时间：2023-04-11 17:30:04
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一、EDA技术的定义及构成
所谓EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统。它是以计算机为工作平台，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以EDA工具软件为开发环境，以大规模可编程逻辑器件PLD(ProgrammableLogicDevice)为设计载体，以专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)、单片电子系统SOC(SystemOnaChip)芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程[J]。在此过程中，设计者只需利用硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionlanguage)，在EDA工具软件中完成对系统硬件功能的描述，EDA工具便会自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。
现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。EDA技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计。EDA技术研究的范畴相当广泛，从ASIC开发与应用角度看，包含以下子模块：设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块和布局布线子模块等。EDA主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法，然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿真、纠错，并用VHDL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。
二、EDA技术的发展
EDA技术的发展至今经历了三个阶段：电子线路的CAD是EDA发展的初级阶段，是高级EDA系统的重要组成部分。它利用计算机的图形编辑、分析和存储等能力，协助工程师设计电子系统的电路图、印制电路板和集成电路板图。它可以减少设计人员的繁琐重复劳动，但自动化程度低，需要人工干预整个设计过程。
EDA技术中级阶段已具备了设计自动化的功能。其主要特征是具备了自动布局布线和电路的计算机仿真、分析和验证功能。其作用已不仅仅是辅助设计，而且可以代替人进行某种思维。
高级EDA阶段，又称为ESDA(电子系统设计自动化)系统。过去传统的电子系统电子产品的设计方法是采用自底而上(Bottom-UP)的程式，设计者先对系统结构分块，直接进行电路级的设计。EDA技术高级阶段采用一种新的设计概念：自顶而下(TOP-Down)的设计程式和并行工程(ConcurrentEngineering)的设计方法，设计者的精力主要集中在所设计电子产品的准确定义上，EDA系统去完成电子产品的系统级至物理级的设计。此阶段EDA技术的主要特征是支持高级语言对系统进行描述。可进行系统级的仿真和综合。
三、基于EDA技术的电子系统设计方法
1.电子系统电路级设计
首先确定设计方案，同时要选择能实现该方案的合适元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析和瞬态分析。系统在进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线。在制作PCB板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析和可靠性分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真，这一次仿真主要是检验PCB板在实际工作环境中的可行性。
可见，电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前，就可以全面了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发过程中出现的缺陷消灭在设计阶段，不仅缩短了开发时间，也降低了开发成本。
2.系统级设计
系统级设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述。由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性概念构思与方案上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。
系统级设计的步骤如下：
第一步：按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。
第二步：输入VHDL代码，这是系统级设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入方式(框图、状态图等)，这种输入方式具有直观、容易理解的优点。
第三步：将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。对于大型设计，还要进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。
第四步：利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，较为粗略。一般设计，这一仿真步骤也可略去。
第五步：利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。:
第六步：将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易转由ASIC形式实现。
四、前景展望
21世纪将是EDA技术的高速发展时期，EDA技术是现代电子设计技术的发展方向，并着眼于数字逻辑向模拟电路和数模混合电路的方向发展。EDA将会超越电子设计的范畴进入其他领域随着集成电路技术的高速发展，数字系统正朝着更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性和低功耗的系统级芯片(SoC，SystemonChip)方向发展，借助于硬件描述语言的国际标准VHDL和强大的EDA工具，可减少设计风险并缩短周期，随着VHDL语言使用范围的日益扩大，必将给硬件设计领域带来巨大的变革。
参考文献：
[1]谭会生，张昌凡.EDA技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.
1.1ARM处理部分
针对ARM内核的高速可顺序执行特性，更适合处理复杂协议信息。ARM处理部分在设计中主要负责协议层处理工作，包括通信信息、人机交互设定、系统工作参数监测、报警数据设定、监测以及系统数据分析处理等多方面的工作，整体采用抢占式进行多任务分配，提高CPU利用率以及系统鲁棒性。
1.2FPGA控制部分
总体来看，FPGA主要负责硬件设备底层驱动的读写，作为ARM的一个外部扩展RAM进行外设数据交换，所有FPGA采集、输出的数据均可通过ARM的可变静态存储控制器(FlexibleStaticMemoryController，FSMC)总线读写。在设计中运用FPGA独特的可多任务并行执行的特性，FPGA控制部分主要负责外部通信模式的选择；外部模拟信号的采集、输出温度的控制、时钟同步、时钟移相、数码管计数显示等多项功能的处理。在外部模拟量、氢原子钟内炉温度采集部分，由FPGA内部硬件采用状态机形式通过两片AD7490D对外部32路模拟量采集，并直接用模数转换器进行控制处理；另一个状态机通过热敏电阻对内炉顶，上，底等三部分温度进行采集；在温度输出控制部分，通过三路PWM控制方式，以外部温控器作为驱动信号，调节加热功率。在模数转换部分由专用基准电压芯片REF192产生参考电压，温度转换经过带有前置运算放大器（Operationalamplifier，OP）的模数转换器进行采样，并同时具有抑制50Hz抑制功能，以抵消测量中所产生的工频干扰。在通信电路的设计部分由FPGA来选择所采用的通信方式，其中串口通信采用隔离式电平变换芯片，避免电平不兼容或是不同设备间的静电释放（Electro-Staticdischarge，ESD）所带来的放电损坏；以太网部分采用专用以太网接口模块，可同时兼容TCP/IPv4、用户数据报协议（UserDatagramProtocol，UDP）等。
1.串口通信接口的电路设计
原本的串口通信设计为了满足两路串口通信的技术指标，采用AT89C52结合通用同步异步接收发送器8251A实现双串口的扩展。本文采用ADM3251E[3]来解决多路串口的通信功能。ADM3251E是一款高速、2.5kV完全隔离、单通道RS-232/V.28收发器、具有isoPower隔离电源的双通道数字隔离器，设计中无需使用单独的隔离DC-DC转换器。由于RIN和TOUT引脚提供高压ESD保护，因此该器件非常适合在恶劣的电气环境中工作，或频繁插拔RS-232电缆的场合。ADM3251E采用ADI公司的芯片级变压器iCoupler技术，能够同时用于隔离逻辑信号和集成式DC-DC转换器，因此该器件可提供整体隔离解决方案。
2.ADC模拟量采样电路设计改进
原本的ADC采样电路使用两片ADC0816。ADC0816是逐次比较式16路8位A/D转换器，其内部包含有一个8位A/D转换器和16路的单端模拟信号多路转换开关，转换精度为1/2LSB，转换时间为100us（时钟频率为640KHz）。改进设计中采用AD7490，它是一款12位高速、低功耗逐次逼近型ADC。同时AD7490采用单电源工作，电源电压为2.7V至5.25V，最高吞吐量可达1MSPS；其内置一个低噪声、宽带宽采样/保持放大器，可处理1MHz以上的输入频率；转换过程和数据采集过程通过CS和串行时钟进行控制，从而为器件与微处理器接口创造了条件。
3.温度控制部分的设计改进
温度对于氢原子钟来说是个很重要的因素，温度控制不好会引起氢原子钟稳定度变差；温度失控会直接导致氢原子钟没有中频信号输出。因此在温度控制的设计中首先要做到可靠、稳定。原先的温度控制系统采用模拟控制多块电路板各温度区域独立控制模式，其缺点是变容二极管参数数值不在正常工作范围内之后，需要人为调整电路板的电位器，即通过人为改变电阻的模式来达到调整温度的目的。在数字化智能温控设计中采用AD7792[4]，AD7792具有两个高精度的可编程恒流激励源，内置有可编程的仪表放大器，可以对不同的输入信号选择相对应的放大倍数，实现信号的匹配。它内置16位ADC，采用SPI串行接口，容易实现光耦隔离，有三路差分模拟输入，可以满足设计中分别对内炉顶，上，底三部分温度进行采集的设计要求。AD7792为适应高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置一个低噪声、带有三个差分模拟输入的16位Σ-Δ型ADC。它还集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号；内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，而且也可采用一个外部差分基准电压。图2中所示CHAN表示温度区域，其中CH1代表内炉顶，CH2代表内炉上，CH3代表内炉底；ACTU代表采样温度数值，SET代表设定温度数值，OUT代表了输出功率的大小。
4.移相同步精度设计改进
传统控制板同步精度为100ns±逻辑门延时（约几个ns），移相分辨率为0.1us。经过设计改进后，采用独特的先倍频后同步技术，可大大提高移相同步分辨率。在本次应用中，先对外部输入的10MHz方波信号，经过FPGA内部的锁相环（PhaseLockedLoop，PLL）的配置进行零度移相五倍频，得到和输入信号零相位差的50MHz信号。上一幅为10MHz信号波形，下一幅为倍频后的50MHz方波信号波形。
5.DDS电路设计部分
之前控制板在综合器设计输出时，采用AT89C52驱动三片74LS595串入并出输出6位8421码共24位数据信息经25芯弯角插座（DR-25）将数据传输至接收机控制板，再由CPLD处理后输出所需的频率信号。而目前设计中选取AD9956[5]，使用直接数字式频率合成器（DirectDigitalSynthesizer，DDS）技术直接从监控板输出所需的频率信号，AD9956是由美国AnalogDevice公司推出的高性能的DDS芯片，提供速度高达400MHz的内部时钟，可合成频率高达160MHz，支持2.7GHz的时钟输入(可选2，4或8分频)、内部集成14位的D／A转换器，具备快速频率转换、精细频率分辨率和低相位噪声输出的性能，适用于快速跳频频率合成器的设计，本设计DDS输出频率信号可以根据键盘键入的频率值不同而输出不同的频率值。
6.存储器设计改进
氢原子钟必需具有对时间以及对所监测数据实时保存的功能。然而外部存储器的选择也是多种多样的，目前应用最多的仍是SRAM、EEPROM及NVRAM这三种方案。我们目前使用的存储器就是采用SRAM加后备电池的模式，型号62256，它是组织结构为32K*8位字长的高性能CMOS静态RAM。在设备掉电的情况下，存储数据易丢失。同时SRAM加后备电池的方法增加了硬件设计的复杂性，降低了系统的可靠性；EEPROM方式可擦写次数较少(约10万次)，且写操作时间较长(约10ms)；而NVRAM的价格问题又限制了它的普遍应用。因此越来越多的设计者将目光投向了新型的非易失性铁电存储器(FRAM)。铁电存储器具有以下几个优点：可以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待；有近乎无限次擦写寿命；数据保持45年不丢失；具有较低的功耗。设计中采用的FM25L16是串行FRAM。其内部存储结构形式为2k×8位，地址范围为0000H~07FFH，FM25L16支持SPI方式0和方式3。具有先进的写保护设计，包括硬件保护和软件保护双重保护功能。FM25L16的数据读写速度能达到18MHz，可与当前高速的RAM相媲美。结束语从设计的测试结果来看，全新的设计模式对电路的性能，可靠性，稳定性等多方面都有很大的提高，具体表现如下所示：
（1）设计中采用AD7490替代ADC0816，从而使得ADC精度提高8bit升级到12bit，精度提高了16倍，并且无需经过外接模拟开关，减少了信号经过多个模拟芯片引起误差。
（2）温度控制系统采用全数字化设计模式，提高测量精度，降低干扰，可避免处理运放电路所造成的对温度飘移的影响以及多级模拟带来的累计误差，最重要的一点就是不用再人为的通过改变电阻模式来达到调整温度的目的。
（3）综合器设计部分采用DDS处理技术，直接从监控板输出所需频率信号，从而大大减少设计中潜在的故障点，大大提高了设计的可靠性，稳定性。
1．1PID控制原理［1，2］
常规PID控制系统原理框图如图1所示。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出构成控制偏差：
将此偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其控制规律为：
式中，Kp为比例系数，T1为积分时间常数，TD为微分时间常数。
在PID控制中，比例项用于纠正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差，微分项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。PID控制器的性能就决定于Kp、T1和TD这3个系数。如何选用这3个系数是PID控制的核心。
1．2数字PID控制算法选择
设计和调整数字PID控制器的任务就是根据被控对象和系统要求，选择合适的PID模型，将其进行离散化处理，编出计算机程序由微处理器实现，最后确定KP、T1、TD、和T，T为采样周期。微处理器控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，必须对PID模型进行离散化处理。
用矩形方法数值积分代替式（3）中的积分项，对式（3）中的导数项用后向差分逼近，经推理可得到基本PID控制的位置式算法：
式中k——采样序号，k＝0，1，2，……
U（k）——第k次采样时刻输出值
E（k）——第k次采样时输入的偏差值
E（k－1）——第（k－1）次采样时刻输入的偏差值
K1——积分系数，K1＝KpT／T1
KD——微分数系，KD＝KpTD／T1
在数字控制系统中，PID控制规律是用程序来实现的，因而具有更大的灵活性。由于基本PID控制中引入了积分环节，其目的主要是为了消除静差，提高精度。但在柴油机调速过程中，突加突减负载时，会引起转速的较大波动，导致短时间内转速出现较大偏差，通过PID积分运算积累，超调量过大，系统产生振荡，严重影响发电机组输出电能的品质。为避免PID控制中积分项引起的超调，提高其调节品质，拟采用积分分离法对基本PID控制进行改进，简称变速积分PID。变速积分PID的基本思路是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差越大，积分越慢；反之，则越快。
式中，A、B为积分区间。
变速积分PID算法为：
式中，U1（k）为第k次采样时刻PID运算的积分部分输出值。
采用变速积分PID控制，系统具有以下特点：用比例消除大偏差，用积分消除小偏差，可完全消除积分饱和现象；各参数容易整定，易实现系统稳定，而且对A、B两参数不要求十分精确；超调量大大减小，改善了调节品质，适应性较强。
2柴油发电机组数字调速系统中PID控制参数整定［3，4］
数字PID控制参数整定的任务主要是确定数字PID的参数KP、T1、TD和T。
对于简单控制系统，可采用理论计算方法确定这些参数。但由于柴油机调速系统的工况较为复杂，其数学模型并非十分精确，在此，采用工程整定常用的扩充临界比例带法，结合经验法再对参数进行调整，得到最终的PID参数。
（1）采样周期T的选择
在数字控制系统中，采样周期T是一个比较重要的因素，采样周期的选取，应与PID参数的整定综合考虑。
首先，采样周期T的选取应满足以下要求：远小于对象扰动周期；比对象时间常数小得多；尽量缩短采样周期，以改善调节品质。
该系统中，PID调节控制过程是在定时中断状态下完成的，因此，采样周期T的大小必须保证中断服务程序的正常运行。在不影响中断程序运行的情况下，可取采样周期T＝0．1τ（τ为柴油机的纯滞后时间）。当中断程序运行时间Tz大于0．1τ时，则取T＝Tz，
（2）临界振荡周期Ts的确定
初始确定数字PID参数时，在用上述方法确定采样周期T的条件下，从调速系统的PID调节回路中，去掉数字控制器的微分控制作用和积分控制作用，只采用比例调节环节来确定系统的振荡周期Ts和临界比例系数Ks。由单片机系统自动控制比例系数KP，并逐渐增大Kp，直到系统出现持续的等幅振荡，然后由单片机系统自动记录并显示调速系统发生等幅振荡时的临界比例度δ和相应的临界振荡周期Ts。
控制度就是以模拟调节器为基础，定量衡量数字控制系统与模拟调节器对同一对象的控制效果。控制效果就是采用某一积分准则，根据系统在规定的输入下的输出响应，使用该准则取最小值时的最
如前所述，采样周期T的长短会影响系统的控制品质，同样是最佳整定，数字控制系统的品质要低于模拟系统的控制品质。即控制度总是大于1的，且控制度越大，相应的数字控制系统品质越差。
为获得与模拟控制器相当的品质，控制度选为1．05。不同控制度时，扩充临界比例带法PID参数计算公式
（4）KP、K1、KD、T的求取
根据实验所得Ks和Ts及选定的控制度，按表1计算出数字PID参数Kp、T1、TD和T。
（5）控制效果的调节
按求得的参数值在调速控制系统中运行，并观察控制效果。如控制效果达不到控制要求，可基于以下原则，根据经验法对参数做适当调整。
①增大比例系数Kp，将加快系统的响应速度，但过大会使系统产生较大超调，甚至产生振荡。
②增大积分时间T1，有利于减小超调，减少振荡，使系统更加稳定，但会增加系统过渡过程时间。
③增大微分时间常数TD有利于加快系统的响应，使超调减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。
基于上述原则，调整PID参数时，应先比例、后积分、再微分进行调整。
参考文献：
［1］陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型PID控制及其应用［M］．机械工业出版社，1998．
［2］王福瑞．单片微机测控系统设计大全［M］．北京航空航天大学出版社，1998．
1电梯控制系统设计的基本情况
国民经济的迅速发展直接催生了房地产开发的热潮，因此电梯行业也从中受益。面临巨大的市场机遇，如何在已趋成熟的电梯行业里独树一帜获得更多的消费者，使公司更好更快的发展。在电梯自动控制系统研究方面应该主抓三个方面：
（1）了解电梯自动系统的控制要求，在研制初期首先要明确该电梯的使用环境、容积、载重等基本情况。
（2）电梯自动控制系统的配置。根据配置的不同在控制系统设计时应该有相应的区别，配置是整个控制系统的核心部件，确保电梯能够正常的工作。
（3）软件的设计。在要求和配置都明确之后就是要对该系统的软件开发以及研制，软件程序的开发主要有三个内容：图纸设计、核心程序的设计、电梯运行灵活性的设计等，该软件所要考虑的问题趋于全面，应能解决在使用过程中遇到的问题。
2电梯运行原理
在电梯的设计中最底层和最高层均会有信号传递按钮，在中间楼层内均由两个信号传递按钮，这四个按钮在电梯正常运行时是有明确分工的，最高层的信号传递按钮在接到信号时将信号向下传递，而当电梯在最底层时若高层或者中间层有信号输入时，那么底层的信号按钮把信号向上传递，而当电梯位于中间楼层时，有信号输入后，两个信号传递按钮会一个向下传递信号，一个向上传递信号。当乘客进入轿厢之后通过内选信号来选择楼层，在通过指定或者轿厢内部的关闭按钮将厢门关闭，在即将达到目标楼层时减速装置开始启动，在电梯运行过程中接受到正向的呼叫信心时则会在相应的楼层时开门等待，若接收到反向的呼叫时，电梯仍按照目前的运行方向继续工作直至此项任务完成之后再去响应呼叫指令。
3电梯控制系统的主要结构和内容
可编程控制器（简称PLC），它的特点是运用起来很灵活，同时数字语言也比较清晰，因此广泛应用于电梯自动控制系统。电梯的运行指令主要是由两个控制程序来实现，其一是自身内部运行控制程序，其二是外部呼叫信号，外部呼叫信号具有随机性，因此在控制的过程中不能单纯的依靠顺序或者逻辑控制方法，应该由逻辑和随机相结合的控制系统设计方案。
3.1系统的控制要求
电梯自动控制模拟系统由机械装置和PLC控制系统组成，对于电梯的基本运行采用顺序逻辑控制模式进行，电梯的运行控制是根据电梯目前的运行状态和随机信号状态进行控制的。在电梯的运行控制中，每一个楼层都要设置一个接近开关其目的是检测当前轿厢的准确位置，还有就是能明确知道轿厢的运行方向。电梯运行的状态、承载的情况、所到达的楼层均通过LED显示屏显示出来。另外还要设置电梯运行方向的互锁功能以及电梯的安全保障措施，确保电梯在运行过程中安全稳定可靠。
3.2PLC与系统的配置
在进行硬件配置时我们选用了FXIN型可编程控制器，主要是考虑其具有几个独特的优点：（1）FXIN的控制器非常灵活，除过主机单元还可以进行扩展，比如A/D模块、D/A模块、I/0模块，这些模块的都具有一些特殊功能。在I/0模块中需要设计30个点，分别是14个输入点和16个输出点，主机方面一般采用FX1N-40MR等小型的基本单元即可。（2）FX1N型号的控制器指令方面的功能相对较多，包括有27个基本指令附加有89条功能性指令，在指令的执行速度方面也较快。（3）FX1N型号的控制器内部设有状态继电保护器、辅助继电保护器、寄存器、定时器和计数器，直接能够满足电梯控制系统的需要。（4）该种控制器的编程可以使用第三方编程软件，在编程的过程中可以使用相关指令或者梯形图语言来进行。
3.3软件设计的主要特点
（1）在进行软件的设计时在同方向运行应优先考虑就近原则，这个原则在设计的过程中依据的电梯的运行方向以及具体的位置，若轿厢的运行方向是向上，但是在轿厢目前位置上方有外部呼叫信息，那么呼叫楼层所对应的继电保护器此时的状态显示为开，直到电梯到达所呼叫的楼层，继电保护装置随之关闭，就这样反复操作的过程中，继电器保护装置和呼叫开关相互合作可以完成电梯运行的所有操作。
（2）随机+逻辑控制方式。如果电梯在想某一个楼层运行时，那么所要达到的楼层有检测系统的开关，它的作用就是准确无误的对这一楼层实施判断，判断的主要内容包括该楼层的之前的呼叫信号，如果检测有呼叫信号，那么应该减速运转停止运行，如果没有检测到呼叫信号，那么轿厢将继续沿着原先的目标楼层运行。
（3）软件显示技术。通过软件显示技术可以清楚的判断轿厢的运行楼层载重情况，并将这些情况转化成SCD码然后实行数据输出，再通过硬件设备和软件系统将具体的数字显示在LED显示屏上。如果电梯在运行过程中发生故障，那么可编程控制器能够对电机实施有效的控制，将所有指令瞬时终止。
4结束语
为适应应用型专业转型的需要，促进电子信息类专业课程向应用型课程转化，文章以“电子系统设计”课程为例，从专业课程的课程理念、教学内容、教学模式、考核方式等方面对适应于应用型人才教育的专业课程改革模式进行了探索，给出了相应的改革内容，为其他应用型课程改革提供了参考。
关键词：
应用型课程；电子信息类专业课程；教学模式
随着信息化社会的不断发展，我国经济建设对人才的需求方向也发生了改变，不仅仅需要学术研究性人才，同时更加需要应用型人才和职业技能型人才，尤其是能将所学理论知识转化为社会生产力的应用型人才的需求比重最大。在这一背景下，各地方高校担负起应用型人才培养的重任[1]，开始将高校人才培养目标向应用型人才培养方向转化，切实通过转型发展促进内涵发展、特色发展，提高质量，解决好急需人才不够用、普通人才就业难问题。在专业转型的大背景下，如何将人才培养从原来的学术型人才培养过渡到应用型人才培养，切实对转型过程中在人才培养方案、专业设置、课程体系、师资配备、教学管理机制等问题提出具体可行的方案，成为高校教育改革研究的新课题。目前本科院校的应用型课程建设已成为当前提高应用型高校教育质量的核心环节，在课程建设中必须能够突出应用性知识的传授与学生实践能力的培养[2]，这样才能将课程的应用性改造落到实处。电子信息类专业课程作为本科高等院校教学中应用性较强的专业课程，由于其专业本身具有的技术更新快、实践性和应用性极强的特点，在课程的教学过程中必须注重新技术与工程性的结合、理论与实用的结合，所以在其教学开展中更应对课程理念、课程教学设计的优化、课程内容、评价体系等方面进行探讨研究。文章从专业转型的背景出发，以“电子系统设计”为例，在专业课程的课程理念、教学内容、教学模式、考核方式等方面对适应于应用型人才教育的专业课程改革模式进行了探索。
一、电子信息类专业课程现状分析
目前国内各高校都着眼于学生动手实践能力培养、并不断提高学生学习的自觉性，但学生在专业课程学习中仍存在缺少创新精神和科学研究的主动性的问题。这也反应了在专业课程的设置及教学活动开展过程中存在的问题，主要表现为理论教学学时长、侧重于理论知识的传授；课程教学活动设计单一，缺乏体验式教学；课程内容更新慢，与新技术脱节；实践环节项目内容缺乏实际性和趣味化，学生难以深入；考核方式单一，仍然是简单的考核学生对理论知识点的掌握程度。这一情况的存在，使学生在面临就业时，与用人企业的需求相脱离，不能满足企业对于综合素质和实践能力强的应用型人才的需要。“电子系统设计”是一门综合性、实践性和应用性很强的专业课程，面向电子信息类专业本科三年级开设的理论与实践相结合课程[3]。课程系统地介绍电子系统分析、规划、设计和工程实现的方法与步骤，并结合技术发展情况，介绍新技术、新方法、新器件在电子系统设计中的应用。该课程是本科生了解当前电子系统技术的窗口，是相关硬件与软件设计结合、将所学理论知识付诸实践、由书本走向实际的桥梁课程，因此其具有电子信息类专业课程的专业技术特点，通过对其向应用型转型课程建设的研究具有一定的代表性。
二、课程改革内容
“电子系统设计”课程的改革主要从四个方面展开：课程理念的转变、优化教学模式、课程内容的更新、建立多元的评价方式。
（一）课程理念的转变
应用型人才不仅需要具备专业知识素养，而且需要能够应用专业知识解决实际问题，因此必须对现有的课程理念进行转变来指导课程建设。专业课程作为专业人才培养的重要教学科目，是学生在教师指导下通过学习专业知识来增长专业知识和专业能力的重要过程。而根据电子信息类专业课程的特点，更应将学生作为课程的主体，由学生主动的发现知识、主动思考、积极地参与学习，同时根据课程特点，由教师在学生的主动学习过程中给予专业指引，不再局限于教师的“教”，而是拓展为教师的“引”与学生的“学”相结合，注重对学生主动性、参与性的培养。同时注重课程教学设计的优化，课程教学内容的设置以及多元化的评价方式。以“电子系统设计”课程来说，主要综合模拟电子技术、数字电子技术、嵌入式系统、DSP处理等相关技术[4]，将理论教学内容向实际应用转化，其教学理念主要更应以学生的“学”为主，通过教师对相关技术及前沿发展的引导，激发学生的主动性，变被动学习为主动学习，在教学过程中除了理论知识讲授外，增加课堂讨论、项目实践，使学生成为教学的主导。
（二）优化教学模式
原有的专业课教学侧重于理论知识的传授，课程教学多采用理论讲授，造成填鸭式、灌输式课程教学方法，学生通过听、记完成应用型课程的学习，这必然导致仅仅对知识的掌握，而脱离实践；同时，启发式、研究式教学的运用少，也导致学生没有学习的主动性。将CDIO工程教育理念[5]引入课程的专题项目教学中，通过对特定专题项目内容的构思、设计、实现和运作，让学生以主动的、实践的方式学习，培养学生的工程基础知识、个人能力、人际团体能力和工程系统能力，从而培养学生的实践应用能力。在“电子系统设计”课程中，采用以项目设计为导向、基于项目、问题学习的教学模式，通过让学生通过对实际项目的构思与设计来激发学生的兴趣，利用所学知识来开展系统层次上的构思、设计、实现及运用。
（三）课程内容的更新
若对应于项目驱动教学模式[6]，原有的课程内容必然不利用教学实践的开展，同时课程内容也应与专业发展前沿相对应，所以在课程模块中增加技术前沿介绍等的相关板块，并不断更新课程内容，使其与技术发展、专业应用相适应，既要考虑符合专业学习的逻辑，又要注重专业范围的限定和课程内容的顺序安排，尽可能使课程内容对学生有意义并具有合理性和综合性，并且满足不同层次学生的学习需求，适于课程教学活动的开展。在“电子系统设计”课程中，将课程内容整合优化为电子系统设计方法、专题技术知识、项目设计与实践三大模块。其中电子设计方法主要介绍电子系统设计概论、模拟电子系统设计方法、数字系统设计方法、基于嵌入式系统设计方法、基于DSP系统设计方法及电子系统实现过程中可靠性设计；专题技术知识主要结合新技术的发展和新器件应用，将在专业基础课程中所学的相关知识与实际应用相联系，介绍典型传感器应用、模拟信号变换、放大及滤波电路应用设计、基于可编程逻辑器件的数字系统设计、基于嵌入式平台的系统设计、DSP系统应用；项目设计与实践要求学生完成具有工程应用背景的项目的规划、确定项目设计方案、项目设计与实践。这里项目实践配合课程设计实验及学生的课外科技活动、开放式实验室教学进行，使课程的内容改革不仅仅局限于课堂内的教学，而是拓展学生的学习空间。
（四）建立多元的评价方式
现行的课程考核多以阶段性考核（平时成绩）和总结性考核（期末考试）构成，而对于采用学生主动式学习的专业课程，这种考核方式不符合面向应用型人才的培养模式，所以应采取有效且具有多元性的考核评价方式，对学生的知识掌握、实践能力、应用素养等几方面进行综合评价。也就是说需要对学生的知识点转化为实践能力、思维能力、课堂参与程度、作业及实践活动完成质量进行考核。“电子系统设计”课程的考核不仅要考核学生对课程基本理论知识的理解和掌握，还要考核学生对所学知识的吸收与应用情况，同时考核还要体现学生实践动手能力。因此，课程考核包括平时成绩、开卷考试和实践考核。平时成绩主要考核学生对课程的参与程度，包括课堂讨论成绩、课后作业，其中课后作业一方面对课堂讲授知识进行复习，同时要求学生通过文献检索、网络检索对相关新器件、新技术应用进行学习，其占总成绩的10%。开卷考试的命题过程中，从培养应用型人才的目标出发，不再含有记忆型考题，而是采取应用能力型考题。考题涵盖器件应用、电路模块设计和系统设计，其占总成绩40%。实践考核通过学生根据所学知识，进行电子系统设计理论探讨，撰写小论文；完成电路设计、仿真及实现，递交设计报告及作品；实践考核题目可选固定命题，也可以自主命题，特别鼓励同学大胆想象，自拟课题，经教师确认后，完成相应任务。考核过程中设有答辩环节，学生以PPT形式向教师及全体同学展示项目研究及作品，并由教师进行提问，学生给予作答。通过答辩环节主要完成知识点的检查和研究作品的展示，考查学生在从事设计和撰写论文中知识点的应用情况和创新性。实践考核占总成绩50%。
三、结束语
经过对“电子系统设计”课程改革的初探，在课程教学和课程理念的重构方面进一步拓展了思路；课程内容的不断更新使学生开拓了眼界；同时也可以将教师科研方面中应用性较强、具有工程背景的课题项目引入教学；面向实践能力考核的多元化考核机制对提高学生学习主动性、积极性有一定推动作用。我国的信息化建设的不断增强对信息化人才的需求也正在逐年增大。但电子信息类应届本科生的理论基础较好，但动手实践能力薄弱，使学生就业加大了难度，造成了应用型人才的供给不足。通过对电子信息类专业课程的教学改革，提出适用于电子信息类应用型人才学生培养的课程理念，建立既能夯实学生基础实践能力，又可以培养学生创新精神和创新实践能力的平台，建立多元化考核机制，有效地实现学生实践能力的检验，同时与不断追踪信息科学技术的发展，紧跟行业科技进步，不断更新课程内容，将对学生的科技素养、应用能力培养起到重要作用，且对其他应用型课程改革具有一定的参考价值。
作者：马利 张玉奇 牛斌 单位：辽宁大学
参考文献
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[3]吴大鹏，黄沛昱.“电子系统综合设计”课程建设探索[J].电气电子教学学报，2014，06：41-43.
[4]田良.综合电子设计与实践[M].东南大学出版社，2002.
电子系统的种类较多，从总体上可分为模拟系统、数字系统和模/数混合系统三大类。在数字系统中，又可分为以标准数字集成电路(如TTL、CMOS器件)为核心的电子系统以及以MPU、MCU、PLD、ASIC为核心的电子系统。在模/数混合系统中，以SOC为核心的电子系统发展最为迅猛。以模拟器件为核心的电子系统是基本的，该设计环节对于学生巩固及应用已学电子技术理论和基本技能，进一步提高实际工作能力和培养创新能力具有不可替代的作用。
一、电子系统设计的基本原则
电子电路系统设计时应遵循以下几个基本原则:
(1)满足系统功能和性能指标要求，这是电子电路系统设计时必须满足的基本条件。
(2)电路优化。在满足功能和性能要求的情况下，通过优化的简单电路系统既经济又可靠。
(3)电磁兼容性好。电磁兼容性是现代电子电路系统应具备的基本特性。
(4)可靠性高。电子电路系统的可靠性要求与系统的实际用途、使用环境等因素有关。
(5)系统集成度高。最大限度地提高集成度，是电子电路系统设计应当遵循的一个重要原则。
(6)调试简单方便。
(7)生产工艺简单。生产工艺是电子电路系统设计者应当考虑的一个主要问题，无论是批量产品还是样品，生产工艺对电路的制作与调试都是相当重要的一个环节。
(8)操作简便、性价比高。
二、电子系统的设计方法根据电子系统的功能和结构上的层次性，通常有如下三种设计方法。
1.自顶向下的设计方法这种设计方法就是设计者根据原始设计指标或用户需求，从整体上规划整个系统的功能和性能，然后对系统进行划分，分解为规模较小、功能较简单且相对独立的子系统，并确定它们之间的相互关系。这种划分过程可以不断进行下去，直到划分得到的单元可以映射到物理实现，实现可以是具体的部件、电路和元件，也可以是VLSI的芯片版图。
2.自底向上的设计方法
这种设计方法就是设计者根据要实现系统的各个功能的要求，首先从现有的可用的元件中选出最合适的，设计成一个个的部件，当一个部件不能直接实现系统的某个功能时，需设计出由多个部件组成的子系统去实现该功能，上述过程一直进行到系统所要求的全部功能都实现为止。该方法的优点是可以继承使用经过验证的、成熟的部件与子系统，从而可以实现设计重用，减少设计的重复劳动，提高设计生产率。其缺点是设计过程中设计人员的思想受限于现成可用的元件，故不容易实现系统化的、清晰易懂的以及可靠性高、可维护性好的设计。
3.以自顶向下方法为主导结合使用自底向上的设计方法
随着SOC(单芯片系统)的出现，为了实现设计重用以及对系统进行模块化测试，通常采用以自顶向下方法为主导，并结合使用自底向上的方法，这样既能保证实现系统化的、清晰易懂的以及可靠性高、可维护性好的设计，又能充分利用IP核，减少设计的重复劳动，提高设计生产率，因而得到普遍采用。
三、基于模拟器件的电子系统设计流程
基于模拟器件的电子系统设计的流程如图1所示。模拟电路种类较多导致系统的设计步骤将有所差异，流程图中的环节应随设计的实际作调整或交叉进行、重复。
1.明确设计任务
该阶段是对系统的设计任务进行具体的分析，充分了解系统的性能、指标、内容及要求，掌握系统的基本特征，以便明确系统应完成的任务。
2.总体方案选择
该阶段针对所提出的任务、要求和条件，从全局着眼，用具有一定功能的若干单元电路构成一个整体，来实现系统的各项性能。通常符合要求的总体方案不止一个，设计者应当针对任务、要求和条件，查阅有关资料，广开思路，提出若干种不同的方案，然后逐一分析每一个方案的可行性和优缺点，再加以比较，择优选用。
3.单元电路设计
在确定总体方案后，便可以画出详细框图，设计单元电路。设计单元电路的一般方法和思路如下:
(1)根据设计要求和已选定的总体方案的原理框图，明确对各单元电路的要求，必要时应详细拟定出主要单元电路的性能指标。注意各单元电路之间的相互配合，但要尽量少用或不用电平转换之类的接口电路，以简化电路结构、降低成本。
(2)拟定出各单元电路的要求后，应全面检查一遍，确定无误后方可按一定的顺序分别设计各单元电路。
(3)选择单元电路的结构形式。最简单的办法是从以往学过的和了解的各种电路中选择一个合适的电路，但一般情况下，应查阅有关资料，以丰富知识、开阔眼界，从而找到适合的电路。具体设计时，在符合设计要求的电路基础上适当改进或进行创造性的设计。
4.计算和调整参数
电路设计中参数的计算方法主要在于正确运用课程中已经学过的分析方法，搞清电路原理，灵活运用计算公式。对于一般情况，计算参数应注意以下几点:①各元器件的工作电压、电流、频率和功耗等应在允许范围内，并留有适当裕量;②对于环境温度、交流电网电压等工作条件应按最不利的情况考虑;③对于元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般按额定值的1．5倍左右考虑;④电阻、电容的参数应选计算值附近的标称值;⑤在保证电路达到功能指标的前提下，应尽量减少所用元器件的品种、价格、体积、数量等。
5.元器件的选择
从某种意义上讲，电子电路设计就是选择最合适的元器件，并把它们最好地组合起来。首先要根据具体问题和方案，考虑需要哪些元件、每个元件应该具有哪些功能和性能指标;其次所需的元件哪些实验室有，哪些市场上能买到，价格如何，指导学生关心元器件的信息和新动向，多查资料。以下概括地说明设计中元器件的选择思路。
(1)阻容元件的选择。电阻和电容的种类很多，正确选择电阻和电容很重要，不同电路对电阻和电容的性能要求也不一样。设计是要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。
(2)分立元件的选择。分立元件包括二极管、晶体三极管、场效应管、光电管、晶闸管等，根据用途、参数等进行选择。
(3)集成电路的选择。集成电路的品种很多，选用的方法一般是“先粗后细”，即先根据总体方案考虑应该选用什么功能的集成电路，然后考虑具体的性能，最后根据供货、价格等因素选用某种型号的集成电路。
6.审图
在电路的设计过程中必然会有考虑不周的地方，各种计算也会出现误差甚至错误，所以在画出电路总图后，要进行全面审查。审查时要注意先从全局出发检查总体方案是否合适，各单元电路的原理是否正确，电路形式是否合适，再检查各单元电路之间的电平、时序配合是否合适，电路图中有无烦琐可优化之处，接着根据电路图中所标出的各元器件的型号、参数等验算是否能达到性能指标，有无恰当的裕量，同时需注意电路中各元件是否工作在额定值范围内，以免实验时损坏。
7.实验检测
一个电路的设计是一个复杂的过程，在这个过程中需要考虑很多的因素和问题，设计中难免会出一些差错。实验检测是设计电子电路必不可少的环节，通过实验检测可以发现设计中存在的问题，通过解决实验中所发现的问题，逐步完善设计，最终达到设计目标。在实验中所需要检测的内容主要有:各元件的性能和质量、各单元电路的功能和主要指标、各个接口电路的功效、总体电路的功能等。
四、电子电路的安装和调试
电子电路的安装和调试在电子工程技术中占有重要的地位。它是把理论付诸实践的过程，是把人们的主观设想转变为电路和电子设备的过程，是把设计转化为产品的过程。任何一个好的设计方案都是经过安装、调试和多次修改才形成的。安装主要涉及到结构布局、元器件的安排布置、线路的走向及连接等问题。电子电路系统的调试是电子电路设计中的重要内容，它包括电子电路的测试和调整两个方面。测试是对已经安装完成的电路进行参数及工作状态的测量，调整是在测试的基础上对电路元器件的参数进行必要的调整，使电路的各项性能指标达到设计要求。电子电路的调试通常有两种方法，其一是分块调试法，这是采用边安装边调试的方法，其二是统一调试法，即在整个电路系统安装完成之后，进行一次性的统一调试。以上两种方法的调试步骤基本一致，具体有:通电前的检查，主要内容是检查元器件、检查连线、检查电源进线;通电检查;静态调试;动态调试。例如，对于数字电路的动态调试，一般先调整好振荡电路，以便为整个电路提供时钟信号，然后再分别调整控制电路、信号处理电路、输入输出电路及各种执行机构，在调试过程中要注意各部分的逻辑关系和时序关系，应对照设计时的时序图，检查各点的波形是否正常。对于调试过程中出现的故障，常用的诊断方法有直接观察法、静态工作点测量法、信号寻迹法、对比法、元件替换法、旁路法、短路法、断路法、电子干扰的抑制措施等。
关键词：电子元器件；工程实践能力；网络教学平台；教学改革
作者简介：李红（1984-），女，山东肥城人，兰州交通大学自动化与电气工程学院，讲师；赵峰（1966-），男，上海人，兰州交通大学自动化与电气工程学院，教授。（甘肃 兰州 730070）
基金项目：本文系自动化与电气工程学院本科教学改革项目（ZDH2013011）的研究成果。
中图分类号：G642.44 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）03-0143-02
工程实践能力培养是大学本科教育的重要内容，对提升工科人才培养质量、未来促进工程教育和工程师的认证具有重要意义。[1]通过电子元器件市场调研与系统设计课程实践的学习，使学生初步掌握电子元器件市场调研与电子系统设计的方法、过程，培养学生的实践动手能力和本专业学习的兴趣，提高学生对电子技术、自动控制系统相关知识学习的积极性，为后续课程打下良好的基础。电子元器件市场调研与系统设计课程一般安排在大二第二学期，通过确定调研问题与目标、实地调查、信息整理、分析，调查报告的撰写的基本步骤来组织实施，电子系统设计则通过查找资料、确定选题、根据选题给出设计方案、分析、验证电路的基本步骤来组织实施。
通过前几年的教学实践获得了不少有益成果，但如何在2周的有限时间内完成众多培养环节，更有效地对学生选题、老师答疑、给定成绩三个方面进行全过程监控，对培养具有很强实践创新能力的卓越工程师[2]有重要意义。
一、时间组织改革
前期培养方案中，本课程按2周时间分两个阶段分别实施：
1.电子元器件调研
（1）确定调研问题与目标。初步形成对自己所欲设计的电子系统的电子元器件名称、型号、规格、参数、尺寸的基本评价。
（2）实地调查。到电子市场确定相关电子元器件市场供应品牌、价格、需求情况、主要替代品情况。
（3）信息整理。对数据、资料有重点地进行整理、分析，运用所学知识对结果进行分析得出判断和结论。
（4）调查报告的撰写。把整个调查过程以报告的形式呈现出来，并能依据调查的结论给出合理化建议和意见，作为调查的成果。
2.电子系统设计
（1）查找资料，确定选题。通过在图书馆、网上查阅所欲设计的电子系统的相关书籍、论文资料，确定选题。
（2）根据选题给出设计方案。针对所选题目设计电路原理图、编写程序、绘制原理图。
（3）分析、验证电路。先借助专业软件进行仿真验证，再购买相关元器件进行焊接后实际测试。
上述实施方案所涉及的培养环节较多，在实际教学过程中发现存在时间难以控制，各环节之间有重叠或跨越的现象。经老师分析和学生反映的意见综合，主要原因在于调研与设计环节分开，时间浪费较多。
经研究，本课程的2周时间内统一为一个过程按五个环节进行实施：
（1）查找资料，确定选题。针对老师提供的备选题目，学生通过在图书馆、网上查阅欲选题目的相关书籍、论文资料，确定选题。
（2）根据选题给出设计方案。针对所选题目，搜集相关资料，设计电路原理图，学习Altium Designer软件[3]并绘制电路原理图。
（3）电子元器件调研。对自己所欲设计的电子系统的电子元器件名称、型号、规格、参数、尺寸等进行网上调研，了解相关电子元器件市场供应品牌、价格、替代品情况，对数据、资料有重点地进行整理、分析，到电子市场采购部分元器件。
（4）制作、验证电路。先借助Proteus软件[4]进行仿真验证，再进行焊接后实际测试。
（5）撰写总结报告。把整个实践过程以报告的形式呈现出来，并依据测试数据给出合理化建议和意见，作为成绩评定的重要参考。
改革前后各培养环节时间分配对比如表1所示，由表可知，改革后电子元器件调研环节可以占用第一周的周六、周日机动时间，且制作、验证电路环节可以增加到3天，给学生更充足的动手时间。
二、实践环节的教学改革
1.学生选题
因本课程的功能定位不同于大三的专业课课程设计以及毕业设计，且考虑到学生未学课程较多的实际情况，将原有的“每组同学在指导教师的指导下自行选择设计题目，指导教师不限题目，只要每个指导教师指导的各组不重复即可”的选题标准具体化，统一给出选题目录，如表2所示。
2.老师答疑
为了利用网络技术及培养学生正确利用网络，[5]我们将原有的“每天固定2小时，机动2小时”的当面答疑时间调整为“每天网络2小时，每周当面2小时”。网络答疑提供2种途径：利用QQ群和QQ群空间实现网络互动，利用本校网络教学平台上的课程交流区在线互动。
实践中发现，多数师生更喜欢利用QQ群进行交流，网络教学平台上的课程交流区则相对而言人气较差，师生发帖的积极性不高。这也意味着有必要进一步研究网络教学平台的在线答疑模块的改进与优化，提高使用的便捷性与信息共享的快捷性。
3.给定成绩
为了提高学生的积极性，减轻总结报告书写工作量，在给学生提供报告模板及格式要求的基础上，将原有的五级制评分标准改为按表3制定的百分制标准进行评定。
三、教学效果
1.学生的积极性及自我满意度
经在本校电气工程专业2011级本科生4个班中进行教学实践，通过选题方式、老师答疑模式、给定成绩标准等三个方面的改革，学生在选题时表现出更大的主动性和时效性，且选题范围较宽；网络答疑也降低了学生的拘束感，几乎都能提出一些问题，且网络资源的便捷共享优点极大地提高了电子元器件调研与选型效率。
相对于前几届学生在本课程结束后对自己智能等方面提高程度的自我满意度而言，本届学生多数反映经过本课程的实践练习，自己对如何利用网络获取最新的元器件资料及典型应用案例、网络提问与回答、Altium Designer软件、Proteus软件的使用等方面都有了极大的提高，而对于后续电子技术、单片机等课程的学习也有了明确目标。
2.教师的工作量及教学效果
经时间组织与具体实施方案的改革，尤其是选题目录、网络答疑、评分标准的实施，老师们感觉自己在该课程的投入时间较以前可以减少30%左右，同时，从学生们的作品及报告来看教学效果则较以前反而有了极大提高。
参考文献：
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【关键词】实践教学;教学改革;电工电子
【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)04―0132―03
引言
高等教育提出朝着“宽口径、厚基础、重能力”的方向发展,培养适应能力强、发展潜力大的复合型人才是高等教育追求的目标。电子信息类专业主要培养具有宽厚电子技术和信息系统的基础理论、较强的电子信息系统设计实践能力、科学的思维方法、独立分析问题和解决问题的能力、能从事各类电子设备和智能仪器的研究、设计、制造、应用和开发的应用型工程技术人才。
当今世界,电子产品层出不穷,并且向智能化方向发展,这样日益凸现出单片机和FPGA等可编程器件在电子产品设计和创新中的重要性,用人单位普遍要求求职的毕业生能够掌握单片机的基本原理和设计方法,有的单位甚至要求毕业生具有基于单片机系统的电子产品的设计经验[1]。电子系统设计主要是指基于单片机控制的完整应用系统的设计,包括系统软硬件设计及系统调试等多方面的知识。电子系统设计课程体系是以《单片机原理及应用》课程为核心,由《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《感测技术》、《电子设计自动化》、《可编程逻辑器件及应用》、《C语言程序设计》等相关课程组成。
一 设课背景
学生经过《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《单片机原理及应用》、《感测技术》、《电子设计自动化》、《可编程逻辑器件及应用》、《C语言程序设计》等课程的学习,通过教师教学和随课的验证性实验,对于电子信息领域的相关理论知识有了了解和掌握,基本能够进行单元电路的设计和调试,但验证性实验多数是教材内容的演示和再现,学生基本没有进行系统级的设计和实训,综合实践能力有待提高,学生没有发挥自己的主观能动性,不利于创新性人才的培养。
通过分析学生参加多届电子设计竞赛的情况,我们发现,按传统理论教学和实验方法培养的学生,在参加电子设计竞赛时,会出现很多问题,达不到预期目标。比如:对某一功能电路进行设计,理论上设计正确但在工程上却无法实现;单元电路正确却无法实现系统联调;各模块功能实现却无法完成一个系统等等。这是因为电子设计竞赛既不是单纯的理论设计竞赛,也不仅仅是实验竞赛,而是由一个参赛队共同设计、制作完成一个有特定工程背景的题目的竞赛。电子设计竞赛不仅要在单元电路上实现预期功能,更要考虑模块间的接口关系;它既强调理论设计,更强调系统实现;它考核了学生综合运用基础知识的能力,更注重考察学生的创新意识,在2009年的全国大学生电子设计竞赛中又增加了性能价格比和节能减排方面的考核内容,更加贴近工程实际和产品设计。从所涉及的课程内容上看,已经不是竞赛题目一门或者几门课程所能解决的,而是一个由相关课程组成的课程群。再从竞赛使用的器件上看,有很大一部分是理论教学中没有讲授和更新的,因为电子信息技术的发展太快,新技术、新器件层出不穷,传统的教学方法和体系面临了严重的挑战,如果不进行改革,建立一个新的理论课和实践课教学课程体系,就无法适应培养现代化人才和发展高等教育的需要。
高等学校培养的人才最终是为社会和国家服务的,学生经过四年的本科学习,最终要走向社会,从毕业生的就业情况看,绝大多数毕业生从事电子信息相关的工作[2]。统计发现,到企业进行产品研发的学生通常是电子竞赛获奖或参加了电子竞赛培训的学生,动手能力较强,而从事销售、服务等工作的毕业生很大比例是不能够进行研发,不得已才去做销售、服务的。为了使学生掌握电子系统的设计与开发,在相关理论课教学完成后我们开设了一系列的独立的综合设计实践课,对学生开放实验室,学生可以集中时间完成一系列的综合性、设计性实验项目,巩固理论教学内容,提高学生的综合设计能力和设计水平,为参加各级电子设计竞赛和以后就业打好基础,一举两得,事半功倍[3]。
二 实践课设置情况
系列实践课的设置遵循认知规律,是在随课实验基础上的扩展和深入,经过调研和讨论,听取兄弟院校、相关企业和毕业生的意见和建议,在培养学生动手能力方面除了专业实习和毕业设计环节外,设置了一系列的独立实践课,分布于各个学期的教学中。以电子信息工程专业培养方案为例,实践课设置情况如表1所示:
实践课的教学基本上在相关的理论课程教学完成后进行,保证学生在进行实践课时已经完成先导课程的学习和验证性实验,除《电子技术综合实践》,其它多数实践课是对某一课程的强化和拓展。
三 《电子技术综合实践》教学过程
在系列独立实践课中,《电子技术综合实践》是关键性的教学环节,是最贴近电子设计竞赛和实际工作应用的课程,要求综合模拟电子技术、数字电子技术、传感器、单片机、FPGA等多方面的知识。该课程强调以学生为主体,允许学生自由选题,题目的难度一般介于验证性实验和毕业设计之间。
本课程使学生能够较系统地掌握电子系统设计的全过程,包选题、文献查阅、方案论证、器件选择、电路设计、电路实现、软件编程、装配调试、系统测试、总结报告、文档整理等。学生完成由单元设计向系统设计的过渡,掌握现代化仪器设备在系统设计和实践中的应用。课程充分发挥学生的主观能动性和创造力,培养学生的独立工作能力以及协作精神,并通过该课程选拔参加各类设计竞赛的参赛选手。
1 题目设置
在该实践课的教学上我们选择了多个有代表性的、难易不同的实践题目供学生选择。具体题目有:液体点滴速度监控装置、电子秤的设计与制作、智能电梯控制系统、水温控制系统、脉搏测量仪的制作、直流数控稳压源、数字式液量测量系统、转速控制测量仪、数据采集系统、信号发生器、智能小车等等。这些题目基本上都是综合性、设计性的,有的题目是历年电子设计竞赛题目的简化或分解。以液体点滴速度监控装置为例,该设计要求制作一个液体点滴速度监测与控制装置,如图1所示,实现的功能有:
(1)在滴斗处检测点滴速度,并制作一个显示装置,能动态显示点滴速度(滴/分)。
(2)通过改变h2控制点滴速度,也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其它方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定并显示,设定范围为20-150滴/分,控制误差范围为设定值 10% 。
(3)调整时间≤2分钟(从改变设定值起到点滴速度基本稳定,能人工读出数据为止)。
(4)当h1降到警戒值(2~3cm)时,能发出报警信号。
这个题目中对点滴速度和液面位置的检测要用到传感器,要有声光报警电路,需要电机改变h2高度来控制点滴速度,整个系统由单片机进行控制,通常选择PID算法来调整点滴速度。从实用和智能化角度出发,可以扩展成网络,采用简单的RS-232通讯实现从站和主站之间的通信,实现智能化管理。
学生在选题过程中进行引导,避免多组学生选择同一题目,学生也可以自主拟定题目,经过指导教师审核即可。学生3人为1个小组,成员有所分工。
2 教学要求
(1)综合运用EDA软件
学生根据所选题目进行方案设计,对方案中的电路进行设计计算,包括元器件的选择和电路参数的计算。要求学生通过各种EDA软件进行仿真验证,选择Multisim7、Proteus、ISE等软件进行相关仿真实验。
(2)硬件电路制作
设计方案经指导教师审查通过后,学生领取所需元器件等材料,设计PCB电路板并且自己加工,最后焊接制作电路并调试。
本课程教学采用了“模板化”设计方法,将学生设计调试好的A/D转换器、D/A转换器、键盘、显示电路“模板化”,使系统设计的局部和整体有机结合,提高了实验资源的利用率和实践效率,“模板化”后的单元电路在电子设计竞赛中也可使用。
(3)软件的编制与仿真。根据已设计出的软件系统流程图,编制出各功能模块的子程序及整机软件系统的主程序,程序设计时,要充分考虑与所设计硬件电路的连接及有关指标要求。向学生推荐使用C语言进行单片机的编程与开发,用C语言进行程序开发更方便移植,贴近实际工程背景,适合开发大型的工程应用程序。
(4)系统联调。学生集中在1周内完成所选题目,3个学生为1组,按照模块化设计方式有所分工,当每个同学所负责的模块调试成功后进行系统联调,要求学生之间相互配合,遇到问题一起找原因、想办法,而不是相互埋怨、推脱责任,培养学生的合作精神,积累系统调试的经验,培养学生分析问题和解决问题的能力。
(5)撰写实践总结报告。
书写高质量的工作总结是反映工作实践素质高低的一个重要方面,工程技术人员应能用书面形式系统、完整、清晰地表达自己的研究成果,其目的是让人很容易地看懂所研究课题的内容、方案、原理、实现方法等。因此,书写实践总结报告也是实践课考核的主要内容之一。
3 考核方法
(1)设计方案正确性与合理性,综合考虑性能价格比和系统功耗。
(2)实践动手能力,包括PCB设计水平、安装工艺水平、焊接工艺水平。
(3)设计成果,达到的指标。
(4)调试中分析和解决问题的能力,创新精神。
(5)题目的难易程度。
(6)独立工作能力,实践工作态度。
(7)总结报告完成的质量。
四 教学效果
经过几年的教学和改革,对学生动手能力的培养取得了较好的效果。2005年以来,学生参加了全国大学生电子设计竞赛和浙江省大学生电子设计竞赛,共获3个全国一等奖,2个全国二等奖,4个省一等奖,6个省二等奖。近5年,本科生一次就业率年均在90%以上,多数毕业生到企业从事研发工作,少数毕业生独立创业、注册公司进行电子产品的设计与开发。
此外,学生参与教师科研项目、独立申报承担浙江省新苗计划项目、浙江省大学生创新项目、校级学生科研项目的数量都显著提高。
五 结束语
实践课主要体现在对实际工程应用系统或产品的研制,使学生经历从课题任务的提出到方案的论证、设计,软件及硬件的开发、联机调试等若干步骤。学生通过自己设计实验电路、实验步骤、实验方法等,综合应用电子技术的能力、理论联系实际的能力得到了很大的提高,促进了学生创造性思维的发挥。这些实践课是在理论课教学和相应验证性实验基础上的深入和提高,是对学生电子系统设计的综合性训练,这种训练培养了学生工程实践能力、独立工作能力及创新能力。
参考文献
[1] 王剑.电子系统设计课程体系改革的探讨[J].长江大学学报(自然科学版),2009,6(2):377-378.
论文摘要 在人类所利用的能源当中，电能是最清洁最方便的；电气传动无疑有着很大的意义，随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术也得到了长足的发展。本文在对大量国内外文献分析的基础上，总结和论述了我国在电力电子和电力传动系统领域的研究现状。
从学术的角度来看，电力电子技术的主要任务是研究电力电子器件（功率半导体）设备，转换器拓扑结构，控制和电力电子应用，实现电力和磁场的能量转换、控制、传输和存储，以便实现合理和有效使用的各种形式的能源，高品质的人力的电力和磁场的能量。
1 电力电子的研究方向
就目前情况而言，我国电力电子的研究范围与研究内容主要包括：1）电力电子元器件及功率集成电路；2）电力电子变换器技术的研究主要包括新的或电力能源的节约和新能源电力电子，军事和空间应用等作为特殊的电力电子转换器技术的智能电力电子变换器技术，控制电力电子系统和计算机仿真建模；3）电力电子技术的应用，其研究内容包括超高功率转换器，在能源效率，可再生能源发电，钢铁，冶金，电力，电力牵引，船舶推进应用，电力电子系统的信息化和网络；电力电子系统的故障分析和可靠性；复杂的电力电子系统的稳定性和适应性；4）电力电子系统集成，其研究内容包括标准化电力电子模块；单芯片和多芯片系统设计，集成电力电子系统的稳定性和可靠性。
2 我国电力电子发展中存在的问题
当前的主要问题是：中国的电力电子产品和设备目前生产的大部分是也主要是晶闸管，虽然它可以创造一些高科技电子产品和电气设备，但他们都使用电力电子外国生产设备和多组分组装集成的制造方法，尤其是先进的全控型电力电子器件全部依赖进口，而许多关系到国民经济和国家安全，在一些关键领域的核心技术，软件，硬件和关键设备，我国的外资控制和封锁。特别是在关系国民经济和国家安全，更多先进水平的核心技术差距的关键领域，这种情况正在迅速变化的挑战和我们的道德律令。
在过去，虽然我国国民经济的各个部门，先后引进了国外先进技术，已开始注意到国内突出的问题，从表面上看，虽然对引进技术的绝大多数可以在几年后达到国产化率70％的要求，但只要仔细分析，不难发现，并最终拒绝外国公司转让技术和关键部件，都涉及到高科技的电力电子技术和动力传动产品在核心技术。
目前国外和问题的主要区别是：电力电子器件的全面控制，不能制造国内制造的高功率转换器，低技术，设备可靠性差，电力电子数字控制技术水平仍处于初级阶段；应用程序的控制技术和系统控制软件的水平较低；缺乏经验的重大项目等。高性能高功率转换器设备几乎全部从国外进口。
3 电力传动系统的发展现状分析
目前我国电力传动系统的研究主要围绕交流转动系统展开，随着交流电动机调速理论的突破和调速装置（主要是变频器）性能的完善，电动机的调速从直流发电机-电动机组调速、晶闸管可控整流器，直流调压调速逐步发展到交流电动机变频调速。交流传动系统之所以发展得如此迅速，和一些关键性技术的突破性进展有关。它们是功率半导体器件（包括半控型和全控型）的制造技术、基于电力电子电路的电力变换技术、交流电动机控制技术以及微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术。为了进一步提高交流传动系统的性能，国内有关研究工作正围绕以下几个方面展开：
1）输入电流为正弦和四象限运行开辟了新的途径
高性能交流驱动系统电压型PWM逆变器中的应用日益广泛，PWM技术的研究更深入。 PWM功率半导体器件采用高频开启和关闭，成为一个在一定宽度的电压脉冲序列法律的变化，为了实现频率，变压器，有效地控制和消除谐波的直流电压。 PWM技术可分为三类：正弦PWM，优化PWM及随机PWM。正弦PWM的电压，电流和磁通正弦PWM计划的目标包括。正弦PWM普遍提高功率器件的开关频率将是一个非常出色的表现，在中小功率交流驱动系统等被广泛使用。但为大容量的电源转换设备，高开关频率将导致大的开关损失，以及高功率设备，如GTO的开关频率仍不做的非常高的在这种情况下，在最佳的PWM技术只是满足的需求该设备。
2）应用矢量控制技术、直接转矩控制技术及现代控制理论
交流电机交流驱动系统是一个多变量、非线性、强耦合、时变控制对象，变频调速控制，电机控制的稳定状态方程的研究动态控制非常令人满意的结果的特点。 70年代初提出研究交流电机的控制过程的动态，不仅要控制每个变量的振幅，而控制的阶段，为了实现交流电机磁通和转矩的解耦矢量变换方法，促使高性能交流驱动系统逐渐向实际使用。高动态性能的电流矢量控制变频器已成功应用于轧机主传动，电力牵引系统和数控机床。此外，为了解决系统的复杂性和控制精度之间的矛盾，但也提出一个新的控制方法，如直接转矩控制，方向控制电压，特别是与微处理器控制技术，现代控制理论在各种控制方法也得到了应用，如二次型性能指标最优控制和双位模拟调节器控制，可以提高系统的动态性能，滑（滑模）变结构控制可以提高系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼滤波器可以得到状态信息不能测量，自适应控制能够全面提高系统的性能。此外，智能控制技术，如模糊控制，神经网络控制，也开始在交流变频调速驱动系统用于提高控制精度和鲁棒性。
3）广泛应用微电子技术
随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，这使得全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可能。目前适于交流传动系统的微处理器有单片机、数字信号处理器（Digital Signal Processor——DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit——ASIC）等。其中，高性能的计算机结构形式采用超高速缓冲储存器、多总线结构、流水线结构和多处理器结构等。核心控制算法的实时完成、功率器件驱动信号的产生以及系统的监控、保护功能都可以通过微处理器实现，为交流传动系统的控制提供很大的灵活性，且控制器的硬件电路标准化程度高，成本低，使得微处理器组成的全数字化控制系统达到了较高的性能价格比。
4 结论
虽然我国电力电子与电力系统传动系统技术得到了长足的发展，但与发达国家相比仍然存在较大差距，许多关键技术有待突破，关键部件还长期依赖进口的局面还没有打破。
参考文献
