集成电路与应用范文

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篇1

1医疗健康领域的需求现状

在医疗健康领域,关注的热点正在渐渐从最基本的疾病产业向保健产业转变。这二者都是以健康服务为最终目的,但是前者主要是有针对性的“对症下药”,而后者则更倾向于为一般消费者提供更全面的保健解决方案。

美国著名经济学家保罗・皮尔泽(Paul Zane Pilzer)曾是花旗银行最年轻的副总裁并出任布什、克林顿两任总统的经济顾问,在他的《财富第五波》一书中指出:二十一世纪人类面临严重饮食失衡,却人人希望更健康、抗老化,预防胜于治疗,从而开启保健产业的兆亿商机。这是继第四波网络革命后的明星产业,相比疾病产业的被动性,保健事业是主动积极的产业。

世界卫生组织(WHO)在2008年10月公开的一份档案中提到:人口老龄化助长癌症和心脏病病例上升;心血管疾病是全世界主要的死亡原因,听力丧失、视力问题和精神障碍是最常见的残疾原因。

庞大的老龄化群体和慢性疾病患者等群体的现状(换言之,是社会需求和市场需求的现状)使得疾病产业、保健产业中亟需发展应用新的技术和产品。

2.1 世界人口老龄化,对医疗护理产品提出了更高的要求。

随着医疗水平的提高,世界平均人口寿命增加,世界和中国都面临着人口结构老龄化的问题。如根据联合国经济社会部的研究数据(如图 1),到2050年世界60岁以上的老年人将达20亿,约占世界总人口的1/3,其中有79%生活在发展中国家;而中国国家人口发展战略研究报告也指出,我国在2007年老龄人口为1.43亿,占人口比重的11%,但是在2040年左右,这个数字将达到4.3亿,占全国人口的30%。这些数字意味着届时每4个人中将有1~2名老年人,同时也表明针对老年人护理的配套设施将会有很大需求。

近几年来,中国社会老龄化趋势日益明显,也引起了各有关方面的关注。“人口老龄化将伴随21世纪始终”。我国现在虽然还处于劳动力黄金时期,但60岁以上人口超过14%,65岁以上人口超过10%,按照国际社会标准,已经跨进了老龄化社会的门槛。老龄化问题将从多方面给中国社会带来巨大压力和挑战,同时也会带来新的机遇,其中最大的机遇就是老年人群消费所带来的“银发产业”发展。

我国老龄化的趋势及特点如下:

(1)老龄化速度快于全国总人口增长速度;

(2)我国老龄化速度快于世界老龄化速度;

(3)我国老龄化速度快于经济发展速度,呈现了“未富先老”的特征;

(4)经济发达地区率先进入老龄化;

(5)老年人生活质量有所提高;

在目前我国经济发展水平尚处于世界中下水平时,老龄化程度却己进入了发达国家的行列。老龄化的加速对经济社会都将产生巨大的压力。

老人占全球人口的比例越来越高,这助长了与年龄有关的慢性病增加,在发展中国家尤其如此。在世界各地,护理人员、卫生系统乃至整个社会均需作好准备,应付老人持续增长的需求。

1.2疾病特别是慢性病的威胁和困扰日益扩大化,以及家用保健产品需求的加强,对医疗保健产品的便携程度提出了更高的要求。

随着社会的发展和人们生活水平的提高,对一些多发性的慢性疾病、残疾障碍、以及神经功能失调疾病的治疗需求越来越迫切。

心血管疾病是全世界主要的死亡原因,主要是心脏和血管疾病,可造成心脏病和中风。通过健康饮食、经常性身体活动和避免使用烟草,可预防80%以上的心脏病和中风,而为了进一步减少威胁,这些病往往还需要长期的、经常性的检查和治疗。

最常见的残疾原因中如听力丧失、视力问题和精神障碍等,其中许多障碍是容易通过电刺激设备进行辅助治疗的(例如听力丧失和白内障)。这些疾患的总体罹患率较高,需要改善获得治疗的机会和方法,改善患者的生活质量,使人们过上有意义的生活。

另外,神经功能失调是一大类神经系统疾病,高发病率而且重症的帕金森病等运动障碍疾病、癫痫、顽固性疼痛等,导致病人明显残障,造成巨大的经济和社会负担。传统上,神经功能失调疾病的治疗有药物方法和外科手术毁损方法。但是长期服用药物副作用多且难以避免,而由于脑和神经的复杂性和人类认识的局限性,不可逆的手术毁损具有不可预知的恶性后果。

进入21世纪后,随着生活质量的提高,人们健康意识也普遍增强。特别是在医院内“一次性治愈”目标很难实现的阶段下,新的产业应运而生:除了医院的医生诊断,可家用的医疗及保健电子设备的需求明显,如疾病预防和协助诊断、慢性病的长期监测及治疗、特别是老年人护理等。另外,包括慢性疾病的监测和控制、治疗在内,医疗保健需要同时实现在临床上的诊断准确性和日常家用的普及性,以及建立以预防和早期诊断为导向的健康观念。比如对于盲人、癫痫症、糖尿病等患者,传统医疗护理手段所带来的长期的临床生活是社会和病人都无法承担的,而离开了医院又会造成生活质量的下降。于是医疗电子终端产品的普遍发展趋势将主要是便携式、穿戴式,某些特殊方面还向植入式发展,以实现“随时随地”的动态、连续的检测和初步诊断。可以预见在不远的将来,这些便携、可穿戴或植入式的医疗及保健电子设备将给人类的生活提供极大便利,产生重大的影响。

1.3 世界医用市场需求的迅猛发展,将成为半导体市场的重要推动力。

在世界范围内,医疗电子市场连续25年增长,很有可能成为未来(半导体市场的)主要驱动。全球医疗保健费用每年5万亿美元,而中国的医疗保健则消耗了GDP的5%,平均每年增加38%。特别是从全球医用半导体行业的收入来看,医用半导体行业的几个主要的部分预计在未来的5年内年均复合增长率(CAGR)在10%附近。

而另一份来自Databeans (Sept. 2008)的数据则预计在未来5年医用集成电路市场的年增长率将高达14%,甚至高于消费类集成电路(11%)和计算机集成电路(9%)的增长。可以看出,在21世纪医用集成电路的重大革新将会像上世纪80年代的电子计算机、90年代的移动通信一样,成为影响全球半导体市场的主要推动力。

世界范围内的医疗电子市场同时会带动我国的医疗电子产业。比如现阶段我国的“银发产业”刚刚起步,根据中国国家老龄委提供的数据,目前中国老年人用品市场的需求量为4000亿元,到2010年将达到10万亿元,而现阶段全国为老年人提供的产品不足10%,离市场需求差距巨大。而且随着中国经济社会的持续发展,各方面因素将为“银发产业”蓬勃发展提供更加强大的动力。在推动经济增长的同时,老年人生活质量能够提高、身心健康得到保障,借助产业发展也可以缓解老龄化问题给社会带来的压力。

2我国医疗电子产业面临的机遇

医疗电子产业的涵盖领域非常广,包括超声波成像、计算机断层扫描等应用电子设备,以及电子血压计、血糖仪等消费类终端产品都属于医疗电子领域。在我国的电子信息产业中,医疗电子产业是很重要的一环,是最贴近民生的电子信息产业细分行业之一。随着2009年4月份《电子信息产业调整和振兴规划》的出台以及国家新医改方案的公布,尤其是8500亿元医改的投入,我国医疗电子产业无疑面临着广阔的发展空间,这对我国的医疗电子产业将带来积极的影响。而且政策别还强调了要加强在医疗电子产业领域自主创新能力的建设,这无疑为我国医疗电子产业带来了很好的发展机遇。另外,医疗设备行业的高速增长也将刺激医疗电子市场的需求:据预测,当前我国医疗电子市场规模为250多亿元,同比增速在16%以上,超过了全球市场的增长率。

为了更好的应对这个难得的发展机遇,要在如下两个方面有所建树:一方面是在医疗信息系统领域。这一领域迫切需要提高远程医疗水平,以及其所依赖的信息传输和管理技术。另一方面是在医疗电子领域。这两个方面的要求,需要在技术上关注网络标准与便携技术的走势:第一是网络互联操作标准。几年前一些著名国际企业包括思科、IBM、英特尔、三星电子等就成立了“持续健康联盟”产业组织,以进行标准选择、互用性指南的编写等工作。ADI亚太区医疗事业部也认识到“为了适应医疗体系的网络化建设,从长远发展来看互联的数据平台变得非常重要”。第二是便携医疗产品与技术。随着人们健康意识、健康需求及相应支付能力的不断提高,以预防为主和早诊治的指导思想,以及医疗电子随着集成电路技术的发展不断涌现出小型化、集成化、网络化、数字化、智能化的趋势,这些都将成为便携医疗电子快速增长的催化剂。在便携医疗产品中,电子血压计、便携血糖仪、电子助听器等便携式设备占到家用便携医疗产品市场的90%,而便携式多参数监护仪、便携式超声诊断仪、便携式胎儿监测仪、便携式心电图仪位居我国医用便携设备市场前列。此外,基层医疗机构所需的低成本、高可靠性、操作简单的X光机、超声诊断仪、核磁共振设备和计算机断层扫描设备的市场容量也将大幅提升。而这些产品所涉及的智能化、小型化、低功耗、高分辨率的技术都备受关注。

3集成电路技术应用的概要介绍

集成电路技术在医疗电子领域内的应用非常广阔且多样化,大致可分为下述四种不同的应用类型:

(1)医学影像――这一类型包括超声波、计算机化的X射线断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、X射线、正电子发射断层显像等;

(2)医疗仪器――主要是实验室配套电子设备、透析机、分析仪器、外科手术设备、牙科设备等;

(3)消费型医疗设备――偏重于患者(可家用,非临床)使用的终端设备,包括数字体温计、血糖计、血压计、胰岛素泵、心率计、辅助听力(数字助听)等;

(4)诊断、患者监护与治疗设备――协助医生判断的(主要是临床使用)相应设备,都包括心电图、脑电图、血氧计、血压计、温度计、呼吸计、除颤器、植入设备等;

这四种类型基本涵盖了医疗电子领域的各种应用。其中后两类,特别是消费型医疗设备尤其需要通过先进的集成电路技术来达到智能化、小型化、低功耗、高分辨率等目标。

小型化、低功耗:通过这些便携、可穿戴、或是植入式的设备,才可以实现人体相关体征信号的动态采集和连续监测,在必要时还可以达到24x7的工作要求;

智能化、低成本:可医院用、家庭用、其他非医院环境用,并通过网络接入等技术实现远程医疗,从而更合理地配置医疗资源,提供更高水平的医疗服务,同时减缓医院就诊压力。还可普及供大范围内的人群使用:如病人用来治疗、健康人用来预防,或老年人用于辅助护理、年轻人用于锻炼健身,可提供早诊治的信息,对人体最小干预(无创/微创),等等。

世界上集成电路领域最权威的会议――国际固态电路会议(ISSCC)的技术专题委员会,围绕以上四种类型的医疗电子应用中日益凸显的关键技术问题,在2009年预测了在未来医疗电子应用领域中集成电路技术的研究热点:

(1)人工辅助听觉、视觉、无线肌肉刺激、神经刺激:这类研究重点在于需要对人体安全无危害,包括和人体组织的电极接触界面、泄漏电流检测、过热断电等。同时还对系统的可靠性、外壳包装、集成度和工作寿命等方面有要求;

(2)传感量:生物分子检测(如DNA等),神经感知、集成核磁共振等;

(3)超小型:遥控或远程诊断;

(4)自适应控制:场景分析、管理方法等;

(5)无线测量技术中的瓶颈:数据流压缩、拓宽频道等;

(6)带有马达和姿态控制的智能内窥镜胶囊;

(7)pH值的测量阵列(离子敏感的场效应管,ISFET);

(8)其他系统级需求。

在这些预测的研究热点中,既有针对某一种具体应用提出了更进一步的功能研究(如用于肠胃内窥镜中的马达和姿态控制),也有对从应用中提炼出的共性关键技术(如对于无线通信技术方面的瓶颈分析),还有对于生物医疗与集成电路的交叉学科发展趋势(如需要更完善的知识结构和传感技术完成生物分析检测等)。

从技术实现的角度来看,上述医疗应用中有关的信息工程在医疗电子领域面临的根本性问题可分为四个主要方面:

(1)数据采集:电子电路需要通过传感器来感知物理世界。在实际世界中的各种物理量需要首先转换成为电信号,之后才能够由集成电路进行处理。采用适合类型的传感器对适合的物理量进行采集,以及对传感器的接口进行完善的交互控制就显得尤为重要;

(2)数据处理:将外界物理量信息提取成电信号后,还需要做初步的信号调理和采样、变换、滤波等预处理操作,并将原始数据进行存储或是根据一定的算法做分析计算;

(3)数据传输:经过处理的数据还需要进行传递,通过由集总的控制设备进行数据融合后才能够判断。可分为基带通信和射频通信,前者大部分是电信号有线连接或是通过人体组织等导电介质,后者主要是用无线电磁波通过空气等介质;

(4)能量供应:对于一般的医疗电子设备而言,体积微型化和延长工作寿命是矛盾的,因为电源的体积往往与其可提供的能量大小成比例。这样就需要在进行低功耗、低能耗设计研究的同时,开发出新的能量供应方式如能量恢复、光电池效应、压电效应等,保证医疗设备(特别是便携式、植入式)的续航能力。

接下来以几个具体的研究课题项目为基础,针对不同的应用例做更深入的分析,来介绍一下目前国内在如下两个研究方向上取得的一些进展:

1)对较为基本的物理量如温度、脉搏等,待处理的数据量比较少,硬件系统的工作流程也非常类似,可以考虑采用一种具有共性的硬件结构进行实现。同时这些有共性的硬件系统还可以通过一种通信协议组成网络,实现人体区域的传感器网络。

2)在另一些特殊的应用中如人工辅助的听觉、视觉,以及智能内窥镜胶囊等,由于原始数据是语音和图像,过程中会涉及到傅里叶变换、数据压缩等更为复杂的算法,数据运算量相对于简单的生命体征信号要大得多,成为制约低功耗的瓶颈之一。

4实例

4.1 用于体征监测的传感器网络

无线人体区域传感器网络(Wireless Body Area Sensor Networks, WBASN)是一种能够满足前述应用要求的“通用”解决方案。它是进行人体生命要素信息采集与控制的小区域传感器网络,一般主要用于特定人群/人体的长时间健康状况监测、身体健康指标分析等。最典型的应用例为糖尿病患者、癫痫症患者、神经紊乱或衰弱患者,以及慢性心脏病患者等。通过这种网络内的可定制监测,人们可以根据实际需要对身体的一个或多个相关数据指标做连续采集监测,并通过良好人机交互界面进行控制。

1)WBASN的结构

WBASN通常由近人体区域的传感子节点和基站主节点组成。近人体区域包括体表测量、体内测量、探针测量和体检测量等。完成这些测量的传感子节点中包括前端的传感器件/能量转换器件,目标是由对有关健康状况的数据进行测量、处理和交换。基站主节点随时接受区域中每个传感节点的数据,并控制和调配这些传感节点的采集状态、休眠方案等,需要有能力做较大量的数据处理、累计、判断及交换。所测量的数据信息也都是与人体密切相关的,如心电、心率、血压、心音、肺音、血氧、呼吸、温度、加速度等。不同种类的数据采集需要不同的传感器件(能量转化器件,简称换能器),如单导电极、热敏电阻、惠斯通电桥、电流式传感器和3轴加速度计等。所有传感子节点的数据信息通过基站主节点进行统一的融合处理和分析判断,实现WBASN的基本功能。

图 3示出了简要的WBASN结构示意图。整个网络的基本功能是由传感子节点(位于体表或体内的粘附或植入式装置)完成的,如采集血压、温度等信息。这些信息由主节点(体外的便携装置,如PDA等)统一接收后进行数据融合,完成初步判断和处理,还可以给出信息的实时反馈、超限数据的安全警告等。另外,主节点还可以作为“网关”接入到因特网、GPRS等广域网络中,将本地的数据上传到远程服务器供医生远程诊断,实现远程医疗等。如果主节点初步判断后认为需要完成进一步的操作,会再次采集相关信息、给出警告信息或进行干预操作――给药、电刺激等,以实现慢性病护理或及时诊治。虽然这一网络的研究目前还处于实验室为主的原型验证,但是在一些应用中还是会或多或少的发现WBASN的影子:如前不久的“神七”宇航服中就实现了压力、心率、呼吸等传感器,采集的数据统一上传到宇航员之外的接收设备上,然后再发回地面指挥中心进行分析。

2)WBASN的子节点系统结构框图

一个典型的子节点系统结构框图如图 4,包括了传感器和电刺激驱动模块、模数转换器、微控制器MCU、数据流的预处理(协处理)单元、存储器和射频(RF)收发机,其中MCU与传感器模块之间还可以实现可配置的多标准数据接口、电源可视情况采用电池或无线供能方式等等。各模块连接后即可实现相应功能的子节点系统。若将图 4所示的结构进行高集成度的电路实现,就是片上系统(SoC)平台芯片。一种较为简单的平台芯片实现中不含有传感器模块和RF收发机(但包含对应的接口),通过外接(1)不同类型、不同功能的传感器件前端和(2)相同类型的射频收发芯片后,就可以完成相应种类数据信息的采集,进行一些预处理,然后与主节点建立通信并传输数据、接收配置等。还有一种集成度较高的SoC平台芯片中会带有片上RF模块,这样每个子节点系统就只需外接一个传感器芯片即可完成采集、组网等功能。SoC平台的作用是在功能异构的WBASN各个子节点应用中作为一个基础的“通用的”平台。

3)WBASN的子节点系统的设计重点

上述分析表明WBASN的近人体子节点系统的整体设计实现中,应该以超低功耗和高度集成的(SoC)设计为重点。于是就要综合系统的各方面需求,整合设计并实现出核心的数字微控制单元和电源管理单元,以便在达到功能上的灵活性、完备性的同时,实现系统的极低功耗。这些数字系统设计中的关键技术包括几个方面:(1)在各个功能相异的节点休眠间隔不等的情况下进行接入;(2)医疗用途的紧急情况下“给药”或“电刺激”的实时控制实现;(3)星型网络中单跳的组网方式对指令集的优化;(4)无线方式的节点功能更替;(5)兼容多标准的传感器器件接口;(6)电路级的低功耗技术如门控、多电压、异步电路设计等。在我们的研究中,综合考虑了上述方面进行了设计优化。这样还会带来很多其他的好处,如设计成本低、系统扩充性好、针对WBASN应用开发的软件/硬件效率高,等等。

下面针对上述子节点系统设计的几个关键技术进行具体说明:

第一,在低功耗方面,通过对具体实例的分析发现,“工作状态”和“空闲状态”的功耗一般相差20倍甚至更多,所以工作状态下的低功耗优化是首要任务。目前的绝大多数SoC实现方案基本上都是采用各种措施将工作时低功耗达到更低的指标。但是对于WBASN的具体应用而言,子节点通常都会处于非常低的工作占空比,也就是说在整个子节点寿命内的绝大多数时间里,子节点是在空闲状态的。如体温测量可以每1分钟测量一次,每次测量只需要几个毫秒;心率测量也只需要每100毫秒测量几个毫秒,等等。这样,子节点的总能量消耗往往更多浪费在空闲时的状态上。所以对于WBASN的优化需要从工作时功耗和休眠时功耗协同考虑完成,目标是提高电池的能量使用效率。

第二,子节点的实时控制。在许多研究中广泛采用了实时性操作系统(如TinyOS),其实只保证了子节点在工作状态下处理器处理各个任务的实时性。还需要子节点保证网络行为的“实时性”:如用于闭环施放药物的子节点系统,在接到主节点发来的“给药”指令之后应该以最短的反应时间给出操作。这就与低功耗的指标相矛盾:为了更快的反应速度,应该在空闲时采用“侦听”方案或者休眠间隔很短的方案――这样同时增大了空闲时功耗;反之,为了避免该给药子节点的电池能量大都浪费在空闲时状态,应该采用空闲时休眠的方案,并且该加大休眠间隔――这样在主节点开始发送唤醒要求(大多数这种时候都是紧急情况)之后还要等到子节点的下次定时唤醒才能够给出响应,最坏情况下的反应速度为子节点的定时唤醒周期。所以目前这一问题的解决方案就是空闲休眠间隔、侦听时间的折中选取。以具体数据进行分析:在“国内外研究动态”中的ADICOL项目中,胰岛素施放操作的闭环控制是每3分钟定时唤醒工作一次,以保证最坏情况下的给药控制延迟不超过3分钟。而保守情况下(按每天需施放胰岛素10次估计推算)都至少有97%的唤醒是不需要做给药的,这样就浪费了子节点大量的电池能量,降低了有效用能量的使用效率。

第三是功能的灵活性。由于每个子节点系统的RF模块和通讯协议都没有差别,所以通常的设计都主要考虑传感器接口模块的灵活可配置等等。很多现有的传感器件或芯片接口大致分为两种:模拟量(需要SoC提供ADC进行转换)和数字量(传感器自带ADC,仅需要满足相应时序)。已有的相关研究大多是基于这两类接口进行展开的。但是在不同功能的子节点系统内,除了传感器件前端需要采集的物理量类型和接口不一样之外,其软件程序在操作顺序、运算复杂度、处理方法等方面都有区别,SoC本身的软件部分就需要根据具体子节点的功能进行调整。如果在每个子节点设备封装前预先写好软件算法,还需要专门的“烧写”设备。我们的研究中采用一种可由主节点远程配置子节点软件的协议,就可以在满足“软件灵活性”要求的同时不引入其他设备。

4)总结

如前述,WBASN的优化重点在于子节点系统, 而子节点系统的核心是SoC平台。为了保证子节点SoC平台的超低功耗、高集成度、灵活性、高效率、可靠性等,需要SoC平台中的数字系统有完善的功能和异常处理能力、优化的结构、良好的可靠性和能量管理等。

系统内各个传感器设备(或称网络内“近人体节点”)的主要指标可以归结为:系统集成度,小型化/微型化,低功耗电路设计,无线遥感链路和信号处理算法等。除此之外,其他一些指标如服务质量、安全性、多传感器数据融合和诊断支持等也都是世界上相关领域内各研究组正在研究的课题。

4.2 带有植入式处理器的电刺激器

电刺激治疗方法是当今临床和日常的物理康复最常用的、重要的治疗手段之一,在心脏起搏器、人工听觉、人工视觉、脑电刺激等许多领域中有着非常重要的作用。该方法通过将一定量的电流通过特制电极施加到人体组织,实现促进恢复正常的神经传导和调节功能等治疗作用,不仅可起到镇痛、消肿、消炎、脱敏、缓解肌肉痉挛等功效,有时甚至还可以修复、替代某些受损的人体组织和器官。一般的电脉冲刺激时采用无极性微分型指数波形,由电荷相等的正负脉冲波构成,负指数脉冲起神经纤维去极化作用,正脉冲起电荷平衡的作用,可避免组织损伤。集成电路技术,特别是植入式的处理器控制应用在电刺激器中,可以完成复杂的信号处理,同时极大的保证操作的可靠性和无侵害性。

心脏起搏器是最早的医用电刺激仪器之一,它发放电脉冲,通过与心内膜相接触的电极导线,刺激心脏使之激动收缩,以模拟心脏的冲动发生和传导等电生理功能,起到治疗由于某些心律失常所致的心脏功能障碍。心脏起搏器的结构包括脉冲发生器(pulse generator)和电极-导线(lead)两大系统。脉冲发生器由电池、释放与调节电脉冲的电路和外壳构成。脉冲发生器控制起搏节律,犹如整个系统的“大脑”。现在的脉冲发生器是非常小的,一种典型的尺寸为5cm x 5cm x 6mm,重量在30克左右。

在正常的听觉系统中,声音的机械震动通过外耳和中耳之后,会在耳蜗的各处与基底膜发生共振。基底膜的振动带动毛细胞纤毛的振动,产生毛细胞的感受器电位,进而产生听神经的动作电位发放。脑的中枢听觉系统能够根据听神经中不同神经纤维的发放情况判断基底膜的振动情况,进而推断声音的频率成分。在一些患有感觉神经性耳聋的病人内,毛细胞由于多种因素如遗传、疾病等而遭到损伤或者数量减少,无法正常地驱动听神经。而人工耳蜗的基本工作原理就是绕过毛细胞这一环节,直接对听神经进行电刺激。于是这种电刺激的效果就好像是听神经被声音通过正常的基底膜和毛细胞驱动一样。

人工耳蜗只是一种听觉假体,并不能“治愈”耳聋或其他听觉障碍。人工耳蜗的工作是基于耳蜗的不同部分与不同声音频率之间一种规则的对应关系(频率拓扑性质)。一般需要使用更加复杂的处理方法以避免造成组织、电极损伤等一些不良影响。

视觉假体技术也属于功能电刺激的一种。大多数盲人的视觉通路中往往只有一部分发生病变,而其余部分神经组织的结构和功能尚完好。于是就能够对视觉通路的完好部位施加特定的人工电刺激,来兴奋神经细胞以模拟自然光刺激的效果,使盲人产生视觉感受。

视觉假体的工作原理与人工耳蜗相似。视觉假体系统包括一个位于病人体外的视频采集设备(如小型摄像机),视频处理模块,电刺激编码模块和植入到视觉通路特定部位的多电极阵列。由视频采集设备采集到的实时视频图像经过处理,转化为驱动多电极阵列的信号。多电极阵列对视觉神经组织施加一定幅度、波形和频率的电流刺激,兴奋视觉神经元,从而使病人产生视觉感受。

人工视觉刺激器主要包括视网膜刺激器、视皮层刺激器和视神经刺激器。其中视网膜刺激器发展最快。视网膜刺激器是在视网膜下或视网膜表面植入不同微电极,使外界光线转换成电流,通过微电极刺激并激活视网膜神经细胞及其网络,而产生光感。这种装置可使失明或接近失明的眼重新获得部分有用视力。其优点是可以产生较准确的视觉感知,而且所需电流强度较小,玻璃体有利于热量的散发,以及可直接观察到植入刺激器及植入后的反应。至今已有较多实验表明视网膜前或膜下芯片植入方法可行,有较好的生物相容性及长期稳定性,达到预期效果。

目前全世界范围内已经接受植入的病人较之佩戴人工耳蜗的病人要少得多。而且目前美国食品药品监督局(FDA)也尚未批准任何类型的视觉假体的临床应用。

下面以人工听觉的具体系统为例,详细介绍一下带有植入式处理器的电刺激器:

带植入式处理器的双模人工耳蜗系统

人工耳蜗就是通过电刺激末梢神经系统的方式来修复听觉的一种医疗电子装置。它把外部的声音转换为听神经需要的电刺激,将这种刺激通过植入电极刺激听觉神经,帮助传感性耳聋患者恢复(人工制造出)听觉。它是迄今为止治疗极重度耳聋唯一有效的方法,也是唯一被商品化的感官神经修复技术。目前各种人工耳蜗产品在设计上细节不尽相同,但它们的基本硬件构成和工作原理却是一样的。

1)人工耳蜗的硬件构成

人工耳蜗的基本硬件构成如图 6所示,主要分为体外和体内两个部分,其工作原理和流程如下:

(1)体外的麦克风首先把采集到的机械声音信号转换成模拟电信号;

(2)模拟电信号经过模数转换器转换成数字电信号;

(3)数字信号处理器(DSP)对数字声音信号进行分析并决定如何驱动埋植于耳蜗内的电极去刺激听神经,形成刺激指令序列;

(4)刺激指令序列经过调制后以无线电波的方式发送给体内部分;

(5)体内的解调器从无线电波中获取体内电路工作所需的能量,并对刺激指令序列进行解析;

(6)体内的刺激器对解调出来的指令序列进行译码,然后根据指令要求在电极上产生相应的电流,刺激听神经产生听觉。

2)新型全植入系统的应用

在当前植入式电池不足以支撑数字式全植入人工耳蜗系统,而模拟式全植入系统又存在着诸多缺陷的情况下,新型全植入系统的设计思路除了继续降低数字系统本身的功耗外,还可以在结构上进行调整,降低系统对电池的使用量。基于这些考虑,我们提出了带植入式处理器的可双模工作的新型人工耳蜗系统,如图 7所示。

该系统在体内集成了一套完整的语音信号采集、处理电路,以及与体外的无线接口,同时配有植入式电池。所谓“双模”,是指该系统既可以工作在不带任何外部辅助装置的体内单机模式下,如图 7(b)所示,也可以工作于体外语音信号采集电路与体内处理电路协同的联机模式下,如图 7(c)所示。从技术可行性的角度上讲,联机模式下的系统在当前的电路技术条件下是可以实现的,而单机模式则受制于电池容量和安全性等非电路因素。

这种系统的意义在于,通过两种模式的交替使用可以很大程度上减少对植入式电池的使用量。而且该系统包含了一个完整的全植入数字式子系统,对该系统的研究可以涵盖下一代全植入式系统的关键技术难点。也就是说,该系统的很多关键技术将可以直接应用到下一代全植入系统当中。实际上,在植入式电池的容量和安全方面的性能提升到一定程度之后,这个系统可以自然而然地转换成一个全植入式系统。

3)植入式数字信号处理器的低功耗设计

在双模系统中,最大的技术难题就在于植入式数字信号处理器(DSP)的设计(图 8),因为它几乎是整个系统里功耗最大的部件。传统人工耳蜗中的DSP 处在体外,对功耗的要求还可以宽松一些,毕竟体外的电池可以随便更换。而在新系统中,无论是哪一种工作模式,对DSP 的功耗要求都是非常苛刻的。在体内单机模式下,DSP 的功耗直接影响着植入式电池的寿命,而植入式电池又不可以随便更换,所以这种情况下DSP 功耗的重要性自不待言。在联机模式下,由于无线能量传输效率低下,DSP 的功耗将会被严重放大,这比DSP 在体外时的情况要恶化很多。

实际的设计和测试结果表明,基于开放源代码硬件的专用指令集处理器(OSH-ASIP)设计方法有助于提高效率并降低成本,同时可以有助于去除通用处理器中存在的冗余,从而提高处理器的执行效率、降低功耗。通过综合运用指令集简化、等待模式、循环暂存、存储器切割、操作数隔离和时钟门控等多种低功耗设计技术,在0.18μm CMOS 工艺下设计实现的一款人工耳蜗专用的低功耗DSP实际测量结果为:在10MHz 的时钟频率下执行连续交织采样(CIS)算法的功耗小于2mW,低功耗效果显著。

4)总结

就当前的技术水平来讲,数字式全植入的人工耳蜗系统仍然因为能量供应不足(功耗大而电池容量小)的缘故无法实现。但是除了功耗外并没有其他理由可以阻碍数字系统的进一步发展,况且相比于模拟系统中那些固有的缺陷,功耗实际上是一个会随着微电子设计和制造水平的提高而逐步得到解决的问题。因此,从长远看数字式全植入系统才是人工耳蜗系统最优的选择方案。

4.3 智能内窥镜胶囊

传统医用内窥镜(如胃镜和肠镜)需要使用光纤或电缆插入人体体腔内拍摄病征图像以供医生诊断,这些连接线会给病人带来很大不适,而且诊断存在盲区,并可能会有消化道伤损等并发症。智能内窥镜胶囊的出现给消化道疾病的诊断带来了便利,克服了上述缺点。如图 9所示,病人在吞服了胶囊内镜以后,胶囊依靠消化道的蠕动在其中缓慢移动。移动的过程中会采集人体内消化道的图像并以无线的方式发送至体外记录仪,并可以上传至基站以供医生诊断病情。胶囊内镜不会给病人带来不适,在检测时病人也可活动,而且它可以完成全消化道的检测,扫除了传统内窥镜存在的盲区。

1)智能内窥镜胶囊的发展历史

智能内窥镜胶囊(消化道胶囊内镜)的概念最早于2000年由以色列科学家提出并实现,之后Given Imaging公司生产出第一款商用的胶囊内镜产品Pillcam。最近的几年里各国的工业界和学术界相继开始对这种产品的研发,一些新产品和新技术陆续面世:日本的奥林巴斯公司推出的EndoCapsule产品在日本也开始商用;日本NORIKA Syaka RF lab正在研发用无线供能,代替电池供电的技术,以及控制胶囊内镜姿态的控制技术;韩国研究机构推出了以人体作为导体来直接传输信息的技术,用以代替射频收发机,目前也已成功地利用到胶囊内镜产品中。在可预见的将来还将出现集诊断、活检、给药及消化道行走等各种功能于一体的产品。

2)胶囊内镜的结构

完整的口服式智能内窥镜胶囊系统由胶囊内镜、体外便携式记录仪和工作站三部分构成。胶囊内镜是整个系统最为重要的部分,也是设计难度最高的部分,在集成电路设计时尤其要注意功耗等问题。外壳内的电路系统主要由五个部分组成,如图 10所示,包括一个商用CMOS图像传感器、白色发光LED、一个商用射频收发机芯片及天线、一块用于控制和数据处理的专用集成电路和两节钮扣电池。

商用的CMOS图像传感器位于整个胶囊的一端,负责采集消化道中的彩色图像数据。支持多种图像分辨率,最高速率可达30fps。高亮度的白光LED均匀地排布在图像传感器镜头座外的环形PCB上,在采集图像时提供照明光线。高性能、低功耗的商用射频收发机位于胶囊的另一端,保证胶囊系统的无线通信。射频收发机工作在433MHz的ISM频段,采用FSK的调制方式,有效码率最高可达500kbps。两颗1.5V的钮扣电池串联后为整个电路系统提供所需的能量。它们位于胶囊的中部,在图像传感器和射频收发机之间。用于控制和数据处理的专用集成电路位于图像传感器与电池之间,它将系统各部分的功能组合起来,形成完整的电路系统。

专用集成电路是胶囊内镜的控制核心(图 11),它由数字基带、电源管理单元和无线唤醒子系统三部分组成。其中数字基带部分主要实现通信控制和图像压缩两大功能。电源管理单元可将电池电压转换为系统各个部分所需的电源电压。无线唤醒子系统可以对密封在胶囊中的电路系统进行开启、关闭、复位和配置操作,提高了系统可靠性,也便利了产品的组装和生产过程。

3)胶囊内镜的低功耗实现

在胶囊内镜的电路系统中,射频部分消耗的能量一般超过总能量的60%。为了在不增加射频电路功耗的前提下缩短有效的射频传输时间,在系统的数字基带中引入了信源编码――图像压缩。这样大大减少了射频收发机发送一帧图像的数据量,也就相应地减少了每帧图像射频部分的能量,并且有利于进一步减小系统工作的占空比,延长电池的工作时间。

引入图像压缩功能实际上是使用数字电路的能量去换取射频部分的能量,而且数字电路的低功耗技术比较容易实现,使得降低数字电路的功耗相对于降低射频电路的功耗更为容易。因此,只要对图像压缩的计算复杂度做出仔细的评估,电路系统整体能量的降低不难实现。

目前智能内窥镜胶囊系统还没有正式的产品国家标准,但一般包括如下几个重要指标:

1)工作时间:至少为8小时,因为一般胶囊内镜通过人体消化道的时间为8小时。

2)尺寸:为方便病人吞服,胶囊尺寸一般直径为10~12mm,长度为20~30mm。

3) 图像帧率和分辨率:目前产品的图像帧率一般为2fps。当然,在满足基本工作时间的条件下,图像帧率和分辨率都是越大越好。

4)总结

基于上述胶囊内镜的结构,可以对其应用需求做出细致的分析,对系统的供电方式、体积尺寸、通信方式、工作时间、可靠性等要求进行综合考虑。分析和测量结果表明,在系统级设计上采用了图像压缩、双向通信和无线唤醒等功能能够满足性能要求,而且这些技术的应用对于有类似的大数据量、高码率的植入式电子医疗集成系统也具有参考价值。

目前国内有清华大学、中科院合肥智能机械研究所、重庆大学、重庆金山科技集团等单位都在分别从事这方面的研究。

5 结语

本文从医疗健康领域的社会需求、市场需求现状入手,对我国医疗电子产业面临的机遇进行了分析,并对其中的关键技术――集成电路技术应用做了基本介绍。多方面的数据分析表明,医学微电子系统研究设计的核心发展趋势可以归结为小型化/微型化、集成化、网络化、数字化、智能化。最后还通过几个在研项目实例进一步阐释了集成电路技术在医疗健康领域的应用。

篇2

关键词：电力输配电线路；节能降耗；工程；应用

我国是人口大国，对任何能源的需求量都非常大，电力能源作为支撑我国工业发展、经济繁荣的重要能源，在我国国民经济中占有很重要的地位。电力系统的巨大损耗对我国的长久发展是极为不利的，而且城市配电网是电力系统能量损耗的主要部分。因此，对配电网使用过程中的能量损耗和浪费现象必须进行严格整改，实现对配电网线路能量损耗的降低和节省，促进其对经济效益的提高。由于符合增长速度快但配电网建设投资相对落后，因此，配电网在节能降耗方面具有很大的发展潜力。对城市的配电网进行节能降耗工作的进行能够在很大程度上节省电力用户的电费支出，提高企业的经济效益，节省电力企业的电量，以供更多的用户使用，不仅减少了用户的费用支出，而且增强了供电能力，改善了电力供应不足的现状；另外，更重要的是，能够实现对我国整体能源的节省利用、减少环境污染、优化资源配置，对我国的整体发展起到促进作用。

1 加强电力输配电线路节能降耗技术的必要性

首先，为了减少主干线的长度和水平电缆的敷设长度，同时方便消防切除非消防的电源，使输出电流较小，减小线路的损耗，需要在建筑物中使用技能降耗技术。

其次，当前的许多用电设备都是电感性负荷，会产生许多无功的滞后性电流，这种电流一经流出并经过高低压线路后，穿入用电设备的末端，线路的功率消耗就会增大，造成对电能的浪费。因此，需要对这种现象进行相应的改进，使这种电流的流出减少，从而提高功率，降低功率消耗。

再次，在供配电线路中会存在有增加电能损耗的谐波电流，它会危害到个供配电线路及其设备。因此，对这种电流的抑制不仅可以保护供配电的线路和设备，而且还可以减少能量的消耗。

2 实际过程中节能降耗的具体措施

2.1 优化电网规划

电网规划就是通过对城市电网的进行规划的总体过程中的计划方案进行合理的调整，实现线路节能降耗的目的。电力部门可以充分利用专业的技术手段对电力设备进行相应的调整。也可以从源头做起，即在对电力系统的自动化设计上就作出必要的调整，另外，对线路损耗的内在检测也是降低电能损耗的有效手段。通过对这些手段的利用，实现对电网规划方案的合理选择，从而有效降低输配电网络的高效低能运行。

2.2 通过电力变压器节能

输配电变压器是输配电线路损耗的主要内容，要对其损耗进行合理的控制，科学的措施是相当重要的，其中，利用节能型的变压器作用比较大，能够有效降低整个输配电网的损耗。在降低输配电网的能量损耗过程中，对低损耗的容量的合理配置，而且使用新材料进行对配电变压器的空载损耗值的降低，是一项行之有效的措施和途径。

2.3 保证变压器的经济运行

在传输电量相同的条件下，选择不同的变压器运行方式，会对变压器的能量损耗有所影响，进而可能会导致其对电能的浪费，达不到节省能量、降低损耗的目的。对于变压器的经济运行，只需要科学管理供电和用电工作，就能够达到节省用电和提高功率的目的，而不需要增加对其的资金投入。变压器的质量，也就是运行参数，和变压器的容量、电压器等级、铁芯材料质量等反面有着密切的联系，在选择变压器时，只需要对这些参数进行合理的选择，就可以达到提高变压器的节能降耗的目的。

2.4 对变压器设备的更新

变压器的设备性能将对电流流入后的电能利用产生很大程度的影响，老式的变压器在使用时会产生大量的热，散失于设备之外，造成严重的能量损耗。新型的变压器对这种现象有较好的改善，能够有效减少电流流经变压器时造成的能量损耗，明显能够降低该过程中的能量利用，节省能量。因此，在对变压器进行购买时，需要选用新型的节能变压器，有效降低能量损耗。

3 总结

总之，电力能源是我国在新时期发展过程中各项事业顺利发展的有力保障，如果电力系统出现了问题，整个国家的运转将处于瘫痪之中，人们的生活将停滞不前。因此，在电力输配电线路中注重对节能降耗的实施是非常有必要的。在具体的实施过程中，需要根据实际情况，采取科学合理的措施，真正做到节省能量和降低能量损耗的目的。

参考文献：

[1] 袁力.李彦国.电力输配电线路节能降耗技术饼究与工程应用[J].电子世界，2014，8（5）：57-58.

[2] 孙凯.浅谈节能降耗技术在电力输配电线路中的运用[J].黑龙江科技信息，2011，15（31）：44.

篇3

[关键词]应用技术教育 电路 教学方法

《电路》课程是研究电路及磁路现象的基本规律及分析方法的一门技术基础课，是电气设备施工与维护专业的重要基础理论课。但该课程概念多，理论性强，与数学课程联系紧密，题型灵活多变。而应用技术本科学生来自中专、技校、职高，学生难以驾驭。因此，如何激发学生的学习热情，提高教学质量，为后续专业课程打好基础，一直是应用技术本科《电路》课程教师关注、探索的问题。本人结合多年来的教学经验，在此谈谈几点看法。

一、明确学习《电路》课程的目标及重要性

电路的能源提供者―电能，在工农业生产、国防、科技及日常生活中得到了广泛的应用。我们应用技术本科教育是培养具有职业定向性的技术型、技能型、应用型、复合型人才的高等教育，面向地方，为地方服务。《电路》课程是 一门基础学科，其内容必须与后续专业课相结合，其基础理论，以必要够用为度。减少数理论证，以掌握概念，突出应用，培养学生技能为教学重点，为后续课程打下良好基础。

二、以人为本，因材施教

《电路》作为一门机电类专业基础课，其中涉及大量电路分析、计算，而其中的计算涉及到数学知识、如三角函数、复数、拉普拉氏变换等。如果学生基础知识掌握不牢固，将直接影响到《电路》的正弦交流电、三相电路及复频域分析章节的学习。只有掌握学生的基础情况，才知哪部分内容是学生的薄弱环节，才能有的放矢地教学，提高教学质量。

三、重视学生学习方法的培养，提高教学质量

学生步入大学，首先学习的专业基础课是《电路》课程，学生学习的思路、领悟性较弱，且《电路》这门课程概念多，定律多，相互间容易混淆。因此，在教学中不仅要讲究教法，而且要给学生学习方法，想方设法让学生牢固掌握所教内容。我在教学中反复强调概念，定律的内容，重视一题多解法。在复杂直流电路章节中，一题有多种解题方法；如电源等效互换，支路电流法，叠加定理，戴维南定理等。由于各种方法各有特点，掌握每种方法的特点。利用一题多解复习，能巩固学生所学的概念，也调动了学生学习的积极性。各种方法最后得到同一个答案，可以让学生体会多种方法的特点，以便在计算时选用合适的解法，节省计算时间。同时也利于培养学生的科学探索精神。再有：每章学完后，让学生学会归纳、总结、抓住每章的重点、难点所在，归纳总结后，学生思路自然清晰，也容易记忆。如在正弦交流电一章，学完单一元件的正弦交流电后，研究由基本元件组成的串、并联电路的电压、电流的计算，电压与电流相位关系、功率关系、解析式、相量图，尤其是由电压电流三角形可推出阻抗三角形，功率三角形。这样学生本章的基本思路清晰了，内容也掌握了，学生的解题思路自然清晰。学生学习电路课程的视野开阔，积极性提高了，教学质量自然提高。

四、教师采用启发式教学，调动学生学习积极性

教师重视学生课堂教学信息反馈，给学生学习信心和勇气。学生学完一节课后，教师应根据课堂学生反映，把握教学效果，以便及时巩固，同时每堂课留出几分钟时间出一道本堂教学基础题，验证一下学生的学习效果，然后有的放矢地纠正，以免学生学的吃力，甚至有的学生失去了学习的信心。教师要时刻鼓励学生，尤其是后进生，争取让每一个学生不掉队、不落伍。

五、利用多媒体技术，改变教学手段

多年的教学研究，我对教材深入分析和挖掘，围绕每章的重点内容制作本课程的多媒体课件。多媒体的使用，一方面，既保证了课堂的多样划，又吸引了学生学习的积极性，使课堂知识得以及时传播，拓展学生的知识面。同时，由于课堂环境的改善，教师可以从传统的书写和绘制图形的时间中解放出来，从容展开对问题的深入讲解，使课程的教学效率和质量得以提高；另一方面，可以联系工程实际，采用实物录像或制作易理解的电路，从而促进学生对本课程学习的积极性。提高课堂效率，实现教学目标。

六、理论联系实际为目的，努力提高学生的应用能力

实践教学是应用型人才培养的重要环节，对学生分析问题和解决问题能力的培养具有其它教学环节所无法替代的重要作用。培养学生理论联系实际的良好习惯，教师在讲授中应不失时机地结合实例进行讲解，增强学生的直观印象。如日光灯中镇流器的自感现象，电磁炉中利用涡流原理加热烧水、炒菜等。这样讲授可以使学生学以至用，学生积极探索，较好地发挥学生的主观能动性和学习积极性。

七、强化学生实验教学环节，巩固所学的理论知识

应用型人才教育是为地方服务，培养生产、建设、管理和服务第一线高级技术应用性专门人才，应用型人才教育培养目的，决定了学生实验环节的重要性。通过实验学生不仅掌握了各种电工仪表的正确使用，更重要的是使理论知识得到了验证与巩固。通过动手连线、数据的测得，将原来理解问题的漏洞排查出来，通过实验过程加以解决。巩固所学的理论知识。如戴维南定理，学生学习起来普遍认为较抽象，难以掌握，但学生通过实验的方法测开路电压、等效电阻。学生用测得的开路电压、等效电阻再组合成新电路，测得电流值与原电路电流值相等。从而定理得以验证。学生通过实验的过程，理论知识得到进一步的巩固、加深。

八、例题精讲，多做练习，让学生多实践

教师根据课堂内容的要求，适时安排习题课，这是《电路》课程必不可少的教学环节。教师在组织习题课的教学中要精选例题，可以按照例题的难度，结构特征，思维方法等各个角度进行全面剖析，不片面追求例题的数量，而重视例题的质量。教师在课堂上应腾出时间，让学生进行课堂练习，思考问题，或解答学生的提问。课外应适当布置作业，让学生进一步巩固所学知识。对学生提出的疑点问题，应进行有针对性的引导，启发学生自己解决问题，达到举一反三的效果。

总之，教师对教学方法的探索是教师在教学中应长期坚持的一项工作，经过多年的思考与经验积累。我认为教师应根据学生不同的情况，采用适宜、科学的教学方法，《电路》课程教学才具有鲜明的特色，学生发自内心地愿意学习《电路》课程，教师才能全面推动教学的展开，提高教学质量。真正实现以人为本的教学目标。

[参考文献]

[1]蔡元宇，《电路及磁路》，北京：高等教育出版社，1998

[2]沈道云，《电工基础》教法探讨 [J]，职业教育研究2004，[7]

[3]何立志，《电工学》课程的创新教学研究[J]，2006，[12]

篇4

该文论述了项目化教学改革的意义，从教学内容、教学模式、教学方法和考核评价等几个方面探讨了项目化教学的实施过程，并对项目化教学过程中出现的问题进行了相关思考。

项目化课程改革的意义

高职院校以往的电路基础课程偏重于专业理论的传统教学模式，过于强调知识的学科性和系统性，而缺乏针对性和应用性，理论与实际联系不紧密，实用性不强，不能满足我国高职院校教育教学改革及人才培养目标的实现，无法体现出职业教育特色。

高职学生由于基础较差，理解能力不强，针对理论性较强的知识普遍出现学不懂、不愿学的现象。通过传统教学曾发现学生比较倾向于动手的训练，更热衷于一个具体的实训项目的完成，例如，安排日光灯的组装和调试任务，通过确定方案、自主学习相关知识、实施计划到任务完成，整个过程中学生能自主获得综合知识和专业技能，同时也收获了成功的喜悦，培养了良好的团队协作精神。职业教育中，学生更愿意通过在实际工作中完成具体任务来获得相关知识。因此，完全打破学科体系，按照企业实际工作任务、工作过程和工作情境来组织课程，利用“工学结合”的任务载体对学生进行全面培养，形成围绕工作过程的新型教学项目的课程开发势在必行。

项目化课程教学的改革与实践

从课程的教学内容、教学模式、教学方法和手段以及考核方式几个方面进行探索和实践。

项目的分析与选取。在课程教学内容的编排上，突破原有体系章节，注重把工程背景和科技发展史引入教学。以“认、知、用”为主线，课程由9个理论和实践一体化的项目组成。《电路分析与应用》课程以典型的实际应用电路为单元，共设置了手电筒电路的分析、串并联照明电路的分析、双电源电路的分析、电桥电路的分析、闪光灯电路的分析与设计、日光灯电路的安装与测试、家庭配电电路的分析与设计、滤波器的设计、变压器的应用与设计共九个项目。

项目设计遵循学生的认知规律，先做入门项目：首先从“麻雀虽小、却五脏俱全”的手电筒电路入手，学习电路的基本概念，认识基本的电路元件，学会基本的测试方法；再到基本应用项目，这类项目从应用的角度学习电路理论和方法，应用理论和方法来解决实际问题。最后进行综合设计类项目，由浅入深，由单一到综合，让学生“学得通”、“做得顺”。

每个项目下分成若干个模块，每个模块分为若干个工作任务。如项目六家庭配电线路的设计分成3个模块，如下表1所示。模块1为家庭配电电路的分析，其中有3个工作任务；模块2为家庭配电电路的设计，其任务是对两室一厅配电电路进行设计，并选择相关器件；模块3为家庭配电电路的安装，其任务是安装两室一厅家庭配电电路。

表1

教学过程以各个项目中的工作任务为焦点，进行有关知识与技能的培养和训练，使学生集学习与讨论、实验与反思、认识与拓展、实践与创新为一体，在以项目完成的过程为导向，实施教学。

教、学、做一体的教学模式。秉承陶行知思想的精髓，在项目化教学中真正做到：在做中教，教育方法改教授法为教学法，引导学生积极主动学习。在做中学，改变学生被动的学习方式，在项目实践中主动探究和学习知识。教学做合一，教与学互动，在项目的实践中实现知识的传承。

教学方法和手段的改革。在项目化教学实施过程中，以实际的工作任务为载体，精心创设教学情境，让学生易于融入教学情境，激发出学习兴趣，主动参与任务，在完成任务的同时获取知识、能力，真正做到“教、学、做”相结合，形成“教师引导式学习、学生自主性学习、师生共同研习”的研究型学习氛围。教学中充分应用项目法、任务驱动法、启发引导式、案例教学、仿真教学、现场教学等。例如在项目六“日光灯照明电路的安装、调试和分析”的教学设计时，采用现场教学，首先在实验室完成日光灯的安装，排故，启发探究日光灯的发光原理，并训练基本测试技能，引导学生对测试参数：电压、电流、功率进行分析，从而掌握正弦交流电路的相量分析法。要求学生在这个项目中获得的技能和知识能够迁移到其他相关项目中，例如下一个项目“家庭配电电路的分析与设计”：家庭配电电路中的参数计算，器件的选择等任务，从而实现由实践-理论-再实践的知识和能力的螺旋式上升过程。

基于过程考核的综合评价。考核评价是项目化教学的重要环节，是提高教育质量、促进学生获取知识、提高应用知识的能力、培养素质和职业素养的重要手段。《电路分析与应用》这门课程属于理论知识和技能并重的课程，我们将每个项目的教学内容按“知、技、能”要求进行划分，配合以“教、学、做”相结合的教学模式。每个项目结束后以及全部课程完成后，进行各项目的考核和综合考核。项目考核内容主要包括项目学习过程、知识应用能力以及理论知识素养这几个方面进行。

项目学习过程考核的重点集中在学生项目成果和项目实施过程中的表现上，将职业素养、能力、知识的考核评价融合于项目任务的完成过程之中。职业素养的考核贯穿整个教学过程。根据企业对专技人才的要求，比如团队精神、吃苦耐劳、爱岗敬业等，教师平时对学生严格要求，考勤、实训项目中相关操作规范等都认真记录。工作表现的考核包括工作积极性、主动性，知识运用能力、自学能力、分析和解决问题能力、自我评价和评价他人能力以及相关操作技能的掌握程度、熟练程度等等。

知识应用能力考核学生如何运用所学知识分析问题与解决问题的能力，题型为分析题和综合设计题等。这种考核不仅使学生熟练掌握了重要的理论知识，为培养学生“可持续发展能力”奠定基础，更重要的是培养了学生的创新能力。

理论知识素养考核以机考的形式在课程网上考试系统中完成，主要是客观性命题：填空题、选择题和判断题，考核学生对电路基本概念、基本分析方法的掌握情况。

实施项目化教学的教学效果

实施项目化教学后，学生的学习兴趣明显提高了。以前学生普遍认为《电路分析》课程认为理论性太强，与实际工作和生活结合不紧密，只是进行枯燥的分析计算，有些基础不太好的同学甚至产生厌学情绪。改革后，学生该课程的及格率由09年的74.5%提高到11年的79.3%，优秀率由18.5%提高到27.7%。伟大的科学家爱因斯坦说过：“兴趣是最好的老师。”学生对项目、任务产

生了浓厚的兴趣，很自然就会去探究，去学习。伴随着项目、任务的完成，学生既掌握了相关知识与技能，还锻炼了表达能力和知识应用能力，对后续课程的学习以及班级优良班风、学风的形成都起到了举足轻重的作用。

项目教学法实施中的相关问题思考

项目选择的科学合理性问题。在项目化课程教学中，如何最大限度地引入工程概念，将项目融入到电路知识的学习中去，培养学生的工程实践能力，激发学生对工程实践的兴趣是一个值得深入研究的课题。同时在项目的选取上考虑科学合理性、要求从项目中所训练的能力一定是可迁移的。选择的项目能覆盖主要知识点和能力，不能有重大遗漏。如果有遗漏，则应设计其他项目来覆盖，否则的话造成专业理论的缺失，学生可持续发展的动力不足，高职教育培养高素质、高技能人才的目标就无从谈起。

项目化考核的可操作性。项目化考核的重点是项目实施过程中的过程评价，是形成性评价，贯穿整个项目，包括职业道德、工作表现、知识应用能力、自学能力、自我评价和评价他人等。如果考核指标过细，面面俱到，则操作性不强。如果考核过于宽泛，则又难免流于形式。由于形成性评价存在主观性，因此如何建立一个客观、合理、可操作性强的评价体系是关键。

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关键词：统一用户，单点登录，系统集成，门户

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）27-0188-03

Abstract： With the development of enterprise informationization，a wide variety of application are used in the enterprise .In order to integrate the arious application systems and data resources into a single information management platform， and provide users with a unified user interface， single sign-on is the first problem to be solved. This paper describes a method through uniform user management and single sign-on technology to achieve enterprise application integration. It soved the problem of a single login， surfing on the internet or intranet freely. This method has been applied in the authors' institute， an achieved good effect.

Key words： Uniform User； Single Sign-on； System Integration； Enterprise Information Portal

随着企业信息化水平的不断提高，越来越多的应用系统投入使用，例如OA系统、人力资源系统、项目管理系统、PDM系统等。这些独立的应用系统都有自己一套完整的用户管理与权限认证体系。用户如果需要访问这些应用系统，就需要记住各个系统中的账号、密码，频繁的在不同系统之间登录切换。这样给用户带来了很大的不方便，同时也容易引起系统安全性的降低。

企业信息门户是一种应用集成框架，它将各种应用系统、数据资源和互联网资源集成到一个信息管理平台之上，并以统一的用户界面提供给用户。

在企业信息门户平台上，让用户仅输入一次用户名、密码，通过一套安全身份认证体系的身份鉴别，就可以分别登录到OA系统、人力资源系统、项目管理系统、PDM系统等不同的应用系统，而不需要重复登录进行身份认证。这是一个在企业应用系统集成中迫切需要解决的问题，而解决这个问题的关键技术就是单点登录技术（Single Sign-on，SSO）。

1 单点登录技术

1.1单点登录基本流程

单点登录流程可以简单描述如图1所示。用户访问应用系统时，先检查其是否登录，如果登录则进入应用系统中具体请求页面，执行后续操作；如果尚未登录，则跳转至用户身份认证系统中进行登录认证。认证系统首先根据用户的登录信息进行身份校验，如果通过校验，则返回给用户一个认证的Ticket作为认证凭据，用户之后再访问其他的应用系统时就会带上这个Ticket，作为认证的凭据。应用系统接收到用户请求之后会把Ticket送到认证系统中进行校验，检查Ticket的有效性。如果Ticket有效，则进入应用系统中具体请求页面，执行后续操作；否则跳转至登录页面，对用户身份进行验收。

作为用户凭据的Ticket具有时效性和不可伪造性，以此保证用户登录安全可信。

单点登录中的认证服务器为所有用户提供身份认证管理，所有没有经过身份认证的匿名用户访问应用系统时都要求被重定向到登录页面进行身份验证。未注册的用户需要先经过注册初始化后方可被验证通过。

1.2 统一用户管理

在单点登录流程中，可以发现对用户进行统一管理并认证是最重要的环节。将所有应用系统的用户进行统一管理并与之前的系统内部账户进行映射，不再需要各应用系统进行独立认证，通过统一认证服务器来实现统一认证。

统一用户就需要首先在统一的用户管理系统中进行用户录入与维护，然后通过系统API接口或WebService服务对系统资源、用户角色、用户权限进行关系绑定，进而达到对用户进行统一管理、对应用系统权限进行统一分配。

中国飞机强度研究所内部有HR-人力资源管理系统对全部员工的信息进行统一管理，因此HR系统就作为中央用户数据源，用户的部门、个人账号、岗位等信息在该系统中进行注册。之后，利用WebService接口将用户信息同步至门户（Portal）的统一用户身份库中，由门户的统一用户管理系统再通过接口对账户进行应用系统的使用权限分配并将账户同步到相关的应用系统中。

统一用户管理流程如图2所示。

目录服务器是统一用户管理与身份认证的基础平台，对用户信息进行统一管理，保证数据的一致性和完整性。本方法中通过轻量级目录服务协议LDAP（Light weight Directory Access Protocol）将用户及组织的信息以层次结构、数据库的方式进行统一管理。

2 基于门户的单点登录实现

本方法中，通过企业门户平台负责管理企业各个应用系统访问入口，将各应用系统的身份认证功能集中控制。实现用户在门户平台认证通过后，无需二次认证，即可访问其他应用系统的效果。

2.1 用户同步

1）用户数据初始化

用户数据初始化分为两种：一种是已正式运行的应用系统（例如OA系统），采用统一命名规则的用户账号，因系统中的部分历史数据跟用户信息关联，用户账号命名规则改变后，为能保持历史数据的正常查询等操作，各业务系统自行在用户数据库中建立新、老账号的对应关系。一种是在建和未建的应用系统，必须严格按照命名规则新建系统账号及密码。

2）用户数据同步

将统一用户管理系统中的用户及组织机构数据单向同步到个应用系统中，可以采用即时触发、单向、增量同步方式。当统一用户系统的数据发生更改后，根据之前制定的身份同步规则，即时将变更的账号数据同步到对应业务系统中。同步实现方式可以通过数据库中间表的方式，也可以通过Webservice的方式。

2.2 单点登录

单点登录方式可以根据业务系统的开发需求分别采用两种认证方式：

（1）基于Cookie的认证方式

Cookie方式是基于客户端页面中存储的加密登录信息，由业务系统提供验证页面，自主解析用户名、密码并认证，同时跳转至获取的目标URL地址，实现单点登录。业务系统需要对登录认证模块做相应的功能改造。

在用户通过单点登录系统的认证后，单点登录系统将通过注入机制在Cookie中添加表示用户关联的账号信息和请求的URL地址，并将请求转发到业务系统，业务系统获取账号信息，确认用户身份后决定是否允许用户跳转至所请求的系统资源。

单点登录系统在Cookie中注入的参数信息包括：

a） 系统编号：对应业务系统账号、密码（加密后）信息，通过#号分割，编码由企业门户分配；

b） url：用户请求的目标地址url。

业务系统获取Cookie中的参数值的Java示例代码如图3、图4所示：

（2）基于header的认证方式

http-header认证允许将已认证的用户身份信息插入到联结的第三方服务器为目的地的请求的HTTP头，HTTP头信息使已联结的第三方服务器上的应用程序基于用户身份信息执行特定于用户的操作。

客户机浏览器请求收保护的第三方服务器上的应用程序，通过网关认证系统进行身份认证，建立新的基本认证头，将请求通过联结发送到第三方服务器的应用程序上，第三方服务器的应用程序不需要用户认证，直接读取基本认证头中的用户身份信息，并进行相应的用户操作。

认证头中存储的header信息：iv-user

第三方应用程序获取header信息：request.getHeader（"iv-user"）；

应用系统获取Http Header中的参数值的Java示例代码如图5所示：

3 应用效果评价

在2016年初，中国飞机强度研究所对现有应用系统进行了改造升级，将已有的和在建的应用系统进行统一整合。整合过程中采用了本文介绍的方法，完全实现了一次登录、全网通行的目标。1000余个账号登录各应用系统效率高，未发现重复认证或登录延时等问题，成功完成了对多个业务系统的集成整合工作。

4 结束语

本文针对企业在信息化建设过程中出现的各应用系统用户系统独立、身份认证系统独立的现状，深入分析、研究统一用户管理技术、单点登录技术，在确保各应用系统正常运行不受较大干扰的前提下，实现了对OA系统、人力资源系统、项目管理系统、PDM系统等多个应用系统的单点登录。该方法在研究所内部得到了高度认可，同时也在其他行业得到了认可，可以在行业内部以及其他行业推广应用。

参考文献：

[1] 胡建鹏. 基于Portal的统一身份认证与系统集成研究[J].计算机工程与科学， 2010，32（12）： 30-33.

[2] 吴茂传，郭阳，胡昌平.基于Web的单点登录技术在企业集成中的应用[J].淮海工学院学报（自然科学版）， 2008，17（1）：29-32.

篇6

关键词：电子科学与技术；本科培养方案；课程设置；办学特色

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）30-0070-02

21世纪被称为信息时代，电子科学与技术在信息、能源、材料、航天、生命、环境、军事和民用等科技领域将获得更广泛的应用，必然导致电子科学与技术产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用，也对人才的培养提出了更高的要求。因此，本文从人才的社会需求出发，结合我校实际情况，进行了本科专业培养方案的改革探索，并详细介绍了培养方案的制定情况。

一、人才的社会需求情况

目前，我校电子科学与技术专业的本科毕业生主要面向长三角地区庞大的微电子、光电子、光伏和新能源行业，市场对专业人才的需求基本上是供不应求的。但是也应该注意到电子科学与技术产业的分布不均，分类较细，且发展变化较快。另外，电子科学与技术产业结构具有多样性，既有劳动密集型的大型企业、大公司，更多的是小公司和小企业；既有国有企业和私营企业，更有合资、独资的外企。因此，社会需求与本专业毕业生的供需矛盾还会继续存在。

二、专业的培养目标和定位

本专业培养具备微电子、光电子领域的宽厚专业基础知识，熟练实验技能，能掌握电子材料、电子器件、微电子和光电子系统的新工艺、新技术研究开发和设计技能，有较强的工程实践能力，能够在该领域从事各种电子材料、元器件、光电材料及器件、集成电路的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发和管理工作工程技术人才。并且结合我校“大工程观”人才培养特色，依据“卓越工程师”教育理念下工程技术型人才培养的原则，培养适应微电子和新兴光电行业乃至区域社会经济建设需求的工程技术型人才。

三、本科培养方案制定的思路

电子科学与技术专业培养方案参照工程教育认证的要求，以及专业下设微电子、光电子材料与器件两个本科培养方向的思路制定。注重培养学生的专业基础知识和实践工程能力，使毕业生能满足长三角地区微电子、光电子和新能源行业发展的需求。微电子方向的课程设置专注于电子材料与电子器件、集成电路与系统设计方面，光电子材料与器件方向则偏向于光电信息、光电材料与光电器件方面。

四、本科培养方案的改革探索

要实现电子科学与技术专业的培养目标，适应电子信息产业的不断发展，并结合我校学科发展方向和特色，对电子科学与技术专业本科人才培养方案进行了研究，并对省内外几所高校电子科学与技术专业的培养方案进行调研，最终形成了富有特色的电子科学与技术专业人才培养方案，主要内容如下：

1.培养方案的模块化设计。在设计电子科学与技术专业本科培养方案的整体框架时，根据“加强基础、拓宽专业、培养能力”和培养工程技术型人才的办学理念下，专业培养方案分人文与社会科学、专业基础和专业课三个模块，下设微电子和光电子材料与器件两个专业方向。学生在前两年学习相同的课程，到大三时根据自己的兴趣选择专业方向，选修各自方向的专业课。由于两个方向的不同培养要求，因此在专业基础选修课、专业必修课和专业选修课方面设置限选模块，每个专业方向必须修满相应的学分才能毕业。

2.改革专业基础课程。专业基础课程是为专业课程奠定基础，因此，在保留了原有电子信息类专业通常所开设的电子类课程外，增加了与专业相关的课程，如EDA技术、通信原理、数字信号处理、物理光学、应用光学、激光原理与技术等课程，删减了原先与物理类相关的一些课程，如物理学史、原子物理、热力学与统计物理学等，并删减了一些计算机软件类课程，如C++程序设计、计算机在材料科学中的应用等。专业基础选修课程分方向限选模块，两个专业方向对应有不同的专业基础选修课程。

3.优化专业课程。专业课程是整个专业教育中的主干部分，微电子方向的课程设置紧紧围绕半导体和集成电路设计方向，开设有集成电路设计、微电子工艺原理与技术、工艺与器件可靠性分析、半导体测试技术、现代电子材料及元器件、集成电路工艺与器件模拟等课程。光电子材料与器件方向围绕光电材料和光纤通信方向，开设光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤传感原理与技术、光纤通信技术等课程。另外专业课程里面还设置有专业实验，通过加强实验环节，训练学生的动手操作能力，增强学生的理论知识。

五、与省内外专业人才培养的区别

具有电子科学与技术专业的各大高校分布在不同的地区，服务于不同的区域经济，这就要求专业学生的培养具有区域化、差异化。我们分析了杭州电子科技大学、浙江工业大学、苏州大学、南京理工大学和徐州工程学院这五所不同地区、不同层次高校的电子科学与技术专业的培养方案。不仅使我们能学习到其他高校的先进办学理念、合理的课程设置体系，也可以发现与其他高校之间的差异。具体表现为以下几个方面：

1.专业定位。各个学校的电子科学与技术专业依据自身的师资力量、办学条件、区域经济要求确定专业的发展定位。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业依托1个教育部重点实验室、2个国家级实验教学示范中心、3个省部级重点实验室，人才培养定位于能从事电子元器件、电子电路乃至电子集成系统的设计和开发等方面工作的工程技术人才。浙江工业大学的电子科学与技术专业主要培养光通信、电子电路系统、集成电路设计等方面的人才。苏州大学的电子科学与技术专业定位在培养能够在电路与系统、集成电路与系统等领域从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的高级工程技术人才。南京理工大学的电子科学与技术专业主要是突出光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的电子科学与技术专业主要定位在培养能从事光电子材料与器件开发的工程技术人才。而我校的电子科学与技术专业定位于服务长三角地区半导体和新能源行业，培养能从事集成电路设计与开发、光电子材料与器件的研发等工作的工程技术人才。

2.课程体系。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子元器件、电子电路系统、电子集成系统的能力，在课程设置上开设了通信电子电路、EDA技术、薄膜物理与技术、电子材料与电子器件、电子系统设计与实践、集成电路设计、嵌入式系统原理和应用、现代DSP技术及应用等专业课程。浙江工业大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子电路系统、集成电路系统的能力，开设了电路原理、模电数电、通信电子线路、集成电路设计、光纤通信原理、光网络技术、数字信号处理等专业课程，以及电子线路CAD实验、单片机综合实验、通信原理实验、通信电子线路大型实验、微电子基础实验、半导体器件仿真大型实验、集成电路设计大型实验等实验类课程。苏州大学的电子科学与技术专业培养学生设计与开发电路与系统、集成电路与系统，从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的能力，开设了信号与系统、电磁场与电磁波、高频电路设计与制作、电子线路CAD、CMOS模拟集成电路设计、VLSI设计基础等专业课程，以及电子技术基础实验、信号与电路基础实验、电子线路实验、电子系统综合设计实验等实验类课程。南京理工大学培养学生从事光电子器件、光电系统和集成电路的设计、开发、应用的能力，开设了信号与系统、光学、光电信号处理、光辐射测量、光电子器件、光电成像技术、超大规模集成电路设计、光电子技术、显示技术、光电检测技术、数字图像处理、半导体集成电路、集成电路测试技术、微电子技术、光电子线路、电视原理等专业课程。徐州工程学院的电子科学与技术专业培养学生设计与开发光电子材料与器件的能力，开设有信号与系统、光电子学、光电子技术、激光原理与技术、光伏材料等专业课程，以及模拟电路课程设计、数字电路课程设计、单片机原理课程设计等实践性课程。我校的电子科学与技术专业主要培养学生集成电路设计、光电子材料与器件的设计与制备能力，开设有半导体物理学、半导体器件原理、MEMS技术、微电子工艺原理与技术、薄膜材料及制备技术、工艺与器件可靠性分析、集成电路工艺与器件模拟、EDA技术、通信原理、数字信号处理、光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤通信技术等专业课程，以及近代物理实验、专业实验等实验类课程。

3.人才培养特色。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业的人才培养特色是注重集成电路设计、系统集成方面能力的培养。浙江工业大学的人才培养注重光纤通信、集成电路设计方面能力的培养。苏州大学的人才培养注重电路与系统设计、集成电路与系统设计方面能力的培养。南京理工大学的人才培养注重光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的人才培养注重光电材料与器件方面能力的培养。我校的人才培养注重电子材料与电子器件的设计与开发、集成电路设计方面能力的培养。

参考文献：

[1]陈鹤鸣，范红，施伟华，徐宁.电子科学与技术本科人才培养方案的改革与探索[A]//电子高等教育年会2005年学术年会论文集[C].17-20.

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集成电路设计公司在招聘版图设计员工时，除了对员工的个人素质和英语的应用能力等要求之外，大部分是考查专业应用的能力。一般都会对新员工做以下要求：熟悉半导体器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成电路制造工艺；熟悉集成电路（数字、模拟）设计，了解电路原理，设计关键点；熟悉Foundry厂提供的工艺参数、设计规则；掌握主流版图设计和版图验证相关EDA工具；完成手工版图设计和工艺验证[1，2]。另外，公司希望合格的版图设计人员除了懂得IC设计、版图设计方面的专业知识，还要熟悉Foundry厂的工作流程、制程原理等相关知识[3]。正因为其需要掌握的知识面广，而国内学校开设这方面专业比较晚，IC版图设计工程师的人才缺口更为巨大，所以拥有一定工作经验的设计工程师，就成为各设计公司和猎头公司争相角逐的人才[4，5]。

二、针对企业要求的版图设计教学规划

1.数字版图设计。数字集成电路版图设计是由自动布局布线工具结合版图验证工具实现的。自动布局布线工具加载准备好的由verilog程序经过DC综合后的网表文件与Foundry提供的数字逻辑标准单元版图库文件和I/O的库文件，它包括物理库、时序库、时序约束文件。在数字版图设计时，一是熟练使用自动布局布线工具如Encounter、Astro等，鉴于很少有学校开设这门课程，可以推荐学生自学或是参加专业培训。二是数字逻辑标准单元版图库的设计，可以由Foundry厂提供，也可由公司自定制标准单元版图库，因此对于初学者而言设计好标准单元版图使其符合行业规范至关重要。2.模拟版图设计。在模拟集成电路设计中，无论是CMOS还是双极型电路，主要目标并不是芯片的尺寸，而是优化电路的性能，匹配精度、速度和各种功能方面的问题。作为版图设计者，更关心的是电路的性能，了解电压和电流以及它们之间的相互关系，应当知道为什么差分对需要匹配，应当知道有关信号流、降低寄生参数、电流密度、器件方位、布线等需要考虑的问题。模拟版图是在注重电路性能的基础上去优化尺寸的，面积在某种程度上说仍然是一个问题，但不再是压倒一切的问题。在模拟电路版图设计中，性能比尺寸更重要。另外，模拟集成电路版图设计师作为前端电路设计师的助手，经常需要与前端工程师交流，看是否需要版图匹配、布线是否合理、导线是否有大电流流过等，这就要求版图设计师不仅懂工艺而且能看懂模拟电路。3.逆向版图设计。集成电路逆向设计其实就是芯片反向设计。它是通过对芯片内部电路的提取与分析、整理，实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面的深入洞悉。因此，对工艺了解的要求更高。反向设计流程包括电路提取、电路整理、分析仿真验证、电路调整、版图提取整理、版图绘制验证及后仿真等。设计公司对反向版图设计的要求较高，版图设计工作还涵盖了电路提取与整理，这就要求版图设计师不仅要深入了解工艺流程；而且还要熟悉模拟电路和数字标准单元电路工作原理。

三、教学实现

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技术领先　产品接近国际先进水平

七星电子是我国集成电路制造设备的领先企业，近年来通过自主研发以及与国际国内著名厂商、科研院所合作，同类产品性能逐步接近国际先进水平。公司生产的扩散系统、清洗系统、气体质量流量计等集成电路工艺设备已成功装备多条集成电路生产线，产品已在国内6英寸IC生产线得到广泛应用。在混合集成电路和电子元件开发能力、科技人员的技术水平、试验设备的配套及数量等方面居于国内前列。同时，公司从产品结构、配套能力、产品实物质量、品牌效应方面在国内也处于领先地位。七星电子是国内唯一一家具有8英寸立式扩散炉和8英寸清洗设备生产能力的公司，生产的8英寸生产线设备开始进入国内主流IC生产线。公司目前正进行12英寸90/65纳米清洗机、扩散炉和质量流量计等集成电路设备的研发。七星电子所生产的扩散设备和清洗设备均是集成电路制造工艺中的关键设备，产品用量大，技术含量高。公司开发的清洗设备产品已在集成电路生产线、集成电路材料、光电子行业和电力电子行业上得到了应用。

自主研发　为国防和航天事业作贡献

七星电子在混合集成电路和电子元件领域积累了多年的生产经验，通过承担军品科研任务形成了丰富的技术储备，产品的技术水平主要体现在产品的高精密、高可靠特性以及能够达到特定的技术指标等等。公司在国内军用混合集成电路以及高精密阻容元件的生产上，具备领先的技术优势。公司拥有九条生产线符合军工生产标准，生产的混合集成电路、高可靠高稳定电阻器、固体钽电容器、石英晶体器件等产品，广泛应用于军工行业。公司还在军工科研方面取得多项重大成果，为中国的国防和航天事业作出了显著的贡献，2006年被总装备部、国防科工委及信息产业部三部委联合评为“十五”军用电子元器件科研生产先进单位，获得信息产业部授予“军工电子质量年活动先进单位”。信息产业部军工电子局还先后多次对七星电子成功研制“集成电路设备工程”给予了奖励，中国空间技术研究院、中国运载火箭技术研究院、中国载人航天工程办公室、信息产业部、中国航--天科技集团公司等单位先后对七星电子在“神舟五号”、“神舟六号”、“神舟七号”载人飞船及“嫦娥一号”发射成功中作出的贡献给予了各种奖励，肯定了七星电子为中国航天事业中做出的贡献。

政策支持　市场前景良好

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关键词：集成电路EDA 课程改革 教学内容

中图分类号：G642.0 文献标识码： A 文章编号：1672-1578（2013）10-0029-01

1 引言

高职教育的目的是使学生获得从事某个职业所需的实际技能和知识，具备进入岗位所需的能力与资格，并且应当具备良好的职业道德和熟练的职业技能，走上职业岗位之后能够胜任岗位，并有后续发展能力。然而，鉴于多方面因素，高职教育的教学质量不断下降，高职学生职业能力的欠缺直接影响了就业。因此，高职院校必须进行课程改革，构建符合高职教育规律、适应高职课程的教学模式。下面，笔者就简单谈谈我院集成电路EDA课程改革的情况。

2 课程定位

集成电路EDA技术是集成电路及电子系统设计的综合技术，是现代科技创新和IC产业发展的关键技术。该课程作为高等职业院校微电子专业的一门重要的主干专业课程，紧扣专业理论和生产实践需求，具有较强的岗位实践操作技能，是电子类专业毕业生必须具备的专业技能之一；而且该课程能贯穿整个专业教学环节，掌握本课程能使学生更好地学习掌握其他专业课程。

3 课程设计理念

按照“基于工作过程”的课程开发体系进行课改，重视职业技能的训练，充分体现以应用型技术人才为培养目标；形成以行业需求为导向，以职业实践为主线，“教、学、做一体化”的专业课程体系；构建工学结合的高职课程开发模式，落实“强化实践、重在应用”，着重 “职业能力” 培养的指导思想。通过典型的实践项目课题，多样化的教学方法，形成实践教学和工作过程一体化、课堂与生产线一体化、实践教学与培养岗位能力一体化，激发学生的学习兴趣，引导学生将学到的知识应用于实践中，加强课程知识点的连接，充分体现EDA技术在电子电路实际设计中的应用，使课程教学真正体现实践性、应用性。

4 改革目标

目前，集成电路EDA设计工具主要市场份额为美国的Cadence、Synopsys和Mentor等少数企业所垄断。我院该课程采用的是Tanner Pro 软件，在教学过程中，以职业实践为主线，通过课程改革，逐步实现“教、学、做一体化”的专业课程体系。通过对实用电路的设计，激发学生学习先进的电子电路设计技术的兴趣，使学生掌握集成电路设计和布局图设计的基本方法，了解IC组件库的电路模型、符号模型的设计方法；能熟练创建电路文件、版图文件，生成网表文件，进行电路仿真模拟，并熟悉电路与版图对比方法；养成按规范进行集成电路设计与应用，并按照企业规范设计版图的职业素养；培养了学生使用现代先进设计工具的能力和团队沟通能力，为以后工作打下一定的基础。

5 教学内容

随着IC 技术的发展，对集成电路EDA课程教学内容提出了更高的要求。这次为适应科学技术的发展以及对人才培养的要求，我们走访企业、征求用人单位意见，特别聘请企业专家进行技术指导，结合专业培养目标和就业岗位群，我们对EDA课程的教学进行了修订，教学内容进行了调整和充实。

为加强对学生实践能力、创新能力和工程实践能力的培养，将EDA技术理论和实训课单独开设，促进了对学生实际动手能力和分析、设计能力的培养。为了培养学生的创新能力，我们加重了设计性实验、综合实验的分量，加强各种实践环节，使学生通过理论课程的学习和实训课程的实践，基本掌握EDA技术，再通过相应的课程设计将理论用于实践，将理论与设计融为一体，使学生在毕业设计中，既能提高运用所学知识进行设计的能力，又能在这一过程中体会到理论设计与实际实现中的距离，锻炼了学生分析问题、解决问题能力。

6 课程改革中的重点、难点及解决办法

课改的重点：“基于工作过程”的项目式课程开发

难点：项目式教学内容的确定，教材、教学设备的准备，学生对实际生产环境和生产过程的体验和学习，工程实际应用的系统设计。

解决方法：（1）采用全新的教学理念和教学方式，以“必须”“够用”的原则组织教学内容，将教学与EDA工程技术有机结合，设计由浅入深的实验项目，以实现良好的教学效果。（2）根据课程实践性强的特点，加强实验室建设，提倡学生进行自主教学活动。（3）多方面综合考虑，全面优化教学效果。（4）加强校企合作，提高授课教师的理论水平和工程实践能力，让学生进入企业进行生产实习，将教学、实验和科研紧密结合。

7 教学方法与手段

EDA技术涉及面广、实践性强，对教师和学生的要求较高。在EDA技术教学方法上，我们改变了过去以教师为中心、以课堂讲授为主、以传授知识为基本目的的传统教学模式。采用教师讲授与学生实践相结合，理论知识与现实工程问题相结合的灵活的教学方式，留给学生充分的思考和实践时间，鼓励学生勤于思考，把握问题实质，不断提高自己解决实际问题的能力。把“教、学、做”一体化，体现到实处。

讲课时突出重点、难点，注重知识点重组。教学中引入大量的EDA实际例题，重视培养学生的运用知识，解决实际问题的能力，充分调动了学生的学习积极性。

实践表明，采用多元化的教学方法可以取得较好的效果。多元化教学方法包括：（1）交互讨论教学法；（2）目标驱动教学法；（3）开放式自主实践；（4）课外兴趣小组；（5） 鼓励学生参与大学生创新活动。

在课堂教学中，让学生多实践，多动脑、勤思考，才能发挥他们的学习主动性，起到良好的教学效果。

8 结语

通过课程改革，改变了常规的教学模式，以学生为主，教师为辅，再结合多种教学方式，以激发学生的学习兴趣，提高学生的学习能动性，并且重视学生的理论与实践的结合能力，使学生深切感受到学有所用，大大提高了集成电路EDA课程的教学效果。

参考文献：

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关键词：快速启动电路；欠压保护；迟滞电压

中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 12-0000-01

欠压保护也称低电压保护[1，2]，是指集成电路中由于某种原因使得电源电压值降低到一定的极限值时，欠压保护电路能够检测到电源电压较低，将芯片关断并保持与电源的切断状态，待电源电压恢复到一定的大小时，芯片可恢复工作。

欠压保护电路是集成电路设计中必不可少的模块，是保证系统在工作环境异常情况下能够保持系统稳定的基础。传统的欠压保护电路[3]利用电阻对电源电压进行分压，将分压后得到的电压与参考电压通过迟滞比较器进行比较，从而检测电源电压是否欠压。因此，欠压保护电路需要外部参考电压，电路的独立性较差；同时，引入迟滞比较器和电阻分压电路，使得电路结构变得复杂，也增大了电路的面积。

本文提出一种新型欠压保护电路，电路不需要使用外部参考电压[4]和迟滞比较器[5]，利用一种类似于带隙基准PTAT电流源的电路结构完成对电源电压的检测和比较；同时，巧妙地利用负反馈实现了电路对电压检测的迟滞功能；最后，电路设计了提高电路启动速度的单元模块电路，确保了欠压保护电路在电源电压恢复正常后电路能够迅速正常工作。

一、欠压保护电路分析与设计

新型欠压保护电路的原理如图2所示，电路主要由三部分组成：类带隙基准PTAT电流源的电压检测电路；负反馈电路构成的迟滞电路模块；快速启动电路。其中，电压检测电路由三极管Q1、Q2，电阻R1、R2、R5、R6、R7和MOS管MP1、MP2、（一）核心电路工作原理

在图2所示的新型欠压保护电路中，三极管Q1、Q2和电阻R1、R2构成类似于带隙基准电压源的欠压保护电路核心部分。三极管Q1的面积为Q2的n倍，三极管Q1和Q2的基极电位为电源电压经过分压后得到的电压VO1。

当电源电压从零开始上升并达到一定的值之后，三极管Q1和Q2打开并流过电流，MOS管MP1、MP2，电阻R1、R2组成的电路正常工作。

（二）迟滞原理

为了避免当电源电压大小在翻转阈值电压附近周围变化时，欠压保护电路的输出结果在翻转阈值周围出现反复高频变化，电路引入了正反馈电路，NMOS管MN3随着输出电平的高低导通或者关断。

当电源电压较低，输出电平为低电平时，NMOS管MN3导通，此时

当VREF具有零温度系数时，迟滞电压 也具有零温度系数，这也是本电路的优点之一。

（三）快速启动电路原理

在集成电路的设计中，欠压保护电路作为集成电路的保护单元模块，必须在电路整体启动之前工作，因此保护电路的启动速度必须得到重视。在以往的欠压保护电路的设计中，一般只关注保护电路的自启动问题，而忽略保护电路启动速度的分析和优化。

新型欠压保护电路在不需要使用外部参考电压的同时，优化了电路的自启动过程。当电源电压VDD由低电平逐渐上升至高电平时，三极管Q3的基极与三极管Q4的集电极电位也随之上升，三极管Q3优先于三极管Q1和Q2导通，使得MP1栅极电位随之下降。当电源电压上升至一定大小时，Q1和Q2开始工作，MP1导通，电路正常工作，三极管Q3和Q4加快了电路寄生电容存储电荷的泄放速度，加快了电路的启动速度。同时，当电路正常工作时，Q1发射极电压VE1上升，三极管Q3随之关闭，快速启动电路不再影响电路正常工作。

二、仿真结果与分析

三、结束语

本文设计的欠压保护电路，充分利用了类带隙基准PTAT电流源结构中电源电压大小对PTAT电流大小的影响，完成了电源电压的检测功能；利用电阻分压原理来调整欠压保护阈值，通过调节电阻分压电路从而调整迟滞电压阈值的大小；同时，优化了启动电路设计，电路具有启动时间短的优点。该电路使用较少的器件完成了整个电路的设计，在满足高检测精度的同时降低了功耗。

参考文献：

[1]王锐，唐婷婷.一种BICMOS欠压保护电路的设计[J].电子科技，2006（10）：76-78.

[2]王智鹏，杨虹.一款无电压比较器的欠压保护电路[J].电子世界，2012（07）：51-52.

[3]赵春波，许伟，吴玉广.一种CMOS欠压保护电路的设计[J].集成电路与元器件，2004（10）：172-174.

[4]钱金川，朱守敏.一种过压欠压及延时保护电路的设计[J].机床电器，2008（01）：57-59.

[5]邹雪城，韩俊峰.一种基于比例电流的欠压保护电路的设计和实现[J].华中科技大学学报（自然科学版），2007（35）：64-66.

[6]Allen P E，Holberg D R.CMOS模拟集成电路设计[M].北京：电子工业出版社，2005.

[7]Gray P R，Meyer R G.Analysis and Design of Analog Integrated Circuits[M].John Wiley，2001.