簡(jiǎn)析電子系統綜合設計能力培養的創(chuàng )新與實(shí)踐論文
論文摘要：依托電子競賽的內容，結合電子信息專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)組織綜合電子系統設計教學(xué)；通過(guò)讓學(xué)生根據課題收集資料、整理資料、提出實(shí)現方案的途徑，以達到提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，為以后的工作奠定了良好的專(zhuān)業(yè)知識基礎。
論文關(guān)鍵詞：電子系統；設計方法；設計能力
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、知識經(jīng)濟時(shí)代的到來(lái)，社會(huì )對大學(xué)生提出了許多新的要求。大學(xué)生應該具有扎實(shí)的基礎理論知識、較強的實(shí)踐能力、創(chuàng )新意識、創(chuàng )業(yè)精神和協(xié)調能力、強烈的責任感和服務(wù)意識等。
當今世界，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(zhuān)業(yè)的學(xué)生有更高的要求：第一，要有扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎知識，例如學(xué)習和掌握“模擬電子技術(shù)”、“數字電子技術(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(dòng)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，要有較強的適應工作的能力，使用先進(jìn)應用軟件的能力，例如會(huì )利用諸如Protel、MaxplusII、Multisim、Matlab等工具軟件進(jìn)行電路設計和仿真調試。用人單位對畢業(yè)生的要求除了能夠掌握一定的基礎理論和工具之外，還要求畢業(yè)生具有基于單片機系統的電子產(chǎn)品的設計經(jīng)驗。
電子設計競賽正是對人才全面培養、更新教育理念、改革教學(xué)方法和內容等起到了促進(jìn)作用，具有極其重要的現實(shí)意義。電子設計競賽的選題引進(jìn)了新的理論與技術(shù)，是跨學(xué)科的、系統的和綜合的.。為了有效指導學(xué)生參加各類(lèi)電子競賽，特對綜合電子系統設計的教學(xué)模式、課程內容、教學(xué)方法及考評進(jìn)行改革。
一、綜合電子系統設計課程的性質(zhì)
電子系統設計主要是指基于單片機控制的完整應用系統的設計，包括系統軟硬件設計及系統調試等多方面的知識。電子系統設計課程體系是以“單片機原理及應用”課程為核心，由“模擬電子技術(shù)”、“數字電子技術(shù)”、“傳感器技術(shù)”、“電子設計自動(dòng)化”、“可編程邏輯器件及應用”、“C語(yǔ)言程序設計”等相關(guān)課程組成。它是一門(mén)綜合性較強的專(zhuān)業(yè)課程，通過(guò)本課程的理論學(xué)習和動(dòng)手實(shí)驗，培養學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識綜合運用能力、系統分析能力和電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)創(chuàng )新能力。
學(xué)生經(jīng)過(guò)前期基礎課的學(xué)習，通過(guò)隨課的驗證性實(shí)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，在老師的指導下基本能夠進(jìn)行單元電路的設計和調試，通過(guò)課程設計也能完成本課程簡(jiǎn)單的綜合性實(shí)驗。但一些驗證性實(shí)驗多數是教材內容原理的演示和再現，實(shí)驗內容和方法都是老師指定，學(xué)生基本沒(méi)有進(jìn)行系統級的設計和實(shí)訓，綜合實(shí)踐能力有待提高，學(xué)生沒(méi)有發(fā)揮自己的主觀(guān)能動(dòng)性，積極性不高，不利于創(chuàng )新性人才的培養。
鑒于上述情況，對綜合電子系統設計的理論內容和實(shí)踐方法進(jìn)行改革創(chuàng )新。
二、綜合電子系統設計理論課內容
根據本課程的實(shí)際情況和學(xué)生所具備基礎知識，安排如下幾個(gè)環(huán)節：模擬電路單元設計，數字系統單元的設計，微處理器單元電路的設計以及電子系統抗干擾技術(shù)等環(huán)節。
結合全國電子大賽，模擬單元電路主要講述運算放大器的設計以及正確使用、有源濾波器的設計方法、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器件的選擇；各種信號產(chǎn)生的方法，重點(diǎn)講述數字頻率合成DDS的原理和實(shí)現技術(shù)。以上這些單元內容的安排是結合歷年來(lái)全國電子設計大賽有關(guān)模擬電路環(huán)節而選擇的，通過(guò)這些內容的講解有利于提高學(xué)生模擬電子技術(shù)的設計方法。
數字系統設計單元主要講解數字系統設計方法，突出現代數字系統設計——EDA設計方法；可編程邏輯器件的特點(diǎn)及選擇；數字系統設計舉例，比如AD、DA控制器的實(shí)現、交通燈控制器的實(shí)現、電子密碼鎖的設計等。通過(guò)大量實(shí)例的講解使學(xué)生能初步掌握用大規�？删幊踢壿媽�(shí)現中等難度的數字邏輯系統。
微處理器單元主要講述目前流行的各種處理器，例如51內核單片機、MSP430單片機、AVR單片機、PIC單片機等型號，介紹它們的特點(diǎn)、應用范圍、怎樣根據項目需求來(lái)選擇合適的微處理器；根據學(xué)生目前對微處理器的掌握和學(xué)習情況，重點(diǎn)講述基于單片機串行通信的設計，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(diǎn)，在不具有SPI總線(xiàn)、IIC總線(xiàn)的微處理器中怎樣通過(guò)IO口模擬它們的總線(xiàn)協(xié)議；以具有這些總線(xiàn)協(xié)議的集成電路芯片的利用提高學(xué)生的C語(yǔ)言編程能力。
在微處理器單元里，另外的重點(diǎn)內容多基于單片機的并行通信設計，包括常用的人機接口電路（鍵盤(pán)、LCD、LED顯示），這是在大多數的電子系統設備中都具有的，學(xué)生有必要掌握它們的設計方法以及編程技術(shù)。
電子系統抗干擾技術(shù)也是綜合電子系統設計中非常重要的內容。當系統處在比較惡劣的環(huán)境下，抗干擾設計的好與壞直接決定了系統能否正常工作。微處理器雖然本身的抗干擾能力較強，但是用微處理器構造的控制系統仍存在著(zhù)抗干擾的問(wèn)題。為防止外界對系統的干擾，并確保電子系統安全可靠運行，必須采取相應的抗干擾措施。電子系統的干擾主要來(lái)自于供電系統、過(guò)程通道及空間電磁波。電子應用系統的抗干擾設計應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)。
在這一章節里主要講解電磁兼容設計、器件選型、降熱散熱計算、電路板和電子系統可靠性測試等綜合知識。通過(guò)對本小節的學(xué)習，使學(xué)生應達到以下目標：熟悉系統的各種干擾來(lái)源及形式；學(xué)會(huì )供電系統及過(guò)程通道的抗干擾措施；能說(shuō)出在印制電路板設計中體現的抗干擾措施；學(xué)習設計軟件陷阱及看門(mén)狗電路，從而為綜合電子設計系統設計打下良好的基礎。
三、精心設計安排實(shí)驗
這門(mén)課實(shí)踐性很強，除了教師講述的理論內容和方法外，安排大量的實(shí)驗以及鼓勵學(xué)生去參加科技創(chuàng )新和各種電子設計的比賽，提升學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，從而提高他們的實(shí)際動(dòng)手能力。根據課程的內容合理安排一些設計性的實(shí)驗題目。安排的實(shí)驗不同于在學(xué)習相應的基礎時(shí)所做的實(shí)驗，要體現獨立思考的能力。
教師布置實(shí)驗題目、講述方法，學(xué)生以實(shí)驗項目為中心，整合理論知識，查閱相關(guān)資料，具體的實(shí)驗方案和電路要學(xué)生自己去網(wǎng)上或圖書(shū)館查閱資料獨立完成。在做實(shí)驗前，電路圖以及程序代碼要在課下完成，實(shí)驗室只是調試電路和程序以及老師考核實(shí)驗成績(jì)。這樣做可以更好地將理論與實(shí)踐結合到實(shí)驗項目中去，使學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐能力和分析解決問(wèn)題的能力上有一定的提升；也可以鍛煉學(xué)生學(xué)會(huì )搜集資料、整理資料，提高他們獨立自主的學(xué)習能力。同時(shí)，教師在帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習的過(guò)程中也在不斷地提升自己，積累經(jīng)驗。
結合電子設計競賽，安排各章節相應的實(shí)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計；重點(diǎn)是直流穩壓電源的設計；數字系統單元設計安排了數字頻率計、交通燈控制器，重點(diǎn)是DDS數字頻率的合成實(shí)驗。微處理器單元安排了基于單片機SPI總線(xiàn)時(shí)鐘顯示器和基于單片機并行通信的LCD顯示系統。鑒于目前的實(shí)驗條件，這些實(shí)驗主要是通過(guò)仿真軟件來(lái)完成。模擬單元電路里，利用Multisim電子電路仿真軟件來(lái)完成運算放大器和有源濾波器以及直流穩壓電源的設計；在數字電路系統設計中，利用MAX+PLUS II軟件完成DDS數字頻率合成的實(shí)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(shí)驗。這樣在不需要任何實(shí)驗儀器和元器件的情況下，為學(xué)生提供了一個(gè)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、綜合電子系統設計的考核標準
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設計這門(mén)技術(shù)性實(shí)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(jìn)行考查。
為了真正鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，對這門(mén)課的考核采取如下方式：平時(shí)上課出勤、答疑以及學(xué)習的主動(dòng)性占20%；實(shí)驗占30%（其中課前預習的情況比重占80%）；最后50%的成績(jì)是學(xué)生的作品。學(xué)生可以完成一個(gè)老師指定的題目，在確定最佳設計方案后，到實(shí)驗室完成了系統單元電路的仿真，進(jìn)行安裝、測量和調試，把實(shí)際的設計作品做出來(lái)。也可以根據學(xué)科專(zhuān)業(yè)方向并結合自身興趣，自主選擇一個(gè)課題作為課程的設計項目，經(jīng)過(guò)系統規劃、設計、電路實(shí)現、系統調試完成一個(gè)完整的電子作品；最后通過(guò)驗收、答辯、總結、演講結束課程的學(xué)習。在系統的制作和調試過(guò)程中，讓學(xué)生想方設法采取各種措施解決所遇到的實(shí)際問(wèn)題，不斷調整參數，修改和完善設計方案，得到真正的訓練。
五、結論
實(shí)踐證明，向學(xué)生介紹一種完整的電子系統設計方法和概念，通過(guò)理論講授、實(shí)用性的設計舉例以及相應的動(dòng)手實(shí)驗使學(xué)生了解并掌握電子系統設計的一般方法以及制作調試技能，為后來(lái)的畢業(yè)設計、今后的學(xué)習和實(shí)際工作打下扎實(shí)的基礎，符合全國電子大賽“立足行業(yè)、突出實(shí)踐、促進(jìn)就業(yè)”的宗旨。
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