時間：2023-10-11 16:33:02
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電路設計流程，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
1非微電子專業開設集成電路設計課程的原則
在非微電子專業如計算機、通信、信號處理、自動化、機械等專業開設集成電路設計技術相關課程，一方面，這些專業的學生有電子電路基礎知識，又有自己本專業的知識，可以從本專業的系統角度來理解和設計集成電路芯片，非常適合進行各種應用的集成電路芯片設計階段的工作，這些專業也是目前芯片設計需求最旺盛的領域；另一方面，對于這些專業學生的應用特點，不宜也不可能開設微電子專業的所有課程，也不宜將集成電路設計階段的許多技術（如低功耗設計、可測性設計等）開設為單獨課程，而是要將相應課程整合，開設一到二門集成電路設計的綜合課程，使學生既能夠掌握集成電路設計基本技術流程，也能夠了解集成電路設計方面更深層的技術和發展趨勢。因此，在課程的具體設置上，應該把握以下原則。理論講授與實踐操作并重集成電路設計技術是一門實踐性非常強的課程。隨著電子信息技術的飛速發展，采用EDA工具進行電路輔助設計，已經成為集成電路芯片主流的設計方法。因此，在理解電路和芯片設計的基本原理和流程的基礎上，了解和掌握相關設計工具，是掌握集成電路設計技術的重要環節。技能培訓與前瞻理論皆有在課程的內容設置中，既要有使學生掌握集成電路芯片設計能力和技術的講授和實踐，又有對集成電路芯片設計新技術和更高層技術的介紹。這樣通過本門課程的學習，一方面，學員掌握了一項實實在在有用的技術；另一方面，學員了解了該項技術的更深和更新的知識，有利于在碩、博士階段或者在工作崗位上，對集成電路芯片設計技術的繼續研究和學習。基礎理論和技術流程隔離由于是針對非微電子專業開設的課程，因此在課程講授中不涉及電路設計的一些原理性知識，如半導體物理及器件、集成電路的工藝原理等，而是將主要精力放在集成電路芯片的設計與實現技術上，這樣非微電子專業的學生能夠很容易入門，提高其學習興趣和熱情。
2非微電子專業集成電路設計課程實踐
根據以上原則，信息工程大學根據具體實際，在計算機、通信、信號處理、密碼等相關專業開設集成電路芯片設計技術課程，根據近兩年的教學情況來看，取得良好的效果。該課程的主要特點如下。優化的理論授課內容1）集成電路芯片設計概論：介紹IC設計的基本概念、IC設計的關鍵技術、IC技術的發展和趨勢等內容。使學員對IC設計技術有一個大概而全面的了解，了解IC設計技術的發展歷程及基本情況，理解IC設計技術的基本概念；了解IC設計發展趨勢和新技術，包括軟硬件協同設計技術、IC低功耗設計技術、IC可重用設計技術等。2）IC產業鏈及設計流程：介紹集成電路產業的歷史變革、目前形成的“四業分工”，以及數字IC設計流程等內容。使學員了解集成電路產業的變革和分工，了解設計、制造、封裝、測試等環節的一些基本情況，了解數字IC的整個設計流程，包括代碼編寫與仿真、邏輯綜合與布局布線、時序驗證與物理驗證及芯片面積優化、時鐘樹綜合、掃描鏈插入等內容。3）RTL硬件描述語言基礎：主要講授Verilog硬件描述語言的基本語法、描述方式、設計方法等內容。使學員能夠初步掌握使用硬件描述語言進行數字邏輯電路設計的基本語法，了解大型電路芯片的基本設計規則和設計方法，并通過設計實踐學習和鞏固硬件電路代碼編寫和調試能力。4）系統集成設計基礎：主要講授更高層次的集成電路芯片如片上系統（SoC）、片上網絡（NoC）的基本概念和集成設計方法。使學員初步了解大規模系統級芯片架構設計的基礎方法及主要片內嵌入式處理器核。
豐富的實踐操作內容1）Verilog代碼設計實踐：學習通過課下編碼、上機調試等方式，初步掌握使用Verilog硬件描述語言進行基本數字邏輯電路設計的能力，并通過給定的IP核或代碼模塊的集成，掌握大型芯片電路的集成設計能力。2）IC前端設計基礎實踐：依托Synopsys公司數字集成電路前端設計平臺DesignCompiler，使學員通過上機演練，初步掌握使用DesignCompiler進行集成電路前端設計的流程和方法，主要包括RTL綜合、時序約束、時序優化、可測性設計等內容。3）IC后端設計基礎實踐：依托Synopsys公司數字集成電路后端設計平臺ICCompiler，使學員通過上機演練，初步掌握使用ICCompiler進行集成電路后端設計的流程和方法，主要包括后端設計準備、版圖規劃與電源規劃、物理綜合與全局優化、時鐘樹綜合、布線操作、物理驗證與最終優化等內容。靈活的考核評價機制1）IC設計基本知識筆試：通過閉卷考試的方式，考查學員隊IC設計的一些基本知識，如基本概念、基本設計流程、簡單的代碼編寫等。2）IC設計上機實踐操作：通過上機操作的形式，給定一個具體并相對簡單的芯片設計代碼，要求學員使用Synopsys公司數字集成電路設計前后端平臺，完成整個芯片的前后端設計和驗證流程。3）IC設計相關領域報告：通過撰寫報告的形式，要求學員查閱IC設計領域的相關技術文獻，包括該領域的前沿研究技術、設計流程中相關技術點的深入研究、集成電路設計領域的發展歷程和趨勢等，撰寫相應的專題報告。
3結語
隨著傳統集成電路設計和生產流程的改變，大多數芯片設計可以采用無生產線設計和代工廠生產的方式完成[2]，這種流程為高校集成電路設計人才的培養提供了低成本的硬件環境[3]。此外，隨著我國對集成電路設計人才需求的逐年提高，在高校非微電子專業開設集成電路設計技術課程已經成為培養相關專業合格畢業生的必須。信息工程大學根據自身軟硬件條件和學生具體專業情況，開設了集成電路設計技術相關理論和實踐課程，經過兩年的教學實踐，取得良好的教學效果，培養了一批有著豐富專業技術知識的集成電路設計人才。
作者：宋克張帆沈劍良單位：信息工程大學信息技術研究所講師
關鍵詞：集成電路設計；版圖；CMOS
作者簡介：毛劍波（1970-），男，江蘇句容人，合肥工業大學電子科學與應用物理學院，副教授；汪濤（1981-），男，河南商城人，合肥工業大學電子科學與應用物理學院，講師。（安徽?合肥?230009）
基金項目：本文系安徽省高校教研項目（項目編號：20100115）、省級特色專業項目（項目編號：20100062）的研究成果。
中圖分類號：G642?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）23-0052-02
集成電路（Integrated Circuit）產業是典型的知識密集型、技術密集型、資本密集和人才密集型的高科技產業，是關系國民經濟和社會發展全局的基礎性、先導性和戰略性產業，是新一代信息技術產業發展的核心和關鍵，對其他產業的發展具有巨大的支撐作用。經過30多年的發展，我國集成電路產業已初步形成了設計、芯片制造和封測三業并舉的發展格局，產業鏈基本形成。但與國際先進水平相比，我國集成電路產業還存在發展基礎較為薄弱、企業科技創新和自我發展能力不強、應用開發水平急待提高、產業鏈有待完善等問題。在集成電路產業中，集成電路設計是整個產業的龍頭和靈魂。而我國集成電路設計產業的發展遠滯后于計算機與通信產業，集成電路設計人才嚴重匱乏，已成為制約行業發展的瓶頸。因此，培養大量高水平的集成電路設計人才，是當前集成電路產業發展中一個亟待解決的問題，也是高校微電子等相關專業改革和發展的機遇和挑戰。[1-4]
一、集成電路版圖設計軟件平臺
為了滿足新形勢下集成電路人才培養和科學研究的需要，合肥工業大學（以下簡稱“我校”）從2005年起借助于大學計劃，和美國Mentor Graphics公司、Xilinx公司、Altera公司、華大電子等公司合作建立了EDA實驗室，配備了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni設計系統等EDA軟件。我校相繼開設了與集成電路設計密切相關的本科課程，如集成電路設計基礎、模擬集成電路設計、集成電路版圖設計與驗證、超大規模集成電路設計、ASIC設計方法、硬件描述語言等。同時對課程體系進行了修訂，注意相關課程之間相互銜接，關鍵內容不遺漏，突出集成電路設計能力的培養，通過對課程內容的精選、重組和充實，結合實驗教學環節的開展，構成了系統的集成電路設計教學過程。[5，6]
集成電路設計從實現方法上可以分為三種：全定制（full custom）、半定制（Semi-custom）和基于FPGA/CPLD可編程器件設計。全定制集成電路設計，特別是其后端的版圖設計，涵蓋了微電子學、電路理論、計算機圖形學等諸多學科的基礎理論，這是微電子學專業的辦學重要特色和人才培養重點方向，目的是給本科專業學生打下堅實的設計理論基礎。
在集成電路版圖設計的教學中，采用的是中電華大電子設計公司設計開發的九天EDA軟件系統（Zeni EDA System），這是中國唯一的具有自主知識產權的EDA工具軟件。該軟件與國際上流行的EDA系統兼容，支持百萬門級的集成電路設計規模，可進行國際通用的標準數據格式轉換，它的某些功能如版圖編輯、驗證等已經與國際產品相當甚至更優，已經在商業化的集成電路設計公司以及東南大學等國內二十多所高校中得到了應用，特別是在模擬和高速集成電路的設計中發揮了強大的功能，并成功開發出了許多實用的集成電路芯片。
九天EDA軟件系統包括ZeniDM（Design Management）設計管理器，ZeniSE（Schematic Editor）原理圖編輯器，ZeniPDT（physical design tool）版圖編輯工具，ZeniVERI（Physical Design Verification Tools）版圖驗證工具，ZeniHDRC（Hierarchical Design Rules Check）層次版圖設計規則檢查工具，ZeniPE（Parasitic Parameter Extraction）寄生參數提取工具，ZeniSI（Signal Integrity）信號完整性分析工具等幾個主要模塊，實現了從集成電路電路原理圖到版圖的整個設計流程。
二、集成電路版圖設計的教學目標
根據培養目標結合九天EDA軟件的功能特點，在本科生三年級下半學期開設了為期一周的以九天EDA軟件為工具的集成電路版圖設計課程。
本文首先介紹數據采集卡系統系統的特點、現狀單片機畢業論文及趨勢。然后對各模塊的工作原理進行詳細介紹,并給出了各模塊程序流程圖及程序的設計。該卡具有很強的實用意義,有非常廣泛的應用前景。
Abstract
This paper introduce the software design of data colletion card system, design the analog-digital conversion module, data storage module, real-time control module and the bus interface module, and so on. The card use 8051 MCU control the data collection, storage and display, SCM control sensors to conduct real-time data collection, A / D converter will be conver analog to digital, and then store and dispiay that. The card have the advantage of small in size, can work outline and have strong anti-interference capability .It overcome shortcome of the traditional data collection system,such as big size, can not work outline and are not easy to carry.It can be easily in different locations for data collection.
Firstly,the paper introduce the characteristics, status and trends of data collection card systerm. Then introduce the principle of each module in detail, and gives the process flow chart and the design process of each module. The card has strong practical significance and a very wide range of applications.
目 錄
摘 要
ABSTRACT
第一章 前 言 5
1.1 課題研究背景 5
1.2 數據采集系統的概述 5
1.3 數據采集卡系統的簡介 6
1.3.1 什么是數據采集卡系統 6
1.3.2 數據采集卡系統的特點 7
1.3.3 數據采集卡系統的發展趨勢 8
1.3.4 數據采集卡的技術指標 9
第二章 系統軟件整體的設計 10
2.1 整體電路 10
2.1.1 傳感器的選型 12
2.1.2 前置端放大的硬件電路設計 12
2.1.3 數字濾波器的硬件電路設計 13
2.2 系統的結構框圖 14
2.3 程序設計體系結構 16
2.4 主程序流程圖的設計 16
第三章 A/D轉換模塊的設計 18
3.1 A/D轉換的硬件電路設計 18
3.1.1 A/D轉換器的選擇指標 18
3.1.2 A/D轉換器的選擇 18
3.1.3 應用ADC0809實現數模轉換電路 21
3.2 ADC0809與單片機的接口電路 22
3.3 A/D轉換模塊的流程圖及程序 24
第四章 顯示模塊的軟件設計 27
4.1 8279及LED顯示器與單片機的接口電路 27
4.2 顯示模塊的程序流程圖及程序 28
第五章 存儲模塊的軟件設計 31
5.1 62128存儲器與單片機的接口電路 31
5.2 存儲模塊程序流程圖及程序 32
第六章 數據采集卡與總線接口的硬件電路設計 34
6.1 總線的選擇 34
6.2 ISA總線接口 35
6.3 ISA總線接口卡設計基本問題 39
6.3.1 I/0端口地址空間 39
6.3.2總線競爭、隔離和驅動 40
6.4單片機與總線連接的硬件電路設計 40
結 論 44
關鍵詞：集成電路設計；應用型人才；課程改革
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）14-0059-02
一、引言
在過去的20多年來，中國教育實現兩大歷史性跨越。第一是實現了基本普及義務教育，基本掃除青壯年文盲的目標；第二是中國高等教育開始邁入大眾化階段，高教毛入學率達到17%。據《2012年中國大學生就業報告》顯示[1]，在2011年畢業的大學生中，有近57萬人處于失業狀態，10多萬人選擇“啃老”；即使工作一年的人，對工作的滿意率也只有47%。2012年，全國普通高校畢業生規模達到680萬人，畢業人數再創新高，大學生將面臨越來越沉重的就業壓力。面對這樣的困境，國家相關部分提出了一系列的舉措，其中對本科畢業生的培養目標逐漸向應用型人才轉變[2-4]。集成電路作為信息產業的基礎和核心，是國民經濟和社會發展的戰略性產業，已成為當前國際競爭的焦點和衡量一個國家或地區現代化程度以及綜合國力的重要標志。本文將在對集成電路設計專業特點分析的基礎上，以北京信息科技大學集成電路設計專業課程設置為例，介紹面向應用型人才培養目標地集成電路設計本科課程現階段存在的問題并給出相關可行的改革方案。
二、集成電路設計專業特點
進入本世紀后，我國的集成電路發展迅速，集成電路設計需求劇增。為了適應社會發展的需要，國家開始加大推廣集成電路設計相關課程的本科教學工作[5]。經過十年多的發展，集成電路設計專業特色也越來越明顯。
首先，集成電路設計專業對學生的專業基礎知識要求高。隨著工藝的不斷進步，集成電路芯片的尺寸不斷下降，芯片功能不斷增強，功耗越來越低，速度越來越快。但隨著器件尺寸的不斷下降，組成芯片的最基本單元――“器件”的高階特性對電路性能的影響越來越大。除了器件基礎，電路設計人員同時還需要了解后端電路設計相關的版圖、工藝、封裝、測試等相關基礎知識，而這些流程環環相扣，任何一個環節出現問題，很難想象芯片能正常工作[6]。因此，對于一個合格的電路設計人員，深厚的專業基礎知識是必不可少的。
其次，集成電路設計專業需要學生對各種電子設計自動化工具熟悉，實踐能力強。隨著電子設計自動化工具的不斷發展，在電路設計的每一個階段，電路設計人員可以通過計算機完成電路設計的部分或全部的相關內容。另一方面，電子設計自動化工具的相關比較多，即使是同一家公司的同一種軟件的更新速度相當快，集成電路設計工具種類繁多，而且沒有統一的標準這對集成電路設計教學增加了很大的難度。
再次，集成電路設計專業的相關教學工作量大。正如前面所介紹，要完成一個電路芯片的設計，需要電路設計人員需要了解從器件基礎到電路搭建、電路仿真調試、版圖、工藝、封裝、測試等相關知識，同時還要通過實驗熟悉各種電子設計自動化工具的使用。所有相關內容對集成電路設計專業的教學內容提出了更多的要求，但從現有的情況看，相關專業的課時數目難以改變，所以在有限的課時內如何合理分配教學內容是集成電路設計專業教師重要的工作。
最后，集成電路設計專業對配套的軟、硬件平臺要求高，投入資金成本高。從現有的情況看，國際上有4大集成電路設計EDA公司，還有很多中、小型EDA公司。每個公司的產品各不相同，即使針對相同的電路芯片，設計自動化工具也各不相同。在硬件方面，軟件的安裝通常在高性能的服務器上，因此，硬件方面的成本也很高。軟硬件方面的成本嚴重地阻礙了國內很多高等院校的集成電路設計專業發展。
三、集成電路設計專業課程設置及存在的問題
在集成電路設計專業課程設置方面，不同的學校的課程設置各不相同。但總的來說可以分為三類：基礎課、專業課和選修課。在三類課程的設置方面，每個學校的定義各不相同，主要是根據本校集成電路設計專業的側重點不同而有所區別。從國內幾大相關院校的課程設置看，基礎課主要包括：《固體物理》、《半導體物理》、《晶體管原理》、《模擬電子技術》、《數字電子技術》等；專業課主要包括：《模擬集成電路設計》、《數字集成電路設計》、《信號處理》、《高頻電路》等；選修課主要包括：《集成電路EDA》、《集成電路芯片測試》、《集成電路版圖設計》、《集成電路封裝》等。
從現有的課程設置可以看到，針對國家應用型人才培養目標，現有的課程設置還存在很多問題，具體地說：
首先，課程設置偏于理論課程，實踐內容缺乏，不符合應用型人才的培養目標要求。從上面的課程設置情況可以看到，各大高校在課程安排方面都側重于理論教學，缺乏實踐內容。比如：《模擬集成電路設計》課程總學時為48，實驗學時為8，遠遠低于實際需求，難以在短短8學時內完成模擬集成電路設計相關實踐活動。雖然集成電路設計專業對于專業基礎知識要求寬廣，但并不深厚，因此，浪費太多時間在每個設計流程相關的理論知識的闡述是不合適的，也不符合我國大學生的現狀。
其次，實踐活動不能與集成電路設計業界實際需要相結合，實踐內容沒有可行性。從目前各大高等院校的課程內容方面調研結果表明，對于本科教學情況，90%以上的實踐內容都是教師根據理論教學內容設置一些簡單可行的小電路，學生按照實驗指導書的內容按相關步驟操作即可完成整個實驗過程。實驗內容簡單、重復，與集成電路設計業界實際需要完全不相關，這對學生以后的就業、擇業意義不大。
最后，沒有突現學校的專業特色，不適于當今社會集成電路設計業界對本科畢業生的要求。但在競爭激烈的電子信息產業界，如果想要畢業生擇業或者就業時有更強的競爭力，各大高校需要有自己的專業特色，但現在各個高校的現狀仍然是“全面發展，沒有特色”。這對于地方高校的集成電路設計專業畢業生是一個劣勢。
四、面向應用型人才培養目標的課程改革
針對上面闡述的相關問題，本文給出了面向應用型人才培養目標的集成電路設計專業課程改革的幾點方案，具體地說：
首先，削減理論課的課時，加大實驗內容比例。理論課時遠遠高于實踐課時是當今大學生教育的一個重要弊端，這也直接導致了大學生動手能力差、實踐活動參與度低、分工合作意識薄弱。而在不增加授課學時的前提下要改變這一現象，唯一的方法就是改變授課內容，適當削減理論課的課時，加大實驗內容的比例。這樣既能滿足國家對于本科畢業生應用型人才的培養目標，也符合創新型本科生的特點。
其次，積極推進“校企聯合辦學”，讓學生更早接觸業界發展，指導擇業、就業。正如前面介紹，現在各大高等院校的教學內容理論性太強，學生在大學四年學習到的相關知識與實際應用相脫離。這也造成很大一部分本科畢業生在入職后的第一年難以進入工作狀態，工作效率差，影響后面學生的就業、擇業。如果能在學生在校期間，比如大學三年級或更早，推進“校企聯合辦學”，使學生更早了解到業界真正工作模式以及業界關注的重點，這對于學生后續進入工作非常有利，同時也能推進學校科研工作。
最后，實現優質教學資源的共享。這里的教學資源，除了包括授課筆記、教案、教學講義外還包括高水平教師。雖然現在高等教育研究相關機構也開設了一些青年教師課程培訓相關內容，但真正取得的成效還相對比較小。另外，針對集成電路設計專業來說，跟隨業界發展的相關知識更新較快，配套的軟硬件代價較高，如果能實現高校軟硬件教學資源的共享，尤其是高水平高校扶持低水平高校，這將更有利于提高畢業生的整體水平。
五、結論
本文詳細分析面對應用型人才培養目標的集成電路設計專業的特點，并在對國內相關院校集成電路設計專業調研基礎上給出集成電路設計專業的基礎課、專業課、選修課課程的內容以及教學方式情況，指出面向應用型人才培養目標現在課程設置方面存在的問題。同時，文章給出了在當今大學生招生人數劇增情況下，如何合理安排集成電路設計專業課程的方案從而實現應用型培養目標。
參考文獻：
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[2]殷樹娟，齊臣杰.集成電路設計的本科教學現狀及探索[J].中國電力教育，2012，（4）：64-66.
[3]侯燕芝，王軍，等.實驗教學過程規范化管理的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2012，（10）：124-126.
[4]張宏勛，和蔭林，等.高校實驗室教學文化變革的阻力及其化解[J].實驗室研究與探索，2012，（10）：162-165.
一、建設數字化教學資源
建設集成電路設計相關課程的視頻教學資源，包括集成電路設計基礎理論課程講授視頻、典型案例設計講解視頻、集成電路制造工藝視頻等；構建集教師、博士研究生、碩士研究生和本科生于一體的設計數據共享平臺。集成電路設計是一項知識密集的復雜工作，隨著該行業技術的不斷進步，傳統教學模式在內容上沒法完全展示集成電路的設計過程和設計方法，尤其不能展示基于EDA軟件進行的設計仿真分析，這勢必會嚴重影響教學效果。另外，由于課時量有限，學生在課堂上只能形成對集成電路的初步了解，若在其業余時間能夠通過視頻教程系統地學習集成電路設計的相關知識，在進行設計時能夠借鑒共享平臺中的相關方案，將能很好地激發學生學習的積極性，顯著提高教學效果。
二、優化課程教學方式方法
以多媒體教學為主，輔以必要的板書，力求給學生創造生動的課堂氛圍；以充分調動學生學習積極性和提升學生設計能力的目標為導向[3]，重點探索啟發式、探究式、討論式、參與式、翻轉課堂等教學模式，激勵學生自主學習；在教學講義的各章節中添加最新知識，期末開展前沿專題討論，幫助學生掌握學科前沿動態。傳統教學模式以板書為主，不能滿足集成電路設計課程信息量大的需求，借助多媒體手段可將大量前沿資訊和設計實例等信息展現給學生。由于集成電路設計理論基礎課程較為枯燥乏味，傳統的“老師講、學生聽”的教學模式容易激起學生的厭學情緒，課堂教學中應注意結合生產和生活實際進行講解，多列舉一些生動的實例，充分調動學生的積極性。另外，關于集成電路設計的書籍雖然很多，但是在深度和廣度方面都較適合作為本科生教材的卻很少，即便有也是出版時間較為久遠，跟不上集成電路行業的快速發展節奏，選擇一些較新的設計作為案例講解、鼓勵學生瀏覽一些行業資訊網站和論壇、開展前沿專題講座等可彌補教材和行業情況的脫節。
三、改革課程考核方式
改革課程考核、評價模式，一方面通過習題考核學生對基礎知識和基本理論的掌握情況；另一方面，通過項目實踐考核學生的基本技能，加大對學生的學習過程考核，突出對學生分析問題和解決問題能力、動手能力的考察；再者，在項目實踐中鼓勵學生勇于打破常規，充分發揮自己的主觀能動性，培養學生的創新意識。傳統“一張試卷”的考核方式太過死板、內容局限，不能充分體現學生的學習水平。集成電路設計牽涉到物理、數學、計算機、工程技術等多個學科的知識，要求學生既要有扎實的基礎知識和理論基礎，又要有很好的靈活性。因此，集成電路設計課程的考核應該是理論考試和項目實踐考核相結合，另外，考核是評價學生學習情況的一種手段，也應該是幫助學生總結和完善課程學習內容的一個途徑，課程考核不僅要看學生的學習成果，也要看學生應用所學知識的發散思維和創新能力。
四、加強實踐教學
在理論課程講解到集成電路的最小單元電路時就要求學生首先進行模擬仿真實驗，然后隨著課程的推進進行設計性實驗，倡導自選性、協作性實驗。理論課程講授完后，在暑期學期集中進行綜合性、更深層次的設計性實驗。集成電路設計是一門實踐性很強的課程，必須通過大量的項目實踐夯實學生的基礎知識水平、鍛煉學生分析和解決問題的能力。另外，“設計”要求具備自主創新意識和團隊協作能力，應在實踐教學中鼓勵學生打破常規、靈活運用基礎知識、充分發揮自身特點并和團隊成員形成優勢互補，鍛煉和提升創新能力和團隊協作能力。
五、總結
“集成電路設計”課程既牽涉到物理、數學、計算機等基礎學科，又需要用到美學、工程技術等知識，集成電路的應用更是涉及到人類社會的方方面面，這一課程的教學勢必需要借助現代信息技術來向學生傳遞大量的信息。由于課程的綜合性較強，要求設計者具有扎實的物理和數學基礎，對初學者來說往往會因為難以入手而產生厭學情緒。采用啟發式、探究式、討論式、參與式、翻轉課堂等教學模式可充分調動學生學習積極性；結合集成電路設計流程、EDA工具使用、設計實例和設計性實驗等進行教學，能夠幫助學生快速入門，并在設計過程中充分鍛煉學生的創新意識和團隊協作能力；另外，在教學過程中應向學生輸送大量的學科前沿信息，以便學生掌握行業動態，并在其中找到自己感興趣的點，進行更深層次的研究。總之，集成電路設計是一項系統性的復雜工程，“集成電路設計”課程的教學需要打破傳統，做到理論聯系實踐、基礎和前沿并舉、鼓勵創新和協作，充分調動學生的學習積極性，實現高效率高質量的教學效果。
作者：馬奎楊發順單位：貴州大學電子科學系
關鍵詞：脈搏；信號調理；電路設計
Design of Circuit for Conditioning the Pulse Signals
ZHANG Jin-bang，LIU Jun
（Graduate Management Team，Engineering University of CAPF，Xi'an 710086）
Abstract: Pulse is one of the most important index of the human physiology and pathology，and provided with important medical researchful value . Basede on the characteristic of weak，low frequency and easily can be disturbed of pulse signals. The request of conditioning circuit for pulse signals is proposed，and the necessary compinents are elected in accordance with the characters of pulse，and the circuit is design. There are the circuit of prepose amplification，the circuit of zero，the circuit of restricting the signals 50 Hz，the circuit of band-pass filter and the circuit of secondary amplification. The circuit of hardware designed has been tested，and the measurement shows that the conditioning circuit of pulse signals possesses the advantages of high CMMR(common model restrain ration)，low noise，the output is stabilization，and has enhanced the precision of collection for pulse signals.
Keywords: pulse; conditioning signals; design of circuit
脈搏是人體的重要生理參數之一，它攜帶了豐富的生理和病理信息，具有重要的生理和診斷參考價值[1-2]，但脈搏信號在強噪聲背景下的低頻微弱信號，具有隨機性強、頻率低的特點，極易受到檢測系統內部噪聲和外界環境(環境、溫度)的干擾，因此必須對檢測到的脈搏信號做一系列的處理(濾除噪聲和干擾)，才可獲得高保真的脈搏信息，為進一步從醫學角度分析研究脈搏信息提供準確、有效的數據源。因此，研究脈搏信號調理電路對整個脈搏信號檢測系統具有十分重要的意義。
1 調理電路總體設計
脈搏信號幅度小、頻率低，極易被噪聲湮沒，減少甚至消除這些噪聲干擾是有效識別脈搏信號特征參數的因素。信號調理電路作為信號采集單元的重要組成部分，其穩定性和可靠性直接決定了脈搏信號的真實性與有效性。
1.1 調理電路設計要求
脈搏信號取自人體淺表動脈，信號源阻抗較大，且幅度小、頻率低，極易被噪聲湮沒。因此，對脈搏信號調理電路有如下要求：(1)高輸入阻抗。由于信號源阻抗較高，脈搏信號很微弱，若輸入阻抗不高，經分壓后信號會更小，會使脈搏信號有嚴重損失；(2)高增益。脈搏信號屬于微弱信號，只有較高的放大倍數才能提高脈搏信號采集的精度；(3)高共模抑制比。主要是消除市電50 Hz的工頻干擾；(4)低噪聲。使噪聲信號不湮沒信號微弱且信噪比低的脈搏信號；(5)低漂移。防止高放大倍數的放大電路出現飽和現象；(6)合適的帶寬。以有效地抑制噪聲，防止采樣混疊；(7)高安全性。確保人體的絕對安全，主要對電氣特性的要求。
1.2 調理電路設計方案
基于脈搏信號的上述特征和調理電路設計要求，本文設計的高性能脈搏信號調理電路由一級放大電路、調零電路、工頻限波電路、帶通濾波電路和二級放大電路組成，其原理框圖如圖1所示。
調理電路的工作流程為，一級放大電路對檢測到的脈搏信號，進行線性放大，經調零電路抑制零漂后，傳送至限波電路和帶通濾波電路，濾除雜波干擾信號；再經二級放大電路送至A/D轉換部分進行信號采樣。
2 硬件電路設計
2.1 一級放大電路設計[9-10]
關鍵詞：SMD生產線輸送帶控制 單片機 自動控制
0 引言
在MES制造執行系統的應用，對設備控制的需求隨著工業化步伐的不斷加快而不斷增加。在生產活動過程中，系統搜集生產數據同時，能夠在發現異常行為時，將生產設備停止，待異常處理完成后在繼續生產。提供生產效率以及產品良率。SMT生產線通常有不同類型的自動化生產設備組成，在設備與設備之間用于連接的自動化傳送設備。通過對自動化的傳送設備控制，實現對整個生產線運行和停止的控制。
1 SMT生產線工藝流程分析
SMT生產線工藝是表面貼裝技術（Surface Mount Technology）的簡稱，是目前電子組裝行業里最流行的一種技術和工藝。它是一種將無引腳或短引線表面組裝元器件（簡稱SMC/SMD，中文稱片狀元器件）安裝在印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的表面或其它基板的表面上，通過回流焊或浸焊等方法加以焊接組裝的電路裝連技術。
主要的工藝過程有：印刷（紅膠/錫膏）檢測（可選AOI全自動或者目視檢測）貼裝（先貼小器件后貼大器件：分高速貼片及集成電路貼裝）檢測（可選AOI 光學/目視檢測）焊接（采用熱風回流焊進行焊接）檢測（可分AOI 光學檢測外觀及功能性測試檢測）維修（使用工具：焊臺及熱風拆焊臺等）分板（手工或者分板機進行切板）
SMT工藝流程結構框圖如圖1所示。
本文討論的主要是在SMT生產線作業過程中控制，指的是錫膏印刷到回焊之間的工藝過程。一般采用兩段控制，在印刷后和回焊前。也可根據需要增加控制點。
2 電氣控制系統設計
2.1 總體方案
①整體采用主控端與子控端設計方案。控制程序使用VB編程。
②主控端使用單片機控制，通過COM口連接PC主控制程序，通過PC的USB端口供電。主控端與子控端使用線路連接。
③子控端安裝在受控輸送帶設備的控制器上，串聯接入輸送設備控制設備的輸送信號線路上。電源使用輸送設備的24V電源，分路線路在接信號指示燈以提示目前運行狀態。
④控制過程：VB程式發送控制指令，主控端MCU接受并改變對應子控端狀態，輸送帶依據子控端運行或停止。
2.2 電路設計
①主控端電路設計。
a 主控制端電壓輸入，提供主控端DC5V電壓。（圖2-1）
b MCU電路設計。（圖2-2）
c COM口通訊電路設計。（圖2-3）
d 主控制端輸出電路設計。（圖2-4）
e 主控制端輸出顯示及接口電路設計。（圖2-5）
②子控制端電路設計。控制電路如圖3所示。a JP1連接主控制端控制電壓。b ALARM，GREEN分別接輸送帶的24V電壓。c 正常運行時，GREEN長亮，生產線正常運行。停線請求時，K1狀況轉換，ALARM亮起，產線停止。
2.3 VB控制程序設計
程序設計。根據控制要求，VB程序主要是獲得MES系統對產線的控制要求，并將指令通過計算機的COM端口傳送給主控端。主要包括：數據庫數據查詢，計算機COM端口數據通信協議。
2.4 單片機控制程序設計
程序設計。根據控制要求，單機片程序主要是獲得VB程序輸入的請求，控制子控制端的狀態。主要包括：計算機COM端口數據接收，子控制端輸出。
3 結語
該控制的SMTb生產線輸送帶控制系統裝置應用于生產線中，運行良好，工作穩定，操作方便，滿足了控制的要求，達到了預期的功能目標。
參考文獻：
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[3]龔沛曾.Visual Basic程序設計教程6.0[M].北京：高等教學出版社，2000.
一、Protel軟件簡介
Protel是Altium公司在20世紀80年代末推出的EDA軟件，是電子設計者的首選輔助設計軟件，許多電子公司在招聘時，通常要求面試者熟練掌握Protel。2005年年底，Protel軟件的最新版本AltiumDesigner6.0誕生，它是將設計流程、集成化PCB設計、可編程器件（如FPGA）設計和基于處理器設計的嵌入式軟件開發功能整合在一起的產品，一種同時進行PCB和FPGA設計以及嵌入式設計的解決方案，具有將設計方案從概念轉變為最終成品所需的全部功能。
二、引入Protel軟件到應電專業畢業設計的優勢
1.繪制原理圖Protel收集了超過6萬種電子元器件，有利于學生熟悉元件的型號及其性能，了解元件的引腳編號和封裝形式，方便繪制原理圖。利用繪圖中的總線、網絡標號、注釋等工具能讓設計出來的原理圖清晰規范，增加可讀性。2.電路仿真軟件提供多種仿真模塊，包括交流小信號分析、瞬態特性分析、噪聲分析、直流分析等，方便使用者更直觀更迅速地驗證設計的可行性。3.PCB板設計軟件自動布線功能極大地方便了布線規則的設計。軟件的自動布線系統利用了人工智能技術，即使對于很復雜的電路板，其布線結果也能達到專家級的水平，大大有助于缺乏實踐經驗的學生進行電路設計。4.生成PCB加工文件軟件完全支持制版輸出和電路板數控加工代碼文件生成，可用來控制雕刻機自動完成雕刻、鉆孔、切邊等工作，自動、快速、精確地制作單、雙面印刷線路板。
三、Protel軟件輔助電子技術專業畢業設計的流程和具體實例
在畢業設計中引入Protel軟件，一般可按圖1所示流程進行。1.確定設計方案學生根據課題設計的要求，結合應用電子技術專業知識，提出實現設計的幾個參考方案，通過在電路成本、可靠性、電路性能等方面對各方案進行比較論證，確定最佳的電路設計方案。2.使用軟件繪制原理圖根據設計方案，進入Protel原理圖編輯器，設置元器件參數，查找或制作元件，合理擺放和布局。然后進行電路連線、放置網絡標號，生成材料清單、網絡表。最后，對電路進行編譯ERC校驗，確保電路正確。3.仿真電路性能在Protel的仿真環境中選擇相應分析方法，設置數據節點，進行電路仿真，生成sdf文件，分析仿真結果。如果仿真不符合電路設計要求，重新修改電路參數。重復上述步驟，直到達到設計要求。4.設計電路印制進入PCB編輯環境，定義PCB尺寸，從原理圖導入網絡表信息；合理布局元件封裝；然后按實際需要設置布線規則，最后自動布線，手動調整，覆銅。5.生成加工文件打開PCBDOC文件，執行“文件/輸出制造文件/GerberFiles”命令，設置Gerber文件的精度和輸入板層等參數，生成各層的Gerber文件，執行“文件/輸出制造文件/NCDrillFiles”命令，輸出鉆孔加工文件。最后規范操作雕刻機，加工完成設計好的電路板。6.電路裝配焊接按照電子裝配工藝規范插接元器件到電路板，用電烙鐵等工具對元器件進行焊接，注意焊接工藝，杜絕出現虛焊、假焊和漏焊現象，盡量做到焊點表面完整、連續和圓滑。完成裝配。7.電路調試對裝配好的電路板進行系統調試，驗證電路各功能模塊。假如出現故障，利用萬用表、示波器等工具檢測相關參數，找出并排除故障點，直到電路正常。
四、Protel軟件在應用電子技術專業畢業設計的實踐效果
1.節約畢業設計的成本學生設計電路前，先運用軟件進行原理圖繪制，電路仿真成功后，再進行實際硬件的設計、元件選購、焊接、調試等。減少了由于前期設計錯誤而造成的元器件或儀器儀表的損壞；減少了購買元器件的費用支出和時間精力的浪費。2.增強學生完成畢業設計的決心和信心在實際電路搭建過程中，大部分學生由于實踐經驗不足，往往在系統調試時遇到問題，就會對自己的設計產生懷疑，對完成畢業設計缺乏信心。引入Protel軟件，可以暫時拋開實際電路，在軟件上繪制電路、模擬制版、仿真分析，最終呈現設計效果，方便快捷，從而大大增強了學生的專業信心和完成畢業設計的決心。3.提供師生溝通交流的便捷平臺利用Protel軟件原理圖的規范性和仿真的可視化，畢業設計指導老師可以在系統功能層面和學生探討整體設計問題，而不受具體電路的制約，使得指導教師和學生的溝通變得清晰流暢。4.鍛煉學生綜合能力在畢業設計過程中，當學生遇到陌生元器件時，可能對其引腳參數和功能不熟悉，需要查找資料手冊，從而提高了學生的自學能力；在電路布線過程中，學生對布線規則和要求缺乏經驗時，需要請教指導老師或者行業專家，提升了學生的溝通能力；在電路設計、電路仿真過程中，可能會出現參數誤差，需要反復修正和調整，培養了學生堅持不懈和精益求精的工匠精神。更重要的是，學生熟練掌握Protel軟件，對工業制版工藝要求、具體流程的熟悉程度越高，就更有利于畢業后應聘電子繪圖員、制板工等相關職位。
五、小結
關鍵詞：微電子實驗室；集成電路設計；微電子工藝；實驗教學；
作者簡介：李建軍(1980—)，男，四川江油，博士，副教授，主要從事超大規模集成電路教學與科研工作
當前，全球微電子技術及產業飛速發展，22nm節點技術已量產，以微電子集成電路為核心的電子信息產業已成為全球第一大產業，而我國的微電子技術及產業同國外比還有較大的差距，集成電路設計和微電子工藝方面的人才比較匱乏。當前和今后一段時期是我國微電子產業發展的重要戰略機遇期和攻堅期，2014年6月我國了《國家集成電路產業發展推進綱要》以加快推進我國集成電路產業發展，并明確指出“重點支持集成電路制造領域”[1]。因此，為適應該領域技術和產業的人才需求，亟須加強對微電子和集成電路相關專業本科生的工藝實驗與工程實踐能力的訓練，培養其創新和實踐能力。
高校實驗室是培養創新和實踐能力重要基地，也是開展教學、科研、生產實踐三結合的重要場所[2-3]，特別是對于實踐性強的微電子學科，實驗室在教學中發揮著舉足輕重的作用。因此，建設專業的實驗室并開展實踐與創新相結合的實驗教學，才能更多、更有效地培養滿足社會急需的微電子技術人才[4]。
1微電子實驗室建設指導思想
微電子實驗室建設及人才的培養是以國家對微電子技術人才的需求為目的，以滿足社會經濟快速發展的需要。近10多年來是我國微電子和集成電路產業飛速發展時期，2000年和2011年國家先后出臺了《鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策》、《進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策》，到2014年了《國家集成電路產業發展推進綱要》。在政策導向下，高校微電子專業實驗的建設成就也十分顯著。但是，我國的微電子技術及產業同國外比還有較大的差距，這其中縮小差距重要的一點是縮小微電子實驗室技術的差距。因此，對于高校微電子專業實驗室的建設發展還需進一步的改革創新[5-7]。
微電子實驗室建設應以《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》為導則，明確國家教育改革戰略目標和戰略主題是優化知識結構，豐富社會實踐，強化能力培養，要著力提高學生的學習能力、實踐能力、創新能力[8]。
在實驗室建設的措施實施上，一是貫徹實施《高等學校本科教學質量與教學改革工程》，進一步推動高校實驗室建設和實驗教學改革，促進優質教學資源共享，提升高等學校辦學水平，加強學生動手能力、實踐能力和創新能力的培養，全面提高教育質量；二是貫徹實施《卓越工程師教育培養計劃》，面向微電子產業，按通用標準和行業標準強化培養學生的工程和創新能力[9-10]。
2微電子實驗室建設
為適應國際半導體產業和我國電子信息產業的快速發展以及社會對微電子專業人才的大量需求，從2002年起我校就對微電子實驗室進行了改造，并持續進行了升級換代建設，截止到目前共計投入了800余萬元的建設經費。我校的微電子實驗室建設主要包括2方面的內容，一是微電子設計實驗室建設，二是微電子工藝實驗室建設。目前，微電子實驗室可滿足每年500人的實驗教學規模以及高水平實驗項目的開設。學生在此完成集成電路芯片設計、制造的整個過程，并對制造的芯片進行測試和分析。
2.1微電子設計實驗室建設
微電子設計實驗室主要開展超大規模集成電路設計以及微電子器件仿真和工藝模擬的實驗教學。教學目的是使學生掌握超大規模集成電路設計的基本原理和方法，初步掌握用于集成電路設計的電子設計自動化EDA(electronicdesignautomation)軟件工具的使用，以及掌握用于半導體工藝流程模擬和微電子器件仿真的工藝計算機輔助設計TCAD(technologycomputeraideddesign)軟件工具的使用。我校共計投資300余萬元用于微電子設計教學實驗室建設，建立了配備40臺SUNBlade工作站、面積100m2的專用教室，并專門建立了EDA、TCAD軟件校內共享第二層交換網絡，多個實驗室可以同時使用授權EDA、TCAD軟件。
微電子設計教學內容的建設包括以下內容：
一是開設VHDL(高速硬件描述語言)程序實驗，要求學生編寫邏輯電路的VHDL代碼，對程序代碼進行仿真綜合。目的使學生掌握運用VHDL語言進行邏輯電路設計的技能。
二是開設FPGA(現場可編程門陣列)實驗，要求學生將綜合后的網表文件下載到FPGA器件中，對設計的電路進行硬件驗證。目的是使學生掌握電子設計的FPGA物理實現方法，以及應用示波器等調試儀器對電路進行診斷排錯的技巧。
三是開設ASICAPR(專用集成電路自動布局布線)版圖設計實驗，要求學生將通過硬件驗證過的電路設計，借助半定制的ASIC設計EDA工具，結合代工廠提供的標準單元庫，進行自動布局布線，得到所設計電路的物理版圖。目的是使學生掌握電子設計的AISC實現方法。
四是開設工藝模擬和器件仿真實驗，要求學生通過TCAD軟件的學習熟悉集成電路制造工藝流程，并指定產生的器件結構，在滿足制造設備的能力和精度下(即給定工藝參數范圍內)，讓學生設計實驗并加以仿真實現。
2.2微電子工藝實驗室建設
微電子技術的發展是以集成電路制造技術工藝節點為標志，遵循摩爾定律，變化日新月異。雖然理想的工程教育要求教學最新最前沿的技術，但是不斷升級換代，昂貴的實驗設備費用是任何高校都負擔不起的。況且，每一代集成電路制造技術的工藝流程都具有類似性，因此，單純追求工藝先進性的實驗教學是沒有必要的。所以，結合實際教學資源情況，建設主流、典型工藝技術的工藝實驗線，并開展理論聯系實踐的實驗教學是微電子工藝實驗室建設的重點。
我校先后投入500余萬元建設微電子工藝教學實驗室，建立了面積300m2的凈化室，具有主流CMOS(互補金屬氧化物半導體)工藝和具有代表性的雙極工藝完整流程，最小工藝線寬為1μm。并且，由于工藝設備條件的限制，因地制宜地開發了鋁柵CMOS工藝。這2類工藝實驗課程的學時數都為40學時，學生根據專業方向選擇具體工藝類型。
微電子工藝實驗課程的目的是培養學生具有一定的工藝設計和分析能力，并通過實踐掌握集成電路制造工藝流程。
首先，通過TCAD軟件的學習熟悉集成電路制造工藝流程，按指定器件結構設計實驗并加以仿真實現。并且，TCAD軟件是基于物理的器件仿真，不僅能夠得到最終的電學特性，還可以了解器件工作時內部物理機制，能夠直觀分析器件內部能帶、電場、電流以及載流子等的分布和變化，有助于學生分析工藝參數的變化對器件物理特性影響，從而最終導致電學參數的改變，從而有利于學生深入理解工藝原理與器件機理的聯系。
然后，根據設計的器件尺寸參數，采用L-edit圖形編輯器進行器件版圖設計，并且選用已設計的器件單元來設計簡單的集成電路，如倒向器、或非門、與非門等電路。最后是進行工藝實驗實踐環節，采用設計的版圖制作掩膜版。微電子工藝實驗課程的工程化能力要求也主要體現在這一環節，一方面是工程化的理念，另一方面就是相應的實踐能力。在這一過程既要培養實際操作能力，更要培養分析問題、解決問題的能力，分析工藝過程中的原因以及造成芯片測試參數與設計參數差別的原因。
2.3實驗教學資源建設
2.3.1實驗教材編寫
微電子設計實驗開設的難點之一是實驗步驟繁多，學生操作起來較為困難。其原因是國內外缺乏針對本科學生的實驗指導書，而EDA工具廠商提供的操作指南過于繁瑣，本科學生難以掌握。為配合上述實驗的開展，課程組組織相關有實際ASIC設計經驗的教師編寫了《VLSI自動布局布線(APR)設計實驗指導書》實驗教材，從操作原理、操作步驟、數據管理、報告撰寫等方面對學生進行指導，力求做到學生通過閱讀實驗教材就能按圖索驥，自行完成實驗流程。因此在教材的編寫上，不厭其詳，采用了大量的EDA工具實際操作的截面圖，力爭反映出每一個操作細節。
對于微電子工藝實驗，由于實驗內容根據學校實驗工藝線實際條件開設，實驗內容一是要具有代表性，二是要根據實際情況建立工藝流程。因此，也沒有現成的教材或實驗指導書可供選擇。課程組組織具有豐富工藝實踐經驗的教師，根據實驗室設備條件編寫了對應的、適用的《微電子器件設計與制造綜合性實驗指導書》實驗教材。
2.3.2多媒體資料制作
教學信息載體的多樣化，包括文字、圖片、音頻、視頻、網絡等載體，這是現代教學發展的必然趨勢。實驗教學多媒體資料可以充分調動教學要素，激發學生的學習興趣，融教與學為一體[11-12]。
為了讓學生對集成電路設計和微電子制造工藝有直觀的認識。課程組結合實際的實驗實踐教學過程，制作了全程相關單項工藝原理、流程及設備操作視頻演示多媒體資料。多媒體資料將動畫、聲音、圖形、圖像、文字、視頻等進行合理的處理，做到圖文聲像并茂。由于微電子實驗課程是與實際聯系很緊密的課程，形象化教學素材十分豐富，能激發學生的學習興趣，對提高教學效果、教學質量非常有益。同時制作器件、集成電路電路的設計、仿真視頻演示多媒體資料，讓學生能快速熟悉設計軟件并理解設計方法。在熟悉微電子器件基本理論和集成電路制造工藝的基礎上，掌握器件和集成電路的設計方法，最后通過實驗操作制作芯片并測試。
3微電子實驗室建設成效
充分發揮了以學生為主的教學形式，完成從設計到實驗制作再到測試驗證整個過程。每個學生都設計了各自結構的器件，因此在器件制作過程中，每個學生就會切實關注每步工藝對器件性能的影響，在實際工藝過程中的操作鍛煉了動手能力，在實踐過程中了解哪些工藝因素可能對器件造成影響。微電子實驗教學將理論與實踐結合、創新與實踐結合，培養了學生分析問題、解決問題的能力。
微電子實驗采用理論聯系實際的方式在國內首次實現了“微電子工藝原理”課程的完整實驗教學，并因此而獲得2004年四川省教學成果二等獎。此外，我校“電子科學與技術”在2012年全國學科評估中排名全國第一，其中微電子實驗教學是本學科本科教學的重要組成部分。
我校微電子實驗室除了滿足每年本校500人的實驗教學外，還向其他高校或二級學院開設微電子實驗課程，如西南交通大學和電子科技大學成都學院，起到了教學資源共享，以及輻射帶動作用。
關鍵詞：單片機;創新教學;模擬豆漿機;實際項目驅動
單片機課程是電子、電氣自動化等高校專業的基礎課程，對于現如今發展迅速的自動化、智能化起著很重要的作用，同時，又滲透到如今各個方面，如現在的智能家居也離不開單片機的發展。為了學生以后的就業及專業技術的發展，學好單片機顯得尤為重要。但現在高校中普遍存在學生學習編程吃力，動手能力弱，具體項目接觸少，然后課余時間想學習沒法學習的狀況。這種傳統的教學模式挫傷了學生學習的積極性，不靈活的教學方式激發不了學生的學習興趣。
本文通過多年的單片機課程教學，結合職業學校學生的特點，靈活的改變的傳統理論教學，融合多種方式，最大限度的激發學生興趣和最大限度的利用學生的時間，通過模擬實際項目的過程來驅動單片機教學，改變了傳統的教學模式，激發了學生的學習興趣，能夠真正的學到知識。本次以模擬豆漿機為例。
一、項目總體設計
（一）系統功能介紹：模擬豆漿機有純豆漿和五谷雜糧兩種工作模式，每種工作模式下工作流程如下：
（1）純豆漿加工流程：
（2）五谷雜糧加工流程：
圖1 項目功能流程圖
學生通過項目功能流程圖來了解項目實現功能，做電路設計，我們采用單片機來控制，選擇AT89S51單片機來實現控制。
（二）電路設計：
通過功能選擇電路所用的芯片及電路設計。
單片機選擇AT89S51，熱敏電阻根據國標規定，額定零功率電阻值是 NTC 熱敏電阻在基準溫度 25 ℃ 時測得的電阻值
R25，這個電阻值就是NTC 熱敏電阻的標稱電阻值。通常所說 NTC 熱敏電阻多少阻值，亦指該值選擇NTC103。
（三）畫圖制板。設計好電路通過PROTEL 畫圖，制板實現硬件電路。
（四）軟件設計。根據硬件設計以及我們模擬豆漿機的流程以及模擬豆漿機有純豆漿和五谷雜糧兩種工作模式來進行軟件編程實現功能。
實現功能的時候我們需要用到的知識，單片機如何檢測傳感器數據、按鍵控制、以及報警電路實現，還需要定時器計數器如何使用，通過本次項目實施，我們可以學習單片機中的很多重要的知識點。
>> GIS開關油壓監控系統硬件電路設計 基于小型高效直流開關電源的控制電路設計 針對反激式開關電源箝位電路設計分析 電路設計與開關 開關電源設計 開關電源系統穩定性補償電路的設計 開關電源無源PFC電路優化設計探析 開關電源電路分析與技術改進 硬件電路設計流程與方法 開關電源模塊并聯供電系統設計 超聲波導盲系統硬件電路設計 MPEG－4的解碼系統硬件電路設計 網絡型停車場控制系統硬件電路設計與實現 基于M51995A開關電源保護電路的設計 開關電源并聯均流系統 數字機開關電源輸出電路檢修方法與實例 基于反激式開關電源電路實現與測試分析 開關電源EMC設計實例 通用開關電源的設計 開關電源電磁兼容設計 常見問題解答 當前所在位置：
關鍵詞：開關電源；UCC3895；測控系統
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.012
引言
大中功率直流開關電源一般采用移相全橋DC/DC變換器 。實現全橋變換器的移相控制主要有以下三種方法：（1）采用分立器件進行邏輯組合；（2）采用DSP或CPLD實現數字控制；（3）采用專用集成控制芯片 。采用分立器件進行邏輯組合構成的模擬控制電路結構復雜，不利于開關電源小型化；采用DSP或CPLD實現數字控制的成本較高，且存在數字電路延遲；采用專用的集成控制芯片電路簡單且成本較低。第三種方法中可以采用UCC3895芯片來產生PWM控制波形，UCC3895是一款優良的移相全橋控制芯片，有電壓和電流兩種控制模式，占空比可從0%～100%， 且可以為零電壓開關（ZVS）提供高效高頻的解決方案。國內外常用的移相全橋反饋模式為電流模式 ，但其雙閉環控制電路復雜，不易實現。
由于單電壓環反饋模式簡單有效的優點，本文基于UCC3895移相全橋控制芯片采用單電壓環加限流環的反饋模式和單片機相結合設計了直流開關電源數字模擬混合測控系統，詳細設計了閉環系統、控制器參數、保護電路，顯示電路，調壓電路，并對測控系統進行了實驗。
系統方案
采用應用廣泛的TI公司生產的UCC3895芯片與單片機相結合的方案設計了直流開關電源數字模擬混合測控系統。如圖1所示，利用UCC3895對DC/DC變化器主電路進行PWM移相控制，并與單片機相結合來實現對主電路的檢測與反饋控制，以及輸出過壓，過流，過溫等保護。其中，所選單片機型號為美國微芯公司生產的PIC16F873單片機。PIC16F873共28個引腳，內部自帶5個10位A/D通道，2個定時計數器，2個脈寬調制（PWM）通道。
UCC3895電路設計
如圖4所示，UCC3895的EAN腳為內部誤差放大器反相輸入端，E A O U T腳為誤差放大器輸出端，R 3、R 4、R 6、C 1、C 2、C 3構成了閉環控制系統的電壓調節器，輸出電壓Vo經過電阻分壓接到電壓調節器反相輸入端構成反饋電壓，改變可調電阻R2的值可以改變電源輸出電壓。RT、CT可以實現開關頻率的設定，A D S腳為自適應延遲死區時間設置端，接地表示輸出延遲死區時間設為最大。限流調節器輸出端也接到UCC3895的EAOUT腳，故障保護電路接到CS腳實現電源系統的故障保護功能。
故障保護電路設計
UCC3895的CS腳有過流保護功能，當CS腳電壓高于2.5V時，UCC3895芯片將會被軟關斷，驅動脈沖被封鎖，CS腳低于2.5V，芯片將進入下一個軟啟動過程。如圖5所示，保護電路的設計就是基于CS腳的過流保護功能，正常情況下保護電路的輸出為低電平，一旦出現輸出過壓、過流、過溫等故障，相應的電壓比較器輸出高電平，同時故障信號被單片機檢測，通過單片機數字控制也可使電壓比較器輸出為高電平，開關管T1導通，輸出一個高于2.5V的高電平至CS腳，使芯片封鎖驅動信號，從而使主電路停止工作，實現電源系統的數字模擬雙重保護功能。
限流值可調的限流環電路設計
單片機與電路設計
單片機部分電路和電源狀態顯示電路分別如圖7和圖8所示。單片機部分引腳功能分配如下：AN0腳是限流信號檢測，AN1腳是輸出電壓檢測，AN2腳是輸出電流檢測，AN4腳是溫度檢測，其中AN0、AN1、AN2、AN4腳均為A/D轉換端口。CCP2腳（PWM端口）提供可調的限流調節器的限流參考值，CCP1腳（PWM端口）提供可調的電壓調節器的輸出電壓參考值，SCK、SDO、RB4腳用于電源狀態顯示，RB1腳（I/ O口）為單片機數字控制。單片機通過SPI（同步串行通訊）向移位寄存器SN74HC164發送電源當前工作狀態數據，由移位寄存器把串行數據轉換為并行數據并輸出給顯示模塊。單片機RB4腳（I/O口）控制發光二極管的供電電壓，在剛開機還沒有采集工作狀態之前，保證所有二極管不工作。單片機SCK（時鐘）腳接在三個移位寄存器的脈沖輸入口（CLK）作為脈沖輸入。單片機SDO（SPI通訊數據輸出）腳接到移位寄存器的數據輸入口（A、B腳），并把三個移位寄存器接到一起串聯使用。通過數碼管實時顯示輸出電流值，通過4個LED燈圖11 突加突減負載電壓波形的亮滅表示電源當前的工作狀態，其中發光二極管D4（綠燈）燈亮表示電源正常工作，D3（紅燈）燈亮表示輸出過壓故障，D2（紅燈）燈亮表示輸出限流，D1（紅燈）燈亮表示過溫故障。
調壓電路設計
單片機CCP1腳為PWM波端口，可以通過調節PWM波的占空比產生不同的電壓。如圖9所示，PWM信號經過濾波電路由數字量轉變為模擬量輸入到由運放5構成的電壓跟隨器進行緩沖與隔離，該模擬電壓與參考電壓VDD疊加構成分壓電路，分壓信號輸入到由運放6構成的電壓跟隨器正向輸入端。輸出端經過濾波電路接到UCC3895芯片電壓調節器參考電壓端（EAP）。改變CCP1的PWM波占空比即可調整電壓調節器參考電壓，進而改變電源輸出電壓。圖中由R2、R3、R4構成的分壓電路可以設定PWM占空比為最低時電壓調節器參考電壓的最低值，保證電源電壓的最低輸出。可調電阻R2的作用是調節電壓調節器參考電壓的范圍，改變R2的值，在輸出占空比范圍不變的情況下，輸出參考電壓的范圍可以進行調整，進而改變電源輸出電壓的范圍。圖12 過載限流波形
實驗及結果
圖10是直流開關電源上電輸出電壓瞬態波形，上電輸出瞬態電壓的超調量為1.1%，調整時間為50ms，穩態誤差為0.5V。圖11是直流開關電源突加突減負載輸出電壓瞬態波形，突加突減負載輸出瞬態電壓的恢復時間為30ms，電壓動態降落為22%。圖12是突加過載限流波形，過流后限流環起作用，通過調節輸出電壓，使得電流很快限制在限流值上。
【關鍵詞】有源電力濾波器（APF）TMS320F28335芯片；驅動電路；相位檢測電路
隨著現代工業的發展，電力電子變流裝置被廣泛使用，隨著電網中不可控整流及變頻調速裝置等非線性負荷的不斷增加，電網的諧波成分劇增，嚴重影響了電能質量，有源電力濾波器（APF）以動態響應快，能快速精確補償變化的所有諧波電流，其控制策略選擇靈活，具有很大的性能提升潛力。
1.有源電力濾波器（APF）簡介
APF是一種動態抑制諧波、補償無功和負序的新型電力電子裝置，利用可控的功率半導體器件向電網注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的
2.實驗平臺樣機設計
根據有源濾波器構成原理，本文針對三相三線制非線性負載設計了容量為50KVA的有源電力濾波器實驗平臺。主電路結構由非線性負載，IGBT逆變模塊，LCL濾波器，直流電容，充放電路等組成，如圖1所示。
2.1主電路設計
主電路工作原理：三相電源給非線性負載供電，因為負載的特性電網會產生大量的非線性諧波電流，同時控制IGBT產生逆變電流，經過LCL濾波以后補償負載產生的非線性諧波電流，逆變部分直流側電容的作用是穩定逆變器的直流電壓，類似直流電源的作用。
圖1 APF主電路原理圖
控制電路中采樣信號經過信號調理，除掉高頻噪聲，經A/D轉換后進入DSP，DSP控制完成諧波電流計算，參考電流及參考電壓的計算，產生IGBT驅動信號，經CPLD邏輯判斷后，送入驅動芯片經過功率放大后來驅動IGBT模塊，從而補償負載產生的諧波電流，使流入到電網的電流波形近似為正弦波。實驗樣機的設計要求如下表1。主要元器年選擇如表2
2.2電網電壓相位檢測電路設計
相位檢測電路由兩個運放電路加一個比較器組成。
其中前一運放有一可調電阻，設計時要保證在諧振頻率處的幅值增益為1，而諧振頻率可以通過調節可調電阻來調節，按照設計要求第一個運放的輸出信號與輸入信號的相位可調范圍為90°～270°，第二個運放的相位固定延遲為180°，這樣調節R2使總延時為360°。從而達到調節延遲信號相位的目的。電網電壓信號為周期性信號，頻率變化范圍很小，這樣就可以用上周期的相位信息來得到本周期的相位信息。
2.3驅動電路設計
對于 DSP 發出的IGBT 驅動信號，由于DSP引腳的驅動功率不夠，需要有專門的驅動芯片對信號進行功率放大。目前，IGBT的驅動廣泛使用比較成熟可靠M57962作為驅動芯片，能為控制器產生的PWM信號提供足夠的功率放大， M57962輸出驅動信號為15V高電平和-9V低電平，同時提供了一個檢測錯誤的輸出引腳。當M57962的驅動信號為高電平時，如果這時檢測到1腳的電平為高，則M57962就判斷系統出現了短路故障，通常1腳接到功率開關管的集電極，這樣當驅動信號為高，如果集電極與源極之間的電壓過高就可以判斷出系統出現了短路故障。
2.4邏輯信號處理
（1）故障信號鎖存
要求對所有的硬件故障信號都鎖存，以免系統發生意外故障，同時DSP重新啟動以后能夠清除原來已經鎖存的故障信號。每一相的故障信號鎖存處理原理是一樣的，
（2）逆變器的硬件死區
逆變器的上下橋臂要互鎖輸出，同時上下橋臂之間要有一段死區時間。其中國CLOCK信號由外部晶振提供，實驗所用的晶振為16MHz，經過4分頻后，再經過16分頻，產生的死區延時約為4us。
（3）故障信號的邏輯運算
實驗設定低電平表示故障信號，所以只要將所有的故障信號相與得出一路總的故障信號，然后用這一總的故障信號來切斷PWM信號輸出。
3.軟件流程設計
實驗采用基于DSP F28335為控制核心的全數字控制系統，F28335的主頻達150MHz，具備32位浮點處理單元， F28335能提供三相互補的PWM波輸出引腳，F28335功能強大，運算速度快。程序整體框圖如圖8所示。
程序流程：在主程序中，先分配好變量，然后賦給變量初值，然后就進入死循環，在死循環中不斷的檢測系統有沒有發生故障，如果有則置位相應的保護標志位。在DSP外部中斷1的引腳輸入的是電網電壓的同步信號；由于電網電壓頻率為50Hz，因此實驗沒有設計鎖相環，而是利用電網電壓的同步信號和DSP周期中斷信號來估計電網電壓的相位。在周期中斷中，先檢測保護標志位判斷系統有沒有發生故障，如果有則切斷PWM信號輸出，如果沒有就開始AD采樣，然后計算輸出PWM信號去控制功率開關管。
4.結論
本文介紹了并聯型三相三線制APF的工作原理與構成，較為詳細的探討了關于50KVA容量APF實驗平臺的硬件電路設計和軟件程序設計，給出了關鍵硬件控制電路原理圖，對電路結構，和控制系參數，進行了設定。并對系統軟件部分設計做了流程設計， 實驗表明該實驗樣機能有效補償電網中的諧波電流及無功功率。降低諧波畸變，改善系統電能質量。
參考文獻：
[1]仇志凌. 基于LCL濾波器的三相三線并網變流器若干關鍵技術研究[博士學位論文]. 杭州：浙江大學，2009.
