电子竞赛训练与典型案例分析课件

1、 电子竞赛训练 与典型案例分析山东大学 陈言俊 2010.11学生培养学生来源学生实习低年级学生创新实习课 选 修 课开设多门选修课培养学生兴趣申报选拔公开招收选拔学生校内竞赛在二年级校内竞赛中发现优秀学生课堂发掘理论课和课程设计中表现突出的学生学生引导学生最了解学生，高年级学生引导协会推荐汇集一定数量的有专长的学生毛遂自荐时有拔尖人才相互吸引人以类聚，物以群分科技立项大学生科技创新立项（国家级、校级）选拔方式笔试+面试+实物制作+特招学生培养培养方式-业余训练 课余、周日周六、兴趣小组、课堂制作、科协集中竞赛模式集中选拔、集中训练、集中参赛长期培养模式长期培养，良性循环大学生科技创新立项（国

2、家级、校级）一至两年学生培养大一大二大三大四优秀人才创新立项报名校内竞赛发掘专业课堂发掘竞赛集中选拔培训： 讲座 观摩 小制作创新实验训练竞赛集中训练各项学科竞赛课程设计毕业设计创新实验作品各项竞赛获奖优秀作品成果激发兴趣发掘人才指导指导学生来源最终成果阶段成果培养方式良性循环选修课学生实习科协社团招新研究生助研岗一、赛前培训二、竞赛准备及竞赛三、论文写作要求四、竞赛注意事项五、竞赛典型题目分析要 点1.参 赛 队 员暑期学校、自愿报名，多次筛选 ；校内科技创新大赛是电子设计竞赛预选赛。在理论和实训课程培训中分阶段筛选，确 定参赛队员；有竞争就有压力，有压力才有动力。一、赛前培训大三、大二学生

3、比例数约为3：1多学院、多专业、多学科相交叉队员的组合与分工确定。一、赛前培训一、赛前培训2.具备基础知识 增加专业基础课的实验学时数:电路原理、模拟电子技术数字电子技术、电机与拖动；微机原理及单片机原理及应用。新增EDA应用、嵌入式技术应用；电工电子实训、电子技术课程设计等编程：C语言、C+、VC、汇编语言3. 最小开发系统（MCU ） 熟练使用至少一种单片机，如51系列，61系列，PIC系列，摩托罗拉系列，430系列，或ARM，AVR，EDA，DSP等。 随着电子技术的发展，原先的最小系统的概念已发生了很大变化，现在的单片机一般不再需要扩展，并且可在线下载程序，给使用带来很大的方便。一、赛

4、前培训FPGA FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 FPGA

5、的基本特点1）采用FPGA设计ASIC电路(特定用途集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 一、赛前培训对理论知识不作全面的展开单片机指令用多少学多少，根据实际编程需要讲解注重仿真工具的使用接口电路的学习与训练传感与检测技术按必需和够用的原则来安排课程

6、内容尽可能的利用现有的实验设备多做实训一、赛前培训4.实践环节培训 4.1仪器仪表使用训练 基础训练包括实验室工具使用方法、装配工艺等器件识别与选用原则数字万用表、示波器逻辑分析仪LC测试仪频谱分析仪信号发生器等仪器仪表的使用 一、赛前培训4.2 键盘、显示部分键盘部分（1x8;4x4等） 如果需要的键较少，可直接使用I/O口，也可以使用74LS148等编码器。显示部分 除了键盘部分外，可以用驱动LED或LCD显示。 一般来说分两大类：LED和LCD。一、赛前培训4.3 传感器 熟悉常用传感器的性能和使用。主要包括电压、电流、温度（热电偶，Pt1000，AD590，DS18B20等）压力，转速

7、、位置（霍尔，码盘等）； T6114（6124）超声波开关模块，红外线反射传感器。 如果有机器人方面的题目还要熟悉如红外传感器，接近开关，光敏电阻，金属探测等传感器，这一部分应该是我们的长项。一、赛前培训单元电路训练包括自制直流稳压电源基本放大电路电机驱动电路LED和LCD驱动电路功率放大器单元波行发生器电路（DDS）比较器电路光电、红外、超声等传感器电路A/D电路、D/A电路等电压/频率变换电路电压/电流变换电路无线传输电路单元电路设计完备接口，备日后装配使用4.4 单元电路训练一、赛前培训注意模拟电路设计（前向通道） 多路转换开关、调理电路、放大、滤波、隔离等 学会使用常用普通精密放大器、

8、仪表放大器、隔离放大器等；这一部分的连线，制板等都显得比较重要。集成运算放大器： 1.通用型运算放大器（A741，LM358双，LM324四）2.高阻型运算放大器（输入阻抗1091012） （LF356，LF355，LF347四，CA3130，CA3140）3.低温漂型运算放大器（OP-07，AD508，ICL7650）4.高速型运算放大器（LM318， A715）5.低功耗型运算放大器（ICL7600）6.高压大功率型运算放大器（ A791，D41）一、赛前培训A/D 根据指标要求，选择合适的模数转换器，如果需要A/D，该部分是报告的重点内容之一。 常用的8位A/D：AD0809 常用的12

9、位A/D：AD574，MAX191，MAX197等 还有16位（AD7715）,24位（AD7714）等，内含放大，调理，滤波等单元电路；即可单双极性输入，还可差动输入。一、赛前培训4.5 后向通道 主要包括驱动显示，打印，继电器等；还有诸如PWM控制等。根据具体的题目而定。一、赛前培训4.5 单片机最小系统训练 单片机最小系统电路板硬件设计单片机最小系统电路板测试程序设计接口电路与程序设计、外扩电路设计。一、赛前培训4.6 单片机与编程单片机内部结构与工作原理引脚端、内部存储器、中断、I/O、T/C、指令系统，介绍基本结构与工作原理，注重从应用的角度出发，不过多的涉及内部的电路。指令的应用在

10、程序设计与开发系统使用中加深了解。 一、赛前培训单片机接口电路矩阵键盘图形显示高精度D/A、A/D接口电路与编程4.6 单片机与编程一、赛前培训5.软件实战分析单片机程序设计指令应用、程序结构，通过往届考题分析指令特点，讲解程序设计方法。void main()Unsigned int status;sum_timer=0status=check_state();/判断状态，基本还是发挥部分if(status=1)timer();/启动时钟car_go_line(700,200);/car_trace_start();while(R_flag|L_flag)/在这里完成寻迹函数的应用,寻迹是在中

11、断中调用的，其中每秒钟调用10次寻迹函数，是用IRQ4的2khz中断*P_Watchdog_Clear=1;一、赛前培训6.Protel电路设计 PCB基础、环境设置、组件库管理、报表输出等，通过实际电路设计例讲解 仿真元器件、仿真分析、参数设置，通过实际电路设计例讲解其他仿真软件的应用。一、赛前培训7.制板与焊接 万用板不能满足高频电路及复杂电路要求使用制板机独立做板专有的焊接技巧培训。一、赛前培训一、电子电路的组装 1.元器件的焊接技术 (1)焊接工具 (2)焊料 (3)焊剂 (4)焊接技术 2.在面包板上的插接技术 (1)集成电路的装插 (2)元器件位置 (3)导线的选用和连接二、电子电

12、路的调试 方法： 1.一边安装一边调试； 2.全部安装完毕后，实行一次调试。一般调试步骤： 1.通电前检查； 2.通电检查； 3.单元电路测试； 4.整机联调。 电路故障的排除方法： 1.信号寻迹法；2.对分法；3.分割测试法； 4.电容旁路法； 5.对比法；6.替代法；7.静态测试法；8.动态测试法。一、赛前培训8、基本模块及电路制作训练 直流稳压电源 显示电路（LED、LCD）模块 按键模块 传感器模块（光电传感器、温度传感器、霍尔传 感器、金属传感器、超声传感器与应用电路等） 电机驱动模块 无线模块 等等。一、赛前培训9.模拟题练习 选一部分历届竞赛题练习。（基本一个月时间）； 一开始可

13、能一周做一个，时间逐渐缩短，基本在3-5天。 历届全国大学生电子竞赛试题汇总.doc一、赛前培训历年竞赛题分析： 两类：功能性题、指标题1指标题如下方面：放大器类：功率放大器：丙类、戊类、输出功率、效率脉冲放大器：波形 上升时间宽带放大器：带宽、放大量，带AGC （纯数字电路题不出，增加模拟电路知识，学生模拟知识太差）电源类：电流源 稳定度 负载变化，市电变化一、赛前培训2.功能性题如下：仪表类 1）信号发生器 高、低频，稳度，频率范围，输出电压。2）示波器3）逻辑分析4）相位计 5）电压表 6）频率特性测试仪7）频谱仪3、通信类 （每年都有） 趣味类：语言存储4、控制类：小汽车、温度控制5、

14、强电：功率因数，DC-DC,AC-DC-AC一、赛前培训 10.小组活动：促进与提高各队介绍拿手模块应用技巧，共享经验，优化软件，保留团队创新点一、赛前培训强化训练 小组自选模拟题。 训练目标是模拟实际竞赛，以历年的竞赛题目为模板，适当进行一些调整； 队员集体商讨设计思想，确定设计方案，分工负责、团结协作，限时完成 。 特别：硬件、软件、设计报告分工（论文框架）。一、赛前培训模拟答辩参赛队众多，锻炼学生精简语言；强化表达，预防怯场发现新问题；增加成就感，增强自信心；论文写作。一、赛前培训训练的目的使学生掌握：基本仪器仪表的使用数字化、网络化仪器仪表的应用能力数据信息的查询基本电路设计和实现（模

15、拟电路）EDA软件的应用基本实验方法实验方案、实验过程设计电路元器件类型及其参数的选择实验的基本测试方法实验数据误差分析数据处理与分析方法实验及实验实践结果分析一、赛前培训第一阶段时间内容安排指导教师星期六（7.2）准备会陈言俊、秦峰、王延伟、仪维星期一（7.4）直流稳压电源电路设计制作同上星期二（7.5）同上星期三（7.6）功率驱动电路同上星期四（7.7）显示电路（LED、LCD）同上星期五（7.8）星期六（7.9）时钟模块同上星期日（7.10）按键模块同上 电子设计竞赛暑期培训内容安排星期一（7.11）信号放大电路同上星期二（7.12）信号产生电路同上星期三（7.13）信号处理电路同上星期

16、四（7.14）A/D转换同上星期五（7.15）D/A转换同上星期六（7.16）光电传感器、温度传感器、霍尔传感器、金属传感器与应用电路同上星期日（7.17）同上星期一（7.18）超声传感器与应用电路同上星期二（7.19）同上星期三（7.20）61板模块实验操作/51最小系统使用操作ARM最小系统使用操作同上星期四（7.21）同上星期五（7.22）同上星期六（7.23）竞赛培训星期日（7.24）时间内容安排指导教师 电子设计竞赛暑期培训内容安排 电子设计竞赛暑期培训内容安排第二阶段时间内容安排指导教师星期一（8.8）模拟练习题陈言俊、秦峰、王延伟、仪维星期二（8.9）星期三（8.10）星期四（8

17、.11）模拟练习题同上星期五（8.12）星期六（8.13）星期日（8.14）模拟练习题同上星期一（8.15）星期二（8.16）星期三（8.17）模拟练习题同上星期三（8.17）模拟练习题同上星期四（8.18）星期五（8.19）星期六（8.20）模拟练习题同上星期日（8.21）星期一（8.22）星期二（8.23）模拟练习题同上星期三（8.24）星期四（8.25）时间内容安排指导教师 电子设计竞赛暑期培训内容安排1.赛前一周 通过对所公布的基本仪器和主要元器件清单进行分析，可以得到一些可能出现的题目和作品应完成的功能。参赛队员可以根据自己的训练情况，选择一两个题目方向进行准备。1. 仪器设备的准备

18、 2. 元器件准备 参赛队员应知道元器件库中已有的元器件（储备常用元器件及公布器件）。3. 最小系统和单元电路、模块完善。5. 资料和论文准备 电路原理图，基本程序段等 。6. 场地准备 竞赛期间许多队员都是通宵达旦的工作，需要在竞赛场地附近安排临时休息的场所。 二、竞赛准备及竞赛2.选题： 考虑到不同的专业，每年的题目涉及的范围都比较广，学生要根据自己所学的专业知识和特长，并且在培训或平时练习中最熟悉，最有把握的题目去做。 如果一个教学单位有很多组，最好多选几个题目，不要集中在一个题目上，好评奖。二、竞赛准备及竞赛竞赛题目的分析 分析方法可以采用基本要素组合法， 一是分析所需要的仪器仪表，

19、二是分析所需要的元器件（已有器件，题目要求所缺器件），将两者结合进行综合分析 。 考虑到不同的专业，每年的题目涉及的范围都比较广，要选择一个最有把握的题目去做；如果一个教学单位有很多组，最好多做几个题目，不要集中在一个题目上。二、竞赛准备及竞赛选择熟悉的题目（十点前）审题、选题充分理解题目的、要求 方案兼顾基本要求和发挥部分工作重点的确定 分步实施，确保基本部分比赛时，三个同学要分工协作，各负其职。二、竞赛准备及竞赛制定进程 试题分析、选定方案 选定器件（十二点前）选择、采购器件硬件设计软件设计 模块制作及单元调试 单元组合及整体调试 撰写报告二、竞赛准备及竞赛测试选择仪器设备充分预计测试现场

20、的条件测试的熟练程度测试点的标注现场可调整性二、竞赛准备及竞赛完善连接的可靠性固定的稳定性测试数据的可重复性论文递交（第四天20：00前）装箱作品的固定和防震电源的准备备品备件的预备 工具的准备有时间模拟答辩二、竞赛准备及竞赛设计报告的要求及注意事项 1.格式与内容任务的理解与分析方案设计与论证理论计算与模拟2. 硬件设计与软件设计硬件结构框图电器原理图软件结构框图程序流程图程序清单 实物照片三、论文写作及要求3.测试方法与数据 测试方法的正确性 数据的准确性 数据的完整性 测量仪器的型号和测试条件4.测试结果分析 各部分要求的完成程度 超出要求部分的强调5、发挥部分 要尽量去做，突出亮点；其

21、他部分一定要做。三、论文写作及要求6、答辩： 条理要清晰，亮点、特色要突出，发挥部分和其他部分要讲明。不要答非所问，问什么答什么。设计的报告、字体、图表、框图规范、工整，条理清晰。三、论文写作及要求7、测试与评分 处理好先进性与完整性的关系 基本要求与发挥提高 超出要求部分的现场测试申请 测试现场数据测量的速度与轻重缓急 对于测试不公正的投诉 确有问题可提出到外调试（不要在现场调）三、论文写作及要求论文格式摘要一：方案设计与论证方案1：方案2：方案3：方案论证：方案选定：二：电路设计1、单元电路设计2、单元电路设计3、单元电路设计整机电路以及软件设计的流程图三：测试方法与测试结果1、测试仪器：

22、2、测试方法：3、测试结果：四：讨论三、论文写作及要求要求 文字简练、措词准确、表达清楚。达标程度要实事求是，特点、特色的叙述、措词要考虑科学性、正确性。 至少提出3 个独立的方案 。 要提出选择所选方案的理由，并注意方案科学性、正确性、可行性、实施难度。 元件符号要用新的国标，布局简洁明了。 设计思想、特色、创新要写上。 事先进行测试方法设计，方法必须正确 。三、论文写作及要求 论文很重要，作品在测试过后，论文占50分，因为评审的专家能看到的只有你的测试数据和论文。 论文的写作必须按严格的格式来写，相关的公式和图片是必不能少的。所以一定要找到相关的公式，即使你不明白它的含义。其实也不是每一个

23、专家都能真正搞懂它的含义的，有时他们是不会仔细去研究的，但是你的论文如果没有公式，他就会据此来扣你的分。图片也一定要有，如电路原理图，整体设计图，仿真结果图，测试数据图等，有些可以在Protel和Electronics WorkBench里面画，再把它添加到文档就是了。三、论文写作及要求 其它的一些如关键字，引言，原理，测试数据等都是固定的格式。怎样把你的设计表述得清楚明白，把你的设计的特色展现出来，这就考你的写作水平了。自己也不清楚的东西不要说太多。不要制造一些自己的术语，所有的术语都应该是公认的。三、论文写作及要求 论文评分参考表序号名称满分评分备注1摘要中文3英文22009年不要求2方案

24、论证10一种6分两种以上6-10分3理论分析与计算84电路图程序框架125测试方法及仪器76测试数据及结果分析8合计50四、竞赛注意事项竞赛过程中应注意的问题 方案的设计 （确定方案的时间不应该超过4小时 ）元器件的采购（竞赛中采购是必需的 ）设计装配制作（不能为了追求更好的指标，或者附加功能，结果将已经完成的部分给弄坏了，作品要妥善包装 ）制作时间安排 注意休息和饮食 训练与竞赛要点： 1、不要追求高精尖。电赛时间有限，单片机，F51系列，资源合适，指令与51兼容，上手比较快，之前没有接触DSP、FPGA、ARM之类高端的控制器，短短几个月的时间是没办法摸透的，更别谈熟练应用，开发项目。 2

25、、不要贪多，要专，要深，平时训练要注意模块的设计，要特别注意可移植性，稳定性，可靠性。 3、控制类训练最好能设计一个好的通讯系统（多数控制类项目适合用多机系统简化任务）。这样竞赛时就可以把项目分解成若干个小的模块，各模块间通过通讯连接。 四、竞赛注意事项 4.电子设计竞赛其实不是很难的，其中，模数电路基础和单片机这两方面最重要。 5.对于模数电路，书上最基本的东西要掌握，这些是基础。虽然在竞赛时碰到的东西可能都是你在书本上没有看到过的，但是你可以上网找出它的原理图和实现电路的参考图。 6 .要实际演练项目。电赛前要模拟竞赛两次以上，要求在规定的时间内完成项目。 四、竞赛注意事项 7.注意论文写

26、作、文档整理、资料搜集。 8.不要花太多的时间在华丽的外观（如显示），要更多的做实际的功能性东西。 9.设计时应该立足于基本要求，先把基本要求完成了再说创新的东西，不然，你所谓创新的东西根本无所依附。做出了完成基本要求的实际东西，你才在上面创新，添加一些花哨的功能，那就OK了。四、竞赛注意事项竞赛时应该注意的问题： 1.软件与硬件电路最好是同时做， 2.队员分工好，最大限度发挥整个队的能力，而且经常讨论，让三个人都知道对方的进展 . 3.在竞赛前就应该做好准备：做好一两个单片机最小系统 （最好有下载口，支持在线编程）、5V/12V稳压电源和显示板等小模块，将各个模块程序编写好。如 7段数码管的

27、显示（建议使用串口，节省单片机的I/O口，如搭配74LS164或74HC595，使用两块74HC595芯片，一片位选，一片发送数码）这样可以节省很多时间。 四、竞赛注意事项 4.至于焊接方面的，虽然说也要对布局是否合理和焊得是否美观打分，但只要你的东西测试能过关，这个分一般是要给你的。但如果测试不能过关，你最合理最美观也没有。最重要的还要焊牢固，以防运送途中出现焊点脱落的情况。 5.测试时不要慌张，一步一步该怎么做，一定心里要清楚。一定要争取自己操作仪器，不要让其它学校的老师在瞎搞混。否则，把东西烧坏了，你可就要哭了。另外，带些备用芯片过去是个明智的办法。 四、竞赛注意事项 6.由于前期已经做

28、好各模块板了，因此竞赛时具体做板只需改进，从而达到题目要求。画PCB板单面板好，好焊板。焊接芯片时能用插座的还是用吧。这样既可以防止焊接时焊坏芯片，而且芯片可以多少使用。赛前自己也准备些常用的器件。 7.论文在赛前一定要试写一两篇，至少也应该看过些论文，知道它的格式。论文可以一个人负责，后面大家一起修好下，也可以个人负责自己模块的，最后再汇总。 8.赛期是4天3夜，时间还是很紧的，但也要注意休息。 四、竞赛注意事项关于命题引入“性价比”与“系统功耗”指标 2009年在命题要求中引入“性价比”指标要求，这项建议对于调控“最小系统”使用具有积极作用。本着节能原则，专家提出设计作品应有“系统功耗”的

29、指标要求。“系统功耗”是“性价比”的某一量化评测指标，增加这两项指标要求。 竞赛涉及的“最小系统”内涵应随着技术发展而变化，对于这个问题要本着与时俱进的原则，可以通过竞赛命题具体的约束条件予以调控。 四、竞赛注意事项关于复测中的基础知识测验 复测期间首先进行基础知识测验。基础知识测验采用闭卷笔试方式，时间2小时，每队3名同学都参加。 笔试内容包括基础知识、分析设计两部分测验内容。“基础知识”主要涵盖模拟、数字电子电路（技术）等技术基础课程的基本知识点问答与简单计算，“分析设计”可涉及电子电路、单片机与可编程器件系统的方案设计、参数设计、功能分析等内容。 2011年全国一、二等奖都要复试，可能还

30、要有一天三个学生做一个小题目。 基础知识测试成绩和小题目成绩都计入复测总成绩。 2010年FPEA作为推广重点。四、竞赛注意事项年份20052006200720082009合计赛事全国赛山东省赛全国赛山东省赛全国赛奖励等级 国一国二省一省一省二国一国二省一省一省二国一国二省一获奖数133672371545763参赛队101616192081 历年电子竞赛获奖统计 2010工训中心参加山东省电子竞赛获奖名单A甲1036秦晓鹏 延廷芳 王佳山东大学姚福安 万鹏 臧利林省一等奖A甲1034宋春龙 马文涛 赵文斐山东大学姚福安 万鹏 臧利林省一等奖A甲1010陈德馨 赵化森 刘智伟山东大学省一等奖A甲

31、1035雷燕婕 刘健 刘树林山东大学姚福安 万鹏 臧利林省一等奖A甲1030李雷 孟松 曹乘榕 （2007级）山东大学 陈言俊 秦峰 王延伟省一等奖B甲1004孙 超 何孟宁 司 陈山东大学省一等奖B甲1039孙文健 许 海 刘恩东山东大学姚福安 万鹏 臧利林省一等奖B甲1031黄晨 李成 亓帅 （ 2007级）山东大学 陈言俊 王延伟 秦峰省一等奖B甲1038 陈立刚 刘 涛 欧阳林山东大学姚福安 万鹏 臧利林省一等奖B甲1023李德帅 任丽行 于和善山东大学陈言俊 秦峰 王延伟省一等奖C甲1002李江涛 解俊杰 宋玉川山东大学姜威 陆小珊 赵子婴 杨小革省一等奖C甲1007宋宏嘉 吴苏 刘

32、俊良山东大学姜威、杨小革、赵子婴、陆小珊省一等奖E甲1032田昊 张岩 （2007级）韩丽丽（2008级）山东大学 陈言俊 王雷 秦峰 省一等奖F甲1026姚登民 解春柳 （2007级） 孙哲（2008级） 山东大学陈言俊秦峰王延伟省一等奖F甲1047张炜轩 尤海鹏 徐菁山东大学姚福安 万鹏 臧利林省一等奖F甲1048刘主福 蒋丹红 朱亚军山东大学姚福安 万鹏 臧利林省一等奖F甲1045陶智仁 张庆宾 张泳山东大学姚福安 万鹏 臧利林省一等奖F甲1001李大伟 仲梓源 高攀山东大学姜威路小珊杨小革赵子婴省一等奖F甲1020肖迈 林优 郭倍源山东大学陈言俊 秦峰 王延伟省一等奖F甲1003王磊

33、章元智 李佩山东大学姜威陆小珊杨小革赵子婴省一等奖项 目数 量学期学生数全年学生数备 注选修课8门2805602010新增2门课程设计1门120120信息学院科技创新大赛114团队550国家大学生训练计划3个152010新增1项大学生科技创新结题17个60大学生科技创新立项21个80中国水球机器人大赛28冠军2项、季军2项省大学生电子设计竞赛7520个一等、9二等中国机器人大赛28冠军1项、季军2项2010创 新 活 动 情 况机电产品设计竞赛2组14国一1个、省一1个全国电脑鼠走迷宫竞赛2组82个优胜奖省电脑鼠走迷宫大赛9组40省一2个电子竞赛培训暑期学校123机器人暑期学校46“飞思卡尔智

34、能车” 20组60国一2个毕昇杯全国大学生电子创新设计大赛12特等奖1个一等奖1个获保研资格学生32受益学生人数1779人次项 目数 量学期学生数全年学生数备 注2010创 新 活 动 情 况 五、典型例题“高教社&XILINX杯”2010年北京市大学生电子设计竞赛题目说明 随着电子技术迅速发展，全国大学生电子设计竞赛组委会决定将新技术引入到竞赛中，让学生用新的技术来解决问题。2009年的竞赛规定对复杂核心板的限制放开，允许参赛队伍将SOPC（System-on-a-Programmable-Chip即可编程片上系统）核心板等复杂电路板带入赛场使用。因而，在2010年，全国大学生电子设计竞赛的

35、小年，进行SOC竞赛。北京市大学生电子设计竞赛工作由北京市教育委员会主办、北京邮电大学承办、高等教育出版社实验课程研发中心暨北京中教仪装备技术有限公司和美国赛灵斯公司联合协办。 一、题目说明 竞赛题目着重考核参赛学生综合运用模拟电路和数字电路基础知识进行理论设计的能力、实践创新和独立工作的基本能力、实验综合技能（制作与调试），并鼓励参赛学生发扬团队协作的人文精神。 竞赛题目将考核学生的模拟电路和数字电路的设计能力，整体将由EXCD-1可编程片上系统开发板并外加部分模拟电路实现，模拟器件将由竞赛组委会在竞赛当天统一发放。二、参考例题（此处配套外设为参考例题所需，不是竞赛题目所需外设模块，学校无需

36、购买） 为了参赛队伍能够更好备战竞赛，现提供参考例题，此例题仅限北京市竞赛的本科组竞赛参考，竞赛题目将与此题不同。参考例题基于EXCD-1 可编程片上系统开发板及其外设模块，资源列表如下：配套外设列表（仅为参考例题所需，学校无需购买）板载外设扩展外设LED显示灯8个LCD液晶模块1个拨动开关8个A/D模块1个低电平有效按钮8个D/A模块1个VGA端口1个温度模块1个PS2端口1个旋钮编码器模块1个RS232接口1个EEPROM1个4位七段数码管1个红外收发模块1个直流电机模块1个注：扩展外设是通过4个具备8 个IO 信号的12 脚扩展I/O 接口，分别为J5-EXPORT1、J6-EXPORT

37、2、J7-EXPORT3、J10-EXPORT5，每个接口1-8 号管脚与FPGA 的IO 引脚相连，另外四个管脚分别为DC +3.3V（VCC33D）与GND。其中J5-EXPORT1 受控于8 位DIP 开关JP2，J10-EXPORT5 受控于8 位DIP 开关JP1。 三、参考资料 （1）高教社提供：EXCD-1板卡和光碟2张 （2）XILINX提供：EDK例程 1个（基于HEP板的VGA游戏）和相关技术资料 下载地址：http:/down/?action=show&id=1689四、竞赛细则（1）时间：定于5月29日 （2）竞赛所需要的元器件均由组委会提供2010年北京市大学生电子设

38、计竞赛试题 要求用指定的FPGA平台结合SOPC技术构造一个乒乓球游戏机。系统结构如果所示，FPGA通过两条I/O信号输出两组脉宽调制波，经过低通滤波器提取脉宽调制的均值电压，输入到双通道示波器中。示波器工作在X/Y模式。示波器屏幕上的光点代表乒乓球。乒乓球X/Y电压的控制下在屏幕上移动。 FPGA平台 4x七段数码管 按钮2低通放大低通放大按钮1双通道示波器I/OXI/OY基本要求：1.构造两组无源低通滤波器，使得FPGA可以用脉宽调制方式控制球的位置（20分）2.用给定的运放制作一放大器，使光点运动范围在示波器的X轴，Y轴方向上可调（10分）3.乒乓球可按抛物线自动在屏幕上左右弹射，球的落

39、点为屏幕两侧边的中间。（20分）扩展要求：1.使用两个按钮分别作为左侧击球钮和右侧击球钮。当乒乓球靠近屏幕左边时按下左侧击球钮，可将球击回右侧。右侧击球钮亦然。（10分）2.建立成败机制，即球抵达边沿而未按下击球钮，记为击球失败，用LED灯光表示。（10分）3.建立记分机制，在七段数码管上显示双方得分（10分）4.特殊功能，在不调整放大器的情况下，连按两下击球钮能击出高抛球，轨迹抛物线曲率变大（20分）2007年全国电子设计竞赛 F题 电动车翘翘板五、典型案例分析81一、F题电动车翘翘板题目要求 设计并制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。配重的位置可以在从始端开始的20

40、0mm600mm范围内调整，调整步长不大于50mm；配重可拆卸。电动车从起始端A出发，可以自动在跷跷板上行驶。电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图所示 。831.基本要求在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：（1）电动车从起始端A出发，在30秒钟内行驶到中心点C附近；（2）60秒钟之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5秒钟，并给出明显的平衡指示；841.基本要求（3）电动车从（2）中的平衡点出发，30秒钟内行驶到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B不大于50mm）；（4）电动车在B点停止5秒后，1分钟内倒退回起始端A，完成整个行程；（5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板

41、上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。852.发挥部分 配重在可调整范围内任一指定位置，电动车完成以下运动：（1）电动车在距起始端A点 300mm以外、90扇形区域内某一指定位置，能够自动驶上跷跷板。如图：862.发挥部分（2）取得平衡，给出明显的平衡指示，并保持平衡5秒钟以上；（3）将配重放置在A至C间指定的位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上；（4）电动车在3分钟之内完成（1）（3）全过程。（5）其他。87二、F题竞赛制作方案举例88F甲1024制作参赛方案团队学生姓名及专业： 陈 云： 生物医学工程 孙希伟： 软件工程 王小静：生物医学工程赛前指导老师

42、：陈言俊 秦峰 王延伟文稿辅导老师：陈言俊1系统方案1.1系统设计与结构框图 根据题目要求，本系统主要由电源模块，控制器模块，电机驱动模块，寻迹模块微调模块，语音模块，显示模块，平衡检测模块，计时模块等构成。系统的结构框图如图1所示：F甲1024制作参赛方案90F甲1024制作参赛方案图1 系统设计图911.2方案论证1.2.1模块选择a.电源模块：小车机动性 12V 电机供电 锂电池 5V其它模块供电 +体积小，容量大 DCDC芯片 F甲1024制作参赛方案92b.控制器选择： 凌阳SPCE061简易开发板F甲1024制作参赛方案93c.电机选择： 方案一：采用步进电机 方案二：采用直流减速

43、电机 转动力矩大，速度大，体积小，重量轻，因而成为我们的最终选择。 为防止小车下坡时惯性过大而滑出跷跷板，在满足时间要求基础上，我们选择 50转/min减速电机以求较大力矩。F甲1024制作参赛方案94d.电机驱动模块：L298N 可方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。专用驱动芯片L298，响应频率高，一片可控制两个直流电机，操作方便，稳定性好，性能优良。F甲1024制作参赛方案95e.平衡检测模块: 方案一：采用铅垂线+光折断器 方案二：采用角度传感器 根据题目要求，平衡的定义为A、B两端与地面的距离差d=|dAdB|不大于40mm,即跷跷板的倾角要小于1.

44、43（arcsin(0.02/0.8)=1.43）才能判定为平衡。ZCT245AL485角度传感器计算出符合平衡的定义时跷跷板的倾角要小于1.43。 ZCT245AL485能直接输出角度值，精度为0.1，15次/秒的测量频率完全能满足设计要求。采用铅垂线+光折断器，通过判断垂线角度来判定平衡。但操作起来比较复杂，且误差较大 F甲1024制作参赛方案96f.寻迹模块：光电传感器 方案一：通过开关型霍尔传感器 方案二：采用光电传感器 采用一体化结构，利用黑、白线反射光的强弱寻迹，灵敏度高，体积小，且结构紧凑，安装方便。g.微调模块： 在小车位置调节达到一定程度后，很难更精密的控制它的移动距离，故我

45、们增加微调模块。即在小车上安装一舵机，由它来控制一重物前后运动，以此来调节小车一侧的力矩。F甲1024制作参赛方案97h.显示模块：数码管显示 速度快，亮度高，我们用其来显示路程、时间及角度等数字信息，且为节省端口，采用了串口通信芯片CH451作为驱动。i.路程测量模块：采用CCD鼠标 采用鼠标CCD摄像测距，安装方便，稳定性好，且精度高，可精确到0.1mm以内。F甲1024制作参赛方案98j.无线模块： 无线单片收发芯片nRF2401 通过无线模块来实现小车与上位机的通讯，体积小、功耗少、外围元件少，有助于减轻小车重量。F甲1024制作参赛方案1.3实现方法 铝合金自制车体采用L298驱动直

46、流减速电机实现行进，光电传感器结合寻迹算法完成电动车寻线功能。利用角度传感器的测量量作为被控量，实现电动车的闭环反馈控制，根据PID控制算法找到平衡点，这是本系统的核心部分。同时LED显示模块和PC无线通信模块实现了良好的人机交互界面。我们确定的最终方案 .F甲1024制作参赛方案1.小车模块：采用自制三角形车体结构2.控制模块：采用凌阳公司的SPCE061A单片机3.电源模块：采用锂电池结合DCDC芯片供电。4.电机模块：采用直流减速电机，由L298来驱动。5.测角模块：采用ZCT245AL485角度传感器。6.微调模块：采用舵机控制一重物在车上平滑缓慢移动来实现。7.寻迹模块：采用反射式光

47、电传感器。8.计时模块：采用开2HZ中断方式。9.显示模块：采用LED显示时间、路程及角度,由CH451作为驱动。10.语音模块：采用凌阳自带语音功能。11.测距模块：采用CCD鼠标测距。12.无线模块：采用无线单片收发芯片nRF2401。F甲1024制作参赛方案1012.理论分析与算法实现a.寻迹测量与控制算法：第一，小车自动驶上跷跷板算法；第二，前进过程寻迹算法；第三，逆向行驶时寻迹算法。其中，登陆跷跷板的控制最为复杂。 为此，我们分别在车头、车体中央、车尾处安装了3、2、3个对管。寻迹线的铺设完全与算法相结合。然后根据读入的对管状态值，来调节小车的行驶状态。 F甲1024制作参赛方案AC

48、B90图2寻迹线 在车头、车体中央、车尾处安装了3、2、3个对管。寻迹线的铺设完全与算法相结合。然后根据读入的对管状态值，来调节小车的行驶状态。寻迹线的铺设如下图.F甲1024制作参赛方案图3对管安装图F甲1024制作参赛方案104b.平衡位置判定方法： 系统中，我们采用角度传感器来测量小车与地面的夹角。 在小车由不平衡到平衡的过程中，跷跷板一定是处于振荡状态的。若在一段时间内所测量到的角度值均在1.43以内，则判定小车平衡。F甲1024制作参赛方案SpS1ASpS1图4平衡计算示意 F甲1024制作参赛方案106最终采用的控制方法： 通过精确距离测量，在平衡调整区根据当前读到的角度来修正小车

49、下一步的行进步长，通过微调模块的微量调节，使小车逐步达到平衡。程序流程图如下图：F甲1024制作参赛方案3电路与程序设计检测与驱动电路设计 电机驱动模块： 寻迹模块 角度传感器模块 显示模块 无线模块 总体电路图软件设计与工作流程图 F甲1024制作参赛方案108 图7 主程序流程图 模式选择 A至C寻迹 找平衡，语音播报并延时5S 过C线否 C至B寻迹 停车并延时5S 原路返回 寻迹自动驶 上跷跷板 寻迹前进并 寻找平衡 停车延时5S 并语音播报 再次寻找平衡 平衡否 平衡否 到B点否否 停车延时5S 并语音播报 Y N N Y Y N N Y 1094功能测试与结果分析a.基本功能全部予以

50、实现：A至C的时间：5sC处平衡时间：30sC处平衡角度：0.5度C至B时间：4sB至A时间：9sF甲1024制作参赛方案110b.发挥部分功能实现情况：带配重平衡角度：0.6度自动上板时间： 4s第一次平衡时间：36s移动配重第二次平衡时间：72sF甲1024制作参赛方案111c.创新发挥部分： 用CCD鼠标测量路程并由数码管实时显示，精度可达0.01cm； 通过无线收发芯片nRF2401与上位机实现通讯，在上位机上对跷跷板状态形象化显示； 无限次自动平衡功能。F甲1024制作参赛方案112烟台答辩场外调试113北京复审答辩现场114复审结束留影索尼杯山大五个一等奖团队代表陈云 孙希伟 王小

51、静团队获全国一等奖周景博 高少锐 严冰团队获全国一等奖都是二年级学生年份20052006200720082009合计赛事全国赛山东省赛全国赛山东省赛全国赛奖励等级 国一国二省一省一省二国一国二省一省一省二国一国二省一获奖数133672371545763参赛队101616192081 历年电子竞赛获奖统计 谢谢大家联系方式： 山东大学工程训练中心 电话手机邮箱：cyj举例编号：F甲1011 数控直流电流源（F题） 于建水 梁海运 李春蕾 山东大学信息工程学院 赛 前 辅 导 教 师： 陈言俊 秦峰 王延伟 仪维 文稿整理辅导教师：陈言俊1.

52、 系统设计1.1 方案比较与论证 根据题目的要求，系统可划分为控制模块、DA转换模块、电流源模块、电源模块、显示模块、键盘模块、测量模块，另外增加了语音模块。系统框图如图1： 图1 系统框图为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。电源模块控制器模块键盘模块语音模块显示模块电压转换模块电流源模块测量模块1.1.1控制器模块 方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，体积小，稳定性高，IO资源丰富，易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。但本系统不需复杂的逻辑功能，

53、对数据处理的速度要求也不高。因此我们放弃了这个方案。 方案2：采用单片机作为控制器。我们选择了凌阳公司的SPCE061A，它是16位微处理器，具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点，内嵌32k字闪存FLASH，处理速度高，尤其适用于数字语音播报和识别等应用领域。1.1.2 电流源模块 方案1：晶体管恒流源。这类恒流源以晶体三极管为主要组成器件,利用晶体三极管集电极电压变化对电流影响小,并在电路中采用电流负反馈来提高输出电流之恒定性。 通常,还采用一定的温度补偿和稳压措施。 晶体管恒流源虽然能得到恒定的电流，但是得到的电流较小，根本达不到2000mA的要求

54、，而且不容易程控和步进。 方案2：采用集成稳压器构成的开关恒流源电路。 开关恒流源电路虽然能实现题目的基本要求，但还存在两个主要问题：对电流的程控步进通过改变滑阻来实现，只能采用数字电位器，数字电位器不仅价格昂贵，而且本题基本要求步进10mA，发挥部分要求1mA，用数字电位器达不到如此高的精度；输出电流中存在7805的静态电流，当输出电流比较大是影响很小，但输出电流到底限20mA时，10mA的静态电流已经太大了。 方案3：集成运放反馈型恒流源。集成运算放大器是一种高增益的直流放大器，一般工作在闭环状态，只要外接少数几个电阻，就可以构成具有深度负反馈的放大器，因而可用作恒流源。通过负反馈作用,

55、便加到比较放大器两个输入端的电压相等, 从而保持输出电流的恒定。（见图2） 图2 集成运放构成的恒流源电路 在反馈型恒流源电路中，用集成运放做比较器，其各项性能指标都得到显著改善。以上几种恒流源结构简单, 可靠性高, 调整方便, 在科研中已得到了应用。但是经过综合比较，方案3更能达到题目要求。1.1.3 电压转换模块 要程控电流的变化，必须改变电压。我们选择电压型DA转换器件。DA的精度取决于题目的要求。本题基本要求是200mA2000mA，步进10mA，分辨度是（2000200）/10=180,普通的8位DA分辨度是281255，已经满足要求。发挥部分要求是20mA2000mA，步进1mA，

56、分辨度为（200020）/1=1980,10位DA分辨度是2101=1023,达不到如此高的精度，12位DA分辨度为2121=4095，满足了要求。因为无论怎样解决，不可避免的都要存在误差，因此要做的精度比要求的略高才能保证精确步进1mA，12位DA对于步进1mA还是有小的误差，因此选择了16位DA，尽量使误差变得更小。1.1.4测量模块 方案1：电路中串入电流表表头测量。这种方案简单易行，但需要人工读数，而且电流范围较宽，只用一个量程无法实现精确读数，采用多量程又很麻烦。 方案2；采用AD转换测量电流。把发射极所接电阻作为采样电阻，对电压进行采样，把数据传输给单片机处理并送显示模块显示。综合

57、比较之后，选择方案2。1.1.5电源模块 题目需要输出2000mA的电流，因此需要较大的电源功率。1.1.6语音模块 方案1：选择专门的语音存储芯片，通过单片机控制放音。只能进行简单的放音，不能实现复杂功能。 方案2：利用61单片机进行存储和放音。凌阳61单片机是16位单片机，具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达49MHz，具备运算速度高的优势等，这些都为语音的播放、录放、合成和辨识提供了条件。 为了显示出凌阳单片机的优势，我们选择方案2。1.1.7显示模块 方案1：采用LED数码管显示。按题目要求，至少要用4位动态数码管显示，这样要占去大量的IO资源，而且数码管只能显示有限的数

58、字和符号。 方案2：采用带字库LCD显示。为了避免占用大量的IO口，我们采用串行传输，虽然编程难度增大，但是节省了IO资源，避免外扩IO，减少了硬件电路的制作。LCD可以用全中文界面显示，显示内容丰富，易于人机交流。 因此，我们采用方案2。1.1.8 键盘模块 根据题目要求，我们需要44键盘。 方案1：由于61A单片机内有下拉电阻，所以IO可以直接接44键盘，单片机扫描读取。优点是电路简单，接口方便，但占用了较多IO口，而且必须编写去抖程序，容易误码。 方案2：采用并行键盘控制芯片8279。8279是总线型数码管和键盘管理芯片，对于61单片机来说编程比较麻烦，而且是并行工作方式，占用相当多的I

59、O口，这是最大的缺点。 方案3：采用串行键盘控制芯片7289。功能强大，只占用较少IO口，读取精确，虽然增加编程复杂度，也是值得的。 因此，我们选用方案3。1.2 方案选定 经过仔细的分析和论证，决定了系统各模块的方案如下：控制模块：采用凌阳SPCE061A16位单片机；电流源模块：采用集成运放反馈型电流源方案1；DA模块：采用16位DA芯片控制电压转换；测量模块：采用12位AD芯片采样电压转换成电流；电源模块：采用大功率和小功率双电源分开供电；语音模块：采用61单片机进行存储和放音显示模块：采用带字库的液晶显示，串行传输方式；键盘模块：采用串行键盘控制芯片7289。2 单元电路设计2.1 电

60、流源电路的设计 我们论证了两种集成运放构成的深度负反馈恒流源电路，电路原理分别如图3和图4所示。图3 电流源电路设计1图4 电流源电路设计2图3中采用了电阻浮置而负载接地，因为浮置而需要两个反馈电阻和，常规的反馈用于电流采样，而接至的另一端用于提供基准电压。若不用 ，则与负载均成为采样电阻，就会和有关，不能成为恒流源。恒流源输出电流与线路参数如下：此电路为同向输入电路，由其性质可列出方程(2) (1) 图4所示电路，D/A输出电压作为恒流源的参考电压，运算放大器与晶体管组成的达林顿电路构成电压跟随器。利用晶体管平坦的输出特性即可得到恒流输出。由于跟随器是一种深度的电压负反馈电路，因此电流源具有