時間：2023-04-11 17:30:04
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一、EDA技術(shù)的定義及構(gòu)成
所謂EDA技術(shù)是在電子CAD技術(shù)基礎上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng)。它是以計算機為工作平臺，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達方式，以EDA工具軟件為開發(fā)環(huán)境，以大規(guī)模可編程邏輯器件PLD(ProgrammableLogicDevice)為設計載體，以專用集成電路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)、單片電子系統(tǒng)SOC(SystemOnaChip)芯片為目標器件，以電子系統(tǒng)設計為應用方向的電子產(chǎn)品自動化設計過程[J]。在此過程中，設計者只需利用硬件描述語言HDL(HardwareDescriptionlanguage)，在EDA工具軟件中完成對系統(tǒng)硬件功能的描述，EDA工具便會自動完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒１M管目標系統(tǒng)是硬件，但整個設計和修改過程如同完成軟件設計一樣方便和高效。
現(xiàn)代EDA技術(shù)的基本特征是采用高級語言描述，具有系統(tǒng)級仿真和綜合能力。EDA技術(shù)研究的對象是電子設計的全過程，有系統(tǒng)級、電路級和物理級各個層次的設計。EDA技術(shù)研究的范疇相當廣泛，從ASIC開發(fā)與應用角度看，包含以下子模塊：設計輸入子模塊、設計數(shù)據(jù)庫子模塊、分析驗證子模塊、綜合仿真子模塊和布局布線子模塊等。EDA主要采用并行工程和“自頂向下”的設計方法，然后從系統(tǒng)設計入手，在頂層進行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設計，在方框圖一級進行仿真、糾錯，并用VHDL等硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)行為進行描述，在系統(tǒng)一級進行驗證，最后再用邏輯綜合優(yōu)化工具生成具體的門級邏輯電路的網(wǎng)表，其對應的物理實現(xiàn)級可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐贰?/p>
二、EDA技術(shù)的發(fā)展
EDA技術(shù)的發(fā)展至今經(jīng)歷了三個階段：電子線路的CAD是EDA發(fā)展的初級階段，是高級EDA系統(tǒng)的重要組成部分。它利用計算機的圖形編輯、分析和存儲等能力，協(xié)助工程師設計電子系統(tǒng)的電路圖、印制電路板和集成電路板圖。它可以減少設計人員的繁瑣重復勞動，但自動化程度低，需要人工干預整個設計過程。
EDA技術(shù)中級階段已具備了設計自動化的功能。其主要特征是具備了自動布局布線和電路的計算機仿真、分析和驗證功能。其作用已不僅僅是輔助設計，而且可以代替人進行某種思維。
高級EDA階段，又稱為ESDA(電子系統(tǒng)設計自動化)系統(tǒng)。過去傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)電子產(chǎn)品的設計方法是采用自底而上(Bottom-UP)的程式，設計者先對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分塊，直接進行電路級的設計。EDA技術(shù)高級階段采用一種新的設計概念：自頂而下(TOP-Down)的設計程式和并行工程(ConcurrentEngineering)的設計方法，設計者的精力主要集中在所設計電子產(chǎn)品的準確定義上，EDA系統(tǒng)去完成電子產(chǎn)品的系統(tǒng)級至物理級的設計。此階段EDA技術(shù)的主要特征是支持高級語言對系統(tǒng)進行描述。可進行系統(tǒng)級的仿真和綜合。
三、基于EDA技術(shù)的電子系統(tǒng)設計方法
1.電子系統(tǒng)電路級設計
首先確定設計方案，同時要選擇能實現(xiàn)該方案的合適元器件，然后根據(jù)具體的元器件設計電路原理圖。接著進行第一次仿真，包括數(shù)字電路的邏輯模擬、故障分析、模擬電路的交直流分析和瞬態(tài)分析。系統(tǒng)在進行仿真時，必須要有元件模型庫的支持，計算機上模擬的輸入輸出波形代替了實際電路調(diào)試中的信號源和示波器。這一次仿真主要是檢驗設計方案在功能方面的正確性。仿真通過后，根據(jù)原理圖產(chǎn)生的電氣連接網(wǎng)絡表進行PCB板的自動布局布線。在制作PCB板之前還可以進行后分析，包括熱分析、噪聲及竄擾分析、電磁兼容分析和可靠性分析等，并且可以將分析后的結(jié)果參數(shù)反標回電路圖，進行第二次仿真，也稱為后仿真，這一次仿真主要是檢驗PCB板在實際工作環(huán)境中的可行性。
可見，電路級的EDA技術(shù)使電子工程師在實際的電子系統(tǒng)產(chǎn)生之前，就可以全面了解系統(tǒng)的功能特性和物理特性，從而將開發(fā)過程中出現(xiàn)的缺陷消滅在設計階段，不僅縮短了開發(fā)時間，也降低了開發(fā)成本。
2.系統(tǒng)級設計
系統(tǒng)級設計是一種“概念驅(qū)動式”設計，設計人員無須通過門級原理圖描述電路，而是針對設計目標進行功能描述。由于擺脫了電路細節(jié)的束縛，設計人員可以把精力集中于創(chuàng)造性概念構(gòu)思與方案上，一旦這些概念構(gòu)思以高層次描述的形式輸入計算機后，EDA系統(tǒng)就能以規(guī)則驅(qū)動的方式自動完成整個設計。
系統(tǒng)級設計的步驟如下：
第一步：按照“自頂向下”的設計方法進行系統(tǒng)劃分。
第二步：輸入VHDL代碼，這是系統(tǒng)級設計中最為普遍的輸入方式。此外，還可以采用圖形輸入方式(框圖、狀態(tài)圖等)，這種輸入方式具有直觀、容易理解的優(yōu)點。
第三步：將以上的設計輸入編譯成標準的VHDL文件。對于大型設計，還要進行代碼級的功能仿真，主要是檢驗系統(tǒng)功能設計的正確性，因為對于大型設計，綜合、適配要花費數(shù)小時，在綜合前對源代碼仿真，就可以大大減少設計重復的次數(shù)和時間，一般情況下，可略去這一仿真步驟。
第四步：利用綜合器對VHDL源代碼進行綜合優(yōu)化處理，生成門級描述的網(wǎng)表文件，這是將高層次描述轉(zhuǎn)化為硬件電路的關(guān)鍵步驟。綜合優(yōu)化是針對ASIC芯片供應商的某一產(chǎn)品系列進行的，所以綜合的過程要在相應的廠家綜合庫支持下才能完成。綜合后，可利用產(chǎn)生的網(wǎng)表文件進行適配前的時序仿真，仿真過程不涉及具體器件的硬件特性，較為粗略。一般設計，這一仿真步驟也可略去。
第五步：利用適配器將綜合后的網(wǎng)表文件針對某一具體的目標器件進行邏輯映射操作，包括底層器件配置、邏輯分割、邏輯優(yōu)化和布局布線。:
第六步：將適配器產(chǎn)生的器件編程文件通過編程器或下載電纜載入到目標芯片F(xiàn)PGA或CPLD中。如果是大批量產(chǎn)品開發(fā)，通過更換相應的廠家綜合庫，可以很容易轉(zhuǎn)由ASIC形式實現(xiàn)。
四、前景展望
21世紀將是EDA技術(shù)的高速發(fā)展時期，EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子設計技術(shù)的發(fā)展方向，并著眼于數(shù)字邏輯向模擬電路和數(shù)模混合電路的方向發(fā)展。EDA將會超越電子設計的范疇進入其他領域隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)正朝著更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性和低功耗的系統(tǒng)級芯片(SoC，SystemonChip)方向發(fā)展，借助于硬件描述語言的國際標準VHDL和強大的EDA工具，可減少設計風險并縮短周期，隨著VHDL語言使用范圍的日益擴大，必將給硬件設計領域帶來巨大的變革。
參考文獻：
[1]譚會生，張昌凡.EDA技術(shù)及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.
1.1ARM處理部分
針對ARM內(nèi)核的高速可順序執(zhí)行特性，更適合處理復雜協(xié)議信息。ARM處理部分在設計中主要負責協(xié)議層處理工作，包括通信信息、人機交互設定、系統(tǒng)工作參數(shù)監(jiān)測、報警數(shù)據(jù)設定、監(jiān)測以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理等多方面的工作，整體采用搶占式進行多任務分配，提高CPU利用率以及系統(tǒng)魯棒性。
1.2FPGA控制部分
總體來看，F(xiàn)PGA主要負責硬件設備底層驅(qū)動的讀寫，作為ARM的一個外部擴展RAM進行外設數(shù)據(jù)交換，所有FPGA采集、輸出的數(shù)據(jù)均可通過ARM的可變靜態(tài)存儲控制器(FlexibleStaticMemoryController，F(xiàn)SMC)總線讀寫。在設計中運用FPGA獨特的可多任務并行執(zhí)行的特性，F(xiàn)PGA控制部分主要負責外部通信模式的選擇；外部模擬信號的采集、輸出溫度的控制、時鐘同步、時鐘移相、數(shù)碼管計數(shù)顯示等多項功能的處理。在外部模擬量、氫原子鐘內(nèi)爐溫度采集部分，由FPGA內(nèi)部硬件采用狀態(tài)機形式通過兩片AD7490D對外部32路模擬量采集，并直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行控制處理；另一個狀態(tài)機通過熱敏電阻對內(nèi)爐頂，上，底等三部分溫度進行采集；在溫度輸出控制部分，通過三路PWM控制方式，以外部溫控器作為驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)加熱功率。在模數(shù)轉(zhuǎn)換部分由專用基準電壓芯片REF192產(chǎn)生參考電壓，溫度轉(zhuǎn)換經(jīng)過帶有前置運算放大器（Operationalamplifier，OP）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣，并同時具有抑制50Hz抑制功能，以抵消測量中所產(chǎn)生的工頻干擾。在通信電路的設計部分由FPGA來選擇所采用的通信方式，其中串口通信采用隔離式電平變換芯片，避免電平不兼容或是不同設備間的靜電釋放（Electro-Staticdischarge，ESD）所帶來的放電損壞；以太網(wǎng)部分采用專用以太網(wǎng)接口模塊，可同時兼容TCP/IPv4、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP）等。
1.串口通信接口的電路設計
原本的串口通信設計為了滿足兩路串口通信的技術(shù)指標，采用AT89C52結(jié)合通用同步異步接收發(fā)送器8251A實現(xiàn)雙串口的擴展。本文采用ADM3251E[3]來解決多路串口的通信功能。ADM3251E是一款高速、2.5kV完全隔離、單通道RS-232/V.28收發(fā)器、具有isoPower隔離電源的雙通道數(shù)字隔離器，設計中無需使用單獨的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。由于RIN和TOUT引腳提供高壓ESD保護，因此該器件非常適合在惡劣的電氣環(huán)境中工作，或頻繁插拔RS-232電纜的場合。ADM3251E采用ADI公司的芯片級變壓器iCoupler技術(shù)，能夠同時用于隔離邏輯信號和集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器，因此該器件可提供整體隔離解決方案。
2.ADC模擬量采樣電路設計改進
原本的ADC采樣電路使用兩片ADC0816。ADC0816是逐次比較式16路8位A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部包含有一個8位A/D轉(zhuǎn)換器和16路的單端模擬信號多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換精度為1/2LSB，轉(zhuǎn)換時間為100us（時鐘頻率為640KHz）。改進設計中采用AD7490，它是一款12位高速、低功耗逐次逼近型ADC。同時AD7490采用單電源工作，電源電壓為2.7V至5.25V，最高吞吐量可達1MSPS；其內(nèi)置一個低噪聲、寬帶寬采樣/保持放大器，可處理1MHz以上的輸入頻率；轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時鐘進行控制，從而為器件與微處理器接口創(chuàng)造了條件。
3.溫度控制部分的設計改進
溫度對于氫原子鐘來說是個很重要的因素，溫度控制不好會引起氫原子鐘穩(wěn)定度變差；溫度失控會直接導致氫原子鐘沒有中頻信號輸出。因此在溫度控制的設計中首先要做到可靠、穩(wěn)定。原先的溫度控制系統(tǒng)采用模擬控制多塊電路板各溫度區(qū)域獨立控制模式，其缺點是變?nèi)荻O管參數(shù)數(shù)值不在正常工作范圍內(nèi)之后，需要人為調(diào)整電路板的電位器，即通過人為改變電阻的模式來達到調(diào)整溫度的目的。在數(shù)字化智能溫控設計中采用AD7792[4]，AD7792具有兩個高精度的可編程恒流激勵源，內(nèi)置有可編程的儀表放大器，可以對不同的輸入信號選擇相對應的放大倍數(shù)，實現(xiàn)信號的匹配。它內(nèi)置16位ADC，采用SPI串行接口，容易實現(xiàn)光耦隔離，有三路差分模擬輸入，可以滿足設計中分別對內(nèi)爐頂，上，底三部分溫度進行采集的設計要求。AD7792為適應高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置一個低噪聲、帶有三個差分模擬輸入的16位Σ-Δ型ADC。它還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號；內(nèi)置一個精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準電壓源，而且也可采用一個外部差分基準電壓。圖2中所示CHAN表示溫度區(qū)域，其中CH1代表內(nèi)爐頂，CH2代表內(nèi)爐上，CH3代表內(nèi)爐底；ACTU代表采樣溫度數(shù)值，SET代表設定溫度數(shù)值，OUT代表了輸出功率的大小。
4.移相同步精度設計改進
傳統(tǒng)控制板同步精度為100ns±邏輯門延時（約幾個ns），移相分辨率為0.1us。經(jīng)過設計改進后，采用獨特的先倍頻后同步技術(shù)，可大大提高移相同步分辨率。在本次應用中，先對外部輸入的10MHz方波信號，經(jīng)過FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop，PLL）的配置進行零度移相五倍頻，得到和輸入信號零相位差的50MHz信號。上一幅為10MHz信號波形，下一幅為倍頻后的50MHz方波信號波形。
5.DDS電路設計部分
之前控制板在綜合器設計輸出時，采用AT89C52驅(qū)動三片74LS595串入并出輸出6位8421碼共24位數(shù)據(jù)信息經(jīng)25芯彎角插座（DR-25）將數(shù)據(jù)傳輸至接收機控制板，再由CPLD處理后輸出所需的頻率信號。而目前設計中選取AD9956[5]，使用直接數(shù)字式頻率合成器（DirectDigitalSynthesizer，DDS）技術(shù)直接從監(jiān)控板輸出所需的頻率信號，AD9956是由美國AnalogDevice公司推出的高性能的DDS芯片，提供速度高達400MHz的內(nèi)部時鐘，可合成頻率高達160MHz，支持2.7GHz的時鐘輸入(可選2，4或8分頻)、內(nèi)部集成14位的D／A轉(zhuǎn)換器，具備快速頻率轉(zhuǎn)換、精細頻率分辨率和低相位噪聲輸出的性能，適用于快速跳頻頻率合成器的設計，本設計DDS輸出頻率信號可以根據(jù)鍵盤鍵入的頻率值不同而輸出不同的頻率值。
6.存儲器設計改進
氫原子鐘必需具有對時間以及對所監(jiān)測數(shù)據(jù)實時保存的功能。然而外部存儲器的選擇也是多種多樣的，目前應用最多的仍是SRAM、EEPROM及NVRAM這三種方案。我們目前使用的存儲器就是采用SRAM加后備電池的模式，型號62256，它是組織結(jié)構(gòu)為32K*8位字長的高性能CMOS靜態(tài)RAM。在設備掉電的情況下，存儲數(shù)據(jù)易丟失。同時SRAM加后備電池的方法增加了硬件設計的復雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性；EEPROM方式可擦寫次數(shù)較少(約10萬次)，且寫操作時間較長(約10ms)；而NVRAM的價格問題又限制了它的普遍應用。因此越來越多的設計者將目光投向了新型的非易失性鐵電存儲器(FRAM)。鐵電存儲器具有以下幾個優(yōu)點：可以總線速度寫入數(shù)據(jù)，而且在寫入后不需要任何延時等待；有近乎無限次擦寫壽命；數(shù)據(jù)保持45年不丟失；具有較低的功耗。設計中采用的FM25L16是串行FRAM。其內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)形式為2k×8位，地址范圍為0000H~07FFH，F(xiàn)M25L16支持SPI方式0和方式3。具有先進的寫保護設計，包括硬件保護和軟件保護雙重保護功能。FM25L16的數(shù)據(jù)讀寫速度能達到18MHz，可與當前高速的RAM相媲美。結(jié)束語從設計的測試結(jié)果來看，全新的設計模式對電路的性能，可靠性，穩(wěn)定性等多方面都有很大的提高，具體表現(xiàn)如下所示：
（1）設計中采用AD7490替代ADC0816，從而使得ADC精度提高8bit升級到12bit，精度提高了16倍，并且無需經(jīng)過外接模擬開關(guān)，減少了信號經(jīng)過多個模擬芯片引起誤差。
（2）溫度控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化設計模式，提高測量精度，降低干擾，可避免處理運放電路所造成的對溫度飄移的影響以及多級模擬帶來的累計誤差，最重要的一點就是不用再人為的通過改變電阻模式來達到調(diào)整溫度的目的。
（3）綜合器設計部分采用DDS處理技術(shù)，直接從監(jiān)控板輸出所需頻率信號，從而大大減少設計中潛在的故障點，大大提高了設計的可靠性，穩(wěn)定性。
1．1PID控制原理［1，2］
常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實際輸出構(gòu)成控制偏差：
將此偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。其控制規(guī)律為：
式中，Kp為比例系數(shù)，T1為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。
在PID控制中，比例項用于糾正偏差，積分項用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微分項用于減小系統(tǒng)的超調(diào)量，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。PID控制器的性能就決定于Kp、T1和TD這3個系數(shù)。如何選用這3個系數(shù)是PID控制的核心。
1．2數(shù)字PID控制算法選擇
設計和調(diào)整數(shù)字PID控制器的任務就是根據(jù)被控對象和系統(tǒng)要求，選擇合適的PID模型，將其進行離散化處理，編出計算機程序由微處理器實現(xiàn)，最后確定KP、T1、TD、和T，T為采樣周期。微處理器控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此，必須對PID模型進行離散化處理。
用矩形方法數(shù)值積分代替式（3）中的積分項，對式（3）中的導數(shù)項用后向差分逼近，經(jīng)推理可得到基本PID控制的位置式算法：
式中k——采樣序號，k＝0，1，2，……
U（k）——第k次采樣時刻輸出值
E（k）——第k次采樣時輸入的偏差值
E（k－1）——第（k－1）次采樣時刻輸入的偏差值
K1——積分系數(shù)，K1＝KpT／T1
KD——微分數(shù)系，KD＝KpTD／T1
在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是用程序來實現(xiàn)的，因而具有更大的靈活性。由于基本PID控制中引入了積分環(huán)節(jié)，其目的主要是為了消除靜差，提高精度。但在柴油機調(diào)速過程中，突加突減負載時，會引起轉(zhuǎn)速的較大波動，導致短時間內(nèi)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)較大偏差，通過PID積分運算積累，超調(diào)量過大，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴重影響發(fā)電機組輸出電能的品質(zhì)。為避免PID控制中積分項引起的超調(diào)，提高其調(diào)節(jié)品質(zhì)，擬采用積分分離法對基本PID控制進行改進，簡稱變速積分PID。變速積分PID的基本思路是設法改變積分項的累加速度，使其與偏差大小相對應，偏差越大，積分越慢；反之，則越快。
式中，A、B為積分區(qū)間。
變速積分PID算法為：
式中，U1（k）為第k次采樣時刻PID運算的積分部分輸出值。
采用變速積分PID控制，系統(tǒng)具有以下特點：用比例消除大偏差，用積分消除小偏差，可完全消除積分飽和現(xiàn)象；各參數(shù)容易整定，易實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，而且對A、B兩參數(shù)不要求十分精確；超調(diào)量大大減小，改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)，適應性較強。
2柴油發(fā)電機組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)中PID控制參數(shù)整定［3，4］
數(shù)字PID控制參數(shù)整定的任務主要是確定數(shù)字PID的參數(shù)KP、T1、TD和T。
對于簡單控制系統(tǒng)，可采用理論計算方法確定這些參數(shù)。但由于柴油機調(diào)速系統(tǒng)的工況較為復雜，其數(shù)學模型并非十分精確，在此，采用工程整定常用的擴充臨界比例帶法，結(jié)合經(jīng)驗法再對參數(shù)進行調(diào)整，得到最終的PID參數(shù)。
（1）采樣周期T的選擇
在數(shù)字控制系統(tǒng)中，采樣周期T是一個比較重要的因素，采樣周期的選取，應與PID參數(shù)的整定綜合考慮。
首先，采樣周期T的選取應滿足以下要求：遠小于對象擾動周期；比對象時間常數(shù)小得多；盡量縮短采樣周期，以改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。
該系統(tǒng)中，PID調(diào)節(jié)控制過程是在定時中斷狀態(tài)下完成的，因此，采樣周期T的大小必須保證中斷服務程序的正常運行。在不影響中斷程序運行的情況下，可取采樣周期T＝0．1τ（τ為柴油機的純滯后時間）。當中斷程序運行時間Tz大于0．1τ時，則取T＝Tz，
（2）臨界振蕩周期Ts的確定
初始確定數(shù)字PID參數(shù)時，在用上述方法確定采樣周期T的條件下，從調(diào)速系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)回路中，去掉數(shù)字控制器的微分控制作用和積分控制作用，只采用比例調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)來確定系統(tǒng)的振蕩周期Ts和臨界比例系數(shù)Ks。由單片機系統(tǒng)自動控制比例系數(shù)KP，并逐漸增大Kp，直到系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)的等幅振蕩，然后由單片機系統(tǒng)自動記錄并顯示調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩時的臨界比例度δ和相應的臨界振蕩周期Ts。
控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基礎，定量衡量數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬調(diào)節(jié)器對同一對象的控制效果。控制效果就是采用某一積分準則，根據(jù)系統(tǒng)在規(guī)定的輸入下的輸出響應，使用該準則取最小值時的最
如前所述，采樣周期T的長短會影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)，同樣是最佳整定，數(shù)字控制系統(tǒng)的品質(zhì)要低于模擬系統(tǒng)的控制品質(zhì)。即控制度總是大于1的，且控制度越大，相應的數(shù)字控制系統(tǒng)品質(zhì)越差。
為獲得與模擬控制器相當?shù)钠焚|(zhì)，控制度選為1．05。不同控制度時，擴充臨界比例帶法PID參數(shù)計算公式
（4）KP、K1、KD、T的求取
根據(jù)實驗所得Ks和Ts及選定的控制度，按表1計算出數(shù)字PID參數(shù)Kp、T1、TD和T。
（5）控制效果的調(diào)節(jié)
按求得的參數(shù)值在調(diào)速控制系統(tǒng)中運行，并觀察控制效果。如控制效果達不到控制要求，可基于以下原則，根據(jù)經(jīng)驗法對參數(shù)做適當調(diào)整。
①增大比例系數(shù)Kp，將加快系統(tǒng)的響應速度，但過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)，甚至產(chǎn)生振蕩。
②增大積分時間T1，有利于減小超調(diào)，減少振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但會增加系統(tǒng)過渡過程時間。
③增大微分時間常數(shù)TD有利于加快系統(tǒng)的響應，使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應。
基于上述原則，調(diào)整PID參數(shù)時，應先比例、后積分、再微分進行調(diào)整。
參考文獻：
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［2］王福瑞．單片微機測控系統(tǒng)設計大全［M］．北京航空航天大學出版社，1998．
1電梯控制系統(tǒng)設計的基本情況
國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展直接催生了房地產(chǎn)開發(fā)的熱潮，因此電梯行業(yè)也從中受益。面臨巨大的市場機遇，如何在已趨成熟的電梯行業(yè)里獨樹一幟獲得更多的消費者，使公司更好更快的發(fā)展。在電梯自動控制系統(tǒng)研究方面應該主抓三個方面：
（1）了解電梯自動系統(tǒng)的控制要求，在研制初期首先要明確該電梯的使用環(huán)境、容積、載重等基本情況。
（2）電梯自動控制系統(tǒng)的配置。根據(jù)配置的不同在控制系統(tǒng)設計時應該有相應的區(qū)別，配置是整個控制系統(tǒng)的核心部件，確保電梯能夠正常的工作。
（3）軟件的設計。在要求和配置都明確之后就是要對該系統(tǒng)的軟件開發(fā)以及研制，軟件程序的開發(fā)主要有三個內(nèi)容：圖紙設計、核心程序的設計、電梯運行靈活性的設計等，該軟件所要考慮的問題趨于全面，應能解決在使用過程中遇到的問題。
2電梯運行原理
在電梯的設計中最底層和最高層均會有信號傳遞按鈕，在中間樓層內(nèi)均由兩個信號傳遞按鈕，這四個按鈕在電梯正常運行時是有明確分工的，最高層的信號傳遞按鈕在接到信號時將信號向下傳遞，而當電梯在最底層時若高層或者中間層有信號輸入時，那么底層的信號按鈕把信號向上傳遞，而當電梯位于中間樓層時，有信號輸入后，兩個信號傳遞按鈕會一個向下傳遞信號，一個向上傳遞信號。當乘客進入轎廂之后通過內(nèi)選信號來選擇樓層，在通過指定或者轎廂內(nèi)部的關(guān)閉按鈕將廂門關(guān)閉，在即將達到目標樓層時減速裝置開始啟動，在電梯運行過程中接受到正向的呼叫信心時則會在相應的樓層時開門等待，若接收到反向的呼叫時，電梯仍按照目前的運行方向繼續(xù)工作直至此項任務完成之后再去響應呼叫指令。
3電梯控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和內(nèi)容
可編程控制器（簡稱PLC），它的特點是運用起來很靈活，同時數(shù)字語言也比較清晰，因此廣泛應用于電梯自動控制系統(tǒng)。電梯的運行指令主要是由兩個控制程序來實現(xiàn)，其一是自身內(nèi)部運行控制程序，其二是外部呼叫信號，外部呼叫信號具有隨機性，因此在控制的過程中不能單純的依靠順序或者邏輯控制方法，應該由邏輯和隨機相結(jié)合的控制系統(tǒng)設計方案。
3.1系統(tǒng)的控制要求
電梯自動控制模擬系統(tǒng)由機械裝置和PLC控制系統(tǒng)組成，對于電梯的基本運行采用順序邏輯控制模式進行，電梯的運行控制是根據(jù)電梯目前的運行狀態(tài)和隨機信號狀態(tài)進行控制的。在電梯的運行控制中，每一個樓層都要設置一個接近開關(guān)其目的是檢測當前轎廂的準確位置，還有就是能明確知道轎廂的運行方向。電梯運行的狀態(tài)、承載的情況、所到達的樓層均通過LED顯示屏顯示出來。另外還要設置電梯運行方向的互鎖功能以及電梯的安全保障措施，確保電梯在運行過程中安全穩(wěn)定可靠。
3.2PLC與系統(tǒng)的配置
在進行硬件配置時我們選用了FXIN型可編程控制器，主要是考慮其具有幾個獨特的優(yōu)點：（1）FXIN的控制器非常靈活，除過主機單元還可以進行擴展，比如A/D模塊、D/A模塊、I/0模塊，這些模塊的都具有一些特殊功能。在I/0模塊中需要設計30個點，分別是14個輸入點和16個輸出點，主機方面一般采用FX1N-40MR等小型的基本單元即可。（2）FX1N型號的控制器指令方面的功能相對較多，包括有27個基本指令附加有89條功能性指令，在指令的執(zhí)行速度方面也較快。（3）FX1N型號的控制器內(nèi)部設有狀態(tài)繼電保護器、輔助繼電保護器、寄存器、定時器和計數(shù)器，直接能夠滿足電梯控制系統(tǒng)的需要。（4）該種控制器的編程可以使用第三方編程軟件，在編程的過程中可以使用相關(guān)指令或者梯形圖語言來進行。
3.3軟件設計的主要特點
（1）在進行軟件的設計時在同方向運行應優(yōu)先考慮就近原則，這個原則在設計的過程中依據(jù)的電梯的運行方向以及具體的位置，若轎廂的運行方向是向上，但是在轎廂目前位置上方有外部呼叫信息，那么呼叫樓層所對應的繼電保護器此時的狀態(tài)顯示為開，直到電梯到達所呼叫的樓層，繼電保護裝置隨之關(guān)閉，就這樣反復操作的過程中，繼電器保護裝置和呼叫開關(guān)相互合作可以完成電梯運行的所有操作。
（2）隨機+邏輯控制方式。如果電梯在想某一個樓層運行時，那么所要達到的樓層有檢測系統(tǒng)的開關(guān)，它的作用就是準確無誤的對這一樓層實施判斷，判斷的主要內(nèi)容包括該樓層的之前的呼叫信號，如果檢測有呼叫信號，那么應該減速運轉(zhuǎn)停止運行，如果沒有檢測到呼叫信號，那么轎廂將繼續(xù)沿著原先的目標樓層運行。
（3）軟件顯示技術(shù)。通過軟件顯示技術(shù)可以清楚的判斷轎廂的運行樓層載重情況，并將這些情況轉(zhuǎn)化成SCD碼然后實行數(shù)據(jù)輸出，再通過硬件設備和軟件系統(tǒng)將具體的數(shù)字顯示在LED顯示屏上。如果電梯在運行過程中發(fā)生故障，那么可編程控制器能夠?qū)﹄姍C實施有效的控制，將所有指令瞬時終止。
4結(jié)束語
為適應應用型專業(yè)轉(zhuǎn)型的需要，促進電子信息類專業(yè)課程向應用型課程轉(zhuǎn)化，文章以“電子系統(tǒng)設計”課程為例，從專業(yè)課程的課程理念、教學內(nèi)容、教學模式、考核方式等方面對適應于應用型人才教育的專業(yè)課程改革模式進行了探索，給出了相應的改革內(nèi)容，為其他應用型課程改革提供了參考。
關(guān)鍵詞：
應用型課程；電子信息類專業(yè)課程；教學模式
隨著信息化社會的不斷發(fā)展，我國經(jīng)濟建設對人才的需求方向也發(fā)生了改變，不僅僅需要學術(shù)研究性人才，同時更加需要應用型人才和職業(yè)技能型人才，尤其是能將所學理論知識轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力的應用型人才的需求比重最大。在這一背景下，各地方高校擔負起應用型人才培養(yǎng)的重任[1]，開始將高校人才培養(yǎng)目標向應用型人才培養(yǎng)方向轉(zhuǎn)化，切實通過轉(zhuǎn)型發(fā)展促進內(nèi)涵發(fā)展、特色發(fā)展，提高質(zhì)量，解決好急需人才不夠用、普通人才就業(yè)難問題。在專業(yè)轉(zhuǎn)型的大背景下，如何將人才培養(yǎng)從原來的學術(shù)型人才培養(yǎng)過渡到應用型人才培養(yǎng)，切實對轉(zhuǎn)型過程中在人才培養(yǎng)方案、專業(yè)設置、課程體系、師資配備、教學管理機制等問題提出具體可行的方案，成為高校教育改革研究的新課題。目前本科院校的應用型課程建設已成為當前提高應用型高校教育質(zhì)量的核心環(huán)節(jié)，在課程建設中必須能夠突出應用性知識的傳授與學生實踐能力的培養(yǎng)[2]，這樣才能將課程的應用性改造落到實處。電子信息類專業(yè)課程作為本科高等院校教學中應用性較強的專業(yè)課程，由于其專業(yè)本身具有的技術(shù)更新快、實踐性和應用性極強的特點，在課程的教學過程中必須注重新技術(shù)與工程性的結(jié)合、理論與實用的結(jié)合，所以在其教學開展中更應對課程理念、課程教學設計的優(yōu)化、課程內(nèi)容、評價體系等方面進行探討研究。文章從專業(yè)轉(zhuǎn)型的背景出發(fā)，以“電子系統(tǒng)設計”為例，在專業(yè)課程的課程理念、教學內(nèi)容、教學模式、考核方式等方面對適應于應用型人才教育的專業(yè)課程改革模式進行了探索。
一、電子信息類專業(yè)課程現(xiàn)狀分析
目前國內(nèi)各高校都著眼于學生動手實踐能力培養(yǎng)、并不斷提高學生學習的自覺性，但學生在專業(yè)課程學習中仍存在缺少創(chuàng)新精神和科學研究的主動性的問題。這也反應了在專業(yè)課程的設置及教學活動開展過程中存在的問題，主要表現(xiàn)為理論教學學時長、側(cè)重于理論知識的傳授；課程教學活動設計單一，缺乏體驗式教學；課程內(nèi)容更新慢，與新技術(shù)脫節(jié)；實踐環(huán)節(jié)項目內(nèi)容缺乏實際性和趣味化，學生難以深入；考核方式單一，仍然是簡單的考核學生對理論知識點的掌握程度。這一情況的存在，使學生在面臨就業(yè)時，與用人企業(yè)的需求相脫離，不能滿足企業(yè)對于綜合素質(zhì)和實踐能力強的應用型人才的需要。“電子系統(tǒng)設計”是一門綜合性、實踐性和應用性很強的專業(yè)課程，面向電子信息類專業(yè)本科三年級開設的理論與實踐相結(jié)合課程[3]。課程系統(tǒng)地介紹電子系統(tǒng)分析、規(guī)劃、設計和工程實現(xiàn)的方法與步驟，并結(jié)合技術(shù)發(fā)展情況，介紹新技術(shù)、新方法、新器件在電子系統(tǒng)設計中的應用。該課程是本科生了解當前電子系統(tǒng)技術(shù)的窗口，是相關(guān)硬件與軟件設計結(jié)合、將所學理論知識付諸實踐、由書本走向?qū)嶋H的橋梁課程，因此其具有電子信息類專業(yè)課程的專業(yè)技術(shù)特點，通過對其向應用型轉(zhuǎn)型課程建設的研究具有一定的代表性。
二、課程改革內(nèi)容
“電子系統(tǒng)設計”課程的改革主要從四個方面展開：課程理念的轉(zhuǎn)變、優(yōu)化教學模式、課程內(nèi)容的更新、建立多元的評價方式。
（一）課程理念的轉(zhuǎn)變
應用型人才不僅需要具備專業(yè)知識素養(yǎng)，而且需要能夠應用專業(yè)知識解決實際問題，因此必須對現(xiàn)有的課程理念進行轉(zhuǎn)變來指導課程建設。專業(yè)課程作為專業(yè)人才培養(yǎng)的重要教學科目，是學生在教師指導下通過學習專業(yè)知識來增長專業(yè)知識和專業(yè)能力的重要過程。而根據(jù)電子信息類專業(yè)課程的特點，更應將學生作為課程的主體，由學生主動的發(fā)現(xiàn)知識、主動思考、積極地參與學習，同時根據(jù)課程特點，由教師在學生的主動學習過程中給予專業(yè)指引，不再局限于教師的“教”，而是拓展為教師的“引”與學生的“學”相結(jié)合，注重對學生主動性、參與性的培養(yǎng)。同時注重課程教學設計的優(yōu)化，課程教學內(nèi)容的設置以及多元化的評價方式。以“電子系統(tǒng)設計”課程來說，主要綜合模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、DSP處理等相關(guān)技術(shù)[4]，將理論教學內(nèi)容向?qū)嶋H應用轉(zhuǎn)化，其教學理念主要更應以學生的“學”為主，通過教師對相關(guān)技術(shù)及前沿發(fā)展的引導，激發(fā)學生的主動性，變被動學習為主動學習，在教學過程中除了理論知識講授外，增加課堂討論、項目實踐，使學生成為教學的主導。
（二）優(yōu)化教學模式
原有的專業(yè)課教學側(cè)重于理論知識的傳授，課程教學多采用理論講授，造成填鴨式、灌輸式課程教學方法，學生通過聽、記完成應用型課程的學習，這必然導致僅僅對知識的掌握，而脫離實踐；同時，啟發(fā)式、研究式教學的運用少，也導致學生沒有學習的主動性。將CDIO工程教育理念[5]引入課程的專題項目教學中，通過對特定專題項目內(nèi)容的構(gòu)思、設計、實現(xiàn)和運作，讓學生以主動的、實踐的方式學習，培養(yǎng)學生的工程基礎知識、個人能力、人際團體能力和工程系統(tǒng)能力，從而培養(yǎng)學生的實踐應用能力。在“電子系統(tǒng)設計”課程中，采用以項目設計為導向、基于項目、問題學習的教學模式，通過讓學生通過對實際項目的構(gòu)思與設計來激發(fā)學生的興趣，利用所學知識來開展系統(tǒng)層次上的構(gòu)思、設計、實現(xiàn)及運用。
（三）課程內(nèi)容的更新
若對應于項目驅(qū)動教學模式[6]，原有的課程內(nèi)容必然不利用教學實踐的開展，同時課程內(nèi)容也應與專業(yè)發(fā)展前沿相對應，所以在課程模塊中增加技術(shù)前沿介紹等的相關(guān)板塊，并不斷更新課程內(nèi)容，使其與技術(shù)發(fā)展、專業(yè)應用相適應，既要考慮符合專業(yè)學習的邏輯，又要注重專業(yè)范圍的限定和課程內(nèi)容的順序安排，盡可能使課程內(nèi)容對學生有意義并具有合理性和綜合性，并且滿足不同層次學生的學習需求，適于課程教學活動的開展。在“電子系統(tǒng)設計”課程中，將課程內(nèi)容整合優(yōu)化為電子系統(tǒng)設計方法、專題技術(shù)知識、項目設計與實踐三大模塊。其中電子設計方法主要介紹電子系統(tǒng)設計概論、模擬電子系統(tǒng)設計方法、數(shù)字系統(tǒng)設計方法、基于嵌入式系統(tǒng)設計方法、基于DSP系統(tǒng)設計方法及電子系統(tǒng)實現(xiàn)過程中可靠性設計；專題技術(shù)知識主要結(jié)合新技術(shù)的發(fā)展和新器件應用，將在專業(yè)基礎課程中所學的相關(guān)知識與實際應用相聯(lián)系，介紹典型傳感器應用、模擬信號變換、放大及濾波電路應用設計、基于可編程邏輯器件的數(shù)字系統(tǒng)設計、基于嵌入式平臺的系統(tǒng)設計、DSP系統(tǒng)應用；項目設計與實踐要求學生完成具有工程應用背景的項目的規(guī)劃、確定項目設計方案、項目設計與實踐。這里項目實踐配合課程設計實驗及學生的課外科技活動、開放式實驗室教學進行，使課程的內(nèi)容改革不僅僅局限于課堂內(nèi)的教學，而是拓展學生的學習空間。
（四）建立多元的評價方式
現(xiàn)行的課程考核多以階段性考核（平時成績）和總結(jié)性考核（期末考試）構(gòu)成，而對于采用學生主動式學習的專業(yè)課程，這種考核方式不符合面向應用型人才的培養(yǎng)模式，所以應采取有效且具有多元性的考核評價方式，對學生的知識掌握、實踐能力、應用素養(yǎng)等幾方面進行綜合評價。也就是說需要對學生的知識點轉(zhuǎn)化為實踐能力、思維能力、課堂參與程度、作業(yè)及實踐活動完成質(zhì)量進行考核。“電子系統(tǒng)設計”課程的考核不僅要考核學生對課程基本理論知識的理解和掌握，還要考核學生對所學知識的吸收與應用情況，同時考核還要體現(xiàn)學生實踐動手能力。因此，課程考核包括平時成績、開卷考試和實踐考核。平時成績主要考核學生對課程的參與程度，包括課堂討論成績、課后作業(yè)，其中課后作業(yè)一方面對課堂講授知識進行復習，同時要求學生通過文獻檢索、網(wǎng)絡檢索對相關(guān)新器件、新技術(shù)應用進行學習，其占總成績的10%。開卷考試的命題過程中，從培養(yǎng)應用型人才的目標出發(fā)，不再含有記憶型考題，而是采取應用能力型考題。考題涵蓋器件應用、電路模塊設計和系統(tǒng)設計，其占總成績40%。實踐考核通過學生根據(jù)所學知識，進行電子系統(tǒng)設計理論探討，撰寫小論文；完成電路設計、仿真及實現(xiàn)，遞交設計報告及作品；實踐考核題目可選固定命題，也可以自主命題，特別鼓勵同學大膽想象，自擬課題，經(jīng)教師確認后，完成相應任務。考核過程中設有答辯環(huán)節(jié)，學生以PPT形式向教師及全體同學展示項目研究及作品，并由教師進行提問，學生給予作答。通過答辯環(huán)節(jié)主要完成知識點的檢查和研究作品的展示，考查學生在從事設計和撰寫論文中知識點的應用情況和創(chuàng)新性。實踐考核占總成績50%。
三、結(jié)束語
經(jīng)過對“電子系統(tǒng)設計”課程改革的初探，在課程教學和課程理念的重構(gòu)方面進一步拓展了思路；課程內(nèi)容的不斷更新使學生開拓了眼界；同時也可以將教師科研方面中應用性較強、具有工程背景的課題項目引入教學；面向?qū)嵺`能力考核的多元化考核機制對提高學生學習主動性、積極性有一定推動作用。我國的信息化建設的不斷增強對信息化人才的需求也正在逐年增大。但電子信息類應屆本科生的理論基礎較好，但動手實踐能力薄弱，使學生就業(yè)加大了難度，造成了應用型人才的供給不足。通過對電子信息類專業(yè)課程的教學改革，提出適用于電子信息類應用型人才學生培養(yǎng)的課程理念，建立既能夯實學生基礎實踐能力，又可以培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新實踐能力的平臺，建立多元化考核機制，有效地實現(xiàn)學生實踐能力的檢驗，同時與不斷追蹤信息科學技術(shù)的發(fā)展，緊跟行業(yè)科技進步，不斷更新課程內(nèi)容，將對學生的科技素養(yǎng)、應用能力培養(yǎng)起到重要作用，且對其他應用型課程改革具有一定的參考價值。
作者：馬利 張玉奇 牛斌 單位：遼寧大學
參考文獻
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電子系統(tǒng)的種類較多，從總體上可分為模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)和模/數(shù)混合系統(tǒng)三大類。在數(shù)字系統(tǒng)中，又可分為以標準數(shù)字集成電路(如TTL、CMOS器件)為核心的電子系統(tǒng)以及以MPU、MCU、PLD、ASIC為核心的電子系統(tǒng)。在模/數(shù)混合系統(tǒng)中，以SOC為核心的電子系統(tǒng)發(fā)展最為迅猛。以模擬器件為核心的電子系統(tǒng)是基本的，該設計環(huán)節(jié)對于學生鞏固及應用已學電子技術(shù)理論和基本技能，進一步提高實際工作能力和培養(yǎng)創(chuàng)新能力具有不可替代的作用。
一、電子系統(tǒng)設計的基本原則
電子電路系統(tǒng)設計時應遵循以下幾個基本原則:
(1)滿足系統(tǒng)功能和性能指標要求，這是電子電路系統(tǒng)設計時必須滿足的基本條件。
(2)電路優(yōu)化。在滿足功能和性能要求的情況下，通過優(yōu)化的簡單電路系統(tǒng)既經(jīng)濟又可靠。
(3)電磁兼容性好。電磁兼容性是現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)應具備的基本特性。
(4)可靠性高。電子電路系統(tǒng)的可靠性要求與系統(tǒng)的實際用途、使用環(huán)境等因素有關(guān)。
(5)系統(tǒng)集成度高。最大限度地提高集成度，是電子電路系統(tǒng)設計應當遵循的一個重要原則。
(6)調(diào)試簡單方便。
(7)生產(chǎn)工藝簡單。生產(chǎn)工藝是電子電路系統(tǒng)設計者應當考慮的一個主要問題，無論是批量產(chǎn)品還是樣品，生產(chǎn)工藝對電路的制作與調(diào)試都是相當重要的一個環(huán)節(jié)。
(8)操作簡便、性價比高。
二、電子系統(tǒng)的設計方法根據(jù)電子系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)上的層次性，通常有如下三種設計方法。
1.自頂向下的設計方法這種設計方法就是設計者根據(jù)原始設計指標或用戶需求，從整體上規(guī)劃整個系統(tǒng)的功能和性能，然后對系統(tǒng)進行劃分，分解為規(guī)模較小、功能較簡單且相對獨立的子系統(tǒng)，并確定它們之間的相互關(guān)系。這種劃分過程可以不斷進行下去，直到劃分得到的單元可以映射到物理實現(xiàn)，實現(xiàn)可以是具體的部件、電路和元件，也可以是VLSI的芯片版圖。
2.自底向上的設計方法
這種設計方法就是設計者根據(jù)要實現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能的要求，首先從現(xiàn)有的可用的元件中選出最合適的，設計成一個個的部件，當一個部件不能直接實現(xiàn)系統(tǒng)的某個功能時，需設計出由多個部件組成的子系統(tǒng)去實現(xiàn)該功能，上述過程一直進行到系統(tǒng)所要求的全部功能都實現(xiàn)為止。該方法的優(yōu)點是可以繼承使用經(jīng)過驗證的、成熟的部件與子系統(tǒng)，從而可以實現(xiàn)設計重用，減少設計的重復勞動，提高設計生產(chǎn)率。其缺點是設計過程中設計人員的思想受限于現(xiàn)成可用的元件，故不容易實現(xiàn)系統(tǒng)化的、清晰易懂的以及可靠性高、可維護性好的設計。
3.以自頂向下方法為主導結(jié)合使用自底向上的設計方法
隨著SOC(單芯片系統(tǒng))的出現(xiàn)，為了實現(xiàn)設計重用以及對系統(tǒng)進行模塊化測試，通常采用以自頂向下方法為主導，并結(jié)合使用自底向上的方法，這樣既能保證實現(xiàn)系統(tǒng)化的、清晰易懂的以及可靠性高、可維護性好的設計，又能充分利用IP核，減少設計的重復勞動，提高設計生產(chǎn)率，因而得到普遍采用。
三、基于模擬器件的電子系統(tǒng)設計流程
基于模擬器件的電子系統(tǒng)設計的流程如圖1所示。模擬電路種類較多導致系統(tǒng)的設計步驟將有所差異，流程圖中的環(huán)節(jié)應隨設計的實際作調(diào)整或交叉進行、重復。
1.明確設計任務
該階段是對系統(tǒng)的設計任務進行具體的分析，充分了解系統(tǒng)的性能、指標、內(nèi)容及要求，掌握系統(tǒng)的基本特征，以便明確系統(tǒng)應完成的任務。
2.總體方案選擇
該階段針對所提出的任務、要求和條件，從全局著眼，用具有一定功能的若干單元電路構(gòu)成一個整體，來實現(xiàn)系統(tǒng)的各項性能。通常符合要求的總體方案不止一個，設計者應當針對任務、要求和條件，查閱有關(guān)資料，廣開思路，提出若干種不同的方案，然后逐一分析每一個方案的可行性和優(yōu)缺點，再加以比較，擇優(yōu)選用。
3.單元電路設計
在確定總體方案后，便可以畫出詳細框圖，設計單元電路。設計單元電路的一般方法和思路如下:
(1)根據(jù)設計要求和已選定的總體方案的原理框圖，明確對各單元電路的要求，必要時應詳細擬定出主要單元電路的性能指標。注意各單元電路之間的相互配合，但要盡量少用或不用電平轉(zhuǎn)換之類的接口電路，以簡化電路結(jié)構(gòu)、降低成本。
(2)擬定出各單元電路的要求后，應全面檢查一遍，確定無誤后方可按一定的順序分別設計各單元電路。
(3)選擇單元電路的結(jié)構(gòu)形式。最簡單的辦法是從以往學過的和了解的各種電路中選擇一個合適的電路，但一般情況下，應查閱有關(guān)資料，以豐富知識、開闊眼界，從而找到適合的電路。具體設計時，在符合設計要求的電路基礎上適當改進或進行創(chuàng)造性的設計。
4.計算和調(diào)整參數(shù)
電路設計中參數(shù)的計算方法主要在于正確運用課程中已經(jīng)學過的分析方法，搞清電路原理，靈活運用計算公式。對于一般情況，計算參數(shù)應注意以下幾點:①各元器件的工作電壓、電流、頻率和功耗等應在允許范圍內(nèi)，并留有適當裕量;②對于環(huán)境溫度、交流電網(wǎng)電壓等工作條件應按最不利的情況考慮;③對于元器件的極限參數(shù)必須留有足夠的裕量，一般按額定值的1．5倍左右考慮;④電阻、電容的參數(shù)應選計算值附近的標稱值;⑤在保證電路達到功能指標的前提下，應盡量減少所用元器件的品種、價格、體積、數(shù)量等。
5.元器件的選擇
從某種意義上講，電子電路設計就是選擇最合適的元器件，并把它們最好地組合起來。首先要根據(jù)具體問題和方案，考慮需要哪些元件、每個元件應該具有哪些功能和性能指標;其次所需的元件哪些實驗室有，哪些市場上能買到，價格如何，指導學生關(guān)心元器件的信息和新動向，多查資料。以下概括地說明設計中元器件的選擇思路。
(1)阻容元件的選擇。電阻和電容的種類很多，正確選擇電阻和電容很重要，不同電路對電阻和電容的性能要求也不一樣。設計是要根據(jù)電路的要求選擇性能和參數(shù)合適的阻容元件，并要注意功耗、容量、頻率和耐壓范圍是否滿足要求。
(2)分立元件的選擇。分立元件包括二極管、晶體三極管、場效應管、光電管、晶閘管等，根據(jù)用途、參數(shù)等進行選擇。
(3)集成電路的選擇。集成電路的品種很多，選用的方法一般是“先粗后細”，即先根據(jù)總體方案考慮應該選用什么功能的集成電路，然后考慮具體的性能，最后根據(jù)供貨、價格等因素選用某種型號的集成電路。
6.審圖
在電路的設計過程中必然會有考慮不周的地方，各種計算也會出現(xiàn)誤差甚至錯誤，所以在畫出電路總圖后，要進行全面審查。審查時要注意先從全局出發(fā)檢查總體方案是否合適，各單元電路的原理是否正確，電路形式是否合適，再檢查各單元電路之間的電平、時序配合是否合適，電路圖中有無煩瑣可優(yōu)化之處，接著根據(jù)電路圖中所標出的各元器件的型號、參數(shù)等驗算是否能達到性能指標，有無恰當?shù)脑Ａ浚瑫r需注意電路中各元件是否工作在額定值范圍內(nèi)，以免實驗時損壞。
7.實驗檢測
一個電路的設計是一個復雜的過程，在這個過程中需要考慮很多的因素和問題，設計中難免會出一些差錯。實驗檢測是設計電子電路必不可少的環(huán)節(jié)，通過實驗檢測可以發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題，通過解決實驗中所發(fā)現(xiàn)的問題，逐步完善設計，最終達到設計目標。在實驗中所需要檢測的內(nèi)容主要有:各元件的性能和質(zhì)量、各單元電路的功能和主要指標、各個接口電路的功效、總體電路的功能等。
四、電子電路的安裝和調(diào)試
電子電路的安裝和調(diào)試在電子工程技術(shù)中占有重要的地位。它是把理論付諸實踐的過程，是把人們的主觀設想轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐泛碗娮釉O備的過程，是把設計轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程。任何一個好的設計方案都是經(jīng)過安裝、調(diào)試和多次修改才形成的。安裝主要涉及到結(jié)構(gòu)布局、元器件的安排布置、線路的走向及連接等問題。電子電路系統(tǒng)的調(diào)試是電子電路設計中的重要內(nèi)容，它包括電子電路的測試和調(diào)整兩個方面。測試是對已經(jīng)安裝完成的電路進行參數(shù)及工作狀態(tài)的測量，調(diào)整是在測試的基礎上對電路元器件的參數(shù)進行必要的調(diào)整，使電路的各項性能指標達到設計要求。電子電路的調(diào)試通常有兩種方法，其一是分塊調(diào)試法，這是采用邊安裝邊調(diào)試的方法，其二是統(tǒng)一調(diào)試法，即在整個電路系統(tǒng)安裝完成之后，進行一次性的統(tǒng)一調(diào)試。以上兩種方法的調(diào)試步驟基本一致，具體有:通電前的檢查，主要內(nèi)容是檢查元器件、檢查連線、檢查電源進線;通電檢查;靜態(tài)調(diào)試;動態(tài)調(diào)試。例如，對于數(shù)字電路的動態(tài)調(diào)試，一般先調(diào)整好振蕩電路，以便為整個電路提供時鐘信號，然后再分別調(diào)整控制電路、信號處理電路、輸入輸出電路及各種執(zhí)行機構(gòu)，在調(diào)試過程中要注意各部分的邏輯關(guān)系和時序關(guān)系，應對照設計時的時序圖，檢查各點的波形是否正常。對于調(diào)試過程中出現(xiàn)的故障，常用的診斷方法有直接觀察法、靜態(tài)工作點測量法、信號尋跡法、對比法、元件替換法、旁路法、短路法、斷路法、電子干擾的抑制措施等。
關(guān)鍵詞：電子元器件；工程實踐能力；網(wǎng)絡教學平臺；教學改革
作者簡介：李紅（1984-），女，山東肥城人，蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，講師；趙峰（1966-），男，上海人，蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，教授。（甘肅 蘭州 730070）
基金項目：本文系自動化與電氣工程學院本科教學改革項目（ZDH2013011）的研究成果。
中圖分類號：G642.44 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）03-0143-02
工程實踐能力培養(yǎng)是大學本科教育的重要內(nèi)容，對提升工科人才培養(yǎng)質(zhì)量、未來促進工程教育和工程師的認證具有重要意義。[1]通過電子元器件市場調(diào)研與系統(tǒng)設計課程實踐的學習，使學生初步掌握電子元器件市場調(diào)研與電子系統(tǒng)設計的方法、過程，培養(yǎng)學生的實踐動手能力和本專業(yè)學習的興趣，提高學生對電子技術(shù)、自動控制系統(tǒng)相關(guān)知識學習的積極性，為后續(xù)課程打下良好的基礎。電子元器件市場調(diào)研與系統(tǒng)設計課程一般安排在大二第二學期，通過確定調(diào)研問題與目標、實地調(diào)查、信息整理、分析，調(diào)查報告的撰寫的基本步驟來組織實施，電子系統(tǒng)設計則通過查找資料、確定選題、根據(jù)選題給出設計方案、分析、驗證電路的基本步驟來組織實施。
通過前幾年的教學實踐獲得了不少有益成果，但如何在2周的有限時間內(nèi)完成眾多培養(yǎng)環(huán)節(jié)，更有效地對學生選題、老師答疑、給定成績?nèi)齻€方面進行全過程監(jiān)控，對培養(yǎng)具有很強實踐創(chuàng)新能力的卓越工程師[2]有重要意義。
一、時間組織改革
前期培養(yǎng)方案中，本課程按2周時間分兩個階段分別實施：
1.電子元器件調(diào)研
（1）確定調(diào)研問題與目標。初步形成對自己所欲設計的電子系統(tǒng)的電子元器件名稱、型號、規(guī)格、參數(shù)、尺寸的基本評價。
（2）實地調(diào)查。到電子市場確定相關(guān)電子元器件市場供應品牌、價格、需求情況、主要替代品情況。
（3）信息整理。對數(shù)據(jù)、資料有重點地進行整理、分析，運用所學知識對結(jié)果進行分析得出判斷和結(jié)論。
（4）調(diào)查報告的撰寫。把整個調(diào)查過程以報告的形式呈現(xiàn)出來，并能依據(jù)調(diào)查的結(jié)論給出合理化建議和意見，作為調(diào)查的成果。
2.電子系統(tǒng)設計
（1）查找資料，確定選題。通過在圖書館、網(wǎng)上查閱所欲設計的電子系統(tǒng)的相關(guān)書籍、論文資料，確定選題。
（2）根據(jù)選題給出設計方案。針對所選題目設計電路原理圖、編寫程序、繪制原理圖。
（3）分析、驗證電路。先借助專業(yè)軟件進行仿真驗證，再購買相關(guān)元器件進行焊接后實際測試。
上述實施方案所涉及的培養(yǎng)環(huán)節(jié)較多，在實際教學過程中發(fā)現(xiàn)存在時間難以控制，各環(huán)節(jié)之間有重疊或跨越的現(xiàn)象。經(jīng)老師分析和學生反映的意見綜合，主要原因在于調(diào)研與設計環(huán)節(jié)分開，時間浪費較多。
經(jīng)研究，本課程的2周時間內(nèi)統(tǒng)一為一個過程按五個環(huán)節(jié)進行實施：
（1）查找資料，確定選題。針對老師提供的備選題目，學生通過在圖書館、網(wǎng)上查閱欲選題目的相關(guān)書籍、論文資料，確定選題。
（2）根據(jù)選題給出設計方案。針對所選題目，搜集相關(guān)資料，設計電路原理圖，學習Altium Designer軟件[3]并繪制電路原理圖。
（3）電子元器件調(diào)研。對自己所欲設計的電子系統(tǒng)的電子元器件名稱、型號、規(guī)格、參數(shù)、尺寸等進行網(wǎng)上調(diào)研，了解相關(guān)電子元器件市場供應品牌、價格、替代品情況，對數(shù)據(jù)、資料有重點地進行整理、分析，到電子市場采購部分元器件。
（4）制作、驗證電路。先借助Proteus軟件[4]進行仿真驗證，再進行焊接后實際測試。
（5）撰寫總結(jié)報告。把整個實踐過程以報告的形式呈現(xiàn)出來，并依據(jù)測試數(shù)據(jù)給出合理化建議和意見，作為成績評定的重要參考。
改革前后各培養(yǎng)環(huán)節(jié)時間分配對比如表1所示，由表可知，改革后電子元器件調(diào)研環(huán)節(jié)可以占用第一周的周六、周日機動時間，且制作、驗證電路環(huán)節(jié)可以增加到3天，給學生更充足的動手時間。
二、實踐環(huán)節(jié)的教學改革
1.學生選題
因本課程的功能定位不同于大三的專業(yè)課課程設計以及畢業(yè)設計，且考慮到學生未學課程較多的實際情況，將原有的“每組同學在指導教師的指導下自行選擇設計題目，指導教師不限題目，只要每個指導教師指導的各組不重復即可”的選題標準具體化，統(tǒng)一給出選題目錄，如表2所示。
2.老師答疑
為了利用網(wǎng)絡技術(shù)及培養(yǎng)學生正確利用網(wǎng)絡，[5]我們將原有的“每天固定2小時，機動2小時”的當面答疑時間調(diào)整為“每天網(wǎng)絡2小時，每周當面2小時”。網(wǎng)絡答疑提供2種途徑：利用QQ群和QQ群空間實現(xiàn)網(wǎng)絡互動，利用本校網(wǎng)絡教學平臺上的課程交流區(qū)在線互動。
實踐中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)師生更喜歡利用QQ群進行交流，網(wǎng)絡教學平臺上的課程交流區(qū)則相對而言人氣較差，師生發(fā)帖的積極性不高。這也意味著有必要進一步研究網(wǎng)絡教學平臺的在線答疑模塊的改進與優(yōu)化，提高使用的便捷性與信息共享的快捷性。
3.給定成績
為了提高學生的積極性，減輕總結(jié)報告書寫工作量，在給學生提供報告模板及格式要求的基礎上，將原有的五級制評分標準改為按表3制定的百分制標準進行評定。
三、教學效果
1.學生的積極性及自我滿意度
經(jīng)在本校電氣工程專業(yè)2011級本科生4個班中進行教學實踐，通過選題方式、老師答疑模式、給定成績標準等三個方面的改革，學生在選題時表現(xiàn)出更大的主動性和時效性，且選題范圍較寬；網(wǎng)絡答疑也降低了學生的拘束感，幾乎都能提出一些問題，且網(wǎng)絡資源的便捷共享優(yōu)點極大地提高了電子元器件調(diào)研與選型效率。
相對于前幾屆學生在本課程結(jié)束后對自己智能等方面提高程度的自我滿意度而言，本屆學生多數(shù)反映經(jīng)過本課程的實踐練習，自己對如何利用網(wǎng)絡獲取最新的元器件資料及典型應用案例、網(wǎng)絡提問與回答、Altium Designer軟件、Proteus軟件的使用等方面都有了極大的提高，而對于后續(xù)電子技術(shù)、單片機等課程的學習也有了明確目標。
2.教師的工作量及教學效果
經(jīng)時間組織與具體實施方案的改革，尤其是選題目錄、網(wǎng)絡答疑、評分標準的實施，老師們感覺自己在該課程的投入時間較以前可以減少30%左右，同時，從學生們的作品及報告來看教學效果則較以前反而有了極大提高。
參考文獻：
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[2]高有華，翟慧萍，卲岳，等.面向卓越工程師培養(yǎng)的“電工學”課程改革[J].電氣電子教學學報，2012，S1（34）：74-76.
[3]宋瑾.基于Altium Designer的仿真技術(shù)在電子技術(shù)教學中的應用[J].信息與電腦（理論版），2012，（6）：136-137.
【關(guān)鍵詞】實踐教學;教學改革;電工電子
【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097(2010)04―0132―03
引言
高等教育提出朝著“寬口徑、厚基礎、重能力”的方向發(fā)展,培養(yǎng)適應能力強、發(fā)展?jié)摿Υ蟮膹秃闲腿瞬攀歉叩冉逃非蟮哪繕恕ｋ娮有畔㈩悓I(yè)主要培養(yǎng)具有寬厚電子技術(shù)和信息系統(tǒng)的基礎理論、較強的電子信息系統(tǒng)設計實踐能力、科學的思維方法、獨立分析問題和解決問題的能力、能從事各類電子設備和智能儀器的研究、設計、制造、應用和開發(fā)的應用型工程技術(shù)人才。
當今世界,電子產(chǎn)品層出不窮,并且向智能化方向發(fā)展,這樣日益凸現(xiàn)出單片機和FPGA等可編程器件在電子產(chǎn)品設計和創(chuàng)新中的重要性,用人單位普遍要求求職的畢業(yè)生能夠掌握單片機的基本原理和設計方法,有的單位甚至要求畢業(yè)生具有基于單片機系統(tǒng)的電子產(chǎn)品的設計經(jīng)驗[1]。電子系統(tǒng)設計主要是指基于單片機控制的完整應用系統(tǒng)的設計,包括系統(tǒng)軟硬件設計及系統(tǒng)調(diào)試等多方面的知識。電子系統(tǒng)設計課程體系是以《單片機原理及應用》課程為核心,由《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《感測技術(shù)》、《電子設計自動化》、《可編程邏輯器件及應用》、《C語言程序設計》等相關(guān)課程組成。
一 設課背景
學生經(jīng)過《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《單片機原理及應用》、《感測技術(shù)》、《電子設計自動化》、《可編程邏輯器件及應用》、《C語言程序設計》等課程的學習,通過教師教學和隨課的驗證性實驗,對于電子信息領域的相關(guān)理論知識有了了解和掌握,基本能夠進行單元電路的設計和調(diào)試,但驗證性實驗多數(shù)是教材內(nèi)容的演示和再現(xiàn),學生基本沒有進行系統(tǒng)級的設計和實訓,綜合實踐能力有待提高,學生沒有發(fā)揮自己的主觀能動性,不利于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。
通過分析學生參加多屆電子設計競賽的情況,我們發(fā)現(xiàn),按傳統(tǒng)理論教學和實驗方法培養(yǎng)的學生,在參加電子設計競賽時,會出現(xiàn)很多問題,達不到預期目標。比如:對某一功能電路進行設計,理論上設計正確但在工程上卻無法實現(xiàn);單元電路正確卻無法實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào);各模塊功能實現(xiàn)卻無法完成一個系統(tǒng)等等。這是因為電子設計競賽既不是單純的理論設計競賽,也不僅僅是實驗競賽,而是由一個參賽隊共同設計、制作完成一個有特定工程背景的題目的競賽。電子設計競賽不僅要在單元電路上實現(xiàn)預期功能,更要考慮模塊間的接口關(guān)系;它既強調(diào)理論設計,更強調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn);它考核了學生綜合運用基礎知識的能力,更注重考察學生的創(chuàng)新意識,在2009年的全國大學生電子設計競賽中又增加了性能價格比和節(jié)能減排方面的考核內(nèi)容,更加貼近工程實際和產(chǎn)品設計。從所涉及的課程內(nèi)容上看,已經(jīng)不是競賽題目一門或者幾門課程所能解決的,而是一個由相關(guān)課程組成的課程群。再從競賽使用的器件上看,有很大一部分是理論教學中沒有講授和更新的,因為電子信息技術(shù)的發(fā)展太快,新技術(shù)、新器件層出不窮,傳統(tǒng)的教學方法和體系面臨了嚴重的挑戰(zhàn),如果不進行改革,建立一個新的理論課和實踐課教學課程體系,就無法適應培養(yǎng)現(xiàn)代化人才和發(fā)展高等教育的需要。
高等學校培養(yǎng)的人才最終是為社會和國家服務的,學生經(jīng)過四年的本科學習,最終要走向社會,從畢業(yè)生的就業(yè)情況看,絕大多數(shù)畢業(yè)生從事電子信息相關(guān)的工作[2]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),到企業(yè)進行產(chǎn)品研發(fā)的學生通常是電子競賽獲獎或參加了電子競賽培訓的學生,動手能力較強,而從事銷售、服務等工作的畢業(yè)生很大比例是不能夠進行研發(fā),不得已才去做銷售、服務的。為了使學生掌握電子系統(tǒng)的設計與開發(fā),在相關(guān)理論課教學完成后我們開設了一系列的獨立的綜合設計實踐課,對學生開放實驗室,學生可以集中時間完成一系列的綜合性、設計性實驗項目,鞏固理論教學內(nèi)容,提高學生的綜合設計能力和設計水平,為參加各級電子設計競賽和以后就業(yè)打好基礎,一舉兩得,事半功倍[3]。
二 實踐課設置情況
系列實踐課的設置遵循認知規(guī)律,是在隨課實驗基礎上的擴展和深入,經(jīng)過調(diào)研和討論,聽取兄弟院校、相關(guān)企業(yè)和畢業(yè)生的意見和建議,在培養(yǎng)學生動手能力方面除了專業(yè)實習和畢業(yè)設計環(huán)節(jié)外,設置了一系列的獨立實踐課,分布于各個學期的教學中。以電子信息工程專業(yè)培養(yǎng)方案為例,實踐課設置情況如表1所示:
實踐課的教學基本上在相關(guān)的理論課程教學完成后進行,保證學生在進行實踐課時已經(jīng)完成先導課程的學習和驗證性實驗,除《電子技術(shù)綜合實踐》,其它多數(shù)實踐課是對某一課程的強化和拓展。
三 《電子技術(shù)綜合實踐》教學過程
在系列獨立實踐課中,《電子技術(shù)綜合實踐》是關(guān)鍵性的教學環(huán)節(jié),是最貼近電子設計競賽和實際工作應用的課程,要求綜合模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、傳感器、單片機、FPGA等多方面的知識。該課程強調(diào)以學生為主體,允許學生自由選題,題目的難度一般介于驗證性實驗和畢業(yè)設計之間。
本課程使學生能夠較系統(tǒng)地掌握電子系統(tǒng)設計的全過程,包選題、文獻查閱、方案論證、器件選擇、電路設計、電路實現(xiàn)、軟件編程、裝配調(diào)試、系統(tǒng)測試、總結(jié)報告、文檔整理等。學生完成由單元設計向系統(tǒng)設計的過渡,掌握現(xiàn)代化儀器設備在系統(tǒng)設計和實踐中的應用。課程充分發(fā)揮學生的主觀能動性和創(chuàng)造力,培養(yǎng)學生的獨立工作能力以及協(xié)作精神,并通過該課程選拔參加各類設計競賽的參賽選手。
1 題目設置
在該實踐課的教學上我們選擇了多個有代表性的、難易不同的實踐題目供學生選擇。具體題目有:液體點滴速度監(jiān)控裝置、電子秤的設計與制作、智能電梯控制系統(tǒng)、水溫控制系統(tǒng)、脈搏測量儀的制作、直流數(shù)控穩(wěn)壓源、數(shù)字式液量測量系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制測量儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號發(fā)生器、智能小車等等。這些題目基本上都是綜合性、設計性的,有的題目是歷年電子設計競賽題目的簡化或分解。以液體點滴速度監(jiān)控裝置為例,該設計要求制作一個液體點滴速度監(jiān)測與控制裝置,如圖1所示,實現(xiàn)的功能有:
(1)在滴斗處檢測點滴速度,并制作一個顯示裝置,能動態(tài)顯示點滴速度(滴/分)。
(2)通過改變h2控制點滴速度,也可以通過控制輸液軟管夾頭的松緊等其它方式來控制點滴速度。點滴速度可用鍵盤設定并顯示,設定范圍為20-150滴/分,控制誤差范圍為設定值 10% 。
(3)調(diào)整時間≤2分鐘(從改變設定值起到點滴速度基本穩(wěn)定,能人工讀出數(shù)據(jù)為止)。
(4)當h1降到警戒值(2~3cm)時,能發(fā)出報警信號。
這個題目中對點滴速度和液面位置的檢測要用到傳感器,要有聲光報警電路,需要電機改變h2高度來控制點滴速度,整個系統(tǒng)由單片機進行控制,通常選擇PID算法來調(diào)整點滴速度。從實用和智能化角度出發(fā),可以擴展成網(wǎng)絡,采用簡單的RS-232通訊實現(xiàn)從站和主站之間的通信,實現(xiàn)智能化管理。
學生在選題過程中進行引導,避免多組學生選擇同一題目,學生也可以自主擬定題目,經(jīng)過指導教師審核即可。學生3人為1個小組,成員有所分工。
2 教學要求
(1)綜合運用EDA軟件
學生根據(jù)所選題目進行方案設計,對方案中的電路進行設計計算,包括元器件的選擇和電路參數(shù)的計算。要求學生通過各種EDA軟件進行仿真驗證,選擇Multisim7、Proteus、ISE等軟件進行相關(guān)仿真實驗。
(2)硬件電路制作
設計方案經(jīng)指導教師審查通過后,學生領取所需元器件等材料,設計PCB電路板并且自己加工,最后焊接制作電路并調(diào)試。
本課程教學采用了“模板化”設計方法,將學生設計調(diào)試好的A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、鍵盤、顯示電路“模板化”,使系統(tǒng)設計的局部和整體有機結(jié)合,提高了實驗資源的利用率和實踐效率,“模板化”后的單元電路在電子設計競賽中也可使用。
(3)軟件的編制與仿真。根據(jù)已設計出的軟件系統(tǒng)流程圖,編制出各功能模塊的子程序及整機軟件系統(tǒng)的主程序,程序設計時,要充分考慮與所設計硬件電路的連接及有關(guān)指標要求。向?qū)W生推薦使用C語言進行單片機的編程與開發(fā),用C語言進行程序開發(fā)更方便移植,貼近實際工程背景,適合開發(fā)大型的工程應用程序。
(4)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。學生集中在1周內(nèi)完成所選題目,3個學生為1組,按照模塊化設計方式有所分工,當每個同學所負責的模塊調(diào)試成功后進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào),要求學生之間相互配合,遇到問題一起找原因、想辦法,而不是相互埋怨、推脫責任,培養(yǎng)學生的合作精神,積累系統(tǒng)調(diào)試的經(jīng)驗,培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。
(5)撰寫實踐總結(jié)報告。
書寫高質(zhì)量的工作總結(jié)是反映工作實踐素質(zhì)高低的一個重要方面,工程技術(shù)人員應能用書面形式系統(tǒng)、完整、清晰地表達自己的研究成果,其目的是讓人很容易地看懂所研究課題的內(nèi)容、方案、原理、實現(xiàn)方法等。因此,書寫實踐總結(jié)報告也是實踐課考核的主要內(nèi)容之一。
3 考核方法
(1)設計方案正確性與合理性,綜合考慮性能價格比和系統(tǒng)功耗。
(2)實踐動手能力,包括PCB設計水平、安裝工藝水平、焊接工藝水平。
(3)設計成果,達到的指標。
(4)調(diào)試中分析和解決問題的能力,創(chuàng)新精神。
(5)題目的難易程度。
(6)獨立工作能力,實踐工作態(tài)度。
(7)總結(jié)報告完成的質(zhì)量。
四 教學效果
經(jīng)過幾年的教學和改革,對學生動手能力的培養(yǎng)取得了較好的效果。2005年以來,學生參加了全國大學生電子設計競賽和浙江省大學生電子設計競賽,共獲3個全國一等獎,2個全國二等獎,4個省一等獎,6個省二等獎。近5年,本科生一次就業(yè)率年均在90%以上,多數(shù)畢業(yè)生到企業(yè)從事研發(fā)工作,少數(shù)畢業(yè)生獨立創(chuàng)業(yè)、注冊公司進行電子產(chǎn)品的設計與開發(fā)。
此外,學生參與教師科研項目、獨立申報承擔浙江省新苗計劃項目、浙江省大學生創(chuàng)新項目、校級學生科研項目的數(shù)量都顯著提高。
五 結(jié)束語
實踐課主要體現(xiàn)在對實際工程應用系統(tǒng)或產(chǎn)品的研制,使學生經(jīng)歷從課題任務的提出到方案的論證、設計,軟件及硬件的開發(fā)、聯(lián)機調(diào)試等若干步驟。學生通過自己設計實驗電路、實驗步驟、實驗方法等,綜合應用電子技術(shù)的能力、理論聯(lián)系實際的能力得到了很大的提高,促進了學生創(chuàng)造性思維的發(fā)揮。這些實踐課是在理論課教學和相應驗證性實驗基礎上的深入和提高,是對學生電子系統(tǒng)設計的綜合性訓練,這種訓練培養(yǎng)了學生工程實踐能力、獨立工作能力及創(chuàng)新能力。
參考文獻
[1] 王劍.電子系統(tǒng)設計課程體系改革的探討[J].長江大學學報(自然科學版),2009,6(2):377-378.
論文摘要 在人類所利用的能源當中，電能是最清潔最方便的；電氣傳動無疑有著很大的意義，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。本文在對大量國內(nèi)外文獻分析的基礎上，總結(jié)和論述了我國在電力電子和電力傳動系統(tǒng)領域的研究現(xiàn)狀。
從學術(shù)的角度來看，電力電子技術(shù)的主要任務是研究電力電子器件（功率半導體）設備，轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，控制和電力電子應用，實現(xiàn)電力和磁場的能量轉(zhuǎn)換、控制、傳輸和存儲，以便實現(xiàn)合理和有效使用的各種形式的能源，高品質(zhì)的人力的電力和磁場的能量。
1 電力電子的研究方向
就目前情況而言，我國電力電子的研究范圍與研究內(nèi)容主要包括：1）電力電子元器件及功率集成電路；2）電力電子變換器技術(shù)的研究主要包括新的或電力能源的節(jié)約和新能源電力電子，軍事和空間應用等作為特殊的電力電子轉(zhuǎn)換器技術(shù)的智能電力電子變換器技術(shù)，控制電力電子系統(tǒng)和計算機仿真建模；3）電力電子技術(shù)的應用，其研究內(nèi)容包括超高功率轉(zhuǎn)換器，在能源效率，可再生能源發(fā)電，鋼鐵，冶金，電力，電力牽引，船舶推進應用，電力電子系統(tǒng)的信息化和網(wǎng)絡；電力電子系統(tǒng)的故障分析和可靠性；復雜的電力電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應性；4）電力電子系統(tǒng)集成，其研究內(nèi)容包括標準化電力電子模塊；單芯片和多芯片系統(tǒng)設計，集成電力電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
2 我國電力電子發(fā)展中存在的問題
當前的主要問題是：中國的電力電子產(chǎn)品和設備目前生產(chǎn)的大部分是也主要是晶閘管，雖然它可以創(chuàng)造一些高科技電子產(chǎn)品和電氣設備，但他們都使用電力電子外國生產(chǎn)設備和多組分組裝集成的制造方法，尤其是先進的全控型電力電子器件全部依賴進口，而許多關(guān)系到國民經(jīng)濟和國家安全，在一些關(guān)鍵領域的核心技術(shù)，軟件，硬件和關(guān)鍵設備，我國的外資控制和封鎖。特別是在關(guān)系國民經(jīng)濟和國家安全，更多先進水平的核心技術(shù)差距的關(guān)鍵領域，這種情況正在迅速變化的挑戰(zhàn)和我們的道德律令。
在過去，雖然我國國民經(jīng)濟的各個部門，先后引進了國外先進技術(shù)，已開始注意到國內(nèi)突出的問題，從表面上看，雖然對引進技術(shù)的絕大多數(shù)可以在幾年后達到國產(chǎn)化率70％的要求，但只要仔細分析，不難發(fā)現(xiàn)，并最終拒絕外國公司轉(zhuǎn)讓技術(shù)和關(guān)鍵部件，都涉及到高科技的電力電子技術(shù)和動力傳動產(chǎn)品在核心技術(shù)。
目前國外和問題的主要區(qū)別是：電力電子器件的全面控制，不能制造國內(nèi)制造的高功率轉(zhuǎn)換器，低技術(shù)，設備可靠性差，電力電子數(shù)字控制技術(shù)水平仍處于初級階段；應用程序的控制技術(shù)和系統(tǒng)控制軟件的水平較低；缺乏經(jīng)驗的重大項目等。高性能高功率轉(zhuǎn)換器設備幾乎全部從國外進口。
3 電力傳動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀分析
目前我國電力傳動系統(tǒng)的研究主要圍繞交流轉(zhuǎn)動系統(tǒng)展開，隨著交流電動機調(diào)速理論的突破和調(diào)速裝置（主要是變頻器）性能的完善，電動機的調(diào)速從直流發(fā)電機-電動機組調(diào)速、晶閘管可控整流器，直流調(diào)壓調(diào)速逐步發(fā)展到交流電動機變頻調(diào)速。交流傳動系統(tǒng)之所以發(fā)展得如此迅速，和一些關(guān)鍵性技術(shù)的突破性進展有關(guān)。它們是功率半導體器件（包括半控型和全控型）的制造技術(shù)、基于電力電子電路的電力變換技術(shù)、交流電動機控制技術(shù)以及微型計算機和大規(guī)模集成電路為基礎的全數(shù)字化控制技術(shù)。為了進一步提高交流傳動系統(tǒng)的性能，國內(nèi)有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個方面展開：
1）輸入電流為正弦和四象限運行開辟了新的途徑
高性能交流驅(qū)動系統(tǒng)電壓型PWM逆變器中的應用日益廣泛，PWM技術(shù)的研究更深入。 PWM功率半導體器件采用高頻開啟和關(guān)閉，成為一個在一定寬度的電壓脈沖序列法律的變化，為了實現(xiàn)頻率，變壓器，有效地控制和消除諧波的直流電壓。 PWM技術(shù)可分為三類：正弦PWM，優(yōu)化PWM及隨機PWM。正弦PWM的電壓，電流和磁通正弦PWM計劃的目標包括。正弦PWM普遍提高功率器件的開關(guān)頻率將是一個非常出色的表現(xiàn)，在中小功率交流驅(qū)動系統(tǒng)等被廣泛使用。但為大容量的電源轉(zhuǎn)換設備，高開關(guān)頻率將導致大的開關(guān)損失，以及高功率設備，如GTO的開關(guān)頻率仍不做的非常高的在這種情況下，在最佳的PWM技術(shù)只是滿足的需求該設備。
2）應用矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論
交流電機交流驅(qū)動系統(tǒng)是一個多變量、非線性、強耦合、時變控制對象，變頻調(diào)速控制，電機控制的穩(wěn)定狀態(tài)方程的研究動態(tài)控制非常令人滿意的結(jié)果的特點。 70年代初提出研究交流電機的控制過程的動態(tài)，不僅要控制每個變量的振幅，而控制的階段，為了實現(xiàn)交流電機磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦矢量變換方法，促使高性能交流驅(qū)動系統(tǒng)逐漸向?qū)嶋H使用。高動態(tài)性能的電流矢量控制變頻器已成功應用于軋機主傳動，電力牽引系統(tǒng)和數(shù)控機床。此外，為了解決系統(tǒng)的復雜性和控制精度之間的矛盾，但也提出一個新的控制方法，如直接轉(zhuǎn)矩控制，方向控制電壓，特別是與微處理器控制技術(shù)，現(xiàn)代控制理論在各種控制方法也得到了應用，如二次型性能指標最優(yōu)控制和雙位模擬調(diào)節(jié)器控制，可以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，滑（滑模）變結(jié)構(gòu)控制可以提高系統(tǒng)的魯棒性，狀態(tài)觀測器和卡爾曼濾波器可以得到狀態(tài)信息不能測量，自適應控制能夠全面提高系統(tǒng)的性能。此外，智能控制技術(shù)，如模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡控制，也開始在交流變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)用于提高控制精度和魯棒性。
3）廣泛應用微電子技術(shù)
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。目前適于交流傳動系統(tǒng)的微處理器有單片機、數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor——DSP）、專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit——ASIC）等。其中，高性能的計算機結(jié)構(gòu)形式采用超高速緩沖儲存器、多總線結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)和多處理器結(jié)構(gòu)等。核心控制算法的實時完成、功率器件驅(qū)動信號的產(chǎn)生以及系統(tǒng)的監(jiān)控、保護功能都可以通過微處理器實現(xiàn)，為交流傳動系統(tǒng)的控制提供很大的靈活性，且控制器的硬件電路標準化程度高，成本低，使得微處理器組成的全數(shù)字化控制系統(tǒng)達到了較高的性能價格比。
4 結(jié)論
雖然我國電力電子與電力系統(tǒng)傳動系統(tǒng)技術(shù)得到了長足的發(fā)展，但與發(fā)達國家相比仍然存在較大差距，許多關(guān)鍵技術(shù)有待突破，關(guān)鍵部件還長期依賴進口的局面還沒有打破。
參考文獻
