智能电子产品设计与制作

智能电子产品设计与制作课程简介本门课程主要任务：通过电子产品实际的制作的过程，掌握电子产品设计的一般步骤和方法，从而掌握电子产品在设计和制作的过程中应掌握的知识和技能。为在今后从事专业工作打下坚实的基础。课程简介学时：64学时课业评价方式：总成绩=实际作品（50%）+设计报告（30%）+过程考核（20%），作品在制作的过程中，有分阶段检查，根据制定的计划，进行检查。一、电子系统设计的基本方法传统的电子系统设计一般是采用搭积木式的方法进行，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”是固定功能的标准集成电路，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。设计者根据需要选择合适的器件，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行设计，通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、移动通信、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已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）技术的发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发展。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、可编程逻辑器件通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。设计者可以根据需要定义器件的内部逻辑和管脚，将电路板设计的大部分工作放在芯片的设计中进行，通过对芯片设计实现电子系统的功能。灵活的内部功能块组合、管脚定义等，可大大减轻电路设计和电路板设计的工作量和难度，有效地增强设计的灵活性，提高工作效率。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，修改错误，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，缩小系统体积，降低能源消耗，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生产。可以实现无芯片EDA公司，专业从事IP模块生产。也可以实现无生产线集成电路设计公司的运作。可以说，当今的电子系统设计已经离不开微控制器、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，设计者首先需要对整个系统进行方案设计和功能划分，拟订采用一片或几片专用集成电路ASIC来实现系统的关键电路，系统和电路设计师亲自参与这些专用集成电路的设计，完成电路和芯片版图，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成本等。结构设计根据系统或芯片的特点，将其分解为接口清晰、相互关系明确、尽可能简单的子系统，得到一个总体结构。这个结构可能包括信号处理，算术运算单元、控制单元、数据通道、各种算法状态机等。逻辑设计把结构转换成逻辑图，设计中尽可能采用规则的逻辑结构或采用经过考验的逻辑单元或信号处理模块。电路设计将逻辑图转换成电路图，一般都需进行硬件仿真，以最终确定逻辑设计的正确性。版图设计将电路图转换成版图，如果采用可编程器件就可以在可编程器件的开发工具时进行编程制片。“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，一般都可以将整个设计划分为系统级设计、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步进行考虑。例如设计一个数字控制系统，行为描述与设计完成传递函数和逻辑表达式，结构描述与设计完成逻辑图和电路图，物理描述与设计确定使用的元器件、印制板设计、安装方法等。4.设计中应注意的一些问题在设计中采用“Top－down”（自顶向下）设计方法必须注意以下问题：（1）在设计的每一个层次中，必须保证所完成的设计能够实现所要求的功能和技术指标。注意功能上不能够有残缺，技术指标要留有余地。（2）注意设计过程中问题的反馈。解决问题采用“本层解决，下层向上层反馈”的原则，遇到问题必须在本层解决，不可以将问题传向下层。如果在本层解决不了，必须将问题反馈到上层，在上一层中解决。完成一个设计，存在从下层向上层多次反馈修改的过程。（3）功能和技术指标的实现采用子系统、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，达到确定的技术指标。输入输出信号关系应明确、直观、清晰。应保证可以对子系统、部件进行修改与调整以及替换，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找一个平衡。软件/硬件协同设计的一般流程如图所示。三、电子作品设计制作步骤1题目选择选择题目按照如下原则进行：1、明确设计任务，即“做什么？”。选择题目应注意题目中不应该有知识盲点，即要能够看懂题目要求。2、明确系统功能和指标，即“做到什么程度？”。3、要确定是否具有完成该设计的元器件、最小系统、开发工具、测量仪器仪表等条件。2系统方案论证题目选定后，需要考虑的问题是如何实现题目的各项要求，完成作品的制作，即需要进行方案论证。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行。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，需要考虑的问题有：（1）原理的可行性？解决同一个问题，可以有许多种方法，但有的方法是不能够达到设计要求的，千万要注意。（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？有无所需要的测量仪器仪表？（4）设计、制作的可行性？如难度如何？本组队员是否可以完成？设计的可行性需要查阅有关资料，充分地进行讨论、分析比较后才能确定。在方案设计过程中要要提出几种不同的方案，从能够完成的功能、能够达到的技术性能指标、元器件材料采购的可能性和经济性、采用元器件、设计技术的先进性、以及完成时间等方面进行比较，要敢于创新，敢于采用新器件新技术，对上述问题经过充分、细致的考虑和分析比较后，拟订较切实可行的方案。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形式（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？测量仪器仪表与方法？（2）系统的内部特性系统的基本工作原理？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？系统的硬件结构？系统的软件结构？系统中各子系统、部件之间的关系？接口？尺寸？安装方法？3安装制作与调试安装制作与调试是保证设计是否成功的重要环节。（1）安装制作需要考虑的问题有：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?印制板设计与制作？低频？高频？数字？模拟？数模混合？地？EMC？子系统、部件安装制作的顺序？（2）调试需要考虑的问题有：调试参数？调试方法？调试需要的仪器与仪表？软件/硬件的协同？修改软件？修改硬件？测量数据的记录与处理？建议的安装制作与调试步骤四、子系统的设计制作步骤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应用非常普遍，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指标。一般情况下，单片机与可编程逻辑器件最小系统是整个系统的核心，需要确定最小系统板的功能、输入输出信号特征等；需要考虑与信号输入电路、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成品，但接口电路，功率控制电路，A/D与D/A电路，信号调理等电路需要自己设计制作。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行设计与制作，在竞赛中根据需要进行修改。软件开发工具需要与所选择的硬件配套，软件设计需要对软件功能进行划分，需要确定数学模型，算法、数据结构、子程序等程序模块。软件开发工具的使用需要在竞赛前进行培训。常用的一些程序如系统检测、显示器驱动、A/D、D/A、接口通信、延时等程序，可以在竞赛前进行编程和调试，在竞赛中根据需要进行修改。系统集成完成软件与硬件联调与修改。在软件与硬件联调过程中，需要认真分析出现的问题，软件设计人员与硬件设计人员需要进行良好的沟通，一些问题如非线性补偿、数据计算、码型变换等用软件解决问题会容易很多。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要寻找一个平衡点。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，确定设计方案和进行电路设计制作、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章的题目分析可见，模拟与数字混合的题目占多数。模拟子系统也是作品的重要组成部分，设计制作通常包含有模拟输入信号的处理，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，需要明确的设计要求有：子系统的输入和输出？数量？信号形式？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，需要明确的设计要求有：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指标？如增益、频带、宽度、信噪比、失真度等？技术指标的精度、稳定性？测量仪器？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作作品时非常麻烦，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．根据技术性能指标、输入输出信号关系等确定系统方框图；b.在子系统中，合理的分配技术指标，如增益、噪声、非线性等。将指标分配到方框图中的各模块，技术参数指标要定性和定量。c.要注意各功能单元的静态指标与动态指标、精度及其稳定性，应充分考虑元器件的温度特性、电源电压波动、负载变化及干扰等因素的影响。d.要注意各模块之间的耦合形式、级间的阻抗匹配、反馈类型、负载效应及电源内阻、地线电阻、温度等对系统指标的影响。e.合理的选择元器件，应尽量选择通用、新型、熟悉的元器件。应注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理方法。五、设计总结报告设计总结报告的评分项目由方案设计与论证、理论计算、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、题目名称题目名称是选择的设计作品的名称2、摘要摘要是对设计总结报告的总结，摘要一般在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