型運算放大器（

A741，LM358雙，LM324四）2.高阻型運算放大器（輸入阻抗>109

1012

）

（LF356，LF355，LF347四，CA3130，CA3140）3.低溫漂型運算放大器（OP-07，AD508，ICL7650）4.高速型運算放大器（LM318，

A715）5.低功耗型運算放大器（ICL7600）6.高壓大功率型運算放大器（

A791，D41）一、賽前培訓A/D

根據(jù)指標要求，選擇合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如果需要A/D，該部分是報告的重點內(nèi)容之一。

常用的8位A/D：AD0809

常用的12位A/D：AD574，MAX191，MAX197等

還有16位（AD7715）,24位（AD7714）等，內(nèi)含放大，調(diào)理，濾波等單元電路；即可單雙極性輸入，還可差動輸入。一、賽前培訓4.5后向通道主要包括驅(qū)動顯示，打印，繼電器等；還有諸如PWM控制等。根據(jù)具體的題目而定。一、賽前培訓4.5單片機最小系統(tǒng)訓練

單片機最小系統(tǒng)電路板硬件設計單片機最小系統(tǒng)電路板測試程序設計接口電路與程序設計、外擴電路設計。一、賽前培訓4.6單片機與編程單片機內(nèi)部結構與工作原理

引腳端、內(nèi)部存儲器、中斷、I/O、T/C、指令系統(tǒng)，介紹基本結構與工作原理，注重從應用的角度出發(fā)，不過多的涉及內(nèi)部的電路。指令的應用在程序設計與開發(fā)系統(tǒng)使用中加深了解。一、賽前培訓單片機接口電路

矩陣鍵盤圖形顯示高精度D/A、A/D接口電路與編程

4.6單片機與編程一、賽前培訓5.軟件實戰(zhàn)分析單片機程序設計指令應用、程序結構，通過往屆考題分析指令特點，講解程序設計方法。voidmain(){Unsignedintstatus;sum_timer=0status= check_state();//判斷狀態(tài)，基本還是發(fā)揮部分if(status==1){timer();//啟動時鐘car_go_line(700,200);//car_trace_start();while(R_flag||L_flag)//在這里完成尋跡函數(shù)的應用,尋跡是在中斷中調(diào)用的，其中每秒鐘調(diào)用10次尋跡函數(shù)，是用IRQ4的2khz中斷{*P_Watchdog_Clear=1; }一、賽前培訓6.Protel電路設計

PCB基礎、環(huán)境設置、組件庫管理、報表輸出等，通過實際電路設計例講解仿真元器件、仿真分析、參數(shù)設置，通過實際電路設計例講解其他仿真軟件的應用。一、賽前培訓7.制板與焊接

萬用板不能滿足高頻電路及復雜電路要求使用制板機獨立做板專有的焊接技巧培訓。一、賽前培訓一、賽前培訓8、基本模塊及電路制作訓練

直流穩(wěn)壓電源

顯示電路（LED、LCD）模塊按鍵模塊傳感器模塊（光電傳感器、溫度傳感器、霍爾傳感器、金屬傳感器、超聲傳感器與應用電路等）電機驅(qū)動模塊

無線模塊等等。一、賽前培訓9.模擬題練習選一部分歷屆競賽題練習。（基本一個月時間）；一開始可能一周做一個，時間逐漸縮短，基本在3-5天。

歷屆全國大學生電子競賽試題匯總.doc一、賽前培訓歷年競賽題分析：兩類：功能性題、指標題1．指標題如下方面：放大器類：功率放大器：丙類、戊類、輸出功率、效率脈沖放大器：波形上升時間寬帶放大器：帶寬、放大量，帶AGC（純數(shù)字電路題不出，增加模擬電路知識，學生模擬知識太差）電源類：電流源穩(wěn)定度負載變化，市電變化一、賽前培訓2.功能性題如下：儀表類1）信號發(fā)生器高、低頻，穩(wěn)度，頻率范圍，輸出電壓。2）示波器3）邏輯分析4）相位計5）電壓表6）頻率特性測試儀7）頻譜儀3、通信類（每年都有）趣味類：語言存儲4、控制類：小汽車、溫度控制5、強電：功率因數(shù)，DC-DC,AC-DC-AC一、賽前培訓

10.小組活動：

促進與提高各隊介紹拿手模塊應用技巧，共享經(jīng)驗，優(yōu)化軟件，保留團隊創(chuàng)新點一、賽前培訓強化訓練

小組自選模擬題。訓練目標是模擬實際競賽，以歷年的競賽題目為模板，適當進行一些調(diào)整；隊員集體商討設計思想，確定設計方案，分工負責、團結協(xié)作，限時完成。特別：硬件、軟件、設計報告分工（論文框架）。一、賽前培訓模擬答辯參賽隊眾多，鍛煉學生精簡語言；強化表達，預防怯場發(fā)現(xiàn)新問題；增加成就感，增強自信心；論文寫作。一、賽前培訓訓練的目的使學生掌握：基本儀器儀表的使用數(shù)字化、網(wǎng)絡化儀器儀表的應用能力數(shù)據(jù)信息的查詢基本電路設計和實現(xiàn)（模擬電路）EDA軟件的應用基本實驗方法實驗方案、實驗過程設計電路元器件類型及其參數(shù)的選擇實驗的基本測試方法實驗數(shù)據(jù)誤差分析數(shù)據(jù)處理與分析方法實驗及實驗實踐結果分析一、賽前培訓第一階段時間內(nèi)容安排指導教師星期六（7.2）準備會陳言俊、秦峰、王延偉、儀維星期一（7.4）直流穩(wěn)壓電源電路設計制作同上星期二（7.5）同上星期三（7.6）功率驅(qū)動電路同上星期四（7.7）顯示電路（LED、LCD）同上星期五（7.8）星期六（7.9）時鐘模塊同上星期日（7.10）按鍵模塊同上

電子設計競賽暑期培訓內(nèi)容安排星期一（7.11）信號放大電路同上星期二（7.12）信號產(chǎn)生電路同上星期三（7.13）信號處理電路同上星期四（7.14）A/D轉(zhuǎn)換同上星期五（7.15）D/A轉(zhuǎn)換同上星期六（7.16）光電傳感器、溫度傳感器、霍爾傳感器、金屬傳感器與應用電路同上星期日（7.17）同上星期一（7.18）超聲傳感器與應用電路同上星期二（7.19）同上星期三（7.20）61板模塊實驗操作/51最小系統(tǒng)使用操作ARM最小系統(tǒng)使用操作同上星期四（7.21）同上星期五（7.22）同上星期六（7.23）競賽培訓星期日（7.24）時間內(nèi)容安排指導教師

電子設計競賽暑期培訓內(nèi)容安排

電子設計競賽暑期培訓內(nèi)容安排第二階段時間內(nèi)容安排指導教師星期一（8.8）模擬練習題陳言俊、秦峰、王延偉、儀維星期二（8.9）星期三（8.10）星期四（8.11）模擬練習題同上星期五（8.12）星期六（8.13）星期日（8.14）模擬練習題同上星期一（8.15）星期二（8.16）星期三（8.17）模擬練習題同上星期三（8.17）模擬練習題同上星期四（8.18）星期五（8.19）星期六（8.20）模擬練習題同上星期日（8.21）星期一（8.22）星期二（8.23）模擬練習題同上星期三（8.24）星期四（8.25）時間內(nèi)容安排指導教師

電子設計競賽暑期培訓內(nèi)容安排1.賽前一周

通過對所公布的基本儀器和主要元器件清單進行分析，可以得到一些可能出現(xiàn)的題目和作品應完成的功能。參賽隊員可以根據(jù)自己的訓練情況，選擇一兩個題目方向進行準備。1.儀器設備的準備

2.元器件準備

參賽隊員應知道元器件庫中已有的元器件（儲備常用元器件及公布器件）。3.最小系統(tǒng)和單元電路、模塊完善。5.資料和論文準備

電路原理圖，基本程序段等。6.場地準備競賽期間許多隊員都是通宵達旦的工作，需要在競賽場地附近安排臨時休息的場所。二、競賽準備及競賽2.選題：考慮到不同的專業(yè)，每年的題目涉及的范圍都比較廣，學生要根據(jù)自己所學的專業(yè)知識和特長，并且在培訓或平時練習中最熟悉，最有把握的題目去做。如果一個教學單位有很多組，最好多選幾個題目，不要集中在一個題目上，好評獎。二、競賽準備及競賽競賽題目的分析分析方法可以采用基本要素組合法，一是分析所需要的儀器儀表，二是分析所需要的元器件（已有器件，題目要求所缺器件），將兩者結合進行綜合分析。考慮到不同的專業(yè)，每年的題目涉及的范圍都比較廣，要選擇一個最有把握的題目去做；如果一個教學單位有很多組，最好多做幾個題目，不要集中在一個題目上。二、競賽準備及競賽選擇熟悉的題目（十點前）審題、選題 充分理解題目的、要求

方案 兼顧基本要求和發(fā)揮部分工作重點的確定分步實施，確?；静糠直荣悤r，三個同學要分工協(xié)作，各負其職。二、競賽準備及競賽制定進程試題分析、選定方案選定器件（十二點前） 選擇、采購器件 硬件設計 軟件設計模塊制作及單元調(diào)試

單元組合及整體調(diào)試撰寫報告二、競賽準備及競賽測試 選擇儀器設備 充分預計測試現(xiàn)場的條件 測試的熟練程度 測試點的標注 現(xiàn)場可調(diào)整性二、競賽準備及競賽完善

連接的可靠性 固定的穩(wěn)定性 測試數(shù)據(jù)的可重復性論文遞交（第四天20：00前）裝箱

作品的固定和防震 電源的準備 備品備件的預備工具的準備有時間模擬答辯二、競賽準備及競賽設計報告的要求及注意事項1.格式與內(nèi)容

任務的理解與分析 方案設計與論證 理論計算與模擬2.硬件設計與軟件設計

硬件結構框圖 電器原理圖 軟件結構框圖 程序流程圖 程序清單實物照片三、論文寫作及要求3.測試方法與數(shù)據(jù)

測試方法的正確性數(shù)據(jù)的準確性數(shù)據(jù)的完整性測量儀器的型號和測試條件4.測試結果分析各部分要求的完成程度超出要求部分的強調(diào)5、發(fā)揮部分

要盡量去做，突出亮點；其他部分一定要做。三、論文寫作及要求6、答辯：

條理要清晰，亮點、特色要突出，發(fā)揮部分和其他部分要講明。不要答非所問，問什么答什么。 設計的報告、字體、圖表、框圖規(guī)范、工整，條理清晰。三、論文寫作及要求7、測試與評分

處理好先進性與完整性的關系基本要求與發(fā)揮提高超出要求部分的現(xiàn)場測試申請測試現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量的速度與輕重緩急對于測試不公正的投訴

確有問題可提出到外調(diào)試（不要在現(xiàn)場調(diào)）三、論文寫作及要求論文格式摘要一：方案設計與論證方案1：方案2：方案3：方案論證：方案選定：二：電路設計1、×××單元電路設計2、×××單元電路設計3、××××單元電路設計…………整機電路以及軟件設計的流程圖三：測試方法與測試結果1、測試儀器：2、測試方法：3、測試結果：四：討論三、論文寫作及要求要求

文字簡練、措詞準確、表達清楚。達標程度要實事求是，特點、特色的敘述、措詞要考慮科學性、正確性。至少提出3個獨立的方案。要提出選擇所選方案的理由，并注意方案科學性、正確性、可行性、實施難度。元件符號要用新的國標，布局簡潔明了。設計思想、特色、創(chuàng)新要寫上。事先進行測試方法設計，方法必須正確。

三、論文寫作及要求

論文很重要，作品在測試過后，論文占50分，因為評審的專家能看到的只有你的測試數(shù)據(jù)和論文。論文的寫作必須按嚴格的格式來寫，相關的公式和圖片是必不能少的。所以一定要找到相關的公式，即使你不明白它的含義。其實也不是每一個專家都能真正搞懂它的含義的，有時他們是不會仔細去研究的，但是你的論文如果沒有公式，他就會據(jù)此來扣你的分。圖片也一定要有，如電路原理圖，整體設計圖，仿真結果圖，測試數(shù)據(jù)圖等，有些可以在Protel和ElectronicsWorkBench里面畫，再把它添加到文檔就是了。三、論文寫作及要求三、論文寫作及要求

論文評分參考表序號名稱滿分評分備注1摘要中文3英文22009年不要求2方案論證10一種6分兩種以上6-10分3理論分析與計算84電路圖程序框架125測試方法及儀器76測試數(shù)據(jù)及結果分析8合計50四、競賽注意事項競賽過程中應注意的問題

☆方案的設計（確定方案的時間不應該超過4小時）☆元器件的采購（競賽中采購是必需的）☆設計裝配制作（不能為了追求更好的指標，或者附加功能，結果將已經(jīng)完成的部分給弄壞了，作品要妥善包裝）☆制作時間安排☆注意休息和飲食

訓練與競賽要點：1、不要追求高精尖。電賽時間有限，單片機，F(xiàn)51系列，資源合適，指令與51兼容，上手比較快，之前沒有接觸DSP、FPGA、ARM之類高端的控制器，短短幾個月的時間是沒辦法摸透的，更別談熟練應用，開發(fā)項目。2、不要貪多，要專，要深，平時訓練要注意模塊的設計，要特別注意可移植性，穩(wěn)定性，可靠性。3、控制類訓練最好能設計一個好的通訊系統(tǒng)（多數(shù)控制類項目適合用多機系統(tǒng)簡化任務）。這樣競賽時就可以把項目分解成若干個小的模塊，各模塊間通過通訊連接。

四、競賽注意事項4.電子設計競賽其實不是很難的，其中，模數(shù)電路基礎和單片機這兩方面最重要。5.對于模數(shù)電路，書上最基本的東西要掌握，這些是基礎。雖然在競賽時碰到的東西可能都是你在書本上沒有看到過的，但是你可以上網(wǎng)找出它的原理圖和實現(xiàn)電路的參考圖。6

.要實際演練項目。電賽前要模擬競賽兩次以上，要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成項目。四、競賽注意事項7.注意論文寫作、文檔整理、資料搜集。8.不要花太多的時間在華麗的外觀（如顯示），要更多的做實際的功能性東西。9.設計時應該立足于基本要求，先把基本要求完成了再說創(chuàng)新的東西，不然，你所謂創(chuàng)新的東西根本無所依附。做出了完成基本要求的實際東西，你才在上面創(chuàng)新，添加一些花哨的功能，那就OK了。四、競賽注意事項競賽時應該注意的問題：

1.軟件與硬件電路最好是同時做，2.隊員分工好，最大限度發(fā)揮整個隊的能力，而且經(jīng)常討論，讓三個人都知道對方的進展.3.在競賽前就應該做好準備：做好一兩個單片機最小系統(tǒng)（最好有下載口，支持在線編程）、5V/12V穩(wěn)壓電源和顯示板等小模塊，將各個模塊程序編寫好。如7段數(shù)碼管的顯示（建議使用串口，節(jié)省單片機的I/O口，如搭配74LS164或74HC595，使用兩塊74HC595芯片，一片位選，一片發(fā)送數(shù)碼）這樣可以節(jié)省很多時間。四、競賽注意事項4.至于焊接方面的，雖然說也要對布局是否合理和焊得是否美觀打分，但只要你的東西測試能過關，這個分一般是要給你的。但如果測試不能過關，你最合理最美觀也沒有。最重要的還要焊牢固，以防運送途中出現(xiàn)焊點脫落的情況。5.測試時不要慌張，一步一步該怎么做，一定心里要清楚。一定要爭取自己操作儀器，不要讓其它學校的老師在瞎搞混。否則，把東西燒壞了，你可就要哭了。另外，帶些備用芯片過去是個明智的辦法。四、競賽注意事項6.由于前期已經(jīng)做好各模塊板了，因此競賽時具體做板只需改進，從而達到題目要求。畫PCB板單面板好，好焊板。焊接芯片時能用插座的還是用吧。這樣既可以防止焊接時焊壞芯片，而且芯片可以多少使用。賽前自己也準備些常用的器件。7.論文在賽前一定要試寫一兩篇，至少也應該看過些論文，知道它的格式。論文可以一個人負責，后面大家一起修好下，也可以個人負責自己模塊的，最后再匯總。

8.賽期是4天3夜，時間還是很緊的，但也要注意休息。四、競賽注意事項四、競賽注意事項四、競賽注意事項年份20052006200720082009合計賽事全國賽山東省賽全國賽山東省賽全國賽獎勵等級

國一國二省一省一省二國一國二省一省一省二國一國二省一獲獎數(shù)133672371545763參賽隊101616192081歷年電子競賽獲獎統(tǒng)計

2010工訓中心參加山東省電子競賽獲獎名單A甲1036秦曉鵬延廷芳王佳山東大學姚福安萬鵬臧利林省一等獎A甲1034宋春龍馬文濤趙文斐山東大學姚福安萬鵬臧利林省一等獎A甲1010陳德馨趙化森劉智偉山東大學

省一等獎A甲1035雷燕婕劉健劉樹林山東大學姚福安萬鵬臧利林省一等獎A甲1030李雷孟松曹乘榕（2007級）山東大學陳言俊秦峰王延偉省一等獎B甲1004孫超何孟寧司陳山東大學

省一等獎B甲1039孫文健許海劉恩東山東大學姚福安萬鵬臧利林省一等獎B甲1031黃晨李成亓帥（2007級）山東大學陳言俊王延偉秦峰省一等獎B甲1038陳立剛劉濤歐陽林山東大學姚福安萬鵬臧利林省一等獎B甲1023李德帥任麗行于和善山東大學陳言俊秦峰王延偉省一等獎C甲1002李江濤解俊杰宋玉川山東大學姜威陸小珊趙子嬰楊小革省一等獎C甲1007宋宏嘉吳蘇劉俊良山東大學姜威、楊小革、趙子嬰、陸小珊省一等獎E甲1032田昊張巖（2007級）韓麗麗（2008級）山東大學陳言俊王雷秦峰省一等獎F甲1026姚登民解春柳（2007級）孫哲（2008級）山東大學陳言俊秦峰王延偉省一等獎F甲1047張煒軒尤海鵬徐菁山東大學姚福安萬鵬臧利林省一等獎F甲1048劉主福蔣丹紅朱亞軍山東大學姚福安萬鵬臧利林省一等獎F甲1045陶智仁張慶賓張泳山東大學姚福安萬鵬臧利林省一等獎F甲1001李大偉仲梓源高攀山東大學姜威路小珊楊小革趙子嬰省一等獎F甲1020肖邁林優(yōu)郭倍源山東大學陳言俊秦峰王延偉省一等獎F甲1003王磊章元智李佩山東大學姜威陸小珊楊小革趙子嬰省一等獎項目數(shù)量學期學生數(shù)全年學生數(shù)備注選修課8門2805602010新增2門課程設計1門120120信息學院科技創(chuàng)新大賽114團隊550國家大學生訓練計劃3個152010新增1項大學生科技創(chuàng)新結題17個60大學生科技創(chuàng)新立項21個80中國水球機器人大賽28冠軍2項、季軍2項省大學生電子設計競賽7520個一等、9二等中國機器人大賽28冠軍1項、季軍2項2010創(chuàng)新活動情況機電產(chǎn)品設計競賽2組14國一1個、省一1個全國電腦鼠走迷宮競賽2組82個優(yōu)勝獎省電腦鼠走迷宮大賽9組40省一2個電子競賽培訓暑期學校123機器人暑期學校46“飛思卡爾智能車”20組60國一2個畢昇杯全國大學生電子創(chuàng)新設計大賽12特等獎1個一等獎1個獲保研資格學生32受益學生人數(shù)1779人次項目數(shù)量學期學生數(shù)全年學生數(shù)備注2010創(chuàng)新活動情況

五、典型例題

一、題目說明

競賽題目著重考核參賽學生綜合運用模擬電路和數(shù)字電路基礎知識進行理論設計的能力、實踐創(chuàng)新和獨立工作的基本能力、實驗綜合技能（制作與調(diào)試），并鼓勵參賽學生發(fā)揚團隊協(xié)作的人文精神。

競賽題目將考核學生的模擬電路和數(shù)字電路的設計能力，整體將由EXCD-1可編程片上系統(tǒng)開發(fā)板并外加部分模擬電路實現(xiàn)，模擬器件將由競賽組委會在競賽當天統(tǒng)一發(fā)放。二、參考例題（此處配套外設為參考例題所需，不是競賽題目所需外設模塊，學校無需購買）

為了參賽隊伍能夠更好備戰(zhàn)競賽，現(xiàn)提供參考例題，此例題僅限北京市競賽的本科組競賽參考，競賽題目將與此題不同。參考例題基于EXCD-1可編程片上系統(tǒng)開發(fā)板及其外設模塊，資源列表如下：配套外設列表（僅為參考例題所需，學校無需購買）板載外設擴展外設LED顯示燈8個LCD液晶模塊1個撥動開關8個A/D模塊1個低電平有效按鈕8個D/A模塊1個VGA端口1個溫度模塊1個PS2端口1個旋鈕編碼器模塊1個RS232接口1個EEPROM1個4位七段數(shù)碼管1個紅外收發(fā)模塊1個

直流電機模塊1個

FPGA平臺

4x七段數(shù)碼管

按鈕2低通放大低通放大按鈕1雙通道示波器I/OXI/OY基本要求：1.構造兩組無源低通濾波器，使得FPGA可以用脈寬調(diào)制方式控制球的位置（20分）2.用給定的運放制作一放大器，使光點運動范圍在示波器的X軸，Y軸方向上可調(diào)（10分）3.乒乓球可按拋物線自動在屏幕上左右彈射，球的落點為屏幕兩側(cè)邊的中間。（20分）擴展要求：1.使用兩個按鈕分別作為左側(cè)擊球鈕和右側(cè)擊球鈕。當乒乓球靠近屏幕左邊時按下左側(cè)擊球鈕，可將球擊回右側(cè)。右側(cè)擊球鈕亦然。（10分）2.建立成敗機制，即球抵達邊沿而未按下?lián)羟蜮o，記為擊球失敗，用LED燈光表示。（10分）3.建立記分機制，在七段數(shù)碼管上顯示雙方得分（10分）4.特殊功能，在不調(diào)整放大器的情況下，連按兩下?lián)羟蜮o能擊出高拋球，軌跡拋物線曲率變大（20分）2007年全國電子設計競賽F題電動車翹翹板五、典型案例分析81一、F題電動車翹翹板題目要求

設計并制作一個電動車蹺蹺板，在蹺蹺板起始端A一側(cè)裝有可移動的配重。配重的位置可以在從始端開始的200mm～600mm范圍內(nèi)調(diào)整，調(diào)整步長不大于50mm；配重可拆卸。電動車從起始端A出發(fā)，可以自動在蹺蹺板上行駛。電動車蹺蹺板起始狀態(tài)和平衡狀態(tài)示意圖所示。831.基本要求在不加配重的情況下，電動車完成以下運動：（1）電動車從起始端A出發(fā)，在30秒鐘內(nèi)行駛到中心點C附近；（2）60秒鐘之內(nèi)，電動車在中心點C附近使蹺蹺板處于平衡狀態(tài)，保持平衡5秒鐘，并給出明顯的平衡指示；841.基本要求（3）電動車從（2）中的平衡點出發(fā)，30秒鐘內(nèi)行駛到蹺蹺板末端B處（車頭距蹺蹺板末端B不大于50mm）；（4）電動車在B點停止5秒后，1分鐘內(nèi)倒退回起始端A，完成整個行程；（5）在整個行駛過程中，電動車始終在蹺蹺板上，并分階段實時顯示電動車行駛所用的時間。852.發(fā)揮部分配重在可調(diào)整范圍內(nèi)任一指定位置，電動車完成以下運動：（1）電動車在距起始端A點300mm以外、90°扇形區(qū)域內(nèi)某一指定位置，能夠自動駛上蹺蹺板。如圖：862.發(fā)揮部分（2）取得平衡，給出明顯的平衡指示，并保持平衡5秒鐘以上；（3）將配重放置在A至C間指定的位置，電動車能夠重新取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5秒鐘以上；（4）電動車在3分鐘之內(nèi)完成（1）～（3）全過程。（5）其他。87二、F題競賽制作方案舉例

88F甲1024制作參賽方案團隊學生姓名及專業(yè)：

陳云：

生物醫(yī)學工程孫希偉：

軟件工程王小靜：生物醫(yī)學工程賽前指導老師：陳言俊秦峰王延偉文稿輔導老師：陳言俊1．系統(tǒng)方案1.1 系統(tǒng)設計與結構框圖根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由電源模塊，控制器模塊，電機驅(qū)動模塊，尋跡模塊微調(diào)模塊，語音模塊，顯示模塊，平衡檢測模塊，計時模塊等構成。系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示：F甲1024制作參賽方案90F甲1024制作參賽方案圖1系統(tǒng)設計圖911.2 方案論證

模塊選擇a.電源模塊：小車機動性12V電機供電鋰電池5V其它模塊供電+體積小，容量大DC－DC芯片F(xiàn)甲1024制作參賽方案92b.控制器選擇：

凌陽SPCE061簡易開發(fā)板F甲1024制作參賽方案93c.電機選擇：

方案一：采用步進電機

方案二：采用直流減速電機

轉(zhuǎn)動力矩大，速度大，體積小，重量輕，因而成為我們的最終選擇。

為防止小車下坡時慣性過大而滑出蹺蹺板，在滿足時間要求基礎上，我們選擇

50轉(zhuǎn)/min減速電機以求較大力矩。F甲1024制作參賽方案94d.電機驅(qū)動模塊：L298N

可方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。專用驅(qū)動芯片L298，響應頻率高，一片可控制兩個直流電機，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。F甲1024制作參賽方案95e.平衡檢測模塊:方案一：采用鉛垂線+光折斷器方案二：采用角度傳感器根據(jù)題目要求，平衡的定義為A、B兩端與地面的距離差d=|dA－dB|不大于40mm,即蹺蹺板的傾角要小于1.43o（arcsin(0.02/0.8)=1.43o）才能判定為平衡。ZCT245AL—485角度傳感器計算出符合平衡的定義時蹺蹺板的傾角要小于1.43o。

ZCT245AL—485能直接輸出角度值，精度為0.1o，15次/秒的測量頻率完全能滿足設計要求。采用鉛垂線+光折斷器，通過判斷垂線角度來判定平衡。但操作起來比較復雜，且誤差較大F甲1024制作參賽方案96f.尋跡模塊：光電傳感器方案一：通過開關型霍爾傳感器方案二：采用光電傳感器

采用一體化結構，利用黑、白線反射光的強弱尋跡，靈敏度高，體積小，且結構緊湊，安裝方便。g.微調(diào)模塊：

在小車位置調(diào)節(jié)達到一定程度后，很難更精密的控制它的移動距離，故我們增加微調(diào)模塊。即在小車上安裝一舵機，由它來控制一重物前后運動，以此來調(diào)節(jié)小車一側(cè)的力矩。F甲1024制作參賽方案97h.顯示模塊：數(shù)碼管顯示

速度快，亮度高，我們用其來顯示路程、時間及角度等數(shù)字信息，且為節(jié)省端口，采用了串口通信芯片CH451作為驅(qū)動。i.路程測量模塊：采用CCD鼠標

采用鼠標CCD攝像測距，安裝方便，穩(wěn)定性好，且精度高，可精確到0.1mm以內(nèi)。F甲1024制作參賽方案98j.無線模塊：

無線單片收發(fā)芯片nRF2401

通過無線模塊來實現(xiàn)小車與上位機的通訊，體積小、功耗少、外圍元件少，有助于減輕小車重量。F甲1024制作參賽方案1.3 實現(xiàn)方法鋁合金自制車體采用L298驅(qū)動直流減速電機實現(xiàn)行進，光電傳感器結合尋跡算法完成電動車尋線功能。利用角度傳感器的測量量作為被控量，實現(xiàn)電動車的閉環(huán)反饋控制，根據(jù)PID控制算法找到平衡點，這是本系統(tǒng)的核心部分。同時LED顯示模塊和PC無線通信模塊實現(xiàn)了良好的人機交互界面。我們確定的最終方案.F甲1024制作參賽方案1. 小車模塊：采用自制三角形車體結構2. 控制模塊：采用凌陽公司的SPCE061A單片機3. 電源模塊：采用鋰電池結合DC－DC芯片供電。4. 電機模塊：采用直流減速電機，由L298來驅(qū)動。5. 測角模塊：采用ZCT245AL—485角度傳感器。6. 微調(diào)模塊：采用舵機控制一重物在車上平滑緩慢移動來實現(xiàn)。7. 尋跡模塊：采用反射式光電傳感器。。8. 計時模塊：采用開2HZ中斷方式。9. 顯示模塊：采用LED顯示時間、路程及角度,由CH451作為驅(qū)動。10. 語音模塊：采用凌陽自帶語音功能。11. 測距模塊：采用CCD鼠標測距。12. 無線模塊：采用無線單片收發(fā)芯片nRF2401。F甲1024制作參賽方案1012.理論分析與算法實現(xiàn)a.尋跡測量與控制算法：第一，小車自動駛上蹺蹺板算法；第二，前進過程尋跡算法；第三，逆向行駛時尋跡算法。其中，登陸蹺蹺板的控制最為復雜。為此，我們分別在車頭、車體中央、車尾處安裝了3、2、3個對管。尋跡線的鋪設完全與算法相結合。然后根據(jù)讀入的對管狀態(tài)值，來調(diào)節(jié)小車的行駛狀態(tài)。F甲1024制作參賽方案ACB90o圖2 尋跡線

在車頭、車體中央、車尾處安裝了3、2、3個對管。尋跡線的鋪設完全與算法相結合。然后根據(jù)讀入的對管狀態(tài)值，來調(diào)節(jié)小車的行駛狀態(tài)。尋跡線的鋪設如下圖.F甲1024制作參賽方案圖3 對管安裝圖F甲1024制作參賽方案104b.平衡位置判定方法：

系統(tǒng)中，我們采用角度傳感器來測量小車與地面的夾角。

在小車由不平衡到平衡的過程中，蹺蹺板一定是處于振蕩狀態(tài)的。若在一段時間內(nèi)所測量到的角度值均在1.43o以內(nèi)，則判定小車平衡。F甲1024制作參賽方案SpS1ASpS1圖4 平衡計算示意

F甲1024制作參賽方案106最終采用的控制方法：通過精確距離測量，在平衡調(diào)整區(qū)根據(jù)當前讀到的角度來修正小車下一步的行進步長，通過微調(diào)模塊的微量調(diào)節(jié)，使小車逐步達到平衡。程序流程圖如下圖：F甲1024制作參賽方案3．電路與程序設計檢測與驅(qū)動電路設計

電機驅(qū)動模塊：尋跡模塊角度傳感器模塊顯示模塊無線模塊總體電路圖軟件設計與工作流程圖

F甲1024制作參賽方案108

圖7

主程序流程圖

模式選擇

A至C尋跡

找平衡，語音播報并延時5S

過C線否

C至B尋跡

停車并延時5S

原路返回

尋跡自動駛

上蹺蹺板

尋跡前進并

尋找平衡

停車延時5S

并語音播報

再次尋找平衡

平衡否

平衡否

到B點否否

停車延時5S

并語音播報

Y

N

N

Y

Y

N

N

Y

1094．功能測試與結果分析a.基本功能全部予以實現(xiàn)：A至C的時間：5sC處平衡時間：30sC處平衡角度：0.5度C至B時間：4sB至A時間：9sF甲1024制作參賽方案110b.發(fā)揮部分功能實現(xiàn)情況：帶配重平衡角度：0.6度自動上板時間：4s第一次平衡時間：36s移動配重第二次平衡時間：72sF甲1024制作參賽方案111c.創(chuàng)新發(fā)揮部分：

用CCD鼠標測量路程并由數(shù)碼管實時顯示，精度可達0.01cm；

通過無線收發(fā)芯片nRF2401與上位機實現(xiàn)通訊，在上位機上對蹺蹺板狀態(tài)形象化顯示；

無限次自動平衡功能。F甲1024制作參賽方案112煙臺答辯場外調(diào)試113北京復審答辯現(xiàn)場114復審結束留影索尼杯山大五個一等獎團隊代表陳云孫希偉王小靜團隊獲全國一等獎周景博高少銳嚴冰團隊獲全國一等獎都是二年級學生年份20052006200720082009合計賽事全國賽山東省賽全國賽山東省賽全國賽獎勵等級

國一國二省一省一省二國一國二省一省一省二國一國二省一獲獎數(shù)133672371545763參賽隊101616192081歷年電子競賽獲獎統(tǒng)計

謝謝大家舉例編號：F甲1011

數(shù)控直流電流源（F題）

于建水梁海運李春蕾

山東大學信息工程學院賽前輔導教師：陳言俊秦峰王延偉儀維文稿整理輔導教師：陳言俊1.系統(tǒng)設計1.1方案比較與論證根據(jù)題目的要求，系統(tǒng)可劃分為控制模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、電流源模塊、電源模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、測量模塊，另外增加了語音模塊。系統(tǒng)框圖如圖1：圖1系統(tǒng)框圖為實現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設計方案并進行了論證。電源模塊控制器模塊鍵盤模塊語音模塊顯示模塊電壓轉(zhuǎn)換模塊電流源模塊測量模塊控制器模塊方案1：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，體積小，穩(wěn)定性高，IO資源豐富，易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需復雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)處理的速度要求也不高。因此我們放棄了這個方案。方案2：采用單片機作為控制器。我們選擇了凌陽公司的SPCE061A，它是16位微處理器，具有體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點，內(nèi)嵌32k字閃存FLASH，處理速度高，尤其適用于數(shù)字語音播報和識別等應用領域。1.1.2電流源模塊方案1：晶體管恒流源。這類恒流源以晶體三極管為主要組成器件,利用晶體三極管集電極電壓變化對電流影響小,并在電路中采用電流負反饋來提高輸出電流之恒定性。通常,還采用一定的溫度補償和穩(wěn)壓措施。晶體管恒流源雖然能得到恒定的電流，但是得到的電流較小，根本達不到2000mA的要求，而且不容易程控和步進。方案2：采用集成穩(wěn)壓器構成的開關恒流源電路。開關恒流源電路雖然能實現(xiàn)題目的基本要求，但還存在兩個主要問題：對電流的程控步進通過改變滑阻來實現(xiàn)，只能采用數(shù)字電位器，數(shù)字電位器不僅價格昂貴，而且本題基本要求步進10mA，發(fā)揮部分要求1mA，用數(shù)字電位器達不到如此高的精度；輸出電流中存在7805的靜態(tài)電流，當輸出電流比較大是影響很小，但輸出電流到底限20mA時，10mA的靜態(tài)電流已經(jīng)太大了。方案3：集成運放反饋型恒流源。集成運算放大器是一種高增益的直流放大器，一般工作在閉環(huán)狀態(tài)，只要外接少數(shù)幾個電阻，就可以構成具有深度負反饋的放大器，因而可用作恒流源。通過負反饋作用,便加到比較放大器兩個輸入端的電壓相等,從而保持輸出電流的恒定。（見圖2）圖2集成運放構成的恒流源電路在反饋型恒流源電路中，用集成運放做比較器，其各項性能指標都得到顯著改善。以上幾種恒流源結構簡單,可靠性高,調(diào)整方便,在科研中已得到了應用。但是經(jīng)過綜合比較，方案3更能達到題目要求。1.1.3電壓轉(zhuǎn)換模塊要程控電流的變化，必須改變電壓。我們選擇電壓型DA轉(zhuǎn)換器件。DA的精度取決于題目的要求。本題基本要求是200mA－2000mA，步進10mA，分辨度是（2000－200）/10=180,普通的8位DA分辨度是2^8－1＝255，已經(jīng)滿足要求。發(fā)揮部分要求是20mA－2000mA，步進1mA，分辨度為（2000－20）/1=1980,10位DA分辨度是2^10－1=1023,達不到如此高的精度，12位DA分辨度為2^12－1=4095，滿足了要求。因為無論怎樣解決，不可避免的都要存在誤差，因此要做的精度比要求的略高才能保證精確步進1mA，12位DA對于步進1mA還是有小的誤差，因此選擇了16位DA，盡量使誤差變得更小。測量模塊方案1：電路中串入電流表表頭測量。這種方案簡單易行，但需要人工讀數(shù)，而且電流范圍較寬，只用一個量程無法實現(xiàn)精確讀數(shù)，采用多量程又很麻煩。方案2；采用AD轉(zhuǎn)換測量電流。把發(fā)射極所接電阻作為采樣電阻，對電壓進行采樣，把數(shù)據(jù)傳輸給單片機處理并送顯示模塊顯示。綜合比較之后，選擇方案2。電源模塊題目需要輸出2000mA的電流，因此需要較大的電源功率。語音模塊方案1：選擇專門的語音存儲芯片，通過單片機控制放音。只能進行簡單的放音，不能實現(xiàn)復雜功能。方案2：利用61單片機進行存儲和放音。凌陽61單片機是16位單片機，具有DSP功能，有很強的信息處理能力，最高時鐘可達49MHz，具備運算速度高的優(yōu)勢等，這些都為語音的播放、錄放、合成和辨識提供了條件。

為了顯示出凌陽單片機的優(yōu)勢，我們選擇方案2。顯示模塊方案1：采用LED數(shù)碼管顯示。按題目要求，至少要用4位動態(tài)數(shù)碼管顯示，這樣要占去大量的IO資源，而且數(shù)碼管只能顯示有限的數(shù)字和符號。方案2：采用帶字庫LCD顯示。為了避免占用大量的IO口，我們采用串行傳輸，雖然編程難度增大，但是節(jié)省了IO資源，避免外擴IO，減少了硬件電路的制作。LCD可以用全中文界面顯示，顯示內(nèi)容豐富，易于人機交流。

因此，我們采用方案2。1.1.8鍵盤模塊根據(jù)題目要求，我們需要4×4鍵盤。方案1：由于61A單片機內(nèi)有下拉電阻，所以IO可以直接接4×4鍵盤，單片機掃描讀取。優(yōu)點是電路簡單，接口方便，但占用了較多IO口，而且必須編寫去抖程序，容易誤碼。方案2：采用并行鍵盤控制芯片8279。8279是總線型數(shù)碼管和鍵盤管理芯片，對于61單片機來說編程比較麻煩，而且是并行工作方式，占用相當多的IO口，這是最大的缺點。方案3：采用串行鍵盤控制芯片7289。功能強大，只占用較少IO口，讀取精確，雖然增加編程復雜度，也是值得的。

因此，我們選用方案3。1.2方案選定經(jīng)過仔細的分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的方案如下：控制模塊：采用凌陽SPCE061A16位單片機；電流源模塊：采用集成運放反饋型電流源方案1；DA模塊：采用16位DA芯片控制電壓轉(zhuǎn)換；測量模塊：采用12位AD芯片采樣電壓轉(zhuǎn)換成電流；電源模塊：采用大功率和小功率雙電源分開供電；語音模塊：采用61單片機進行存儲和放音顯示模塊：采用帶字庫的液晶顯示，串行傳輸方式；鍵盤模塊：采用串行鍵盤控制芯片7289。2單元電路設計

2.1電流源電路的設計

我們論證了兩種集成運放構成的深度負反饋恒流源電路，電路原理分別如圖3和圖4所示。圖3電流源電路設計1圖4電流源電路設計2圖3中采用了電阻浮置而負載接地，因為浮置而需要兩個反饋電阻和，常規(guī)的反饋用于電流采樣，而接至的另一端用于提供基準電壓。若不用，則與負載均成為采樣電阻，就會和有關，不能成為恒流源。恒流源輸出電流與線路參數(shù)如下：此電路為同向輸入電路，由其性質(zhì)可列出方程(2)(1)圖4所示電路，D/A輸出電壓作為恒流源的參考電壓，運算放大器與晶體管組成的達林頓電路構成電壓跟隨器。利用晶體管平坦的輸出特性即可得到恒流輸出。由于跟隨器是一種深度的電壓負反饋電路，因此電流源具有較好的穩(wěn)定性。采用5.1水泥電阻，使其溫度影響減至較小。由虛短和虛斷原則可知，流過采樣電阻的電流為運放同向端電壓比阻值由三極管的性質(zhì)，流過負載的電流，,所以。負載電流只與固定參數(shù)有關，比較適合我們的設計。

圖5最終確定的恒流源方案DA電路的設計 我們選擇了16位電壓型DA芯片AD669，它的外圍電路非常簡單。DA能達到的精度：（10*1000）因為我們采用了一路DA控制兩路并聯(lián)的恒流源，使精度降低了一倍，,因此我們可以步進的最小步長為0.061mA，在實驗中得到了驗證。此精度比題目的要求增加了數(shù)倍，而且步進1mA更精確。

2.3測量電路的設計基本要求中電流的變化為200mA－2000mA，步進10mA，精度是（2000－200）/10=180,普通的8位AD精度是2^8－1＝255，已經(jīng)滿足要求。發(fā)揮部分要求是20mA－2000mA，步進1mA，精度為（2000－20）/1=1980,10位AD精度是2^10－1=1023,達不到如此高的精度，12位AD精度為2^12－1=4095，因此我們選擇12位的AD574。

圖612位AD芯片AD574的接口電路設計圖7兩路電壓跟隨器電路2.4電源的設計由于電流源消耗的功率太大，而除電流源外都是一些低功率的器件，因此我們采用了雙電源供電的方案。小功率的電源提供單片機5V電源，集成運放、DA、AD的V電源和風扇的12V電源，我們的變壓器的功率為15W，應已經(jīng)足夠。提供輸出電流的電源部分，大電流時電流源消耗的功率約為10×2×2＝40W，電壓約為10×2＝20V，應留有一定的余量，因此選擇24V的穩(wěn)壓源。2.5液晶顯示電路的設計為了節(jié)省寶貴的