主頁 > 技術文章 > 簡析電子係統綜合設計能力培養的創新與實踐 2024-10-20

簡析電子係統綜合設計能力培養的創新與實踐（jiàn）

摘要：依托電子競賽的內容，結合電子信息專業的（de）特點組織綜合電工電子係統設計教學（xué）；通過讓學（xué）生根據課題收集資料（liào）、整理資料、提出實現方案的途徑，以達到提高學生（shēng）分析問題、解決問題的能力，為以後的工（gōng）作奠定了（le）良好的專業知識基礎。
　　隨（suí）著（zhe）科學技術的發展、知識經濟時代的到來，社會對大學生提出了許多新的要求。大學生應該具有紮實的基礎理論（lùn）知識、較強的實（shí）踐能力、創新意識、創業精神和協（xié）調能力、強烈的責任感和服務（wù）意識等。
　　當今（jīn）世界，電子產品（pǐn）不斷更新發展，並且向智能化方向發展，日益突出單片機和FPGA等可編程器件在電子產品設計和創新中的重要性。新產品（pǐn）的更新換（huàn）代促使用人單（dān）位對電子信息專業的學生有更高的要求：第一，要有紮（zhā）實的專業基礎知識，例如學習和掌握“模擬電子技術”、“數字電子技（jì）術”、“高頻電子技術”、“單片機原理”和“微（wēi）機原（yuán）理”等主要課程；第二（èr），動手能力要強；第三，要能緊跟電子信息產業的迅速發展，要有較強的適應工作的能（néng）力，使用（yòng）先進應用軟件的能力，用人單（dān）位對畢業（yè）生的要求除了能夠掌握一定（dìng）的基礎（chǔ）理論和工具之外，還要（yào）求畢業生具有基於單片機係統的電子（zǐ）產品的設計（jì）經（jīng）驗。
　　電子設計競賽正是對人才全麵培養、更新教育理念、改革教學方法和內容（róng）等起到了促進（jìn）作用，具有極（jí）其重要的現實意義。電子設計競賽的選題引進了新的理論與技術，是跨學（xué）科的、係統的和綜合的。為了有效指導學生參（cān）加各類電子競賽，特對綜合電工電子係統設計（jì）的教學模式、課程內容、教學方法及考評進行改革。
一、綜合電子係統設計課（kè）程的性質：
　　電子係統設計主要是（shì）指基於單片機控製的完整應用係統的設計，包括係統軟硬件（jiàn）設計及係統調試等多方麵的知識。電子（zǐ）係統設計課程體係是以“單片（piàn）機原理及應用”課程為核心（xīn），由“模擬電子技術”、“數字電子技術”、“傳（chuán）感器技術”、“電子設計自動化”、“可編程邏輯器件（jiàn）及應用”、“C語言程序（xù）設計”等相關課程組成。它（tā）是一門綜合性（xìng）較強的專業課程，通過本課程的理論學習和動手實驗，培（péi）養學生的專業知識綜合運用能力、係（xì）統分析能力和電子產品開發創新能力。
　　學生經過前期基（jī）礎課的學（xué）習，通過隨課（kè）的驗證性實驗，對於電子信息領域（yù）的相關理論（lùn）知識有了了解和掌握，在老師的指導下（xià）基本能（néng）夠進行單元（yuán）電路的設（shè）計和（hé）調試，通過課程設計也能完成本課程簡單的綜合性（xìng）實驗。但一些驗證性實驗多數（shù）是教材內容原理的演示和再現，實驗內容和方法都是老師指定，學生基本沒有進行係統級的設計和（hé）實（shí）訓，綜合實踐能力有待提高，學生沒（méi）有發揮（huī）自己的主觀能動（dòng）性，積極性不（bú）高，不利於創新性人才（cái）的培養。
　　鑒（jiàn）於上述（shù）情況，對綜合電子係統設計的理論內容（róng）和實踐方法進行改革創（chuàng）新：
二、綜合電子係統設計（jì）理論課內容：
　　根據（jù）本（běn）課程的實際情況和學生所具備基礎知識，安排如（rú）下幾個（gè）環（huán）節：模擬電路（lù）單元設計，數字（zì）係統單元的設計，微處理器單元電路的設計以及電子係統抗幹擾技（jì）術等環（huán）節。
　　結合全國電工電子大賽，模擬（nǐ）單元電路主要（yào）講述運算放大器的（de）設計以及正確（què）使用、有源濾波器（qì）的設計方法、外圍電子元器件（電子、電容）的計算和選擇；直流穩壓電源的設計方法以及參數元（yuán）器件的選擇；各種信號產（chǎn）生的方法，重點講述數字（zì）頻率合成DDS的原理（lǐ）和實現技術。以上這些單元內（nèi）容的安（ān）排（pái）是結合曆年來全國電子設計大賽有關模（mó）擬電路環節而選擇的，通過這些內容的講解有（yǒu）利於提高（gāo）學生模擬電子技（jì）術（shù）的設計方法。
　　數字（zì）係統（tǒng）設計單元主要講解數字係統（tǒng）設（shè）計方法，突出現代數字係統設計——EDA設計方法；可編程邏輯器件的（de）特點及選擇；數字係統設計（jì）舉例，比如AD、DA控製器的實現、交通燈控製器的實現、電（diàn）子密碼鎖的設計（jì）等。通過（guò）大量實例的講解使學生能初步掌握用大規模可編程邏輯實現中等難度的數字（zì）邏輯係統。
　　微處理器單元主要講述（shù）目前流行的各種處理器，例如51內核單片機、MSP430單（dān）片機、AVR單片機、PIC單片機等（děng）型號，介紹它們的特點、應用範圍、怎樣根據項目需求來選擇合適（shì）的微處理（lǐ）器；根據學生目（mù）前對（duì）微處（chù）理器的掌握和學習情（qíng）況，重（chóng）點講（jiǎng）述基（jī）於單片（piàn）機串行通（tōng）信的設計，包括幾種（zhǒng）流行的串（chuàn）行通信協議：SPI協議、IIC協議、UART協議以及one—wire協議，分析它們的特點，在不具有SPI總線、IIC總線的微處理器中（zhōng）怎樣通過IO口模擬它們的總線協（xié）議；以具有這（zhè）些總（zǒng）線協議的集成電路芯片的利用提高學生的C語言編程能力。
　　在微處理器單元裏，另外的重點內容多基於單片機的並行通信（xìn）設計，包括常用的人機接（jiē）口電路（lù）（鍵盤、LCD、LED顯示），這是在大（dà）多數（shù）的電子係統設（shè）備（bèi）中都具有的，學生有必（bì）要掌握它們（men）的設計方法以及編程技術。
　　電子係統（tǒng）抗幹擾（rǎo）技術也是綜合電（diàn）子係統設計中非常重要的內（nèi）容。當係統（tǒng）處在比較惡劣的環境（jìng）下，抗幹擾設計的好與壞直接決定了（le）係統能（néng）否正常工（gōng）作。微處理器雖然（rán）本身的抗幹擾能（néng）力較強，但是用微處理（lǐ）器構造的（de）控製係統仍存在（zài）著抗幹擾的問題。為防止外（wài）界對係統的幹擾，並確保電子係統安全可（kě）靠運行，必須采取相應的抗幹（gàn）擾措施。電子係統的幹擾主要來自於供電係統、過程通道及空間電磁波（bō）。電子應用係（xì）統的抗幹（gàn）擾設計應針對不同的幹擾（rǎo）源采取必（bì）要的抗幹擾措施。具體方法有（yǒu）硬件抗幹（gàn）擾（rǎo）技術和軟件抗幹（gàn）擾技（jì）術。
在這一（yī）章節裏主要講解電磁兼容設計、器件（jiàn）選型、降熱散熱計算（suàn）、電路板和電子係統可靠性測試等綜合知（zhī）識。通過對本（běn）小節的學習，使學（xué）生（shēng）應達（dá）到以下目標：熟悉係統的各（gè）種幹擾來源及形式；學會供（gòng）電係統及過程通道的抗幹（gàn）擾措施；能說出在印製電路板設計中體現的抗幹擾措施；學習設計軟件陷阱及看門狗電路，從而為綜合電子設計係統設計打下良好的基礎。
三、精心設計安排實驗：
　　這（zhè）門課實踐性很（hěn）強，除了教師講述的理論內容和方法外，安（ān）排大量的實驗以及鼓勵（lì）學生去參加科技創（chuàng）新和（hé）各種電子（zǐ）設計的比賽，提升（shēng）學生分析問題、解決問題的能力，從而提高他們的實際動（dòng）手（shǒu）能力。根據課程的內容合（hé）理安排一些設計性的實驗題目。安排的實驗不同於在學習相應的基礎時所做的實驗，要體現獨立思考的能力。
　　教師布置實驗題目、講述方法，學（xué）生（shēng）以實驗項目為中心，整合（hé）理論知（zhī）識，查閱（yuè）相關資料，具體的實（shí）驗（yàn）方案和電路要學生自己去網上或圖（tú）書館查閱資料獨立完成（chéng）。在做實（shí）驗前，電路圖以及程序（xù）代碼要在課下完成，實驗室隻是調試電路和程序以及老師考（kǎo）核實驗成績（jì）。這樣做可以更好地將理論與實踐結合到實驗項目中去，使學生在動手（shǒu）實踐能力和（hé）分析解（jiě）決問題的能力上有一定的提升；也可（kě）以鍛煉學（xué）生學（xué）會（huì）搜集資料（liào）、整理（lǐ）資料，提高他們獨立自主的學習能力。同時，教師在帶領（lǐng）學生學習的過程中也在不（bú）斷地提升自己，積累經驗。
　　結（jié）合電（diàn）子設計競賽，安（ān）排各章節相應的（de）實驗（yàn）項目：模擬電路（lù）單元主（zhǔ）要是（shì）運算放大器和二（èr）階有源（yuán）濾波器的設計；重點是直流穩壓電（diàn）源的設計；數字係統單元設計安（ān）排了數字（zì）頻率（lǜ）計、交通燈控製器，重（chóng）點是DDS數字頻率的合成實驗。微處理器（qì）單元安排了基於單（dān）片機（jī）SPI總（zǒng）線時鍾顯示器和基於單片機並行通信的（de）LCD顯示係統。鑒於目前（qián）的實驗條件，這些實驗主要是通過仿真軟（ruǎn）件來完成。模擬單元電路裏（lǐ），利用Multisim電（diàn）子電路（lù）仿（fǎng）真軟件來完成運算放大器和有源濾波器以（yǐ）及（jí）直流穩壓電源的（de）設計（jì）；在數字電路係統設計中，利用MAX+PLUS II軟件完成DDS數字頻率合成的實驗；微處理器單元，利（lì）用PROTEUS軟件完成單片機的並行和串行通信實驗。這樣在不需要任何實驗儀器和元器件的情況下，為學生提（tí）供了一個展示才華的平台，充分（fèn）發揮學生的想（xiǎng）象力（lì）和創造力。
四、綜合電子係（xì）統設計的考核（hé）標（biāo）準：
　　目前我國教育領域使用的最普遍的考核方式仍是閉卷考試。閉卷考（kǎo）試對（duì）於考核學生的知識掌握情況是非常重要的，但對於綜合電子（zǐ）係統設計這門技（jì）術性實踐性（xìng）和綜合性非常強的課程，不（bú）適合（hé）采（cǎi）用閉卷考試對學生能力進（jìn）行考查。
　　為了真正鍛煉學生的實際動手能力，對這門課的考核采取如下方式：平（píng）時上課出勤、答疑以及學（xué）習的主動性占20%；實驗占30%（其中課前預習的情況比重占80%）；最後50%的成績是學生的作品。學（xué）生可以完成一個老師指定的題目，在確（què）定最佳設計（jì）方案後，到實驗（yàn）室（shì）完成了係統單元電路的仿真，進行安裝、測量和（hé）調試，把（bǎ）實際的設計作品做出來。也可以根據學科專業方向並結（jié）合自身興趣，自主（zhǔ）選擇一個課題作為課程的設（shè）計（jì）項目，經過係統規劃、設計、電路實現、係統調試完（wán）成一個完整的（de）電子作品；最後通過驗收、答辯、總結、演講結（jié）束課程的學習。在（zài）係統（tǒng）的製作（zuò）和調試（shì）過程中，讓（ràng）學生想方設法采取各種措施解決所（suǒ）遇到的實際（jì）問題，不斷調（diào）整參數，修改和完善設計方案，得到真正的訓練。
五、結論：
實踐證明，向學生介紹一種完整的電子係統（tǒng）設計方法和概念，通過理論講授、實用性的設計舉例以及相應的動手實驗使學（xué）生了（le）解並掌握電子係統設（shè）計（jì）的一（yī）般方法以及製作調試技能，為後來的（de）畢業設計、今後的（de）學習和實際工作打下紮實的基礎，符合全國電子大賽“立（lì）足行業、突出實踐、促進就業（yè）”的宗旨。

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