电子工程设计3选题参考

电子工程设计-3选题参考电子工程设计训练中心2013.2-1-电子工程设计-3题目选择参考电子工程设计-3提供12个设计项目，另外学生还可以自拟设计项目，经任课教师审核合格予以实施。所有设计项目根据技术含量高低及工作量大小分配0.8-1.2之间的难度系数，供成绩评定时参考。经过电子工程设计-1、电子工程设计-2的基本训练，学生已经具备了一定的项目实施能力。电子工程设计-3的教学中，学生需要根据个人已有的基础及兴趣爱好选择设计项目，并按照个人的情况进行项目实施的内容及时间安排。在课表规定的上课时间，任课教师负责答疑、解决问题，材料室发放材料。实验室提供的设计项目分为系统设计和系统扩展二大类，共计12个。系统设计类的项目需要从头开始设计一个全新的项目，系统扩展类项目是在已完成的闭环温度控制系统的基础上进行功能扩展设计。所有设计项目均围绕“闭环温度控制系统”的内容展开，以便继承电子工程设计1、电子工程设计2完成的“闭环温度控制系统”的概念和经验，同时实验室也能够提供完善的调试与评价手段。为便于学生选择与实施设计项目，下面对各项目的内容、要求及知识背景等做简要的介绍，作为学生的选题参考。-2-一、系统设计类项目系统设计类项目仍然以“闭环温度控制”为主题，但是在传感器信号处理、数据访问方式、数据处理方式、输出控制方式等方面与已完成的“闭环温度控制系统”相比有所不同。1、基于SPI/I2C总线的闭环温度控制系统设计1-1项目简介全部采用串行数据访问方式进行各部件之间的数据交换，实现闭环温度控制的功能。控温范围0℃-100℃，控制执行部件仍然为半导体制冷片。串行数据访问以具有串行数据访问接口的部件为基础，主要包括三个部分，模/数转换、数/模转换、人机交互。对比电子工程设计-1、电子工程设计-2完成的闭环温度控制系统，该项目主要完成的工作是将并行数据访问模/数转换、数/模转换、静态人机交互等电路替换为相应的串行数据访问电路的设计。另外为保证项目具有满足教学要求的难度和工作量，要求采用T型热电偶作为测温元件。1-2知识背景：串行数据传输是电子系统中主要的数据访问方式之一。可以简化电路设计，缩小系统规模、降低项目成本。因此在并行数据访问的应用系统中使用的大多数器件都有相应的串行数据接口版本。例如：TLC0831即是ADC0804的串行数据接口版本；TLC5620是一款串行数据接口的4通道电压输出型DAC；CH452则是一款串行数据接口的人机交互控制专用集成电路；还有DS18B20是一款数字化串行接口的温度传感器等等。用串行器件实现一个应用系统与并行器件相比仅仅是程序设计上有区别，电路设计则大同小异，“同”是外围的信号处理电路相同，“异”是数据接口由并行改为串行。1-3基本要求⑴使用T型热电偶测温，范围：0℃-100℃。⑵模/数、数/模、人机交互等主要电路采用串行数据访问的集成电路。⑶所有串行数据访问采用C8051F023单片机支持的SPI总线或MSBus（I2C）总线实现。⑷实现闭环温度控制，±2℃以内。1-4实验室提供的开发条件⑴主要元器件TLC0831单通道8BitADC支持SPI接口数据访问TLC56204通道8BitDAC支持SPI接口数据访问CH452人机交互控制集成电路支持I2C接口数据访问PCF8563实时钟电路支持I2C接口数据访问C8051F023单片机模块支持SPI、I2C串行总线数据访问-3-⑵调试环境EDT08B闭环温度控制调试环境SilabIDEC8051F系列单片机程序集成开发环境1-5主要工作内容⑴设计并实现测温范围为0℃-100℃的热电偶信号处理电路。⑵熟悉串行数据访问总线SPI和I2C的操作方法。⑶设计各串行接口器件利用SPI和I2C总线的访问方法及程序。⑷重新进行C8051F023单片机的接口配置使之具备SPI、I2C接口的访问能力。并更新设备配置文件Init_Device。1-6主要难点⑴SPI和I2C总线数据访问的实现。⑵需要阅读较多英文芯片资料。⑶难度系数1.1。1-7成绩评定标准⑴热电偶变送器15⑵CH452人机交互或PCF8563定时启动温度控制①10⑶串行接口ADC实现温度显示15⑷串行接口DAC手动控制度温10⑸闭环温度控制②10⑹报告+答辩30+101-8电路接口说明单片机应用电路+5V+5VDGNDDGNDAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7RDINT0CS0CS1CS2CS3CS4CS5A0A1A2A3WRALE+12V+12VAGNDAGND-12V-12VSDASCLSCKMISOMOSINSS1NSS2NSS3INT1T1RSTT0TXRXCAN_LCAN_HSIDSODCLK18B20IO0IO1IO2IO3IO4IO5IO6IO7图1-1.单片机电路板接口定义①采用CH452（I2C总线）设计人机交互单元或使用PCF8563扩展定时启动温度控制的功能。②该项完成⑴-⑷项自动得分。-4-图1-1是单片机电路板接口的完整定义，题目1主要使用其中的SPI和I2C串行总线接口信号。如果前期并未使用这些信号，这些引脚可能还没有与单片机相应的口线相连，在使用之前需要先将单片机的SPI和I2C串行总线接口信号与这些引脚连通。其中NSS1-NSS3为SPI总线设备的片选信号，可以取自单片机的I/O引脚。如果没有空余的I/O引脚供使用，则需要更改配置文件，去掉一些不用的信号，释放足够的I/O引脚供片选信号使用。-1-2、采用多种测温元件的3通道闭环温度控制系统设计2-1项目简介采用3种测温元件同时对3个温度控制执行部件实施闭环温度控制，控温范围：0℃-100℃。3种测温元件分别为铂电阻温度传感器pt100、T型热电偶测温传感器和数字式一线温度计DS18B20。温度控制执行部件为半导体制冷片。对比电子工程设计第1、2阶段已经完成的温度控制系统，该项目工作内容的不同之处在于：为新采用的测温元件设计信号处理电路和数据采集方法，增加2个模/数转换通道和3个数/模转换通道的设计。2-2知识背景测温元件有很多种类，本项目要求使用的是较为典型的类型，分别为电压型（T型热电偶），电抗型（pt100），数字型（DS18B20），除去数字型之外均需要设计信号处理电路。不同类型的测温元件应用是本项目的重点之一。多通道模/数转换和数/模转换的实现是本项目的另一个重点。多通道模/数转换通常使用分时复用技术，并辅以模拟多路开关进行通道切换。多通道数/模转换必须使用多个具有独立输出的DAC部件实现。实验室提供的单片机C8051F023内建二个带8路模拟开关的ADC部件，可用于多通道模/数转换。C8051F023还内建有二个独立的ADC部件，可实现二路独立的DAC转换。另外C8051F023提供的可编程计数器阵列PCA还可以产生5路PWM输出作为模拟量输出的功能选项。可以从成本、难易、个人特长等方面综合考虑，制订多通道模拟量输入/输出的方案。2-3基本要求⑴使用Pt100、T型热电偶、DS18B20进行测温，范围：0℃-100℃。⑵3个测温元件与3个半导体制冷片各组成1个闭环系统实现温度的平稳控制，误差±2℃以内。2-4实验室提供的开发条件⑴主要元器件ADC0804并行接口，8bit，单路ADCDAC0832并行接口，8bit，单路DACTLC5620串行接口，8bit，四路电压输出DACCD40518选1模拟开关C8051F0238bitADC（8通道）1个，10bitADC（8通道）1个10bitDAC（单路）2个，PCA（可产生PWM波）5个⑵调试环境EDT08B闭环温度控制调试环境SilabIDEC8051F系列单片机程序集成开发环境-2-2-5主要工作内容⑴设计并实现热电偶、铂电阻的信号处理电路。⑵设计DS18B20的访问方法及操作程序。⑶设计并实现多通道模拟量输入/输出电路。⑷设计三路闭环温度控制程序。⑸如有必要，对C8051F023的接口重新配置，使之具有多路模拟输入/输出的能力，并更新设备配置文件Init_Device。2-6主要难点⑴掌握多种测温元件的性能及其测温信号的处理。⑵如果使用C8051F023内建模拟量输入/输出部件的话，需掌握这些部件的使用方法。⑶硬件实现工作量较大。⑷不使用C8051F内建模拟I/O部件：难度系数1.1。使用C8051F内建模拟I/O部件：难度系数1.2。2-7成绩评定标准⑴1路数字测温显示20⑵2路模拟测温显示20⑶3路手动温度控制10⑷闭环温控①10⑸报告+答辩30+102-8电路接口说明单片机应用电路+5V+5VDGNDDGNDAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7RDINT0CS0CS1CS2CS3CS4CS5A0A1A2A3WRALE+12V+12VAGNDAGND-12V-12VSDASCLSCKMISOMOSINSS1NSS2NSS3INT1T1RSTT0TXRXCAN_LCAN_HSIDSODCLK18B20IO0IO1IO2IO3IO4IO5IO6IO7图2-1.单片机电路板接口定义图2-1是单片机电路板接口的完整定义，题目2使用了一线温度计DS18B20作为测温①该项完成⑴-⑷项自动得分。-3-元件，DS18B20不需要变送器和摸/数转换电路，其信号输出直接与单片机电路板右侧插座的“18B20”引脚相连，单片机直接从该引脚获得DS18B20的温度数据输出。如果使用单片机内部的ADC或DAC，则需要更改配置文件，去掉一些不用的信号，释放足够的I/O引脚供ADC输入信号和DAC输出信号使用。-1-3、采用FPGA/CPLD设计并实现闭环温度控制系统3-1项目简介采用超大规模可编程器件（FPGA/CPLD）设计闭环温度控制系统的核心单元。换句话说，用超大规模可编程器件（FPGA/CPLD）代替闭环温度控制系统的单片机，完成数据采集、数据处理、人机交互、控制输出等工作，实现闭环温度控制。除去模拟量输出之外，原温度控制系统已实现的所有单元均可沿用。3-2知识背景超大规模可编程器件（FPGA/CPLD）是一种可以由用户决定其最终功能的数字集成电路产品。在专用的开发平台上，借助EDA技术，采用专用的硬件描述语言，可以实现超大规模专用数字集成电路（ASIC）的设计。超大规模可编程器件具有足够的集成度，完全可以设计成为一款功能齐全的单片机产品，替代单片机完成过程控制的工作。3-3基本要求⑴采用FPGA/CPLD设计闭环温度控制系统，控温范围：0℃-100℃，误差±2℃。⑵采用PWM作为模拟输出量，控制半导体制冷片的制冷/制热功率，实现温度控制。3-4实验室提供的开发条件⑴主要元器件：暂无法提供⑵调试环境EDT08B闭环温度控制调试环境QuartusIIFPGA/CPLD集成开发环境3-5主要工作内容⑴学习QuartusIIFPGA/CPLD集成开发环境的使用。⑵掌握FPGA/CPLD芯片性能，为其设计与已有电路模块的接口方案。⑶采用硬件描述语言实现全部控制逻辑，完成对所有外围电路模块的控制。⑷设计PWM输出功能，代替原温度控制系统中的DAC模块对半导体制冷片实施控制。3-6主要难点⑴FPGA/CPLD与外围部件进行数据交换的设计。⑵需要掌握英文开发环境的使用。⑶难度系数1.2。3-7成绩评定标准⑴LED显示及键盘控制20⑵温度测量及显示15⑶采用PWM实现温度控制15⑷闭环温度控制①10⑸报告30①该项完成⑴-⑶项自动得分。-2-3-8电路接口说明单片机应用电路+5V+5VDGNDDGNDAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7RDINT0CS0CS1CS2CS3CS4CS5A0A1A2A3WRALE+12V+12VAGNDAGND-12V-12VSDASCLSCKMISOMOSINSS1NSS2NSS3INT1T1RSTT0TXRXCAN_LCAN_HSIDSODCLK18B20IO0IO1IO2IO3IO4IO5IO6IO7图3-1.单片机电路板接口定义图3-1是单片机电路板接口的完整定义，题目3仅使用FPGA/CPLD替换单片机