电子电路设计实例范文

导语：如何才能写好一篇电子电路设计实例，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。

篇1

关键词：数字逻辑电路；立体化实验教材；实验报告

0 引言

教育部《关于全面提高高等教育质量的若干意见》的第八条明确提出强化实践育人环节。制订加强高校实践育人工作的办法，强化实践教学环节，结合专业的特点和人才培养要求，分类制订实践教学标准，增加实践教学比重，确保各类专业实践教学必要的学分（学时），配齐配强实验室人员，组织编写一批优秀实验教材，提升实验教学水平。“十二五”以来，这些有关加强实验教学改革文件的出台，表明深化实践教学方法改革，加强学生实践能力和创新能力的培养，已经到了刻不容缓的地步。教育部指出，要把加强实践教学方法和人才培养模式改革作为专业建设的重要内容。加强实践教学，实验教材改革是改革教学内容和教学方法的关键一环，实验教材质量的好坏、水平的高低直接影响到学生的培养质量。

1 目前实验教材存在的问题

目前，我国高校实验教材整体上没有摆脱依附并服务于课程的格局，而且以单一的纸质实验教材为主，其他形式的实验资源比较匮乏，传统教材能满足系统化实验教学的需要，但在培养学生创新能力和实践能力方面存在明显的不足。近年来，很多高校对传统实验项目和内容进行了一系列改革，减少了验证性实验项目，增加了综合性、研究性和设计性实验项目，但仍然没有脱离课程体系，只是传统实验项目的修改与增删，还是按照原有的知识体系，配合理论教学而开展的辅实验教学活动，其目的仍然是为了强化理论教学，帮助学生巩固和掌握理论知识，没有把学习方法作为实验教学的重点加以重视。在实验教材的内容编排上还是按照实验目的与原理，操作步骤与方法这一传统教材的样式，并没有从引导、启发的角度进行组织，一些学校自己印刷的实验指导书，离正式出版还有一定的距离，也没有其他数字化的辅导性材料。总之，现在的实验教材，按照粗放而统一的要求，让学生“按方抓药”式地进行验证，学生的自主学习能力和创新能力得不到锻炼。

“十二五”以来，深化实践教学改革，加强学生实践能力和创新能力的培养，实验教材的建设已引起各高校的重视。同时，科技的发展与知识的更新也促进了实验教学设备的改进，也促进实验教材的改进。因此，在实验教材的建设上，针对上述问题，必须按照学生的能力体系来构建实验教学体系，把信息技术与实验教学内容进行有效整合作为一个重要任务来抓，在写好传统纸质教材的同时，建设适合开放教学和创新能力培养要求的多媒体实验教学资源。

2 数字逻辑电路立体化实验教材建设

学习最终还是要归本的，教材是学生学习的主要参考书和理论依据，立体化实验教材主要包括实验教程（主教材）、实验报告、多媒体课件以及其他与实验有关的实验教学资源，立体化教材提供了一种综合性的教学资源，加快了实验教学内容、教学体系和教学方法及手段的改革，优化实验教学过程，推动创新教育模式，教材质量的高低会对教学效率以及学生学习水平产生直接的影响。数字逻辑电路的实验内容具有一定的独立性，实验项目的设置、实验软件的使用、仪器设备、实验开发语言等在理论课中很少涉及，因此，开发数字逻辑电路的立体化实验教材具有可行性。笔者将从实验教材的编写思路、实验内容编排、实验报告规范、数字化的实验资源等4个方面来探讨数字逻辑电路立体化实验教材建设。

2.1 实验教材的编写思路

为了配合开展实践教学及适应教学改革的需要，提高实验教学质量，要不断改革实践教学内容和教学方法，高质量的实验教材是关键，为此我们组织技术骨干编写实验教材。在数字逻辑电路立体化实验教材的建设上，除了介绍实验的基础理论知识外，坚持“以高水平的实验吸引人、以数字化的资源方便人”为宗旨，以提高学生实际动手能力和工程设计能力为目的，尊重学生的个性差异和工程素养差异，精心选择实验教学内容。

2.2 实验教材的内容编排

在实验大纲允许的范围内，我们采用的方法是“给通才定规则，给天才留空间”，在实验教材的编写过程中，在大纲规定的基本要求的基础上，精心选择了新颖、有趣，实用性、可行性较强，有助于培养创新型人才的15个不同难度的基础实验和5个典型的综合性、设计性实验，可供不同专业、不同层次、不同学时数的学生使用，这些实验基本包含了本专业课程标准要求的相关知识点，帮助学生将教材上的分立知识点有机地、系统地联系起来，培养综合分析、设计、制作和调试的能力。设计的每个实验项目都具有一定的层次性，即同样的实验项目，可以设计的简单些，也可以设计的复杂些，分层次对学生提出要求，对能力差的学生，引导其如何将理论与实际结合起来，把设计思想弄清楚，使其有能力完成实验的基本要求；对能力强的学生提出更高要求，采用启发式的方法，充分发挥学生的主体作用，鼓励他们根据自己的能力，提出多种设计方案，体现教学内容的可伸缩性和开放性。

实验预习是提高实验效果的一个重要环节，只有预习充分，实验操作时才会做到思路清晰。实验预习质量的高低取决于实验教材的质量。为此，在编写实验教材时，对每个实验项目除了常见的实验目的、实验原理、实验内容、实验步骤外，对实验预习、实验思考与提高等也提出明确要求。在预习要求中明确了实验预习必须完成的任务，要求学生理解每一个实验的实验原理、编写或完善实验代码等强制性的任务，从而增加了学生对实验原理、开发语言、实验代码的理解。在实验过程中按照实验步骤完成实验要求，在完成实验的基本要求后，通过实验思考与提高来提高学生的分析与设计能力。例如，在进行7人表决器电路的设计时，设计方法很多，可以使用原理图方法实现，还可以使用VHDL语言实现，而使用VHDL语言可以使用行为描述、结构描述、数据流描述3种方法。在实验思考与提高中，要求学生比较各种实现方法的区别，可以对实验提出更高的要求，如要求将表决结果在数码管显示出来、7个人中有一个人具有否决权、限制表决时间等提高要求，要求学生修改代码实现相应功能，从而加深对组合逻辑电路设计的理解和硬件描述语言描述组合逻辑电路的方法。

2.3 实验报告格式的规范

“问题式”教学或“任务式”教学是经常采用的有效的教学方式，有利于学生明确学习目的，能够激发学生的学习积极性，改善以往被迫学习的方式，变被动为主动，增强实践动手能力。计算机科学是一门实践性很强的学科，强调的是“做中学”，就是指在完成实验的过程去学习，在完成报告中去加深理解。实验报告是实验过程的记录、实验现象的分析和实验的总结，书写实验报告是实验教学的重要环节。

在数字逻辑电路实验中，我们规范了实验报告内容和要求，并单独印刷成册，在实验报告的设计上，改变以往使用统一的实验报告纸的形式，实验报告中不需要学生抄写实验目的、实验原理等内容，而是将实验内容和要求设计成各种不同的任务，按照实验步骤来完成这些任务时就完成了实验报告。在报告中，只需写出实验代码的关键部分，调试实验代码、画出实验的仿真波形、写出设计中的管脚分配关系，使用测试数据进行实验验证、分析实验现象、将实验过程中出现的问题进行实验总结，回答实验思考题，从而加深对实验原理的理解，提高设计能力。通过书写实验报告，培养了学生认真做好实验，仔细观察实验过程中所发生的现象，有利于加强对理论知识的理解和记忆，促使学生重视基本技能的学习及应用。一份高质量的实验报告应能反映出学生的综合素质，如高度的注意力、敏锐的观察力、丰富的想象力、准确的判断力、科学的思维能力和正确的表示能力。

2.4 开发丰富的数字化实验资源，构建网络化的实验教学辅助平台

数字化实验教学资源是立体化实验教材的重要组成部分，可以解决目前实验教学资源相对单一的问题，在进行实验教材建设时，利用网络技术开发数字化实验教学资源，构建网络化的实验教学平台。在数字化实验教学资源建设时，要避免实验教材的电子化，开发能满足创新人才培养、适应开放式实验教学要求的多媒体实验资源，使学生能借助校园网络环境，利用数字化资源进行实验前预习、讨论，甚至自行提出实验方案，开展实验后总结和实验数据分析。网络化的实验教学辅助平台，主要包含实验仪器的使用、开发软件的使用，实验中常见的问题及解决办法，让学生借助辅助平台解决实验过程中出现的问题，这样减轻了教师的指导工作，同时也为开放实验教学提供条件。学生通过对数字化实验教学资源的有效利用，革新了传统“按部就班”式的实验教学模式，激发学生的主观能动性，调动师生积极参与实践活动，在实验中提高了学生分析问题、解决问题的能力，培养其创新意识和创新能力。

3 结语

立体化实验教材建设实现了实验教学信息化、网络化。整合实验教学资源，优化实验教学要素的配置，是一种新型的整体实验教学解决方案，不仅充分考虑到任课教师的教学需要和学生的学习要求，还能促进教学改革的不断深入，促进教学水平的不断进步和教学质量的不断提高。数字逻辑电路立体化实验教材的纸质教材、实验报告已使用了两年，电子课件以及数字化实验资源及辅助实验平台也在实践中得到完善，满足了个性化、层次化、开放性实验教学的要求，有利于大学生自主学习能力和创新能力的培养，也为培养适应信息化社会学习、生活和工作的高素质人才奠定坚实的基础。目前《数字逻辑电路设计实验教程》已作为高等院校实验与实践系列示范教材在清华大学出版社出版，对计算机硬件课程的实验教材建设具有一定的示范作用。

参考文献：

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[7]高智琛，王永会.浅谈高校实验教材的建设[J].实验室科学，2012，15（4）：203-205.

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[10]毕效辉，于春梅.高融合立体化教材及其建设实践[C]∥湖南工业大学法学院.第三届教学管理与课程建设学术会议论文集，2012：148-150.

[11]刘伦.开放式计算机实验教学改革研究[J].计算机教育，2013（2）：100-102.

篇2

关键词 PCB板 可制造性 可测试性 校企合作 实践能力

中图分类号：G424 文献标识码：A

"Electronic Circuit Board Design" Course Practical Ability

Training Based on School-enterprise Cooperation

PENG Yuanfang， HUANG Xiaofeng

（Advanced Vocational Technical College， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 200437）

Abstract "Electronic circuit board design" course has a strong practical， practicality， for the teaching learning process focused on the neglect of EDA software PCB design reliability， manufacturability and testability， and many other issues raised by school-enterprise cooperation a number of recommendations to enhance the ability of teaching practice， and strive to provide a complete experience working process of learning opportunities for students to enhance students 'ability to adapt to their actual work environment and comprehensive problem solving， students' practical ability， self-discipline and teamwork.

Key words PCB board； manufacturability； testability； school-enterprise cooperation； practice ability

1 课程性质及教学中存在的问题

“电子线路板设计”课程是高职电子信息类专业的核心课程，具有明确的职业岗位指向――即在电子信息企业从事PCB板设计、生产、制造及电子产品生产工艺、产品维修服务等工作。课程的主要内容包括――原理图绘制、PCB板设计以及信号完整性分析，其中核心内容是PCB板设计，即根据原理图设计PCB板并确保设计的可靠性、规范性、可测试性及可制造性。该课程的先修课程为电子技术、集成电路应用、高频电子技术、单片机技术等。在PCB板设计类课程教学中，普遍存在注重CAD软件的具体操作而忽视PCB板设计的规范性、可测试性及可制造性等技术规范要求，设计的PCB板大多不符合电子产品制造工艺规范，课程教学效果与职业岗位能力要求之间还有很大差距，在“电子线路板设计”课程中提升学生的实践能力，已成为当务之急。

2 校企合作推进课程教学改革

当前“电子线路板设计”类课程由于PCB板设计与制造企业，多以Cadence、Protel系列软件为平台，遵循PCB设计规范，根据硬件设计、电磁兼容和结构设计的要求，完成高密度、高速、多层的复杂PCB设计，而从事者多为有着丰富PCB板开发经验的资深工程师，尽管电子信息类专业的大专院校毕业生多学过此类课程，但所学知识与企业里的新知识、新技术存在一定差距，很难达到企业的岗位要求。鉴于此，校企合作已成为提高教学实践能力的最有效的途径，合作方式主要包括以下内容。

2.1 校企合作共同制定课程教学大纲

高等职业教育的职业性特征决定了高职课程的建设与改革，必须在市场化的运行机制保障下走校企合作之路。而高职技术应用类课程教学大纲的制定，应由企业相关工作部门提出职业岗位的总体目标和各项技能要求，学校在课程决策中的任务则是根据教育科学的原理，把职业目标合理地转化为课程教学大纲，将课程教学内容与企业技术培训项目有机结合，以满足特定职业岗位的针对性技术培养目标，并根据行业企业发展适时调整并更新教学内容，以保持课程内容与技术进步的同步。

2.2 校企合作共同设计开发项目化教材

在制定符合企业岗位需求的课程教学大纲后，结合课程涉及的实际工作背景，课程组教师与企业资深PCB设计工程师共同开发课程教材。由于企业的产品技术难度较大，电子线路板结构较为复杂，并广泛使用表面粘贴技术，将企业产品案例化整为零，以企业岗位能力需求为切入点，引进职业鉴定考核标准，将企业电子线路板设计工程化的理念以及严格的线路板工艺管理规范引入到教材开发中。如引入企业PCB板工艺规范标准，教材设计中将学习过程与工作过程结合，以实现学有所用，提高就业上岗能力，使学生具备再学习、再提高的能力，以适应行业企业技术的发展变化。

2.3 校企合作共同承担授课任务

采用项目驱动法实施课程教学，由企业资深PCB设计工程师和科研能力强的专业教师联合授课，并组织本专业青年教师跟班学习并参与对学生的指导。项目案例的选取以企业真实产品为载体，由此将缩短教学与行业、企业的距离。整个课程教学由5个项目案例组成，均包含项目功能剖析、原理图绘制、PCB板设计以及信号完整性分析。其中PCB板设计是核心，主要包括PCB结构设计元件封装库建立PCB板布局布线及优化丝印网络与DRC检查制版。

企业资深PCB设计工程师参与课堂教学，使得项目教学过程均有相关企业技术标准和规范可循，从工程实例出发，针对不同的项目案例，逐一引入典型“布线”标准与规范，使得繁琐、抽象的问题具体化、规则化，提高了课程教学的实用性和技术性，使课程内容更具职业教育特色，青年教师也迅速成长。

2.4 校企合作完成课程教学考核

改革课程的考核评价方法，打破以书面考试评价方式、书面考试成绩判定学生学业水平为主的传统评价，以职业能力标准作为测试学生最终成绩水平的基准，逐步实现课程考核方式的“职业化”。课程考核由企业PCB设计工程师和校内教师及学生共同参与的综合评价方式，考核内容主要包括专业能力（80%）、社会能力（10%）和工作态度（10%）。

专业技术能力评价由企业工程师和专业教师评价共同完成，主要包括原理图绘制、元器件符号创建、元器件封装创建、PCB板设计、网络与DRC检查等，如在PCB板设计中对“布线”能力的考核主要包括三方面内容――“通、达、律”，“通”是指布线要布通，“达”即指要满足电气性能要求，“律”则是走线要规范便于测试和维修；社会能力和工作态度由项目学习小组评价，社会能力方面，考察学生在完成项目过程中的沟通、交流、协作，侧重于学生的学习能力、学习行为及协作精神是否具有示范性。工作态度主要包括学习态度、安全意识和自律精神。专业能力考核形式以口头与书面问答、技能测试、课程实践、大作业等为主要形式，社会能力和工作态度则偏重于学生学习过程的考核，使课程考核更具有职业指向性和实效性。

3 结束语

高等职业教育的职业性特征决定了高职课程的建设与改革，必须在市场化的运行机制保障下，走校企合作之路。通过校企合作，努力为学生提供体验完整工作过程的学习机会，由企业资深工程师参与授课，强调直接经验的获取，增强学生适应企业实际工作环境和解决综合问题的能力。同时注重引入企业文化、企业管理制度及职业特殊要求，把职业能力培养与职业道德培养紧密结合起来，培养学生的实践能力、专业技能、敬业精神和协作精神，使毕业生能顺利地就业上岗，成为真正受企业欢迎的高技能人才。

参考文献

[1] 张伟贤.校企合作背景下的高职课程改革的实践与思考[J].教育与职业，2011（21）.

[2] 关艳阁.协同创新：高职课程改革的新视角[J].广东教育（职教版），2013（9）.

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【关键词】Protel DXP 探讨 实践

【中图分类号】G642【文献标识码】A【文章编号】1006－9682（2011）03－0100－02

《Protel DXP电路软件设计》课程是高职院校电子类、自动化类等专业的一门专业基础课，也是一门理论与实际相结合、实践性很强的应用型课程。随着计算机技术和电子技术的不断发展，EDA技术已经成为电子设计的不可或缺的工具。重要的是，Protel DXP广泛应用于电子电路设计与仿真、印制电路板（PCB）设计及大规模可编程逻辑器件的设计，它是第一个将所有设计工具集成于一身，完成从电路原理图到最终印制电路板设计全过程的应用型软件，是当今最为流行的电路设计制版软件。因此，在很多高职院校课程教学中，如何提高课堂学习效率，让学生能熟练掌握Protel DXP软件的应用，并能为将来就业奠定基础，是教育教学研究探讨的问题。

一、《Protel DXP电路软件设计》课程教学中存在的问题

1．缺乏项目实例教学，教材选用不合理。

《Protel DXP电路软件设计》教材有很多版本，但都缺乏典型项目实例的详解和分析。首先，教材实例选择较简单，不够典型。然后，教材中所涉及的电路板设计层较少，设计规则较笼统，布线过程较简单。再加上，教材教学内容更新缓慢，跟不上软件的更新速度，从而导致教学内容和过程缺乏规范性和完整性。因此，在课程教学过程中，要选择典型实例，但实例选择设计遵循由简到繁、由易到难的过程；要注重专业性，结合所学知识，让学生掌握Protel DXP的基本功能以及操作方法和技巧，从而达到学以致用的目的。

2．教学方法和手段单一，学生兴趣不高。

随着计算机的普及和应用，大多数高职院校采用多媒体教学，但教学手段仍然以教师讲授法为主，不利于调动学生的兴趣和积极性，不利于学生提出问题、分析问题、解决问题能力的培养。并且，教师往往依赖于“读”课件，很少有板书，导致教师对知识点讲解不透彻，学生也没有足够的想象空间。然而，《Protel DXP电路软件设计》是一门实践性较强的课程，为提高教学效果，需到机房进行广播授课和操作。在教学的过程中，要注意学生“学”为主，教师“讲”为辅；要注意讲解和演练相结合，做到示范性讲完实例后就让学生进行类似操作直到掌握为止。

3．教师自身操作经验不足，影响课程实践教学。

《Protel DXP电路软件设计》也是一门注重操作技能的课程，其教学内容来源于实践教学。若教师单纯按照教材安排，进行软件概述和简单应用，那么，学生很难熟练掌握电路板的实际制作过程。但事实上，教师仍然注重软件的简单基本操作讲解，上机操作由电路原理图绘制到电路板制作的过程，缺乏Protel DXP相关企业项目经验。这种以教师为中心、课程教学为主体的传统教学方式，只能使学生掌握基本操作和方法，无法体会实操的真正过程，不利于调动学生的学习积极性，不利于锻炼学生的动手能力，导致学生缺乏主动性和创造性。目前，大多数院校注重教师学历的提高，如鼓励教师参加硕士、博士学位的进修，但忽视了教师实践能力的培养与锻炼，导致实验教学环节得不到真正落实，影响实践教学效果。

二、《Protel DXP电路软件设计》课程的教学目标

高职院校教育主要培养的是技术应用型人才，在教学实践环节中，要以应用、就业为导向，不断提升学生的动手能力、基本技能和理论知识水平，也是提高高职院校学生职业技能的重要手段。因此，本课程教学目标要围绕这个总目标而确定，是让学生通过Protel DXP电路软件设计课程学习，能够掌握原理图及印制电路板图的编辑、输出、网络表生成、检查、分析以及创建自己的新原理图库和元器件封装库等基本操作，可以基本独立实现电路原理图和印制电路板的设计，拓展就业方向，为今后的学习和工作打下坚实的专业基础。

三、《Protel DXP电路软件设计》课程教学优化措施

1．利用多媒体教学与板书教学相结合，优化教学内容。

随着计算机技术的迅速发展，大多数课程都采用屏幕投影和多媒体课件的授课方式，多媒体教学的优势在于图文丰富、直观性强、信息量大。教师在制作课件时，根据学生专业和教学大纲的要求，精心确定教学内容，课件应具备一定的概括性。利用互动环节进行交流、沟通，加强相互理解，使教师教学内容得到优化，同时使学生得到高质量和全面的教学服务。有时，板书教学模式也是有必要的，能清晰描述公式和概念形成的过程，有助于问题理解，从而提高教学效果。

2．改变教学模式，激发学生兴趣。

教学方法的重要职能是将预期的教学目的变成教学成果，而教学效果的好坏在很大程度上取决于教师合理地选择及运用教学方法。加深对课程体系的理解，实现理论和实践的完美结合。教学目的是为了让学生理论联系实际，通过布置具体任务使学生能够掌握教学内容、基本原理和概念，提高发现问题、解决问题的能力。因此，教师教学任务必须具有启发性，并围绕教学目的和教学大纲要求进行展开。鼓励学生勤于思考，认真动手，积极操作，激发学生的学习兴趣和想象力，启发学生的创新思维。

3．改革实践教学，提高动手能力。

在高职院校教育中，实践教学环节非常重要，对高职大专生或本科生而言，实践教学是培养动手能力以及对教学理论进行运用的实践性课堂。《Protel DXP电路软件设计》课程具有很强的实践性，必须加强课程实践教学环节和教学内容改革，并符合学生的学习要求。同时该课程的教学改革，必须适应社会的发展，注重实效，培养学生自主学习和创新的能力，提高学生动手和应用能力，突出制作电路板的实用性，从而更好地解决学习和工作中遇到的问题。

4．培养双师型教师，改善教学质量。

师资队伍是实现高职教育目标的关键。因此需要具有双师素质的教师来完成教学任务，特别是来自企业的一线的、熟悉基于Protel DXP软件的相关项目开发的工程师。同时鼓励在职教师进修，签定相关合同来支持教师到企业单位实践、实习，鼓励教师参加各类执业资格培训和考证。另一方面，鼓励积极从企业引进具有Protel DXP软件方面的工作实践经验丰富和理论基础扎实的高级技术人员充实和扩大教师队伍。

参考文献

1 张义和编著.Protel DXP电路设计大全［M］.北京：中国铁道出版社，2005

2 王莹莹、汪 东等著.Protel DXP电路设计实例［M］.北京：清华大学出版社，2008

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关键词：FPGA;EDA;生理刺激反应;通用逻辑器件

中图分类号：TM13 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1717103

Design of a Circuit for Physiological Stimulus Reaction

LIU Yuying

(School of Information Science,Donghua University,Shanghai,200135,China)

Abstract：It is tenderncy of modern education that FPGA will be applied to the electronic teaching practice.By using physiological stimulus reaction in design,this article introduces the design application of digital logic circuit.This paper gives a complete example of design report.By the design,students′interest and activity are aroused and they can skillfully master the capibitity of EDA.This pratice is a pivotal step to enhance the integrative diathesis and the innovative ability of the students in order to meet the need of the times.

Keywords：FPGA;EDA;physiological stimulus reaction;general logic device

随着电子技术发展，电子电路的形式趋向复杂化，面对这一状况，人们已经清醒地认识到，要分析和设计复杂的电子系统人工的方法已不适用。依靠传统的实验教学已远不能满足社会对高新技术人才的培育需要。本文就一个综合性的实例“生理刺激反应时间测试仪”的设计过程具体说明了FPGA在电子电路设计中所起的作用。

1 总体方案的设计

人体在受到外界声、光信号刺激后作出反应的时间有快有慢，某些职业对从业人员的生理刺激反应时间有一定要求。比如，短跑、跨栏运动员的成绩都精确到0.01 s，所以运动员在起跑瞬间对发令枪响做出的反应时间对其运动成绩有很大程度的影响。生理刺激反应时间测试仪就是用于测量被测试者在受到声、光信号刺激后做出反应动作的滞后时间。本文通过生理刺激反应时间测试仪的设计和实现，介绍数字测量仪器的功能分析和设计综合方法。

1.1 设计要求

(1) 受试者可以按“刺激源选择”键选择刺激信号是光或声。

(2) 当受试者按 “测试开始”按键后，系统进入准备状态，“准备”灯亮，其他指示灯灭，显示器显示全零。

(3) 测试仪在“准备”灯亮后的1~10 s时间内随机发出光刺激信号(“测试”灯亮)或声刺激信号(蜂鸣器响),“准备”灯灭。

(4) 当刺激信号发出后测试仪开始计时，直到受试者按下“反应”键停止计时，计时单位为0.1 ms。

(5) 以七段 LED数码管显示计时测量值的高三位，最低位测量值进行四舍五入处理，显示值保持到新的测量开始。

(6) 若受试者的反应时间超过999.5 ms，“溢出”灯亮指示，测试计数器立即停止计时，“测试”灯灭或蜂鸣器停，“溢出”灯持续发光直到下次测试开始。

(7) 若受试者在刺激信号未发出前按“反应”键，“违例”指示灯亮，“准备”灯灭，并禁止刺激信号发出。

1.2 硬件环境

测试仪的控制部分以FPGA实现，光刺激信号由发光二极管产生、声刺激信号由蜂鸣器产生。“测试开始”按键和“反应”按键选择点触键产生脉冲信号，刺激源选择采用自锁键产生电平信号。测量值采用3个七段LED数码管显示，显示方式由FPGA开发装置决定。设计随机脉冲发生模块在DE2开发板或LP-2900开发装置上实现，其原理框图如图1所示。

2 设计任务分析

分析设计要求可知，生理刺激反应测试仪的基本功能是随机产生刺激信号、计时显示以及对受试者的操作进行逻辑判断。在数字逻辑电路中，计数器具有累计时钟脉冲的作用，可以实现定时、延时或计时功能，所以，生理刺激反应测试仪的主要部件是计数器和逻辑控制电路。系统设计中需要解决以下几个问题。

2.1 随机信号产生

随机信号是指控制条件满足后脉冲出现时间无法确定的信号。如果以一个任意出现的控制电平去选通一个周期性定时出现的脉冲信号，由于脉冲出现的时间与控制电平有效的时间没有任何关联，当控制信号有效后，在定时周期时间范围内会随机出现选通脉冲。在数字电路中，计数器的溢出信号是循环定时产生的。比如，计数器的模为M、计数脉冲频率为1 s，则计数器的溢出信号周期为M s，信号宽度一般为1 s。若用一个电平信号通过逻辑门选通该计数器的溢出脉冲，则当控制电平有效后，逻辑门的输出在0~M s之间产生随机脉冲信号。

同样，若用电平信号控制一个模为N、初始值为0、计数脉冲频率为1 s的计数器使能端，当使能电平有效后，计数器产生溢出信号的延时时间为N-1~N s。

2.2 最低位计数值的四舍五入处理

生理刺激反应测试仪的时间测量为四位十进制数，而显示值为三位十进制数，最低位测量值要求进行四舍五入处理。即当最低位计数值小于5时，高三位测量值直接显示；当最低位计数值大于4时，高三位测量值加1后显示。数字电路中实现数值四舍五入的方法很多，本设计可以利用计数器的预置数功能，在测量前将测试计数器的初始值预置为5。这样，测试结束时的计数值是实际测量值加5。当最低位测量值大于等于5时，必然产生向高位的进位，实现了测量值的四舍五入功能。

2.3 逻辑控制电路

逻辑控制电路的功能是根据按键信号控制延时、定时电路和测试计数器，判断受试者发出的反应信号response是否违例、测试计时是否溢出，并根据各信号控制相应的指示灯点亮。在生理刺激反应测试仪中，部分控制信号是互相关联的,比如A信号使Q信号置位，B信号使Q信号复位。这样的逻辑关系可以有很多方法实现，比如利用D触发器的同步触发功能和异步复位功能：A脉冲的上升沿触发D触发器使其输出Q置位,B脉冲的有效电平使D触发器立即复位。信号时序波形示例和参考电路原理如图3所示。

篇5

摘 要：设计了一个基于ARM芯片的多路数据采集系统，可以实现对8路数据的采集，信号的采集方式可以是单路采集也可以是多路循环采集，控制信号可通过触摸屏或上位机控制输入，数据采集的结果以数字和图形的方式在液晶屏上实时显示。经软硬件综合调试，验证了方案的可行性。

关键词：数据采集； ARM； 液晶显示器； A/D转换； STM32

中图分类号：

0 引 言

随着物联网技术的发展与应用，A/D数据采集是其中一项重要的研究课题，A/D多路采集系统实现方案可以多种，通过对三种实现方案进行比较，最终采用STM32系列ARM芯片进行设计。STM32是基于ARM CortexM3内核的32位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，并具有极高的性价比，目前正逐渐抢占了电子领域原有的51、AVR的市场。本设计中采用STM32F103RBT6作为主控制器[1]，该芯片配置丰富，便于今后的系统功能扩展。

1 方案比较与论证

为实现多路数据采集要求，提出如下三种设计方案：

（1） 基于单片机的数据采集系统[2-3]

本方案采用双单片机的方法，即在数据采集的远端、近端均采用单片机控制，远端完成数据的采集、抽样、发送；近端完成数据的接收、校验、处理和显示等，键盘控制数据显示。在近端与远端的通信中，采用RS 485差分方式接口，以提高通信速度与传输距离。该方案存在不足之处是：A/D接口和RS 485接口编程不方便，采集信号的频率范围和速率较低，实用性不大。

（2） 基于CPLD的数据采集系统[4]

采用CPLD对A/D芯片的采集控制，通过USB接口传输给上位机，优点是可以实现高的采集速率和采集精度，有着较大的实用性，但难点之处是CPLD对A/D模块的控制，及单片机对USB的配置。

（3） 基于ARM的数据采集系统

本方案主控器采用STM32系列的ARM芯片，方案如图1所示。

此方案中A/D转换器为ARM芯片内置，采集的方式、起始时间和持续时间由上位机通过RS 232口控制，数据通过USB接口传输至上位机保存。考虑到使用笔记本作为控制上位机时没有232接口，使用USB转232的电缆提供RS 232控制信息。

由于A/D芯片内置，芯片价格也便宜，电路设计较前面的简单，且ARM自带的A/D采集方式多样，并可以通过配置ARM芯片内相应的寄存器就可以实现，因此实现简便。考虑到后面的扩展需要和应用的广泛与实用性，本设计采用此方案。

2 系统设计原理[57]

该电路主要由电源模块， 主控器模块， 显示模块，SD卡模块，USB转232模块等几个部分组成。

（1） 主控制器

采用STM32F103RBT6作为MCU，其性价比很高，该芯片具有20 KB SRAM、128 KB FLASH、3个普通的16位定时器、1个16位的高级定时器、2个SPI、2个I2C、3个串口、1个USB、1个CAN、2个12位的ADC、51个通用I/O口。因为主控器STM32是3.3 V供电的，所以需要将USB的5 V电压转换为3.3 V。这里采用电源线性稳压芯片AMS11173.3，将5 V转换为3.3 V。

（2） 液晶显示

电路中采用通用的LCD接口，支持8位或者16位总线或者SPI的液晶屏。该模块采用TFTLCD面板（薄膜晶体管液晶显示器），可以显示16位色的真彩图片，提高数据显示效果，同时也可以将采集数据以图形曲线的方式形象的表现出来。该模块有2.4′/2.8′两种大小的屏幕可选，320×240的分辨率，16位真彩显示，自带触摸屏。接口采用80并口与外部连接，采用16位数据线。

（3） JTAG

采用标准的JTAG接法，STM32的SWD接口与JTAG是共用的，只要接上JTAG，也可以使用SWD模式下载并调试代码，多数情况下使用SWD来下载调试代码，节省资源、而且下载速度也快。

（4） SD卡

利用SD卡，扩大容量存储设备，用来实时保存采集的数据，既可以弥补没有上位机的情况，也更方便于事后对大量的数据的分析与处理。

（5） A/D采集

STM32本身拥有1～3个ADC，这些ADC可以独立使用，也可以使用双重模式（提高采样率）。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。最大的转换速率为1 MHz，也就是转换时间为1 μs。

3 软硬件综合调试结果

编写数据采集、触摸屏控制、上位机控制程序和液晶显示模块程序主要几个模块，将程序下载并进行系统调试，最终效果如图3，图4所示。

系统可以通过触摸屏选择实现对8路数据的单路采集或多路循环采集模式，数据采集的结果可在液晶屏上显示，也可传输给上位机或保存在SD卡中。通过比较被测电压和数据采集到的电压值，测量精度符合设计要求。

4 结 语

本系统电路简单，成本低，并具有一定的可扩展性和实用性。ARM自带的A/D采集方式多样，可以通过配置ARM芯片内相应的寄存器就可以实现，因此实现简便。主控器STM32芯片是基于ARM CortexM3内核的32位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，具有极高的性价比，在工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等多个领域具有广泛的应用前景，因此值得研究和推广。

参 考 文 献

[1]意法半导体.STM32中文参考手册[M].10版.上海：意法半导体（中国）投资有限公司，2010.

[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1994—1999）[M].北京：北京理工大学出版社，1997.

[3]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4]王振红，张斯伟.电子电路综合设计实例集萃[M].北京：化学工业出版社，2008.

[5]刘军.例说STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[6]刘同法，肖志刚，彭继卫.ARM CortexM3内核微控制器快速入门与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[7]李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[8]陈尚松.电子测量与仪器[M].北京：电子工业出版社，2005.