智能電子產品設計與制作課程簡介本門課程主要任務：通過電子產品實際的制作的過程，掌握電子產品設計的一般步驟和方法，從而掌握電子產品在設計和制作的過程中應掌握的知識和技能。為在今后從事專業工作打下堅實的基礎。課程簡介學時：64學時課業評價方式：總成績=實際作品（50%）+設計報告（30%）+過程考核（20%），作品在制作的過程中，有分階段檢查，根據制定的計劃，進行檢查。一、電子系統設計的基本方法傳統的電子系統設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。系統常用的“積木塊”是固定功能的標準集成電路，如運算放大器、74/54系列（TTL）、4000/4500系列（CMOS）芯片和一些固定功能的大規模集成電路。設計者根據需要選擇合適的器件，由器件組成電路板，最后完成系統設計。傳統的電子系統設計只能對電路板進行設計，通過設計電路板來實現系統功能。電子系統已進入數字時代。在計算機、移動通信、VCD、HDTV、軍用雷達、醫用CT儀器等設備中，數字技術與數字電路構成的數字系統已經成為構成這些現代電子系統的重要部分。進入到20世紀90年代以后，EDA（電子設計自動化）技術的發展和普及給電子系統的設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，正在成為電子系統設計的主流。采用微控制器、可編程邏輯器件通過對器件內部的設計來實現系統功能，是一種基于芯片的設計方法。設計者可以根據需要定義器件的內部邏輯和管腳，將電路板設計的大部分工作放在芯片的設計中進行，通過對芯片設計實現電子系統的功能。靈活的內部功能塊組合、管腳定義等，可大大減輕電路設計和電路板設計的工作量和難度，有效地增強設計的靈活性，提高工作效率。同時采用微控制器、可編程邏輯器件，設計人員在實驗室可反復編程，修改錯誤，以期盡快開發產品，迅速占領市場。基于芯片的設計可以減少芯片的數量，縮小系統體積，降低能源消耗，提高系統的性能和可靠性。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的設計和生產。可以實現無芯片EDA公司，專業從事IP模塊生產。也可以實現無生產線集成電路設計公司的運作。可以說，當今的電子系統設計已經離不開微控制器、可編程邏輯器件和EDA設計工具。二、現代電子系統的設計方法1.“Bottom-up”（自底向上）設計方法傳統的電子系統設計采用“

Bottom-up”（自底向上）設計方法，設計步驟如圖2.“Top－down”（自頂向下）設計方法現代電子系統的設計采用“

Top－down”（自頂向下）設計方法，設計步驟如圖6.1.2所示。在“

Top－down”（自頂向下）的設計方法中，設計者首先需要對整個系統進行方案設計和功能劃分，擬訂采用一片或幾片專用集成電路ASIC來實現系統的關鍵電路，系統和電路設計師親自參與這些專用集成電路的設計，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）現場編程實現。在“

Top－down”（自頂向下）的設計中，行為設計確定該電子系統或VLSI芯片的功能、性能及允許的芯片面積和成本等。結構設計根據系統或芯片的特點，將其分解為接口清晰、相互關系明確、盡可能簡單的子系統，得到一個總體結構。這個結構可能包括信號處理，算術運算單元、控制單元、數據通道、各種算法狀態機等。邏輯設計把結構轉換成邏輯圖，設計中盡可能采用規則的邏輯結構或采用經過考驗的邏輯單元或信號處理模塊。電路設計將邏輯圖轉換成電路圖，一般都需進行硬件仿真，以最終確定邏輯設計的正確性。版圖設計將電路圖轉換成版圖，如果采用可編程器件就可以在可編程器件的開發工具時進行編程制片。“Top－down”（自頂向下）設計方法的設計步驟3.設計的劃分與步驟采用“

Bottom-up”（自底向上）設計方法或者“

Top－down”（自頂向下）設計方法，一般都可以將整個設計劃分為系統級設計、子系統級設計、部件級設計、元器件級設計4個層次。對于每一個層次都可以采用3步進行考慮。例如設計一個數字控制系統，行為描述與設計完成傳遞函數和邏輯表達式，結構描述與設計完成邏輯圖和電路圖，物理描述與設計確定使用的元器件、印制板設計、安裝方法等。4.設計中應注意的一些問題在設計中采用“

Top－down”（自頂向下）設計方法必須注意以下問題：（1）在設計的每一個層次中，必須保證所完成的設計能夠實現所要求的功能和技術指標。注意功能上不能夠有殘缺，技術指標要留有余地。（2）注意設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。完成一個設計，存在從下層向上層多次反饋修改的過程。（3）功能和技術指標的實現采用子系統、部件模塊化設計。要保證每個子系統、部件都可以完成明確的功能，達到確定的技術指標。輸入輸出信號關系應明確、直觀、清晰。應保證可以對子系統、部件進行修改與調整以及替換，而不牽一發動全身。（4）軟硬件協同設計，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/硬件協同設計的一般流程如圖所示。三、電子作品設計制作步驟1題目選擇選擇題目按照如下原則進行：1、明確設計任務，即“做什么？”。選擇題目應注意題目中不應該有知識盲點，即要能夠看懂題目要求。2、明確系統功能和指標，即“做到什么程度？”。3、要確定是否具有完成該設計的元器件、最小系統、開發工具、測量儀器儀表等條件。2系統方案論證題目選定后，需要考慮的問題是如何實現題目的各項要求，完成作品的制作，即需要進行方案論證。方案論證可以分為總體實現方案論證、子系統實現方案論證、部件實現方案論證幾個層次進行。1）.確定設計的可行性方案論證最重要的一點是要確定設計的可行性，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）設計、制作的可行性？如難度如何？本組隊員是否可以完成？設計的可行性需要查閱有關資料，充分地進行討論、分析比較后才能確定。在方案設計過程中要要提出幾種不同的方案，從能夠完成的功能、能夠達到的技術性能指標、元器件材料采購的可能性和經濟性、采用元器件、設計技術的先進性、以及完成時間等方面進行比較，要敢于創新，敢于采用新器件新技術，對上述問題經過充分、細致的考慮和分析比較后，擬訂較切實可行的方案。

2）.明確方案的內容

（l）系統的外部特性系統具有的主要功能？引腳數量？功能？輸入信號和輸出信號形式（電壓？電流？脈沖？等）、大小（量級？）、相互之間的關系？輸入信號和輸出信號相互之間的關系？函數表達式？線性？非線性？測量儀器儀表與方法？（2）系統的內部特性系統的基本工作原理？系統的實現方法？數字方式？模擬方式？數字模擬混合方式？系統的方框圖？系統的控制流程？系統的硬件結構？系統的軟件結構？系統中各子系統、部件之間的關系？接口？尺寸？安裝方法？3安裝制作與調試安裝制作與調試是保證設計是否成功的重要環節。（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？最小系統的采用？微控制器？可編程邏輯器件?印制板設計與制作？低頻？高頻？數字？模擬？數模混合？地？EMC？子系統、部件安裝制作的順序？（2）調試需要考慮的問題有：調試參數？調試方法？調試需要的儀器與儀表？軟件/硬件的協同？修改軟件？修改硬件？測量數據的記錄與處理？建議的安裝制作與調試步驟四、子系統的設計制作步驟1單片機與可編程邏輯器件子系統設計步驟在電子設計競賽中，作為控制器，單片機與可編程邏輯器件應用非常普遍，其設計過程可以分為明確設計要求、系統設計、硬件設計與調試、軟件設計與調試、系統集成等步驟。設計的第1步是明確設計要求，確定系統功能與性能指標。一般情況下，單片機與可編程邏輯器件最小系統是整個系統的核心，需要確定最小系統板的功能、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系。最小系統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，信號調理等電路需要自己設計制作。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計在一塊電路板上，這一部分內容可以在競賽前進行設計與制作，在競賽中根據需要進行修改。軟件開發工具需要與所選擇的硬件配套，軟件設計需要對軟件功能進行劃分，需要確定數學模型，算法、數據結構、子程序等程序模塊。軟件開發工具的使用需要在競賽前進行培訓。常用的一些程序如系統檢測、顯示器驅動、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試，在競賽中根據需要進行修改。系統集成完成軟件與硬件聯調與修改。在軟件與硬件聯調過程中，需要認真分析出現的問題，軟件設計人員與硬件設計人員需要進行良好的溝通，一些問題如非線性補償、數據計算、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，在軟件設計與硬件設計之間需要尋找一個平衡點。2數字/模擬子系統設計步驟數字/模擬子系統的設計過程其步驟大致分為：明確設計要求，確定設計方案和進行電路設計制作、調試等步驟。在電子設計競賽中，數字子系統多采用單片機或者大規模可編程邏輯器件實現，但也可以74/40等系列的數字集成電路實現，本節討論的數字子系統是基于74/40等系列數字集成電路的。從第1章的題目分析可見，模擬與數字混合的題目占多數。模擬子系統也是作品的重要組成部分，設計制作通常包含有模擬輸入信號的處理，模擬輸出信號、與數字子系統、單片機、可編程器件子系統之間的接口等電路。1）.明確設計要求（1）對于數字子系統，需要明確的設計要求有：子系統的輸入和輸出？數量？信號形式？模擬？TTL？CMOS？負載？微控制器？可編程器件？功率驅動？輸出電流？時鐘？毛刺？冒險競爭？實現器件？（2）對于模擬子系統，需要明確的設計要求有：輸入信號的波形和幅度、頻率等參數？輸出信號的波形和幅度、頻率等參數？系統的功能和各項性能指標？如增益、頻帶、寬度、信噪比、失真度等？技術指標的精度、穩定性？測量儀器？調試方法？實現器件？2）.確定設計方案對于數字電路占主體的系統，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、小規模的數字集成電路，中、小規模數字集成電路制作作品時非常麻煩，可靠性也差。模擬子系統的設計方案與所選擇的元器件有很大關系。我們的建議是：a．根據技術性能指標、輸入輸出信號關系等確定系統方框圖；b.在子系統中，合理的分配技術指標，如增益、噪聲、非線性等。將指標分配到方框圖中的各模塊，技術參數指標要定性和定量。c.要注意各功能單元的靜態指標與動態指標、精度及其穩定性，應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、負載效應及電源內阻、地線電阻、溫度等對系統指標的影響。e.合理的選擇元器件，應盡量選擇通用、新型、熟悉的元器件。應注意元器件參數的分散性，設計時應留有余地。f.要事先確定參數調試與測試方法、儀器儀表、調試與測試點，以及相關的數據記錄與處理方法。五、設計總結報告設計總結報告的評分項目由方案設計與論證、理論計算、電路圖及設計文件、測試方法與數據、結果分析、設計總結報告的工整性等六個方面組成。設計總結報告中應包含以下內容：1、題目名稱題目名稱是選擇的設計作品的名稱2、摘要摘要是對設計總結報告的總結，摘要一般在300字左右。摘要的內容應包括目的、方法、結果和結論，即應包含設計的主要內容、設計的主要方法和設計的主要創新點。摘要中不應出現“本文、我們、作者”之類的詞語。英文摘要內容應與中文相對應；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：”。關鍵詞一般選3～8個關鍵詞。中、英文關鍵詞應—一對應。中文前冠以“關鍵詞：”，英文前冠以“keywords：”。3、目錄目錄包括設計總結報告的章節標題、附錄的內容，以及章節標題、附錄的內容所對應的頁碼。1......…...（第1級）

1.1.........（第2級）

1.1.1.........（第3級）（1）………（第4級）①............（第5級）

a.......………（第6級）

………............。4、正文正文是設計總結報告的核心。設計總結報告正文的主要內容包含有：系統設計、單元電路設計、軟件設計、系統測試、結論。（1）系統設計在系統設計這一章節中，主要介紹系統設計思路與總體方案的可行性論證，各功能塊的劃分與組成，介紹系統的工作原理或工作過程。應注意的是：在總體方案的可行性論證中，應提出幾種（2～3種）總體設計方案進行分析與比較，總體設計方案的選擇既要考慮它的先進性，又要考慮它的實現的可能性。（2）單元電路設計在單元電路設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計，并對電路中的有關參數進行計算及元器件的選擇等。應注意的是：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，應注意元器件符號、參數標注、圖紙頁面的規范化。如果采用仿真工具進行分析，可以將仿真分析結果表示出來。

（3）軟件設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，應注意介紹軟件設計的平臺、開發工具和實現方法，應詳細地介紹程序的流程方框圖、實現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）系統測試詳細介紹系統的性能指標或功能的測試方法、步驟，所用儀器設備名稱、型號，測試記錄的數據和繪制圖表、曲線。應注意的是：要根據競賽題目的技術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電源方式的數控電源，如果選擇的示波器是低頻示波器，所測試的一些參數是會有問題的。測試的數據要以表、圖或者曲線的形式表現出來。（5）結論對作品的測試的結果和數據進行分析和計算，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、結論性評價，也就是說要有一個結論性的意見。5、參考文獻參考文獻部分應列出在設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、學位論文、報告

[序號]主要責任者（.）文獻題名［專著（[M].）；論文集（[C].）；學位論文（[D].）；報告（[R].）］（.）出版地（：）出版者（，）出版年（.）起止頁碼（.）b．期刊文章

[序號]主要責任者（.）文獻題名（[J].）刊名（，）年（，）卷（期）（：）起止頁碼（．）c．國際、國家標準

[序號]標準編號（，）標準名稱（[S]）參考文獻中的作者是英語拼寫的，應是姓在前，名在后。參考文獻在正文中應標注相應的引用位置，在引文后的右上角用方括號標出。6、附錄附錄包括元器件明細表、儀器設備清單、電路圖圖紙、設計的程序清單、電路使用說明等。應注意的是：元器件明細表的欄目應包含有：①序號、②名稱、型號及規格（例如：電阻器RJ14-0.25W-510Ω±5%）、③數量、④備注（元器件位號）。儀器設備清單的欄目應包含有：①序號、②名稱、型號及規格、③主要技術指標、④數量、⑤備注（儀器儀表生產廠家）。電路圖圖紙要注意選擇合適的圖幅大小、標注欄。程序清單要有注釋，總的和分段的功能說明等。7、字體要求

一級標題：小二號黑體，居中占五行，標題與題目之間空一個漢字的空。二級標題：三號標宋，居中占三行，標題與題目之間空一個漢字的空。三級標題：四號黑體，頂格占二行。標題與題目之間空一個漢字的空。四級標題：小四號粗楷體，頂格占一行。標題與題目之間空一個漢字的空。標題中的英文字體均采用TimesNewRoman體，字號同標題字號。四級標題下的分級標題的標題字號為五宋。所有文中圖和表要先有說明再有圖表。圖要清晰、并與文中的敘述要一致，對圖中內容的說明盡量放在文中。圖序、圖題（必須有）為小五號宋體，居中排于圖的正下方；表序、表題為小五號黑體，居中排于表的正上方；圖和表中的文字為六號宋體；表格四周封閉，表跨頁時另起表頭。圖和表中的注釋、注腳為六號宋體；數學公式居中排，公式中字母正斜體和大小寫前后要統一。公式另行居中，公式末不加標點，有編號時可靠右側頂邊線；若公式前有文字，如例、解等，文字頂格寫，公式仍居中；公式中的外文字母之間、運