主頁 > 技術(shù)文章 > 簡析電子系統(tǒng)綜合設(shè)計能力培養(yǎng)的創(chuàng)新與實踐 2024-10-20

簡析電子系統(tǒng)綜合設(shè)計能力培養(yǎng)的創(chuàng)新與實踐

摘要：依托電子競賽的內(nèi)容，結(jié)合電子信息專業(yè)的特點組織綜合電工電子系統(tǒng)設(shè)計教學(xué)；通過讓學(xué)生根據(jù)課題收集資料、整理資料、提出實現(xiàn)方案的途徑，以達到提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，為以后的工作奠定了良好的專業(yè)知識基礎(chǔ)。
　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、知識經(jīng)濟時代的到來，社會對大學(xué)生提出了許多新的要求。大學(xué)生應(yīng)該具有扎實的基礎(chǔ)理論知識、較強的實踐能力、創(chuàng)新意識、創(chuàng)業(yè)精神和協(xié)調(diào)能力、強烈的責(zé)任感和服務(wù)意識等。
　　當(dāng)今世界，電子產(chǎn)品不斷更新發(fā)展，并且向智能化方向發(fā)展，日益突出單片機和FPGA等可編程器件在電子產(chǎn)品設(shè)計和創(chuàng)新中的重要性。新產(chǎn)品的更新?lián)Q代促使用人單位對電子信息專業(yè)的學(xué)生有更高的要求：第一，要有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識，例如學(xué)習(xí)和掌握“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“高頻電子技術(shù)”、“單片機原理”和“微機原理”等主要課程；第二，動手能力要強；第三，要能緊跟電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，要有較強的適應(yīng)工作的能力，使用先進應(yīng)用軟件的能力，用人單位對畢業(yè)生的要求除了能夠掌握一定的基礎(chǔ)理論和工具之外，還要求畢業(yè)生具有基于單片機系統(tǒng)的電子產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗。
　　電子設(shè)計競賽正是對人才全面培養(yǎng)、更新教育理念、改革教學(xué)方法和內(nèi)容等起到了促進作用，具有極其重要的現(xiàn)實意義。電子設(shè)計競賽的選題引進了新的理論與技術(shù)，是跨學(xué)科的、系統(tǒng)的和綜合的。為了有效指導(dǎo)學(xué)生參加各類電子競賽，特對綜合電工電子系統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)模式、課程內(nèi)容、教學(xué)方法及考評進行改革。
一、綜合電子系統(tǒng)設(shè)計課程的性質(zhì)：
　　電子系統(tǒng)設(shè)計主要是指基于單片機控制的完整應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，包括系統(tǒng)軟硬件設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試等多方面的知識。電子系統(tǒng)設(shè)計課程體系是以“單片機原理及應(yīng)用”課程為核心，由“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“傳感器技術(shù)”、“電子設(shè)計自動化”、“可編程邏輯器件及應(yīng)用”、“C語言程序設(shè)計”等相關(guān)課程組成。它是一門綜合性較強的專業(yè)課程，通過本課程的理論學(xué)習(xí)和動手實驗，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識綜合運用能力、系統(tǒng)分析能力和電子產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)新能力。
　　學(xué)生經(jīng)過前期基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，通過隨課的驗證性實驗，對于電子信息領(lǐng)域的相關(guān)理論知識有了了解和掌握，在老師的指導(dǎo)下基本能夠進行單元電路的設(shè)計和調(diào)試，通過課程設(shè)計也能完成本課程簡單的綜合性實驗。但一些驗證性實驗多數(shù)是教材內(nèi)容原理的演示和再現(xiàn)，實驗內(nèi)容和方法都是老師指定，學(xué)生基本沒有進行系統(tǒng)級的設(shè)計和實訓(xùn)，綜合實踐能力有待提高，學(xué)生沒有發(fā)揮自己的主觀能動性，積極性不高，不利于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。
　　鑒于上述情況，對綜合電子系統(tǒng)設(shè)計的理論內(nèi)容和實踐方法進行改革創(chuàng)新：
二、綜合電子系統(tǒng)設(shè)計理論課內(nèi)容：
　　根據(jù)本課程的實際情況和學(xué)生所具備基礎(chǔ)知識，安排如下幾個環(huán)節(jié)：模擬電路單元設(shè)計，數(shù)字系統(tǒng)單元的設(shè)計，微處理器單元電路的設(shè)計以及電子系統(tǒng)抗干擾技術(shù)等環(huán)節(jié)。
　　結(jié)合全國電工電子大賽，模擬單元電路主要講述運算放大器的設(shè)計以及正確使用、有源濾波器的設(shè)計方法、外圍電子元器件（電子、電容）的計算和選擇；直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法以及參數(shù)元器件的選擇；各種信號產(chǎn)生的方法，重點講述數(shù)字頻率合成DDS的原理和實現(xiàn)技術(shù)。以上這些單元內(nèi)容的安排是結(jié)合歷年來全國電子設(shè)計大賽有關(guān)模擬電路環(huán)節(jié)而選擇的，通過這些內(nèi)容的講解有利于提高學(xué)生模擬電子技術(shù)的設(shè)計方法。
　　數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計單元主要講解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法，突出現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計——EDA設(shè)計方法；可編程邏輯器件的特點及選擇；數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計舉例，比如AD、DA控制器的實現(xiàn)、交通燈控制器的實現(xiàn)、電子密碼鎖的設(shè)計等。通過大量實例的講解使學(xué)生能初步掌握用大規(guī)模可編程邏輯實現(xiàn)中等難度的數(shù)字邏輯系統(tǒng)。
　　微處理器單元主要講述目前流行的各種處理器，例如51內(nèi)核單片機、MSP430單片機、AVR單片機、PIC單片機等型號，介紹它們的特點、應(yīng)用范圍、怎樣根據(jù)項目需求來選擇合適的微處理器；根據(jù)學(xué)生目前對微處理器的掌握和學(xué)習(xí)情況，重點講述基于單片機串行通信的設(shè)計，包括幾種流行的串行通信協(xié)議：SPI協(xié)議、IIC協(xié)議、UART協(xié)議以及one—wire協(xié)議，分析它們的特點，在不具有SPI總線、IIC總線的微處理器中怎樣通過IO口模擬它們的總線協(xié)議；以具有這些總線協(xié)議的集成電路芯片的利用提高學(xué)生的C語言編程能力。
　　在微處理器單元里，另外的重點內(nèi)容多基于單片機的并行通信設(shè)計，包括常用的人機接口電路（鍵盤、LCD、LED顯示），這是在大多數(shù)的電子系統(tǒng)設(shè)備中都具有的，學(xué)生有必要掌握它們的設(shè)計方法以及編程技術(shù)。
　　電子系統(tǒng)抗干擾技術(shù)也是綜合電子系統(tǒng)設(shè)計中非常重要的內(nèi)容。當(dāng)系統(tǒng)處在比較惡劣的環(huán)境下，抗干擾設(shè)計的好與壞直接決定了系統(tǒng)能否正常工作。微處理器雖然本身的抗干擾能力較強，但是用微處理器構(gòu)造的控制系統(tǒng)仍存在著抗干擾的問題。為防止外界對系統(tǒng)的干擾，并確保電子系統(tǒng)安全可靠運行，必須采取相應(yīng)的抗干擾措施。電子系統(tǒng)的干擾主要來自于供電系統(tǒng)、過程通道及空間電磁波。電子應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計應(yīng)針對不同的干擾源采取必要的抗干擾措施。具體方法有硬件抗干擾技術(shù)和軟件抗干擾技術(shù)。
在這一章節(jié)里主要講解電磁兼容設(shè)計、器件選型、降熱散熱計算、電路板和電子系統(tǒng)可靠性測試等綜合知識。通過對本小節(jié)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生應(yīng)達到以下目標(biāo)：熟悉系統(tǒng)的各種干擾來源及形式；學(xué)會供電系統(tǒng)及過程通道的抗干擾措施；能說出在印制電路板設(shè)計中體現(xiàn)的抗干擾措施；學(xué)習(xí)設(shè)計軟件陷阱及看門狗電路，從而為綜合電子設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。
三、精心設(shè)計安排實驗：
　　這門課實踐性很強，除了教師講述的理論內(nèi)容和方法外，安排大量的實驗以及鼓勵學(xué)生去參加科技創(chuàng)新和各種電子設(shè)計的比賽，提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力，從而提高他們的實際動手能力。根據(jù)課程的內(nèi)容合理安排一些設(shè)計性的實驗題目。安排的實驗不同于在學(xué)習(xí)相應(yīng)的基礎(chǔ)時所做的實驗，要體現(xiàn)獨立思考的能力。
　　教師布置實驗題目、講述方法，學(xué)生以實驗項目為中心，整合理論知識，查閱相關(guān)資料，具體的實驗方案和電路要學(xué)生自己去網(wǎng)上或圖書館查閱資料獨立完成。在做實驗前，電路圖以及程序代碼要在課下完成，實驗室只是調(diào)試電路和程序以及老師考核實驗成績。這樣做可以更好地將理論與實踐結(jié)合到實驗項目中去，使學(xué)生在動手實踐能力和分析解決問題的能力上有一定的提升；也可以鍛煉學(xué)生學(xué)會搜集資料、整理資料，提高他們獨立自主的學(xué)習(xí)能力。同時，教師在帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中也在不斷地提升自己，積累經(jīng)驗。
　　結(jié)合電子設(shè)計競賽，安排各章節(jié)相應(yīng)的實驗項目：模擬電路單元主要是運算放大器和二階有源濾波器的設(shè)計；重點是直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計；數(shù)字系統(tǒng)單元設(shè)計安排了數(shù)字頻率計、交通燈控制器，重點是DDS數(shù)字頻率的合成實驗。微處理器單元安排了基于單片機SPI總線時鐘顯示器和基于單片機并行通信的LCD顯示系統(tǒng)。鑒于目前的實驗條件，這些實驗主要是通過仿真軟件來完成。模擬單元電路里，利用Multisim電子電路仿真軟件來完成運算放大器和有源濾波器以及直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計；在數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計中，利用MAX+PLUS II軟件完成DDS數(shù)字頻率合成的實驗；微處理器單元，利用PROTEUS軟件完成單片機的并行和串行通信實驗。這樣在不需要任何實驗儀器和元器件的情況下，為學(xué)生提供了一個展示才華的平臺，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力。
四、綜合電子系統(tǒng)設(shè)計的考核標(biāo)準(zhǔn)：
　　目前我國教育領(lǐng)域使用的最普遍的考核方式仍是閉卷考試。閉卷考試對于考核學(xué)生的知識掌握情況是非常重要的，但對于綜合電子系統(tǒng)設(shè)計這門技術(shù)性實踐性和綜合性非常強的課程，不適合采用閉卷考試對學(xué)生能力進行考查。
　　為了真正鍛煉學(xué)生的實際動手能力，對這門課的考核采取如下方式：平時上課出勤、答疑以及學(xué)習(xí)的主動性占20%；實驗占30%（其中課前預(yù)習(xí)的情況比重占80%）；最后50%的成績是學(xué)生的作品。學(xué)生可以完成一個老師指定的題目，在確定最佳設(shè)計方案后，到實驗室完成了系統(tǒng)單元電路的仿真，進行安裝、測量和調(diào)試，把實際的設(shè)計作品做出來。也可以根據(jù)學(xué)科專業(yè)方向并結(jié)合自身興趣，自主選擇一個課題作為課程的設(shè)計項目，經(jīng)過系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、電路實現(xiàn)、系統(tǒng)調(diào)試完成一個完整的電子作品；最后通過驗收、答辯、總結(jié)、演講結(jié)束課程的學(xué)習(xí)。在系統(tǒng)的制作和調(diào)試過程中，讓學(xué)生想方設(shè)法采取各種措施解決所遇到的實際問題，不斷調(diào)整參數(shù)，修改和完善設(shè)計方案，得到真正的訓(xùn)練。
五、結(jié)論：
實踐證明，向?qū)W生介紹一種完整的電子系統(tǒng)設(shè)計方法和概念，通過理論講授、實用性的設(shè)計舉例以及相應(yīng)的動手實驗使學(xué)生了解并掌握電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法以及制作調(diào)試技能，為后來的畢業(yè)設(shè)計、今后的學(xué)習(xí)和實際工作打下扎實的基礎(chǔ)，符合全國電子大賽“立足行業(yè)、突出實踐、促進就業(yè)”的宗旨。

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