简析电子系统综合设计能力培养的创新与实践论文

　　论文摘要：依托电子竞赛的内容，结合电子信息专业的特点组织综合电子系统设计教学；通过让学生根据课题收集资料、整理资料、提出实现方案的途径，以达到提高学生分析问题、解决问题的能力，为以后的工作奠定了良好的专业知识基础。
　　论文关键词：电子系统；设计方法；设计能力
　　随着科学技术的发展、知识经济时代的到来，社会对大学生提出了许多新的要求。大学生应该具有扎实的基础理论知识、较强的实践能力、创新意识、创业精神和协调能力、强烈的责任感和服务意识等。
　　当今世界，电子产品不断更新发展，并且向智能化方向发展，日益突出单片机和FPGA等可编程器件在电子产品设计和创新中的重要性。新产品的更新换代促使用人单位对电子信息专业的学生有更高的要求：第一，要有扎实的专业基础知识，例如学习和掌握模拟电子技术、数字电子技术、高频电子技术、单片机原理和微机原理等主要课程；第二，动手能力要强；第三，要能紧跟电子信息产业的迅速发展，要有较强的适应工作的能力，使用先进应用软件的能力，例如会利用诸如Protel、MaxplusII、Multisim、Matlab等工具软件进行电路设计和仿真调试。用人单位对毕业生的要求除了能够掌握一定的基础理论和工具之外，还要求毕业生具有基于单片机系统的电子产品的设计经验。
　　电子设计竞赛正是对人才全面培养、更新教育理念、改革教学方法和内容等起到了促进作用，具有极其重要的现实意义。电子设计竞赛的选题引进了新的理论与技术，是跨学科的、系统的和综合的。为了有效指导学生参加各类电子竞赛，特对综合电子系统设计的教学模式、课程内容、教学方法及考评进行改革。
　　一、综合电子系统设计课程的性质
　　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、传感器技术、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。它是一门综合性较强的专业课程，通过本课程的理论学习和动手实验，培养学生的专业知识综合运用能力、系统分析能力和电子产品开发创新能力。
　　学生经过前期基础课的学习，通过随课的验证性实验，对于电子信息领域的相关理论知识有了了解和掌握，在老师的指导下基本能够进行单元电路的设计和调试，通过课程设计也能完成本课程简单的综合性实验。但一些验证性实验多数是教材内容原理的演示和再现，实验内容和方法都是老师指定，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，积极性不高，不利于创新性人才的培养。
　　鉴于上述情况，对综合电子系统设计的理论内容和实践方法进行改革创新。
　　二、综合电子系统设计理论课内容
　　根据本课程的实际情况和学生所具备基础知识，安排如下几个环节：模拟电路单元设计，数字系统单元的设计，微处理器单元电路的设计以及电子系统抗干扰技术等环节。
　　结合全国电子大赛，模拟单元电路主要讲述运算放大器的设计以及正确使用、有源滤波器的设计方法、外围电子元器件（电子、电容）的计算和选择；直流稳压电源的设计方法以及参数元器件的选择；各种信号产生的方法，重点讲述数字频率合成DDS的原理和实现技术。以上这些单元内容的安排是结合历年来全国电子设计大赛有关模拟电路环节而选择的，通过这些内容的讲解有利于提高学生模拟电子技术的设计方法。
　　数字系统设计单元主要讲解数字系统设计方法，突出现代数字系统设计EDA设计方法；可编程逻辑器件的特点及选择；数字系统设计举例，比如AD、DA控制器的实现、交通灯控制器的实现、电子密码锁的设计等。通过大量实例的讲解使学生能初步掌握用大规模可编程逻辑实现中等难度的数字逻辑系统。
　　微处理器单元主要讲述目前流行的各种处理器，例如51内核单片机、MSP430单片机、AVR单片机、PIC单片机等型号，介绍它们的特点、应用范围、怎样根据项目需求来选择合适的微处理器；根据学生目前对微处理器的掌握和学习情况，重点讲述基于单片机串行通信的设计，包括几种流行的串行通信协议：SPI协议、IIC协议、UART协议以及onewire协议，分析它们的特点，在不具有SPI总线、IIC总线的微处理器中怎样通过IO口模拟它们的总线协议；以具有这些总线协议的集成电路芯片的利用提高学生的C语言编程能力。
　　在微处理器单元里，另外的重点内容多基于单片机的并行通信设计，包括常用的人机接口电路（键盘、LCD、LED显示），这是在大多数的电子系统设备中都具有的，学生有必要掌握它们的设计方法以及编程技术。
　　电子系统抗干扰技术也是综合电子系统设计中非常重要的内容。当系统处在比较恶劣的环境下，抗干扰设计的好与坏直接决定了系统能否正常工作。微处理器虽然本身的抗干扰能力较强，但是用微处理器构造的控制系统仍存在着抗干扰的问题。为防止外界对系统的干扰，并确保电子系统安全可靠运行，必须采取相应的抗干扰措施。电子系统的干扰主要来自于供电系统、过程通道及空间电磁波。电子应用系统的抗干扰设计应针对不同的干扰源采取必要的抗干扰措施。具体方法有硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。
　　在这一章节里主要讲解电磁兼容设计、器件选型、降热散热计算、电路板和电子系统可靠性测试等综合知识。通过对本小节的学习，使学生应达到以下目标：熟悉系统的各种干扰来源及形式；学会供电系统及过程通道的抗干扰措施；能说出在印制电路板设计中体现的抗干扰措施；学习设计软件陷阱及看门狗电路，从而为综合电子设计系统设计打下良好的基础。
　　三、精心设计安排实验
　　这门课实践性很强，除了教师讲述的理论内容和方法外，安排大量的实验以及鼓励学生去参加科技创新和各种电子设计的比赛，提升学生分析问题、解决问题的能力，从而提高他们的实际动手能力。根据课程的内容合理安排一些设计性的实验题目。安排的实验不同于在学习相应的基础时所做的实验，要体现独立思考的能力。
　　教师布置实验题目、讲述方法，学生以实验项目为中心，整合理论知识，查阅相关资料，具体的实验方案和电路要学生自己去网上或图书馆查阅资料独立完成。在做实验前，电路图以及程序代码要在课下完成，实验室只是调试电路和程序以及老师考核实验成绩。这样做可以更好地将理论与实践结合到实验项目中去，使学生在动手实践能力和分析解决问题的能力上有一定的提升；也可以锻炼学生学会搜集资料、整理资料，提高他们独立自主的学习能力。同时，教师在带领学生学习的过程中也在不断地提升自己，积累经验。
　　结合电子设计竞赛，安排各章节相应的实验项目：模拟电路单元主要是运算放大器和二阶有源滤波器的设计；重点是直流稳压电源的设计；数字系统单元设计安排了数字频率计、交通灯控制器，重点是DDS数字频率的合成实验。微处理器单元安排了基于单片机SPI总线时钟显示器和基于单片机并行通信的LCD显示系统。鉴于目前的实验条件，这些实验主要是通过仿真软件来完成。模拟单元电路里，利用Multisim电子电路仿真软件来完成运算放大器和有源滤波器以及直流稳压电源的设计；在数字电路系统设计中，利用MAXPLUSII软件完成DDS数字频率合成的实验；微处理器单元，利用PROTEUS软件完成单片机的并行和串行通信实验。这样在不需要任何实验仪器和元器件的情况下，为学生提供了一个展示才华的平台，充分发挥学生的想象力和创造力。
　　四、综合电子系统设计的考核标准
　　目前我国教育领域使用的最普遍的考核方式仍是闭卷考试。闭卷考试对于考核学生的知识掌握情况是非常重要的，但对于综合电子系统设计这门技术性实践性和综合性非常强的课程，不适合采用闭卷考试对学生能力进行考查。
　　为了真正锻炼学生的实际动手能力，对这门课的考核采取如下方式：平时上课出勤、答疑以及学习的主动性占20；实验占30（其中课前预习的情况比重占80）；最后50的成绩是学生的作品。学生可以完成一个老师指定的题目，在确定最佳设计方案后，到实验室完成了系统单元电路的仿真，进行安装、测量和调试，把实际的设计作品做出来。也可以根据学科专业方向并结合自身兴趣，自主选择一个课题作为课程的设计项目，经过系统规划、设计、电路实现、系统调试完成一个完整的电子作品；最后通过验收、答辩、总结、演讲结束课程的学习。在系统的制作和调试过程中，让学生想方设法采取各种措施解决所遇到的实际问题，不断调整参数，修改和完善设计方案，得到真正的训练。
　　五、结论
　　实践证明，向学生介绍一种完整的电子系统设计方法和概念，通过理论讲授、实用性的设计举例以及相应的动手实验使学生了解并掌握电子系统设计的一般方法以及制作调试技能，为后来的毕业设计、今后的学习和实际工作打下扎实的基础，符合全国电子大赛立足行业、突出实践、促进就业的宗旨。