集成电路的设计方法及步骤范文

导语：如何才能写好一篇集成电路的设计方法及步骤，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：集成电路工艺原理；教学内容；教学方法

作者简介：汤乃云（1976-），女，江苏盐城人，上海电力学院电子科学与技术系，副教授。（上海?200090）

基金项目：本文系上海自然科学基金（B10ZR1412400）、上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目（10110502200）资助的研究成果。

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0046-01

微电子产业的快速发展急需大量的高质量集成电路人才。优秀的集成电路设计工程师需要具备一定工艺基础，集成电路工艺设计和操作人员更需要熟悉工艺原理及技术，以便获得性能优越、良率高的集成电路芯片。因此“集成电路工艺原理”是微电子专业、电子科学与技术专业和其他相关专业一门重要的专业课程，其主要内容是介绍VLSI制造的主要工艺方法与原理，培养学生掌握半导体关键工艺方法及其原理，熟悉集成电路芯片制作的工艺流程，并具有一定工艺设计及分析、解决工艺问题的能力。课程的实践性、技术性很强，需要大量的实践课程作为补充。但是超大规模集成电路的制造设备价格昂贵，环境条件要求苛刻，运转与维护费用很大，国内仅有几所大学拥有供科研、教学用的集成电路工艺线或工艺试验线，很多高校开设的实验课程仅为最基本的半导体平面工艺实验，仅可以实现氧化、扩散、光刻和淀积等单步工艺，而部分学校仅能开设工艺原理理论课程。所以，如何在理论教学的模式下，理论联系实践、提高教学质量，通过课程建设和教学改革，改善集成电路工艺原理课程的教学效果是必要的。如何利用多种可能的方法开展工艺实验的教学、加强对本专业学生科学实验能力和实际工作能力以及专业素质的培养、提高微电子工艺课程的教学质量，是教师所面临的紧迫问题。

一、循序渐进，有增有减，科学安排教学内容

1.选择优秀教材

集成电路的复杂性一直以指数增长的速度不断增加，同时国内的集成电路工艺技术与发达国家和地区差距较大，故首先考虑选用引进的优秀国外教材。本课程首选教材是国外电子与通信教材系列中美国James D.Plummer著的《硅超大规模集成电路工艺技术—理论、实践与模型》中文翻译本。这本教材的内容丰富、全面介绍了集成电路制造过程中的各工艺步骤；同时技术先进，该书包含了集成电路工艺中一些前沿技术，如用于亚0.125μm工艺的最新技术、浅槽隔离以及双大马士革等工艺。另外，该书与其他硅集成电路工艺技术的教科书相比，具有显著的两个优点：其一是在书中第一章就介绍了一个完整的工艺过程。在教学过程中，一开始就对整个芯片的全部制造过程进行全面的介绍，有且与学生正确建立有关后续章节中将要讨论的各个不同的特定工艺步骤之间的相互联系；其二是贯穿全书的从实际工艺中提取的“活性”成分及工艺设计模拟实例。这些模拟实例有助于清楚地显示如氧化层的生长过程、掺杂剂的浓度分布情况或薄膜淀积的厚度等工艺参数随着时间推进的发展变化，有助于学生真正认识和理解各种不同工艺步骤之间极其复杂的相互作用和影响。同时通过对这些模拟工具的学习和使用，有助于理论联系实际，提高实践教学效果。因而本教材是一本全面、先进和可读性强的专业书籍。

2.科学安排教学内容

如前所述，本课程的目的是使学生掌握半导体芯片制造的工艺和基本原理，并具有一定的工艺设计和分析能力。本课程仅32学时，而教材分11章，共602页，所以课堂授课内容需要精心选择。一方面，选择性地使用教材内容。对非关键工艺，如第1章的半导体器件，如PN二极管、双极型晶体管等知识已经在前续基础课程“半导体物理2”和“半导体器件3”中详细介绍，所以在课堂上不进行讲授。另一方面，合理安排教材内容的讲授次序。教材在讲授晶片清洗后即进入光刻内容，考虑工艺流程的顺序进行教学更有利于学生理解，没有按照教条的章节顺序，教学内容改变为按照清洗、氧化、扩散、离子注入、光刻、薄膜淀积、刻蚀、后端工艺、工艺集成等顺序进行。

另一方面，关注集成电路工艺的最新进展，及时将目前先进、主流的工艺技术融入课程教学中，如在课堂教学中介绍INTEL公司即将投产的采用了22nm工艺的代号为“Ivy Bridge”的处理器等。同时，积极邀请企业工程师或专家开展专题报告，将课程教学和行业工艺技术紧密结合，提高学生的积极性及主动性，提高教学效果。

3.引导自主学习

半导体产业正飞速发展，需要随时跟踪集成电路制造工艺的发展动态、技术前沿以及遇到的挑战，给学生布置若干集成电路工艺发展前沿与技术动态相关的专题，让学生自行查阅、整理资料，每一专题选派同学在课堂上给大家讲解。例如，在第一章讲解集成电路工艺发展历史时，要求同学前往国际半导体产业规划网站，阅读最新年份的国际半导体技术发展路线图，完成如最小特征指标、工作电压等相关技术指数的整理并作图说明发展趋势等。这样一方面激发了学生的求知欲，另一方面培养学生自我学习提高专业知识的能力。

二、丰富教学手段，进行多样化、形象化教学

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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.

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关键词： 硬件木马； 防御； 迷惑电路； 密钥

中图分类号： TN495?34； TN918 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）20?0001?03

Abstract： Hardware Trojans draw more and more attention of the academia and industrial community because of its huge potential threat in recent years. Trojans may be inserted in all the current main IC design process. Considering the Trojans inserting mechanism， a hardware Trojan prevention method based on secret keys is proposed， which is realized by adding initial sequence （secret keys）， confusing circuit and redundant circuit， and hiding the original circuit with correct function. The result based on a large number of test vectors shows that the optimized prevention circuit can effectively prevent the normal circuit to be attacked by the Trojans in the case of not spending more extra circuit resources.

Keywords： hardware Trojan； prevention； confusing circuit； secret key

0 引 言

在过去几十年里，集成电路已经渗透到人类社会活动现代科技的各个领域，包括在金融、军事、工业、交通等关乎国家命脉的领域，因此确保集成电路的安全性与可靠性变得尤为重要。如何确保集成电路中不含硬件木马是一个非常困难的问题[1]。随着电路节点数目成指数增长，并且ASIC的门电路规模越来越大，这使得无论是穷举测试还是形式验证都逐渐失效。传统的集成电路测试和验证的主要目标是检测集成电路的实际运行状态和预期的是否一致。一般情况下，很难检测到电路是否增加了额外的功能单元，而且随着电路的门规模越来越大，创建足够小并且高故障覆盖率的测试向量集愈加困难。如果在测试阶段，硬件木马没有被激活，木马就几乎不会被检测到。至今还没有一种方法可以检测出所有的硬件木马。虽然目前已经有了多种多样的检测技术，但是这些检测方法只能检测出已知的一种或者一类硬件木马。硬件木马设计者会避开已有的木马检测机制，设计出用目前检测方法不能检测出来的硬件木马。因此对硬件木马的预防就很有必要。Potkonjak等人在硬件木马防御方面做出了有意义的研究[2]――可以使用不可信的EDA工具设计出可信的集成电路。他主要是通过在任意时刻都充分利用所有的硬件资源，从而使木马由于缺少硬件资源而无法植入，片上的硬件资源要全部被用来实现集成电路的正确功能。Baumgarten等人提出了通过使用可重构逻辑防御木马的攻击[3]。Makris等人在一定程度上解决了关于集成电路制造过程中的不可信问题[4]，他们提出了一个系统，IP消费者提供硬件规格和与安全相关的属性。IP消费者和IP制造商必须都同意把这些属性转化为用定理证明语言编写的形式数学编码。

基于Baumgarten等人提出的电路模糊技术的思想，本文提出了一种基于密钥的电路预防技术，在电路设计阶段考虑到木马一般是在受到一些罕见状态触发后才会激活起来，通过加入迷惑电路模块[5]，或者增加电路的状态转移图的复杂度，隐藏电路相关信息，使入侵者无法正确分析出正常电路信息，从而进行错误的植入，把木马植入到迷惑电路，插入的木马电路无法正常工作，从而达到预防木马保护电路的目的。

1 硬件木马的隐藏插入设计原理

硬件木马的组成包括触发模块和有效载荷两部分，触发模块通过巧妙设置触发条件来激活木马电路，而有效载荷是木马触发后发挥攻击功能的电路模块[6]。图1所示为一个简单的组合电路硬件木马示例，示例中木马侵入了正常电路的ER节点，将触发模块的输出与原始的ER模块输入进行异或操作，异或结果ER*取代了原始的ER。一般情况下，ER*的值和ER的值是一样的，由正常电路F（x1，x2，…，xn）决定，这时硬件木马是潜伏的并不会改变原始电路的功能。当节点[a，b，c，d，e，f]的值为101011时，木马的Payload部分起作用，篡改ER值为ER*值，影响了电路的正常功能，对电路造成了影响。本例子所给的硬件木马触发条件非常简单，节点[a，b，c，d，e，f]的值只有64种排列组合情况，在常规的功能验证测试过程中，可以比较容易地遍历到节点[a，b，c，d，e，f]的101011这个值，从而发现木马。实际的硬件木马设计过程中，会更加注意木马的隐藏性，避免在常规的功能验证过程中硬件木马就被发现。

2 基于密钥的硬件木马预防机制

2.1 增加迷惑电路和密钥

考虑到第1节中提到的硬件木马的触发设计机制，硬件木马设计者喜欢使用一些低翻转概率的信号作为触发条件，因此在所设计的正常电路的基础上，增加了迷惑电路模块和初始序列模块来预防硬件木马[7]。如图2所示。同时，增加迷惑电路模块中低概率能到达的状态，而在正常电路模块里增加了不影响正常功能的测试过程中可以到达的实际正常功能不会到达的冗余状态。

如图2所示，在测试阶段，不用正确的初始序列（K1，K2，K3），则状态转移进入迷惑电路模块。攻击者在分析电路的时候，由于电路大部分情况都在迷惑电路中运转，攻击者就有很大的可能性将木马插入到迷惑电路中的罕见状态里，如图2中木马1所示。由于状态转移的条件使然，迷惑电路的每个状态都会到达。所以木马在测试阶段就会激发。不过，由在正常使用过程中，并不会进入迷惑电路，所以被攻击者插入到迷惑电路中的硬件木马并不会起作用。

2.2 增加正常电路模块状态转移的复杂度

考虑到攻击者在电路分析过程中仍然会有一定可能性将硬件木马插入到图3中正常电路的状态（0～5）中，为此，在正常电路中也额外增加了冗余状态（6～9），如图3所示。而冗余状态不影响正常功能，且在测试过程中可以到达但实际正常功能不会到达。

在正常使用时，通过正确的初始序列，状态转移进入正确电路模块。但是，冗余状态在测试过程中相比正常电路也是一种罕见到达的状态，所以冗余电路也会受到攻击者的“青睐”从而将木马插入到冗余状态中。如图3中的冗余状态（6～9），只有在状态1的情况下，有着合适的条件（精心设计的条件，测试的时候满足，正常电路运转时永远不满足），才进入冗余状态6，从而经过其他冗余状态（7～9）。如果到达状态1，一直都不出现合适的状态转移条件，那么即使在状态（6～9）中入了木马2，木马2也不会在芯片正常使用的时候被激活。

加入迷惑电路模块和初始序列模块，还有冗余状态后，电路能够从那些不能到达的状态或者一定到达的状态获得益处。如果根据下面的步骤，不能到达的状态的获取趋向最优。首先，从所给的电路可以得S个状态元素，则枚举出2S 种所有可能的状态。然后，这些状态经过软件进行调整[8]。调整后的状态就是失效的，这就组成了一系列的不能到达的状态。

3 实验验证

3.1 测试流程

以下是测试的步骤：

已知输入：正常电路的网表，全部电路的网表，面积增量阈值，电路的状态数量，初始化序列的长度；

（1） 假设额外增加的状态元素为N，正常电路的状态元素为S，其中S是从电路随机选取的；

（2） 通过调整状态序列，找出正常电路中不能到达的状态；

（3） 对额外添加的状态元素进行加密，让其变得复杂；

（4） 产生额外电路的随机转换状态图；

（5） 产生长度为K的初始化序列；

（6） 产生整个电路的寄存器级电路，产生正常电路的寄存器级电路；

（7） 得出面积的增量；

（8） 回到步骤1，将N减1，S减1，直到面积增量小于面积增量阈值，满足条件。

以上步骤能够通过仿真工具自动完成。测试电路和激励都可以用状态机代码自动生成器来实现[9]。在大量的随机测试矢量激励的条件下，利用仿真工具统计电路中间节点信号的翻转概率。

3.2 结果分析

如图4所示，设置N=100，S的值在0～N中变化（S均分到迷惑电路和冗余电路），密钥为3位初始序列，通过modelsim代码覆盖率[10]的功能，分别得到测试电路迷惑模块（迷惑电路+冗余电路）和正常电路模块的信号翻转覆盖率Toggle比值，以评估预防电路的效果。迷惑模块和正常电路的硬件开销通过Quartus Ⅱ软件综合后的compilation report获得。图4中硬件开销单位LE为Logic Element的缩写。由图4可看出，在S=60左右时，迷惑模块的硬件开销已经堪比正常电路的开销，并且随着S的继续增大，迷惑模块的硬件开销会继续增大，但是实际上是有硬件开销增量（面积增量开销）的限制。而Toggle比值大概在S=47时达到1，并且随着S的继续增大，Toggle比值也会继续增大，要想迷惑模块能够有效起到迷惑作用，显然在仿真的时候宏观上迷惑电路的活跃度（即Toggle统计值）不能大于正常电路的活跃度。由图4可知迷惑功能的最具效率值和硬件开销增量不是在一个点达到最优的，在有面积增量开销的限制条件下，需要在两者之间权衡，以取得一个最优的N值。另外从图4也可看出，在S>47时，迷惑/正常Toggle比值大于1，此时迷惑电路吸引木马的能力下降，但是冗余/正常Toggle比值仍然远小于1，冗余电路吸引木马的能力依然很强。综上，在面积开销限制的条件下，迷惑电路和冗余电路迷惑木马的能力还是可以预见的。

4 结 论

如果在庞大的集成电路芯片中，不可信赖的制造厂商已经植入具有严重安全威胁的木马。传统的逻辑测试和检测应用技术也不能完全检测所以木马，保证芯片的安全。但提出利用少有的迷惑电路设计方法却达到有效保护电路避免被木马侵害的目的。迷惑设计使得攻击者很难去分析电路的功能，导致木马的植入失效。实验结果也充分验证了本方法的可行性和有效性。当然，硬件木马有很多种，本方法做RTL级硬件木马预防的研究有一定局限性，并不能预防所有的硬件木马，更全面的硬件木马预防技术仍然需要进一步研究。

参考文献

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[2] POTKONJAK M. Synthesis of trustable ICS using untrusted cad tools [C]// proceedings of the 47th Design Automation Conference. Austin TX， USA： ACM Press， 2010： 633?634.

[3] BAUMGARTEN A， STE?EN M， CLAUSMAN M， et al. A case study in hardware Trojan design and implementation [J]. International journal of information security， 2011， 10 （1）： 1?14.

[4] LOVE E， JIN Y， MAKRIS Y. Enhancing security via provably trustworthy hardware intellectual property [C]// IEEE International Symposium on Hardware?Oriented Security and Trust. San Diego， CA， USA： IEEE， 2011： 12?17.

[5] CHAKRABORTY R S， BHUNIA S. Security against hardware Trojan through a novel application of design obfuscation [C]// IEEE/ACM International Conference on Computer?aided Design. San Jose， CA， USA： ACM Press， 2009： 113?116.

[6] WOLFF F， PAPACHRISTOU C， BHUNIA S， et al. Towards Trojan?free trusted ICs：problem analysis and detection scheme [C]// Design， Automation and Test in Europe （DATE`2008）. Dresden， Germany： German Press， 2008： 1362?1365.

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当今社会是信息化发展迅猛的社会，各种高新技术不断涌现出来，通信系统显得尤为重要，通信系统与集成电路已经密不可分了。如何利用集成电路工艺设计出高性能的集成电路是电子信息技术产业急需解决的问题。该文将要简要介绍光纤通信光电集成电路工艺设计分析。

关键词：

现代；光纤通信；光电集成；路集成电路；设计分析

随着国家的发展，社会的进步，人类的生活已经离不开通信方式了，各种各样的交流活动都是需要通讯的传递的。不管我们通过何种方式、何种途径，只要将我们想要传递的信息传递到另外一个地方，就是称为通信。古代所传递信息的方式方法也是多种多样的。但是它们相对来说特别落后，时间也会非常地久。而现代的通信方式中，电话通信是应用最广泛的一种。

1什么是光纤通信

近几年来，随着技术的进步，电信管理体制的改革以及电信市场的全面开放，光纤通信的发展呈现了一番全新的景象。所谓光纤通信就是一种以光线为传媒的通信方式，利用广播实现信息的传送。光纤通讯就是以光导纤维作为信号传输介质的通讯系统。具有抗干扰性好，超高带宽等特点。如今社会我们使用的光纤通信有许多的优点，例如，它可以传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，这样一来，节约了许多资源和能源，有利于资源合理地开发和使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，同时它也可以用在特殊环境或者军事行动中。光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。随着信息技术传输速度日益更新，光纤技术已得到广泛的重视和应用。在多微机电梯系统中，光纤的应用充分满足了大量的数据通信正确、可靠、高速传输和处理的要求。光纤技术在电梯上的应用，大大提高了整个控制系统的反应速度，使电梯系统的并联群控性能有了明显提高。电梯上所使用的光纤通信装置主要由光源、光电接收器和光纤组成。

2集成电路的实现

集成工艺技术也就是在最近的一二十年取得了飞速的发展。随着元器件尺寸大小的不断减小，集成电路的集成速度也在不断地提高。发展迅速的集成电路工艺技术为通信系统的发展奠定了坚实的基础。当下，利用光电集成电路实现的光的发射和接收装置已经被各个实验室所广泛使用。光电集成电路在单片上集成的光和电元件越来越多了，这就是光电集成电路速度越来越快的原因。

3光纤通信现状

光纤通信技术的发展带动了光纤产业的进步。想要实现光发射与光电集成电路是非常容易的，但是想要实现高速系统的混合集成是非常困难的。由于毫米波信号是狭窄的，所以可以使用混合集成工艺来实现毫米波系统，我们可以这样来设计集成电路及其组成部分，使其波段上的输入和输出阻抗保持在大约50欧姆左右，即使用50欧姆的传输线来连接元器件和集成电路。此外，例如激光驱动、时钟恢复、数据判决、复接、光接收放大等各种类型的模拟、数字、混合集成电路依然可以轻松实现，这是因为电路也可以设计成输入输出是50欧姆的阻抗。想要利用混合方法实现高速光发射机与接收机的真正困难所在是激光二极管和光检测器的阻抗不是50欧姆。尤其是激光二极管，他的非线性无法进行混合集成的。没有合适的匹配网络将基带数据信号从激光二极管连接到驱动器或者从光检测器连接到前置放大器上，就会大大地降低了系统的操作性能。这样相比利用光发送和光接收的集成电路来实现是十分简便的。利用光集成电路实现光发射和接收不仅可靠性高而且成本低。但是用光电集成电路也是具有一定的挑战性的，制作光元件和电子电路所需要的材料是存在一定的差别的。现在制造高速光发射和接受光电集成电路在光传输系统中是十分必要的。这个设计工艺的难点在于要形成材料，即适合制造光电器件和电子电路所需要的制作材料，此外还要设计出光电集成电路。现实很残酷，大家仍需努力。

4光电集成电路

光发射机光电集成电路一般是由同一底上的激光二极管和驱动电路构成的。集成电路其中包括了电子元器件结构的生长、激光、激光二极管、电阻器、晶体管等电子元件的制造，其中光电元件和金属化连接是比较困难的。在外延生长的衬底上，大概需要三个工序来集成光电集成电路，分别为制作激光二极管、制作电子电路、进行光电元件之间的连接。首先要制作激光二极管，激光二极管的P型区域欧姆接触层通过蒸发形成金属状态，随后利用光刻法来生成激光二极管的大概区间，然后进行湿法刻蚀形成接触激光二极管的N区区间，最后在活性离子刻蚀体系中完成刻蚀过程，直到遇到AGAAS层后停止刻蚀过程。AGAAS层能隔离电子电路机构和激光结构，形成一种薄膜电阻，从而形成第一金属层和空气桥两个连接层。我们通常采用空气桥连接激光二极管的P区，采用第一金属层连接激光二极管的N区，这样就能很好地实现激光二极管和电子电路层的连接。这就实现了一个量子激光器的光电集成电路了。制作光电集成电路的芯片也是存在一定的难度的，目前端面反射激光镜的干腐蚀技术尚未成熟，只能用解离的方法来完成，所以说集成激光驱动器电路还有很大的空间有待开发。光电集成电路分别是由光检测器、前置放大器以及主放大器构成的，这其中包括数据判决器、时钟恢复和分接电路。光检测器的集成是光电集成电路中最重要的一个部分，而金属-半导体-金属光检测器（MSM）因为只需要少步骤的追加工艺，和如名字一般较为实惠且广泛的材料在雪崩类型光电检测器和p-i-n被广泛运用的同时也被单片集成光接收机广泛的使用着。在设计中第一级为基本放大单元，是共源放大电路且带有源负载，电阻的反馈由电压并联负反馈，电平位移级使用的是两级源级跟随器，它被接入到后面，与此同时，又需要引进一个肖特基二极管，这样就起到了一个降低反馈点的直流电平所特需的水平的作用，达到了这样一个效果后，在偏低压的条件下，电路同样可以正常工作。

5主要工艺流程

第一步，我们要准备好充足的材料，对材料进行结构和参数方面的设计计算，并确定材料的外延生长，来确定集成方式及集成所需要的元器件。第二步，对PD台面进行腐蚀，首先腐蚀掉INP层露出HEMT的帽层，把MSM保留在芯片上，即通过把PD台面以外的PD层材料腐蚀掉来露出HEMT层。第三步就是进行器件的隔离工作，仍然使用台面腐蚀的办法将HEMT和PD元器件之间隔离起来，想要实现比较好的隔离效果就一定要准确的腐蚀到半绝缘衬底上。最后就是保护芯片的工作了，在芯片表面沉淀一层介质，这样不仅保护了芯片表面还成为了源漏的辅助剥离介质。

6结束语

光纤通信技术作为通信产业中的支柱，是我们现如今社会中使用最多的通信方式。即使在现在的社会当中，光纤通信技术得到了十分稳定有效的发展，但是现在科技发展如此之快，越来越多的新技术涌现出来，我国的通信技术水平也得到了明显的改善与提高，光纤通信的使用范围和价值也在悄悄地扩张。但是光纤通信技术为了迎合网络时代，必须有更高层次的发展，才能占据市场的主流地位。我相信随着光通信技术更加深入地发展，光纤通信一定会对整个通信行业甚至社会的进步起到举足轻重的作用。

参考文献：

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[4]李琦,赵秋明,段吉海.工程教育背景下“集成电路工艺”的教学探索[J].中国电子教育,2011(01).

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近年来，我国高等职业技术教育发展迅猛，规模迅速扩大。另一方面，随着我国社会经济的快速发展，企业对技能型劳动人才的需求大幅增加，对技能型劳动人才的综合能力亦提出了更高的要求。虽然对高等教育大众化和社会经济的发展作出了突出的贡献，但也带来了突出的问题。课程体系是一个专业所设置的课程相互间的分工与配合，课程体系是否合理直接关系到培养人才的质量。高等学校课程体系主要反映在基础课与专业课、理论课与实践课、必修课与选修课之间的比例关系上。课程改革是高职教学改革的核心和难点。由于高职开设微电子技术专业的时间较短、学校较少，形成半导体产业链的区域还比较少，因此对微电子技术专业的人才定位、课程体系等都还不很完善，从而给本专业的人才培养带来不确定因素，不利于专业的发展，也难以满足微电子技术行业企业对人才的需求。本文即针对以上问题展开一些有益的探讨与实践。

 

一、构建课程体系的总体思路

 

构建微电子技术专业课程体系的总体思路是以微电子行业职业岗位需求为依据，以素质培养为基础，以技术应用能力为核心，构建基于工作过程的课程体系。实施学院“四环相扣”的工学结合人才培养模式，将“能力标准、模块课程、工学交替、职场鉴定”的四个环节完整统一，环环相扣，充分体现了高职教育工学结合的人才培养思想，努力为社会培养优秀高端技能型人才。

 

1.基于工作过程的课程体系的理论基础。基于工作过程的课程体系的理论基础，主要从德国“双元制”职业教育学习论和教学论的角度阐述构建基于工作过程的课程体系的理论依据。工作过程系统化的课程体系必须针对职业岗位进行分析，整理出具体的、能够涵盖职业岗位全部工作任务的若干典型工作过程，按照人的职业能力的形成规律进行序列化，从中找出符合职业岗位要求的技术知识和破译出隐性的工作过程知识，并以工作任务为核心，组织技术知识和工作过程知识[2]。通过完全打破原有学科体系，按照企业实际的工作任务、工作过程和工作情境组织课程，形成围绕工作过程的新型教学项目的“综合性”课程开发。

 

2.行业、企业等用人单位调研。通过调研国内(“成渝经济区”为主)微电子技术行业、企业等用人需求和要求，了解现有高职微电子技术专业学生就业情况、用人单位反馈意见及人才供需中存在的问题。电子信息产业是重庆市国民经济的第一支柱产业。重庆市“十二五”规划建议提出，培育发展战略性新兴产业。把新一代信息产业建设为重要支柱产业，建设全球最大的笔记本电脑加工基地、建设通信设备、高性能集成电路、光伏组件及系统、新材料等重点产业链(集群)，建成国家重要的战略性新兴产业基地。以集成电路产业的重点项目为牵引，建成包括芯片制造、封装、测试、模拟及混合集成电路设计和制造等项目的产业集群，形成较为完善的集成电路产业链;四川电子信息产业未来5年将迈万亿元，成渝经济区将打造成西部集成电路的产业高地。随着惠普、富士康、英业达、广达集团等世界级的IT巨头进入成渝，未来几年IT人才需求在20万以上，而现在成渝地区每年培养的相关人才不过2万人左右，远远不能满足社会需求。市场需求的调查表明，近年来成渝地区IC制造、IC封装及测试、IC版图设计等岗位的微电子技术应用型人才紧缺。同时调研表明半导体行业企业却难以招到满意的人才，学生在校学非所用，用非所学，实践动手能力、社会适应能力、责任意识、职业素养难以满足企业要求。

 

3.形成专业定位，确定培养目标。根据存在的问题及半导体产业链过程：集成电路设计裸芯片精细加工封装测试芯片应用PCB设计制造，充分掌握现有微电子技术专业课程体系建设的基础及存在的问题，形成重庆电子工程职业学院微电子技术专业定位，确定培养目标：培养德、智、体、美全面发展;掌握微电子技术专业领域必备的基础知识、专业知识;有较强的岗位职业技能和职业能力;面向集成电路设计、芯片制造及其相关电子行业企业，满足生产、建设、服务和管理第一线的优秀高端技能型专门人才。毕业生应该既掌握微电子方面的基本技术，又具有很强的实际操作能力。具体可从事岗位：集成电路版图设计;半导体器件制造;IC制造、测试、封装;电子工艺(半导体)设备运行、维护与管理;简单电子产品的设计与开发;电子产品的销售与售后服务，并为技术负责人、项目经理等后续提升岗位奠定良好基础。

 

二、构建基于工作过程的学习领域课程体系

 

对专业核心课程的构建采用“微电子行业专家确定典型工作任务学校专家归并行动领域微电子行业专家论证行动领域学校专家开发学习领域校企专家论证课程体系”的“五步工作机制”，实现校企专家共同参与课程体系设计。通过工作任务归并法，实现典型工作任务到行动领域转换，通过工作过程分析法，实现从行动领域到学习领域转换，通过工作任务还原法，实现从学习领域到学习情境转换的“三阶段分析法”，构建基于工作过程的微电子技术专业课程体系和教学内容，获得人才培养目标、课程体系、课程教学方案“三项主要成果”。即“533”课程设计方法。

 

1.确定典型工作任务。所谓典型工作任务是指一个复杂的职业活动中具有结构完整的工作过程，它是职业工作中同类工作任务的归类，能表现出职业工作的内容和形式，并具有该职业的典型意义。我院召集企业专家和工作在一线的工程师、技术员，与学院的微电子技术专业教师一起，召开课程开发座谈会，进行微电子技术课程体系开发：以“集成电路(版图)设计晶圆制造封装测试表面贴装”工作过程为主线，与行业企业一线技术骨干、专家解析微电子技术专业岗位中版图设计师、半导体芯片制造工、IC测试助理工程师、SMT工程师、FPGA助理工程师等典型岗位，得出行动领域所具有的专业素质、知识与能力。

 

2.确定行动领域。工作过程系统化课程是按照工作过程要求序化知识、能力和素质，是以工作过程为参照物，将陈述性知识与过程知识整合、理论知识与实践知识整合，在陈述性知识总量没有变化的情况下，增加经验以及策略方面的“过程性知识”[3]。对典型工作任务进行归纳，确定行动领域。将本专业52个典型工作任务归纳为6个行动领域，即集成电路版图设计、晶圆制造、集成电路芯片制造技术、芯片封装、芯片测试、SMT技术。

 

3.将行动领域转化成学习领域。对完成典型工作任务必须具备的基本职业能力(包括社会能力、方法能力、专业能力)进行分析。通过归纳形成专业职业能力一览表。这些职业能力就是学习领域(即课程)中学习目标制定的依据。打破原有16门专业理论课程和9门实践课程组成的课程体系，按照以工作过程为导向，进行课程的解构与重构，将6个行动领域转换为9个学习领域，即集成电路版图设计、集成电路芯片制造技术、微电子封装与测试、表面贴装工艺与实施、电子线路板实用技术、电子测量仪器使用与维护、C语言、单片机应用技术、FPGA应用技术及实践。根据微电子技术专业岗位群的职业能力和工作过程要求，重新构建基于工作过程的课程体系。第一、二学期：电路分析、电子技术等基础课程;第三、四、五学期：集成电路制造技术、电子测量仪器使用与维护、FPGA应用开发实用技术、微电子封装与测试、 SMT技术、集成电路版图设计等专业核心课程。

 

4.形成学习情境模式。学习情境是实施基于工作过程系统化的行动导向课程的教学设计，由教师根据学校教学计划，结合学校的教学设施条件、教师执教能力和专长，由教师按照“资讯、计划、决策、实施、检查、评估”的行动方式来组织教学，从而促进学生对职业实践的整体性把握[4]。微电子技术专业核心课程形成的学习情境模式为：①集成电路版图设计课程以任务为载体形成6个学习情境：N/PMOS晶体管版图设计、反相器、与非门、或非门版图设计、触发器版图设计、电压取样电路版图设计、比较器版图设计、DC-DC版图设计;②集成电路芯片制造技术课程以设备为载体形成8个学习情境：集成电路芯片制造技术工艺流程、硅晶圆制程、硅晶薄膜制备、氧化工艺、掺杂技术、光刻工艺、刻蚀工艺、集成电路芯片品检;③微电子封装与测试课程以工艺为载体形成4个学习情境：DIP封装、BGA封装、CSP封装、MCM封装;④表面贴装工艺与实施课程以工艺流程为载体形成5个学习情境：SMT工艺流程的基本认知、表面贴装生产准备、表面贴装设备操作与编程、表面贴装品质控制、SMT生产线运行及工艺优化5个学习情境;⑤电子线路板实用技术课程以项目为载体形成3个学习情境：单面板的制图与制板、简单双面板的制图与制板、复杂双面板的制图与制板;⑥电子测量仪器使用与维护课程以电路设备为载体形成9个学习情境：收音机元件准备、收音机电路测试、收音机电路工作状态检测、收音机整机调整、收音机装调使用仪器的保养与维护、电视机元件检测、电视机电路检测、电视机的质量检查、电视机装调使用仪器的保养与维护;⑦C语言课程以项目为载体形成6个学习情境：编程的基本概念、C语言上机步骤C语言上机步骤、算法的概念、基本数据类型、结构化程序设计、函数的概念;⑧单片机技术及应用课程以任务为载体形成6个学习情境：“跑马灯”电路分析与实践、单片机做算术、逻辑运算并显示、开关信号状态读取与显示电路的制作、交通信号灯电路的设计与制作、产品数量统计电路的设计与制作、两台单片机数据互传;⑨FPGA应用技术及实践课程以项目为载体形成6个学习情境：课程概述、基于QuartusII的原理图输入设计、宏功能模块应用、基于 QuartusII软件的VHDL文本输入设计、VHDL设计、实用状态机设计。

 

三、试点实施效果分析

 

在教学实施上，重点是加强教师执教能力：教师在教学中的角色应由主宰者转化为引导者。教师应该主动地引导、疏导和指导学生，学生可以根据自己的兴趣爱好，在教师的指导下，充分利用各种资源，相互协作开展对某一问题的学习探讨，从而获得新知识，得到探索的体验及情感，促进能力全面发展。经过我院近3年的教学实践，课程教学效果得到显著提高，学生专业核心能力、岗位适应能力、社会能力显著提高，“双证书”提高到100%，专业对口率从原来的48%上升到92%，用人单位满意度达90%以上。

 

高职院校在办学过程中要形成特色鲜明的高职办学模式，课程体系是重要的载体。办学特色正是通过课程体系的实施来实现的。基于工作过程系统化的课程体系，跟随产业的发展，调整专业的课程设置，符合职业岗位要求，学生技能显著提升，同时结合我院的办学特色，努力探索基于工作过程的高职微电子技术专业课程体系的构建思路和构建策略。

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笔者所在学院也开设了该门课程，原来的教学方案是先学习相关电子电路知识，介绍使用的设备，设计了几个实验，让学生完成几个实验的焊接、调试。在目前全国均在推行一体化课程改革过程中，笔者通过设计一个整体项目，分模块实施，让学生按照一个项目的模式来学习。在具体教学中，分拆了一个个任务，采用任务引领型课程的方式，让学生逐步掌握课程知识和技能。这里采用了“多功能数字钟”的设计与制作为项目总目标。

一、整体设计思路

以综合实训多功能项目数字钟为任务引领，将项目分成6个模块，每个模块都以实训内容带动相关理论知识的学习。前期采用化整为零的方式，将综合实训项目分成6个模块来实施，分别进行制作、调试、测试，并将相关理论知识融合在实训项目中，使学生在实训中感悟理论。6个模块分别包括：振荡器电路、分频器电路、分秒计数器电路、小时计数器电路、显示译码电路、校时电路。6个模块分别调试完成后，就要采用积零为整的方式，将6种模块合在一起，完成数字钟主体电路的制作与调试，最后设计并组装一个多功能数字钟电子产品。

二、材料工具准备

预计用到的集成电路包括：（1）74LS48：BCD―7段译码驱动器，用来驱动共阴极的数码管显示器；（2）74LS74：双D触发器；（3）74LS191：单时钟4位同步加/减可逆计数器，是BCD码十进制计数器；（4）74LS92：二―六―十二进制计数器异步计数器；（5）74LS90：二―五―十进制计数器异步计数器；（6）555：集成定时器，因内部有三个5千欧电阻而得名；（7）BS202：7段发光共阴数码管，每段的驱动电流最大为15mA。

其他常用的电阻、二极管、三极管若干。

主要工具设备有示波器、万用表、数字实验台和直流稳压电源等电子仪器设备。

三、项目实施要点

首先是检查各元件。电阻、电容、各集成芯片，检查各逻辑功能。在插接安装阶段，要注意以下几点：（1）集成电路的插接应认清方向，不要倒插，所有集成电路的插入方向要保持一致，注意引脚不要弯曲；（2）元器件的位置要根据电路的各部分功能确定元器件在PCB板上的位置，相互有影响或产生干扰的元器件应尽可能分开或屏蔽，输入级与输出级之间要尽量安排远一些；（3）连接用的导线要紧贴电路板，避免接触不良，连线不允许跨接在集成电路器件上，一般从集成电路器件周围通过，尽量做到横平竖直，导线就尽可能短一些，避免交织混杂在一起；（4）接地的处理，线路组装时，电路之间要共地。

其次是调试。要对照电路图检查电路元器件连接是否正确，器件引脚、二极管方向、电容极性、电源线、地线是否接对，焊接是否牢固。要按功能模块分别调试，步骤可分为：（1）首先调整振荡电路部分，以为其他电路提供标准的时钟脉冲信号；（2）然后调整控制电路的分频器；（3）调整信号处理电路、计数、译码、显示；（4）调整按时电路。

最后是产品组装。主体电路安装调试完成后，将其放置在一个外壳盒里，在此可以让学生自己动手设计这个外壳盒并将其组装好，最终完成一个DIY数字钟电子产品。

四、技能考核方案

直接采用一体化考核方式，在每个模块设置考核环节，占50%，最后整体设备制作及答辩占50%。其中，模块考核主要包括以下几项：（1）元件的检查与选择；（2）按照给出的线路正确接线；（3）电路的调试，主要考核主要工具设备（如示波器、万用表、数字实验台和直流稳压电源）的使用；（4）电路测试，主要检查模块功能是否满足要求；（5）简述电路的工作原理，考核对相关知识的掌握程度。每个任务模块按ABC等级评定，A是指能高质、高效地完成此能力目标的全部内容，并能解决遇到的特殊问题；B指能按时完成此能力目标的全部内容； C指能在老师或同学的帮助下完成此能力目标的全部内容。

五、教学过程

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关键词:PC机;C语言;单片机;硬件;集成块;数字集成电路测试仪

中图分类号:TN431文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0035-02

在数字电路实验室,集成块是常见的,由于它的体积较小,性能的好坏很难判断。因此,这里提出运用了单片机原理、C语言、通信原理、低频电路、数字电路等基本知识,设计了一台基于PC机的数字集成电路通用测试仪。这里主要探讨硬件电路构思与设计。

该测试仪主要是运用单片机的接口与显示程序和C语言的串行通讯程序来测试14管脚、16管脚的74Ls系列的集成块好坏。主要用到单片机CPU集成块89C51、驱动器集成块164、通信集成块232。该测试仪运用发光二极管实测灯与标准灯的发光情况相比较,来判断其好坏。该方法简单方便,是实验室不可缺少的工具之一。

一、想法的来源

一块小小的集成块,如何才能判断它的好坏呢?当然,有一些集成块在工作时是可以用万用表测量其管脚电压来判断它的好坏,但是比较麻烦。

“数字集成电路通用测试仪”,目的是能够简单而且方便地测试集成块的好坏。它主要是运用单片机的汇编语言和C语言来编程,还要用到通信原理、数字电路等知识。

该测试仪可以单拍测试,也可以连续测试,通过串行通讯送过来的数据,用发光二极管的发光情况来判断。用实测灯(绿色二极管)与标准灯(红色二极管)的亮暗来比较,如果两者发光情况一致,则表示通过,说明集成块是好的;如果不一致,则表示通不过,说明有管脚坏了。

有了这种测试仪,我们可以很方便地判断集成块的好坏,减少了实验室人员的工作量,具有很强的实用性。

二、总体设计

(一)技术指标

1.测试管脚数≤16PIN;

2.测试速度

3.测试品种可任意更换。

(二)技术要求

1.能对各种数字集成电路进行功能测试。

2.可连续测试,连续测试时,每按一次按钮,可全部测完,发光二极管上给出合格(失败)判断,并将测试结果在PC机上显示。

3.也可单拍测试,单拍测试时,每按一次按钮,进行一个节拍的测试并在显示器显示节拍号。

4.通过键盘操作,可将盘上的品种程序调入测试仪,测试结果通过串口回送PC机,PC机在屏幕上能显示合格管脚图形及实测管脚图形。

(三)硬件设计

对于生活在现代科技发达的社会技术人员来说,软件已经成为一种时尚,有了软件,提高了现代人生存的速度,但是,有些软件的应用必须在硬件的基础上才能够使用。对硬件电路的设计不但要熟练掌握低频电路原理、高频电路原理、数字电路原理、还得熟练掌握电子设计自动化(EDA)的技术。

(四)软件设计

软件设计和硬件设计必须结合进行。在本次课题设计中,主要是运用LCAW软件和C语言进行编程,用PROTEL软件画原理图。

基于PC机的数字集成电路通用测试仪设计时所用到的元件比较多,设计时必须根据原理图仔细安装,熟练掌握有关软件的使用,并且特别要注意软、硬件的结合使用。

三、硬件电路的设计

如一般的计算机系统一样,单片机的应用系统由硬件和软件所组成。硬件由单片机、扩展的存储器、输入/输出设备等硬部件组成的机器,软件是各种工作程序的总称。硬件和软件只有紧密结合、协调一致,才能组成高性能的单片机应用系统。在系统的研制过程中,软硬件的功能总是不断地调整,以便于相互适应。硬件设计的任务是根据总体设计要求,在所选择的机型的基础上,具体确定系统中所要使用的元器件,设计出系统的电路原理图,必要时做一些部件实验,以验证电路图的正确性,以及工艺加工的设计加工、印制板的制作、样机的组装。

(一)硬件设计要点

一个设计确定后,经过详细调研,可能产生多种设计方案,在众多的设计方案中怎样选择?为使硬件设计尽可能合理,应重点考虑以下几点:

1.尽可能选择功能强的芯片,以简化电路。

2.留有余地。在设计硬件电路时,要考虑到将来修改、扩展的方便。ROM空间、RAM空间、I/O端口,在样机研制出来后进行现场试用时,往往会发现一些被忽略的问题,而这些问题是不能单靠软件措施来解决的。如有些新的信号需要采集,就必须增加输入检测端,有些物理量需要控制,就必须增加输出端。如果在硬件设计之初就多设计出一些I/O端口,这个问题就会迎刃而解;A/D和D/A通道和I/O端口同样的原因留出一些A/D和D/A通道,将来可能会解决大问题。

3.以软代硬。单片机和数字电路本质的区别就是它具有软件系统。很多硬件电路能做到的,软件也能做到。原则上,只要软件能做到的就不用硬件。硬件多了不但增加成本,而且系统故障率也提高了。以软代硬的实质是以时间代空间,软件执行过程需要消耗时间,因此,这种代替带来的不足就是实时性下降,在实时性不高的场合,以软代硬是很合算的。

4.工艺设计。包括机箱、面板、配线、接插件等。必须考虑到安装、调试、维修的方便。另外,硬件抗干扰措施也必须在硬件设计时一并考虑进去。

(二)所用芯片介绍

硬件设计的步骤中的第一步就是查找可能涉及的芯片的资料。这是一步非常重要的步骤。它是硬件电路设计正确性和可靠性的基础。

1.89C51芯片的简介。AT89C51是一种低功耗、高性能内含4K字节闪电存储(Flash memory)的8位CMOS微控制器。片内闪电存储器的程序代码或数据可在线写入,亦可通过常规的编程器编程。AT89C51芯片内部具有下列硬件资源:4K字节闪电存储器,128字节RAM ,32条I/O线,两个16位定时/计数器,五源两级中断结构,全双工串行口,片内震荡器及时钟电路等。AT89C51片内含三个封锁位,若封锁位LB1已被编程,则EA引脚上的逻辑电平在芯片复位时被采样并锁存。但如果该器件上电时无复位,那么相应锁存器便被初始化为随机值,此值将保持到复位时止。片内闪电存储器的编程,AT89C51片内存储器售后通常处于擦除状态,即每一地址单元内容均为FFH,人们随时可对其编程,编程电压有高压12V的,也有低压5V的低压编程方式为在用户系统内对AT89C51进行编程提供了方便;而高压编程方式则与常规的闪电存储器或EPROM编程器相兼容。

2.RS-232芯片的简介。RS-232是美国电气工业协会推广使用的一种串行通信总线标准,是DCE(数据通信设备,如微机)和DTE(数据终端设备,如CRT)间传输串行数据的总线。TC232内部有两个发送器和两个接受器,还有一个电源变换器,是一种廉价RS232电平转换器, RS232C虽共有25根信号线,但在近程通信不需要调制解调器的情况下,一般只用少量信号线。若采用直接通信,则通常只用TXD和RXD及地信号线。

3.164芯片的简介。方式0是外接移位寄存器的工作方式,用以扩展I/O接口。输出时将发送数据缓冲器中的内容串行地址到外部的移位寄存器,输入时将外部移位寄存器内容移入内部的移位寄存器,然后写入内部的接受数据缓冲器。在以方式0工作时,数据由RXD串行地输入/输出,TXD输出移位脉冲,使外部的移位寄存器移位。方式0输出时,串行口上外接74LS164串行输入并行输出移位寄存器的接口。TXD端输出的移位脉冲将RXD端输出的数据移入74LS164。CPU发送数据缓冲器SPUF写入一个数据,就启动串行口发送,对SBUF的写信号在S6P2时把1写入输出移位寄存器的第9位,并使发送控制电路开始发送。内部的定时逻辑在对SBUF写和SEND被激活(高电平)之间有一个完整的机器周期。在SEND有效时,输出移位寄存器中输出位内容送RXD端输出,移位脉冲由TXD端输出,它使RXD端的输出数据移入到外部的移位寄存器。

(三)硬件电路的设计

硬件电路的设计如下图所示:

参考文献

[1]张友德,赵志英,涂时亮.单片微型机原理/应用与实验[M].上海:复旦大学出版社,1996.

[2]周仲.国内外常用集成电路互换手册[M].上海:上海科学技术文献出版社,2001.

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【关键词】组合逻辑电路；电路设计；解决方法

随着数字电子技术的不断发展，数字电路已被广泛应用于现代数字通信、自动控制、数字计算机、数字测量等各个领域，并已深入我们的日常生活中。数字电路又称逻辑电路，可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两种。它们的区别在于时序逻辑电路有存储单元，具有记忆功能。而组合逻辑电路没有，它只由常用门电路组合而成，即没有从输出到输入的反馈连接，它的输出仅决定于该时刻的输入状态。在对组合逻辑电路原理进行设计时，可采用以下方法步骤：（1）分析设计要求，理清输入与输出的端口数和相互关系；（2）根据分析结果，设定变量并进行状态赋值，再列出相应的真值表；（3）由真值表写出逻辑电路的输出表达式；（4）利用卡诺图或逻辑公式将输出表达式进行化简；（5）根据最简表达式画出相应逻辑电路图。按照上述方法步骤，组合逻辑电路原理设计就完成了，但实际设计工作除此之外，还包括电路器件的选择，安装和调试等过程。而往往就是在这些环节中容易遇到问题，现将常遇问题及解决方法归纳如下：

1.接口电路的电平转换

在设计组合逻辑电路时，常常由于速度、功耗和带负载能力等问题需要将TTL门电路和CMOS门电路混合使用。这两种门电路的电源电压、参数指标等均有所不同，因此不能直接连接，而需要借助于接口电路。接口电路是指不同类型逻辑门电路之间或逻辑门电路与外部电路之间有效连接的中间电路。接口电路的设计主要分以下两种情况：第一，用TTL门电路驱动CMOS门电路。TTL门电路的电源电压为+5V，而CMOS的电源电压范围是3～18V，因此需要将TTL输出的高电平值升高来驱动CMOS门电路。方法是利用TTL门电路中的OC门做接口，适当选取OC门的外接电源和电阻来满足CMOS门电路对电源电压的要求。由OC门的功能分析可知，OC门输出的低电平约等于0.3V，高电平约等于UCC。所以，改变电源电压可以方便地改变其输出高电平。图1第二，用CMOS门电路驱动TTL门电路。方法是应用六反相缓冲器等专用接口器件直接驱动TTL负载电路，如图1所示。这类专用接口器件使用电源为+5V电源，与TTL负载电路一致，输入端允许超过电源电压，可与CMOS门电路电源相配合使用。

2.扇入问题

扇入问题是指门电路输入端口与实际电路输入端口的关系，一般分以下两种情况：（1）门电路多余输入端的处理设计电路时，需要用到的集成门电路的输入端多于实际电路需要的输入端数时，就需要将多余的输入端进行处理。在保证输入正确逻辑电平的条件下，可将多余的输入端接高电平或低电平。如果是与门或与非门，应将多余的输入端接高电平；如果是或门或或非门，应将多余的输入端接地或接低电平。为防止干扰，多余的输入端一般不能悬空。接高、低电平的方法可通过限流电阻接正电源或地，也可直接和地相连接，如图2所示。但要注意输入端所接的电阻不能过大，否则将改变输入逻辑状态。（2）门电路输入端少于实际电路需要输入端的处理当用到的集成门电路的输入端少于实际电路需要的输入端数时，可采用分组的方法进行解决。例如，实际电路需要与非门输入端口为A、B、C、D共4个，但集成门电路是2输入端与非门，可按以下分组连接解决，输出Y=，如图3所示。

3.扇出问题

逻辑电路的扇出问题，主要是指它的带负载能力，即在设计电路时，可能存在一个门电路的输出端所带的负载门太多，超出了它的带负载能力。门电路的带负载能力主要通过扇出系数N来说明，它代表电路能驱动同类型门电路的最大个数。当输出高电平、带拉电流负载时：如果NH≠NL，则把较小的个数定义为扇出系数。在设计电路时，可采用扇出系数大的门电路作为输出门。在设计组合逻辑电路时，除了以上所分析的问题外，还有一些细节需要注意的。如：用中规模集成电路实现组合函数会使电路连接简单很多；对逻辑表达式的变换与化简，是尽可能使其与给定的组合逻辑器件的形式一致，而不是单纯简化；设计时应考虑合理充分地应用组合器件的功能，应尽量选用结构原理比较简单的，但数量又少的器件来满足设计要求。综上所述，要成功设计出一个组合逻辑电路不容易，要设计一个结构简单、功能完整、参数合理的组合逻辑电路就更难，这需要设计者不断地去尝试、安装和调试，从设计的过程去积累经验。

参考文献

[1]余孟尝.数字电子技术基础简明教程(第三版)[M].高等教育出版社,2007,01.

[2]秀.电工电子学[M].高等教育出版社,2014,07.

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关键词：《电子线路》；课程改革；实践教学

《电子线路》是一门技术基础课，是为专业课学习打基础的，起到承上启下的作用。但是，高职院校《电子线路》课程教学普遍存在着以下几个问题：（1）现行《电子线路》教材内容落后，以分离元件电路分析为主，集成电路介绍为辅的课程体系远不能适应目前电子设备中集成电路大量推广使用的客观现实。（2）高职院校《电子线路》教材理论水准定位偏高，给自学能力、理解能力和知识接受能力还不强的职校生带来了困难。（3）教学过程中重理论、轻实践，重系统知识、轻专业需要和知识应用的问题表现得十分突出，这和职业教育要从学科型转到职业能力型的要求相矛盾。因此我们要从教学思想、教材体系、教学内容、教学方法等各方面进行课程改革，以便建设《电子线路》新的课程体系。那么，如何使《电子线路》课程的教学更加符合培养学生职业能力的要求呢？下面结合教学实践谈谈《电子线路》课程改革的基本思路。

适当降低理论深度，突出物理概念，理论联系实际，使课程内容和体系更好地为高职院校教育这一层次服务高职院校培养的是懂技术、懂管理、能操作的应用型高级人才。在知识结构方面，基础理论要少而精。然而就目前采用的全国统编《电子线路》教材来看，教材内容和结构基本上没有摆脱大学教材的框架，某种意义上可以说是大学教材的浓缩，内容一般都较深，理论水准定位偏高，使得很多学生对教学内容难以理解消化。加之学生在前面课程的学习中形成了严格分析与计算的习惯，《电子线路》课上第一次碰到工程估算的概念，很不适应，于是学不懂《电子线路》的内容，造成了被动局面。因此必须降低教材的理论深度，对内容合理取舍、深入浅出，突出物理概念。对课程中有些较为复杂的公式，在讲清物理意义的前提下可不作具体的推导，使教材内容和学生的知识能力相适应。对传统的分析方法应有取舍，如三极管的电流放大作用，统编教材上沿用大学教材模式，从三极管内部载流子运动过程进行分析，学生很难理解。若采用三极管的电流分配关系进行分析，内容篇幅少了很多，学生对三极管的电流放大作用的概念就很容易接受。再如适用于分离元件功放电路的图解法，负反馈放大器的开闭环算法等，可不再作为主要的电路分析法。对于像二极管整流，调谐放大器，功率放大器等内容，若能理论联系实际，结合一些生产实例讲授教学内容及其应用，还能起到事半功倍的效果。

紧跟电子技术的发展，改革课程内容和体系从教学法的观点来看，课程体系恰当与否直接影响教学质量的好坏。一个好的课程体系，不仅要符合初学者的认识规律，而且应当注意经典理论与先进科技的适当结合。从上世纪60年代集成电路问世起，随着电子技术的飞速发展，模拟集成电路块的种类愈来愈多，功能愈来愈强，在许多电子设备中已经改变了用分离元件组装电子线路的传统作法。这就给电子技术人员的培训方法及要求带来新的要求，过去要求技术人员根据输入和输出条件逐级分配指标、逐级设计的传统方法，而现在取而代之的是正确选择和使用集成电路块及其附加电路和接口电路等。因此，《电子线路》课程应在确保基础的前提下，跟踪电子技术的发展，建立以集成电路为主干的新课程体系，例如在讲好半导体基本知识和讲清基本放大电路概念的基础上，围绕着模拟集成电路讲分离元件电路。可以适当压缩一些内容，如多级放大器的分析与设计、放大器微变等效电路分析法等。像负反馈放大器的分析、功率放大器等内容可以借助于集成电路进行讨论。从而用较多的时间去培养和提高学生的实践动手能力。

根据专业教学需要，专业工作需要和岗位职业能力的需要，确定课程教学内容传统的教学模式是先有教材，教师根据教材编写授课计划，讲授学科内容。编写教材一方面要兼顾学科的系统性、完整性，同时又要考虑发行后教材使用的广泛性，这样的教材针对性自然不强。各专业对《电子线路》课程内容及深浅程度要求不尽相同，两者差异的存在使得授课内容一定意义上脱离了专业需要，专业必需的内容没有讲，客观上造成人力、物力的浪费和一些必需知识的残缺。毕业生常感到“在学校学习的某些知识在工作中根本用不上”。许多毕业生不能很快上岗操作，需要一个较长的适应期。这从一个侧面反映教学与岗位工作相脱节，学生的专业能力不适应工作岗位的需求，甚至滞后于科技的发展，所以在《电子线路》的教改中，我们应瞄准岗位目标，实施能力教学，不要过多地考虑知识容量，而以学生学习专业课和毕业后直接从事岗位需求为准讲授课程内容。以下几点在教学过程中值得考虑：（1）建立以职业能力为中心的课程体系，要针对培养职业能力的目标来定教学内容和教学大纲，要深刻理解专业课培养学生职业能力目标。针对不同专业制定《电子线路》所需要掌握的内容。（2）在给各专业班级分配任课教师时，一定要考虑该教师所学或者从事过的专业，尽可能做到专业与教学内容对口。（3）积极创造条件，争取在三到四年内让每位任课教师参加一定的专项生产实践，以便更好地熟悉专业及其发展趋势。（4）《电子线路》课程的各任课教师要经常和与其他专业课教师座谈，及时掌握专业课教学对《电子线路》的要求，并结合专业课的实例来充实教学内容。

加强工程实践训练，实行三层次实践教学《电子线路》课是实践性很强的技术基础课，对于培养和提高学生实践动手能力，突出高职院校办学特点具有显著的作用，因此必须加强实践教学环节。受过去学科型教育思想的影响，长期以来《电子线路》实验依附于《电子线路》理论教学，实验只是作为验证理论的补充，而不是作为培养能力的重要途径。实验教学以二多（分离元件实验多，验证性实验多）、二少（实验课时少，实验占本课程成绩比例少）为主要特点。多数学生不重视实验，往往是一看（看实验指导书）、二抄（抄实验数据）、三完成（完成实验）。这几年许多学校进行了实验教学改革，适度增加了实验课时，增多集成电路实验次数，实验单独设课，这些都在一定程度上提高了实验课的教学质量，加强了对学生能力的培养。但要从根本上提高学生的实践动手能力，还是要从实验课内容和教学方法上进行改革，其立足点是“学”而不是“教”，根本目的在于创造一个良好的教学环境，组织吸引学生积极主动地参与实验教学过程，变被动实验为主动实验，激励学生自主实验学习，让他们在实验学习中学出兴趣，获得知识。三层次实践教学正是基于这样的考虑而设计的。所谓三层次实践教学就是把实验内容分为基本实验、提高性实验、综合练习三个层次，各层次的实验内容，要求及指导方法由浅入深，由易到难，以符合学生的认识规律，对基本技能、基本方法做到反复练习，做到“熟能生巧”。基本实验是对学生实验基本理论、基本方法、基本技能等“三基”进行初步训练。可安排在前面验证理论的五个实验中，内容包括常用仪表练习，常用元器件的识别、测试与应用，基本放大电路和运算放大电路的静态、动态测试，测量数据的处理、误差分析等。这样安排便于学生入门，提高其实验兴趣，同时也为以后实验打下基础。电子仪表是电子实验的工具，一定要熟练掌握其实验方法，放大器的静态、动态测试是电子实验的基础也要反复练习，掌握各种测试方法和技巧。提高性实验安排在基本实验之后的其他十个实验中，内容有研究特性指标、分析与排除故障、焊接与调试电路，目的是进一步加强和提高学生实验的“三基”。这时实验讲义可根据需要写得简明扼要，对一些基本要求安排得多一些，并且反复练习。有些内容如焊接实验电路板、拟定实验步骤、设计实验记录表格可在不同的实验中让学生完成其中的一项或两项。综合练习安排在期末，集中一段时间（三周或四周）进行，以培养技术人员应有的能力为主要任务，对学生进行综合练习，在动手与动脑的协作中完成知识技能的结合，使之成为课程的综合能力。具体有以下几个方面：读识绘制电路图的能力；查阅技术资料的能力；选用器件和电路，分析估算电路的能力；搭接调试电路的能力；分析排除故障的能力；制作电路产品，解决工艺问题的能力。综合练习教师只需给出练习课题和技术指标，其他具体工作如查资料、定方案、选择电路、制作印刷电路板、选择仪表、组织实验、分析实验结果等则是在教师的指导下由学生独立完成。综合练习课题选择得是否适当直接关系到它的教学效果，在选题时既要考虑所选课题应能使学生综合应用所学理论和技能，达到培养能力促进理论学习，促进技能训练的目的，又要考虑学校的实际条件和学生的知识能力。注意不能脱离学生的原有实验基础，避免综合性太强、太复杂，应使绝大多数学生经过努力可以在规定的时间内完成为标准。

当然，要保证课程改革顺利进行，只有正确的改革思路还不够，还需要一定的辅助条件作保证，如：（1）课时分配。目前高职院校《电子线路》课程中理论课时比较多，实践课时比较少，在以能力为本位的新体系中，我们要在“必需、够用”的前提下，精讲理论，以便拿出更多的时间去加强实践教学。（2）教师业务能力的提高。现在任教《电子线路》课程的教师大都是大学或研究生毕业后直接分配到高职院校的，他们理论水平较高，实践动手能力较差，不利于培养学生的动手能力，需要学校创造条件，逐步提高教师的实践动手能力。（3）课程改革与专业改革的相容性。要提高学生能力，满足岗位需求，单靠改革《电子线路》一门课程是不可能实现的，只有把《电子线路》课程改革和专业结构及专业课程改革结合起来同时进行，学生的专业能力才能提高，才能满足岗位需求。

参考文献

[1]康光华.电子技术基础（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]任为民.电子技术基础课程设计[M].北京：中央广播电视大学出版社，1997.

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传感器应用课程是高职院校自动化、物联网、机电等专业的专业基础课，主要涉及传感器的原理、特性参数、使用方法以及测量电路等重要知识内容。学习传感器课程后，学生掌握常见传感器特点和使用方法，能解决实际测量所遇到的问题。传感器应用是实践性非常强的课程，因此在授课过程中，采用传统的课堂教学方法很难取得较好的教学效果。

项目教学法能够让学生在老师的指导下以小组为单位完成项目方案设计、实施最终完成项目任务[1]。在整个教学过程中教师只是引导、辅助作用，学生才是项目的真正完成者。通过完成项目，实现理论与实践相结合，既实现知识理解和运用，又能提高技能，是一个合理的教学方法。因此，项目教学法是提高学生传感器技能水平的有效的方法[2]。

二、项目教学方法实施

人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医疗卫生等等各个领域都与温度密切相关，因此，在传感器课程中温度传感器是必须要掌握的部分[3]。怎样在温度传感器课程中实施项目教学方法呢？需要明确以下几个步骤：确定项目、知识准备、方案确立、任务实施、实验调试、项目报告撰写、检查评估等。

2.1 确定项目

项目的内容确定是项目教学中最重要的一个环节，主要根据学生的培养计划、教学大纲的相关资料确定[4]。项目设计要将理论知识与实践内容有机结合，要让学生在项目中学习到传感器相关知识，同时又具有工程实践的可操作性。在温度传感器的章节中，学生应重点掌握几种温度传感器的工作原理和使用方法，了解其工作特性和重要参数和测量电路，重点掌握热电偶、热敏电阻的典型应用，同时在实际的运用中集成电路芯片的使用方法也同样需要学生能够掌握。为了实现这一教学目标，我们以制作简易温度计作为课程的项目课题，让学生亲自选择温度传感器，完成测量电路的搭接和系统整体设计。

项目确定好后，对项目任务进行分配：将学生分成4人一组，各小组内成员共同合作完成项目要求。采用课堂知识讲授2学时，项目任务布置0.5学时，学生方案确立1学时，项目任务实施与调试4学时，项目成果展示1学时，项目总结与评价1.5学时的课时分配。项目完成后，各组完成一个项目产品，每人提交1份项目总结。

2.2 知识准备

温度传感器是随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化。温度传感器就是利用物质的不同物理性质制成的。温度传感器的测量方法可以分为接触式和非接触式两大类。常用的测量方法是接触式测温方法，该类温度传感器有热电偶、热电阻、集成温度传感器（例如AD590、DS18B20）等。在温度传感器选型时，教师向学生介绍热电偶、热电阻、集成温度传感器等的相关知识，主要包括各类温度传感器的测温原理及各自特点。由学生们选择合适的传感器作为自己的温度计所需的温度传感器，通过选型，巩固课堂所了解的知识内容。

根据前期的调研、相关资料查阅，学生讨论等过程，了解每种传感器测温的典型电路。其中，热电偶输出信号非常小，输出信号为0-10.356mV的微弱信号，其A/D转换器所需电压在0-5V范围内，因此对放大器要求很高。工业中热电阻测量范围一般在-200～500，热电阻放大调理电路一般采用增益高、含有内部频率补偿的双运算放大器配合恒流源电路来驱动热电阻，将温度信号转换成电压信号，并进行相关输出。集成温度传感器是把半导体温度传感器与后续的放大电路、信号处理电路等，用集成电路工艺技术制作在同一芯片上的集成功能器件。经过教师和小组讨论，资料比较，确定传感器芯片型号。

2.3方案确立

传感器型号确定好后，由小组组长对各成员进行任务分配，确定系统方案设计、可行性分析、硬件搭建、系统调试、质量评估等工作安排。通过分析讨论，完成温度计控制电路设计方案，由老师和学生共同讨论方案的可行性，最终确立温度计控制电路方案。图1中是温度计控制系统框图。

2.4任务实施

温度计的设计方案确定好后，小组成员开始着手设计控制方案中各个模块所选择的器件，基本的控制器选择AT89C52型号的单片机，电源模块由外部USB电源接口供电，温度传感器选择集成电路芯片DS18B20作为感温元件，显示模块由四个数码管构成。整个过程由学生自行选择完成，教师给予相应的指导。各个模块确定好后，通过对比选择性价比最优的元器件作为方案的实施元件。小组成员记录采购的元件性价分析，作为项目整体评价的一部分。各组学生通过电路的搭建，电路设计和焊接完成温度计电路。图2-4为温度计控制电路中的电源、传感器和控制器电路。

2.5实验调试

经过前期的知识讲授、资料查询整理、方案确立、项目实施等过程后，温度计的制作实物已经完成，通过将程序下载，各个小组成员开始进行电路的装调与测试，完成项目最后的实验记录。在整个调试过程，出现如下问题：

1）温度传感器的引脚接线错误；

2）电源供电开关接线问题；

3）显示电路中出现紊乱；

4）温度计记录有偏差。

针对以上问题，指导老师及时纠正、适时指导，与学生共同完成故障排除。对于温度传感器引脚接线问题，进行单独指导，让学生真正明白温度传感器的原理。对于线路接线不仔细问题，要求学生认真检查和互查，完成错误纠正。另外，温度测量过程中产生误差，通过查阅温度传感器的特性，分析误差产生原因，利用温度补偿电路或更换误差小的温度传感器来加以比较解决。通过亲自制作调试，各小组最终完成温度计的制作。

2.6 项目总结与评估

学生完成项目后，项目检查评估尤为重要，教师要对各个小组所做项目进行检查与评价。通过教师、小组之间以及小组内部之间打分，最终给小组及每位小组成员确定成绩。对优秀作品加以表扬，并进行展示。由师生共同对整个项目进行总结，对项目中所涉及的知识进一步归纳，提出项目中出现的问题，给出解决办法。

2.7 项目报告撰写

温度计制作好后，对项目的知识准备、元件清单、工具型号、实验数据等进行记录。对测量中产生的误差加以分析、总结改进措施，做好项目总结。最后，学生提交一份项目总结报告，作为项目成绩的一部分。

三、项目教学方法总结

通过简单的温度计制作，让学生对传感器课程产生更浓厚的兴趣，便于以后教学工作的展开。在项目实施过程中，学生自己主动查阅资料、互助合作，提高了实践能力、自主学习能力和与人沟通合作能力。同时，教师在项目实施过程中，从项目立项、实施过程到最终项目总结，都要精心查阅资料、调研，并及时参与项目中来。通过指导、引领、监督、与学生共同合作等工作，改变以往教学思路，提高教学质量和教学效果。