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性的变化。在器件方面，微、可编程逻辑器件等飞速发展。利用EDA工具，采用微、可编程逻辑器件，正在成为电子系统设计的主流。采用微、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、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、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、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）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”（自顶向下下）的设计计中，行为为设计确定定该电子系系统或VLSI芯片的功能能、性能及及允许的芯芯片面积和和成本等。。结构设计计根据系统统或芯片的的特点，将将其分解为为接口清晰晰、相互关关系明确、、尽可能简简单的子系系统，得到到一个总体体结构。这这个结构可可能包括信信号处理，，算术运算算单元、控控制单元、、数据通道道、各种算算法状态机机等。逻辑辑设计把结结构转换成成逻辑图，，设计中尽尽可能采用用规则的逻逻辑结构或或采用经过过考验的逻逻辑单元或或信号处理理模块。电电路设计将将逻辑图转转换成电路路图，一般般都需进行行硬件仿真真，以最终终确定逻辑辑设计的正正确性。版版图设计将将电路图转转换成版图图，如果采采用可编程程器件就可可以在可编编程器件的的开发工具具时进行编编程制片。。“Top－down””（自顶向下下）设计方方法的设计计步骤3.设计的划分分与步骤采用“Bottom-up”（自底向上上）设计方方法或者“Top－down”（自顶向下下）设计方方法，一般般都可以将将整个设计计划分为系系统级设计计、子系统统级设计、、部件级设设计、元器器件级设计计4个层次。对对于每一个个层次都可可以采用3步进行考虑虑。例如设计一一个数字控控制系统，，行为描述述与设计完完成传递函函数和逻辑辑表达式，，结构描述述与设计完完成逻辑图图和电路图图，物理描描述与设计计确定使用用的元器件件、印制板板设计、安安装方法等等。4.设计中应注注意的一些些问题在设计中采采用“Top－down”（自顶向下下）设计方方法必须注注意以下问问题：（1）在设计的的每一个层层次中，必必须保证所所完成的设设计能够实实现所要求求的功能和和技术指标标。注意功功能上不能能够有残缺缺，技术指指标要留有有余地。（2）注意设计计过程中问问题的反馈馈。解决问问题采用“本层解决，，下层向上上层反馈”的原则，遇遇到问题必必须在本层层解决，不不可以将问问题传向下下层。如果果在本层解解决不了，，必须将问问题反馈到到上层，在在上一层中中解决。完完成一个设设计，存在在从下层向向上层多次次反馈修改改的过程。。（3）功能和技技术指标的的实现采用用子系统、、部件模块块化设计。。要保证每每个子系统统、部件都都可以完成成明确的功功能，达到到确定的技技术指标。。输入输出出信号关系系应明确、、直观、清清晰。应保保证可以对对子系统、、部件进行行修改与调调整以及替替换，而不不牵一发动动全身。（4）软硬件协协同设计，，充分利用用微器和可编程程逻辑器件件的可编程程功能，在在软件与硬硬件利用之之间寻找一一个平衡。。软件/硬件协同设设计的一般般流程如图图所示。三、电子作作品设计制制作步骤1题目选择选择题目按按照如下原原则进行：：1、明确设计计任务，即即“做什么？”。选择题目目应注意题题目中不应应该有知识识盲点，即即要能够看看懂题目要要求。2、明确系统统功能和指指标，即“做到什么程程度？”。3、要确定是是否具有完完成该设计计的元器件件、最小系系统、开发发工具、测测量仪器仪仪表等条件件。2系统方案论论证题目选定后后，需要考考虑的问题题是如何实实现题目的的各项要求求，完成作作品的制作作，即需要要进行方案案论证。方案论证可可以分为总总体实现方方案论证、、子系统实实现方案论论证、部件件实现方案案论证几个个层次进行行。1）.确定设计的的可行性方案论证最最重要的一一点是要确确定设计的的可行性，，需要考虑虑的问题有有：（1）原理的可可行性？解解决同一个个问题，可可以有许多多种方法，，但有的方方法是不能能够达到设设计要求的的，千万要要注意。（2）元器件的的可行性？？如采用什什么器件？？微器？可编程程逻辑器件件？能否采采购得到？？（3）测试的可可行性？有有无所需要要的测量仪仪器仪表？？（4）设计、制制作的可行行性？如难难度如何？？本组队员员是否可以以完成？设计的可行行性需要查查阅有关资资料，充分分地进行讨讨论、分析析比较后才才能确定。。在方案设设计过程中中要要提出出几种不同同的方案，，从能够完完成的功能能、能够达达到的技术术性能指标标、元器件件材料采购购的可能性性和经济性性、采用元元器件、设设计技术的的先进性、、以及完成成时间等方方面进行比比较，要敢敢于创新，，敢于采用用新器件新新技术，对对上述问题题经过充分分、细致的的考虑和分分析比较后后，拟订较较切实可行行的方案。。2）.明确方案的的内容（l）系统的外外部特性系统具有的的主要功能能？引脚数量？？功能？输入信号和和输出信号号形式（电电压？电流流？脉冲？？等）、大大小（量级级？）、相相互之间的的关系？输入信号和和输出信号号相互之间间的关系？？函数表达达式？线性性？非线性性？测量仪器仪仪表与方法法？（2）系统的内内部特性系统的基本本工作原理理？系统的实现现方法？数数字方式？？模拟方式式？数字模模拟混合方方式？系统的方框框图？系统的控制制流程？系统的硬件件结构？系统的软件件结构？系统中各子子系统、部部件之间的的关系？接接口？尺寸寸？安装方方法？3安装制作与与调试安装制作与与调试是保保证设计是是否成功的的重要环节节。（1）安装制作作需要考虑虑的问题有有：安装工具？？元器件选择择与采购？？最小系统的的采用？微微？？可编程逻逻辑器件?印制板设计计与制作？？低频？高高频？数字字？模拟？？数模混合合？地？EMC？子系统、部部件安装制制作的顺序序？（2）调试需要要考虑的问问题有：调试参数？？调试方法？？调试需要的的仪器与仪仪表？软件/硬件的协同同？修改软软件？修改改硬件？测量数据的的记录与处处理？建议的安装装制作与调调试步骤四、子系统统的设计制制作步骤1单片机与可可编程逻辑辑器件子系系统设计步步骤在电子设计计竞赛中，，作为控制制器，单片片机与可编编程逻辑器器件应用非非常普遍，，其设计过过程可以分分为明确设设计要求、、系统设计计、硬件设设计与调试试、软件设设计与调试试、系统集集成等步骤骤。设计的第1步是明确设设计要求，，确定系统统功能与性性能指标。。一般情况况下，单片片机与可编编程逻辑器器件最小系系统是整个个系统的核核心，需要要确定最小小系统板的的功能、输输入输出信信号特征等等；需要考考虑与信号号输入电路路、控制电电路、显示示电路、键键盘等电路路的接口和和信号关系系。最小系统板板在竞赛中中可以采用用成品，但但接口电路路，功率控控制电路，，A/D与D/A电路，信号号调理等电电路需要自自己设计制制作。为了了使作品的的整体性更更好一点，，建议将控与外外围电路设设计在一块块电路板上上，这一部部分内容可可以在竞赛赛前进行设设计与制作作，在竞赛赛中根据需需要进行修修改。软件开发工工具需要与与所选择的的硬件配套套，软件设设计需要对对软件功能能进行划分分，需要确确定数学模模型，算法法、数据结结构、子程程序等程序序模块。软软件开发工工具的使用用需要在竞竞赛前进行行培训。常常用的一些些程序如系系统检测、、显示器驱驱动、A/D、D/A、接口通信信、延时等等程序，可可以在竞赛赛前进行编编程和调试试，在竞赛赛中根据需需要进行修修改。系统集成完完成软件与与硬件联调调与修改。。在软件与与硬件联调调过程中，，需要认真真分析出现现的问题，，软件设计计人员与硬硬件设计人人员需要进进行良好的的沟通，一一些问题如如非线性补补偿、数据据计算、码码型变换等等用软件解解决问题会会容易很多多。采用不不同的硬件件电路，软软件编程将将会完全不不同，在软软件设计与与硬件设计计之间需要要寻找一个个平衡点。。2数字/模拟子系统统设计步骤骤数字/模拟子系统统的设计过过程其步骤骤大致分为为：明确设设计要求，，确定设计计方案和进进行电路设设计制作、、调试等步步骤。在电电子设计竞竞赛中，数数字子系统统多采用单单片机或者者大规模可可编程逻辑辑器件实现现，但也可可以74/40等系列的数数字集成电电路实现，，本节讨论论的数字子子系统是基基于74/40等系列数字字集成电路路的。从第第1章的题目分分析可见，，模拟与数数字混合的的题目占多多数。模拟拟子系统也也是作品的的重要组成成部分，设设计制作通通常包含有有模拟输入入信号的处处理，模拟拟输出信号号、与数字字子系统、、单片机、、可编程器器件子系统统之间的接接口等电路路。1）.明确设计要要求（1）对于数字字子系统，，需要明确确的设计要要求有：子系统的输输入和输出出？数量？？信号形式？？模拟？TTL？CMOS？负载？微控？可可编程器件件？功率驱驱动？输出出电流？时钟？毛刺刺？冒险竞竞争？实现器件？？（2）对于模拟拟子系统，，需要明确确的设计要要求有：输入信号的的波形和幅幅度、频率率等参数？？输出信号的的波形和幅幅度、频率率等参数？？系统的功能能和各项性性能指标？？如增益、、频带、宽宽度、信噪噪比、失真真度等？技术指标的的精度、稳稳定性？测量仪器？？调试方法？？实现器件？？2）.确定设计方方案对于数字电电路占主体体的系统，，我们的建建议是采用用单片机或或者可编程程逻辑器件件，不要大大量的采用用中、小规规模的数字字集成电路路，中、小小规模数字字集成电路路制作作品品时非常麻麻。