時(shí)間：2023-06-01 15:44:42
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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所要求解決的問題日趨復(fù)雜，與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。而復(fù)雜性的提高就意味著可靠性的降低，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，要想使如此復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零出錯(cuò)率幾乎是不可能的，因此人們寄希望于系統(tǒng)的容錯(cuò)性能：即系統(tǒng)在出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下的適應(yīng)能力。對(duì)于如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和可靠性，大自然給了我們近乎完美的藍(lán)本。人體是迄今為止我們所知道的最復(fù)雜的生物系統(tǒng)，通過(guò)千萬(wàn)年基因進(jìn)化，使得人體可以在某些細(xì)胞發(fā)生病變的情況下，不斷地進(jìn)行自我診斷，并最終自愈。因此借用這一機(jī)理，科學(xué)家們研究出可進(jìn)化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可進(jìn)化硬件不但同樣具有自我診斷能力，能夠通過(guò)自我重構(gòu)消除錯(cuò)誤，而且可以在設(shè)計(jì)要求或系統(tǒng)工作環(huán)境發(fā)生變化的情況下，通過(guò)自我重構(gòu)來(lái)使電路適應(yīng)這種變化而繼續(xù)正常工作。嚴(yán)格地說(shuō)，EHW具有兩個(gè)方面的目的，一方面是把進(jìn)化算法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計(jì)中；另一方面是硬件具有通過(guò)動(dòng)態(tài)地、自主地重構(gòu)自己實(shí)現(xiàn)在線適應(yīng)變化的能力。前者強(qiáng)調(diào)的是進(jìn)化算法在電子設(shè)計(jì)中可替代傳統(tǒng)基于規(guī)范的設(shè)計(jì)方法；后者強(qiáng)調(diào)的是硬件的可適應(yīng)機(jī)理。當(dāng)然二者的區(qū)別也是很模糊的。本文主要討論的是EHW在第一個(gè)方面的問題。
對(duì)EHW的研究主要采用了進(jìn)化理論中的進(jìn)化計(jì)算（EvolutionaryComputing）算法,特別是遺傳算法（GA）為設(shè)計(jì)算法，在數(shù)字電路中以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）為媒介，在模擬電路設(shè)計(jì)中以現(xiàn)場(chǎng)可編程模擬陣列（FPAA）為媒介來(lái)進(jìn)行的。此外還有建立在晶體管級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)可編程晶體管陣列（FPTA），它為同時(shí)設(shè)計(jì)數(shù)字電路和和模擬電路提供了一個(gè)可靠的平臺(tái)。下面主要介紹一下遺傳算法和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的相關(guān)知識(shí)，并以數(shù)字電路為例介紹可進(jìn)化硬件設(shè)計(jì)方法。
1．1遺傳算法
遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過(guò)程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化算法，它借鑒了物種進(jìn)化的思想，將欲求解問題編碼，把可行解表示成字符串形式，稱為染色體或個(gè)體。先通過(guò)初始化隨機(jī)產(chǎn)生一群個(gè)體，稱為種群，它們都是假設(shè)解。然后把這些假設(shè)解置于問題的“環(huán)境”中，根據(jù)適應(yīng)值或某種競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制選擇個(gè)體（適應(yīng)值就是解的滿意程度），使用各種遺傳操作算子（包括選擇，變異，交叉等等）產(chǎn)生下一代（下一代可以完全替代原種群，即非重疊種群；也可以部分替代原種群中一些較差的個(gè)體，即重疊種群），如此進(jìn)化下去，直到滿足期望的終止條件，得到問題的最優(yōu)解為止。
1．2現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(FPGA)
現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列是一種基于查找表(LUT,LookupTable)結(jié)構(gòu)的可在線編程的邏輯電路。它由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。當(dāng)用戶通過(guò)原理圖或硬件描述語(yǔ)言（HDL）描述了一個(gè)邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會(huì)把設(shè)計(jì)方案通過(guò)編譯形成數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)流下載至RAM中。這些RAM中的數(shù)據(jù)流決定電路的邏輯關(guān)系。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用，灌入不同的數(shù)據(jù)流就會(huì)獲得不同的硬件系統(tǒng)，這就是可編程特性。這一特性是實(shí)現(xiàn)EHW的重要特性。目前在可進(jìn)化電子電路的設(shè)計(jì)中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。
2進(jìn)化電子電路設(shè)計(jì)架構(gòu)
本節(jié)以設(shè)計(jì)高容錯(cuò)性的數(shù)字電路設(shè)計(jì)為例來(lái)闡述EHW的設(shè)計(jì)架構(gòu)及主要設(shè)計(jì)步驟。對(duì)于通過(guò)進(jìn)化理論的遺傳算法來(lái)產(chǎn)生容錯(cuò)性，所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)可以看作一個(gè)具有持續(xù)性地、實(shí)時(shí)地適應(yīng)變化的硬件系統(tǒng)。對(duì)于電子電路來(lái)說(shuō)，所謂的變化的來(lái)源很多，如硬件故障導(dǎo)致的錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)要求和規(guī)則的改變，環(huán)境的改變（各種干擾的出現(xiàn)）等。
從進(jìn)化論的角度來(lái)看，當(dāng)這些變化發(fā)生時(shí)，個(gè)體的適應(yīng)度會(huì)作相應(yīng)的改變。當(dāng)進(jìn)化進(jìn)行時(shí)，個(gè)體會(huì)適應(yīng)這些變化重新獲得高的適應(yīng)度。基于進(jìn)化論的電子電路設(shè)計(jì)就是利用這種原理,通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行多次地進(jìn)化來(lái)提高其適應(yīng)變化的能力。
電子電路進(jìn)化設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。圖中給出了電子電路的設(shè)計(jì)的兩種進(jìn)化，分別是內(nèi)部進(jìn)化和外部進(jìn)化。其中內(nèi)部進(jìn)化是指硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進(jìn)化，而外部進(jìn)化是指軟件模擬的電路的進(jìn)化。這兩種進(jìn)化是相互獨(dú)立的，當(dāng)然通過(guò)外部進(jìn)化得到的最終設(shè)計(jì)結(jié)果還是要由硬件結(jié)構(gòu)的變化來(lái)實(shí)際體現(xiàn)。從圖中可以看出，進(jìn)化過(guò)程是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，其中是根據(jù)進(jìn)化算法（遺傳算法）的計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行的。整個(gè)進(jìn)化設(shè)計(jì)包括以下步驟：
（1）根據(jù)設(shè)計(jì)的目的，產(chǎn)生初步的方案，并把初步方案用一組染色體（一組“0”和“1”表示的數(shù)據(jù)串）來(lái)表示，其中每個(gè)個(gè)體表示的是設(shè)計(jì)的一部分。染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA上，用來(lái)定義FPGA的開關(guān)狀態(tài)，從而確定可重構(gòu)硬件內(nèi)部各單元的聯(lián)結(jié)，形成了初步的硬件系統(tǒng)。用來(lái)設(shè)計(jì)進(jìn)化硬件的FPGA器件可以接受任意組合的數(shù)據(jù)流下載，而不會(huì)導(dǎo)致器件的損害。
（2）將設(shè)計(jì)結(jié)果與目標(biāo)要求進(jìn)行比較，并用某種誤差表示作為描述系統(tǒng)適應(yīng)度的衡量準(zhǔn)則。這需要一定的檢測(cè)手段和評(píng)估軟件的支持。對(duì)不同的個(gè)體，根據(jù)適應(yīng)度進(jìn)行排序，下一代的個(gè)體將由最優(yōu)的個(gè)體來(lái)產(chǎn)生。
（3）根據(jù)適應(yīng)度再對(duì)新的個(gè)體組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果挑選一些個(gè)體。一
部分被選個(gè)體保持原樣，另一部分個(gè)體根據(jù)遺傳算法進(jìn)行修改，如進(jìn)行交叉和變異，而這種交叉和變異的目的是為了產(chǎn)生更具適應(yīng)性的下一代。把新一代染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA中對(duì)硬件進(jìn)行進(jìn)化。
（4）重復(fù)上述步驟，產(chǎn)生新的數(shù)代個(gè)體，直到新的個(gè)體表示的設(shè)計(jì)方案表現(xiàn)出接近要求的適應(yīng)能力為止。
一般來(lái)說(shuō)通過(guò)遺傳算法最后會(huì)得到一個(gè)或數(shù)個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，最后設(shè)計(jì)方案具有對(duì)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)工作環(huán)境的最佳適應(yīng)性。這一過(guò)程又叫內(nèi)部進(jìn)化或硬件進(jìn)化。
圖中的右邊展示了另一種設(shè)計(jì)可進(jìn)化電路的方法，即用模擬軟件來(lái)代替可重構(gòu)器件，染色體每一位確定的是軟件模擬電路的連接方式，而不是可重構(gòu)器件各單元的連接方式。這一方法叫外部進(jìn)化或軟件進(jìn)化。這種方法中進(jìn)化過(guò)程完全模擬進(jìn)行，只有最后的結(jié)果才在器件上實(shí)施。
進(jìn)化電子電路設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的是遺傳算法的應(yīng)用。在遺傳算法的應(yīng)用過(guò)程中，變異因子的確定是需要慎重考慮的，它的大小既關(guān)系到個(gè)體變異的程度，也關(guān)系到個(gè)體對(duì)環(huán)境變化做出反應(yīng)的能力，而這兩個(gè)因素相互抵觸。變異因子越大，個(gè)體更容易適應(yīng)環(huán)境變化，對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的錯(cuò)誤做出快速反應(yīng)，但個(gè)體更容易發(fā)生突變。而變異因子較小時(shí)，系統(tǒng)的反應(yīng)力變差，但系統(tǒng)一旦獲得高適應(yīng)度的設(shè)計(jì)方案時(shí)可以保持穩(wěn)定。
對(duì)于可進(jìn)化數(shù)字電路的設(shè)計(jì)，可以在兩個(gè)層面上進(jìn)行。一個(gè)是在基本的“與”、“或”、“非”門的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)化設(shè)計(jì)，一個(gè)是在功能塊如觸發(fā)器、加法器和多路選擇器的基礎(chǔ)上進(jìn)行。前一種方法更為靈活，而后一種更適于工業(yè)應(yīng)用。有人提出了一種基于進(jìn)化細(xì)胞機(jī)（CellularAutomaton）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)。采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，只需要定義整個(gè)模塊的適應(yīng)度，而對(duì)于每一模塊如何實(shí)現(xiàn)它復(fù)雜的功能可以不予理睬，對(duì)于超大規(guī)模線路的設(shè)計(jì)可以采用這一方法來(lái)將電路進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3可進(jìn)化電路設(shè)計(jì)環(huán)境
上面描述的軟硬件進(jìn)化電子電路設(shè)計(jì)可在圖2所示的設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行。這一設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)境對(duì)于測(cè)試可重構(gòu)硬件的構(gòu)架及展示在FPGA可重構(gòu)硬件上的進(jìn)化設(shè)計(jì)很有用處。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)環(huán)境包括遺傳算法軟件包、FPGA開發(fā)系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)采集軟硬件、適應(yīng)度評(píng)估軟件、用戶接口程序及電路模擬仿真軟件。
遺傳算法由計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的一個(gè)程序包實(shí)現(xiàn)。由它來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)化計(jì)算并產(chǎn)生染色體組。表示硬件描述的染色體通過(guò)通信電纜由計(jì)算機(jī)下載到有FPGA器件的實(shí)驗(yàn)板上。然后通過(guò)接口將布線結(jié)果傳回計(jì)算機(jī)。適應(yīng)度評(píng)估建立在儀器數(shù)據(jù)采集硬件及軟件上，一個(gè)接口碼將GA與硬件連接起來(lái)，可能的設(shè)計(jì)方案在此得到評(píng)估。同時(shí)還有一個(gè)圖形用戶接口以便于設(shè)計(jì)結(jié)果的可視化和將問題形式化。通過(guò)執(zhí)行遺傳算法在每一代染色體組都會(huì)產(chǎn)生新的染色體群組，并被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流傳入實(shí)驗(yàn)板上。至于通過(guò)軟件進(jìn)化的電子電路設(shè)計(jì)，可采用Spice軟件作為線路模擬仿真軟件，把染色體變成模擬電路并通過(guò)仿真軟件來(lái)仿真電路的運(yùn)行情況，通過(guò)相應(yīng)軟件來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果。
4結(jié)論與展望
進(jìn)化過(guò)程廣義上可以看作是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變化。在這個(gè)意義上，可以將“可進(jìn)化”這一特性運(yùn)用到無(wú)數(shù)的人工系統(tǒng)中，只要這些系統(tǒng)的性能會(huì)受到環(huán)境的影響。不僅是遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能工程以及胚胎學(xué)都可以應(yīng)用到可進(jìn)化系統(tǒng)中。雖然目前設(shè)計(jì)出的可進(jìn)化硬件還存在著許多需要解決的問題，如系統(tǒng)的魯棒性等。但在未來(lái)的發(fā)展中，電子電路可進(jìn)化的設(shè)計(jì)方法將不可避免的取代傳統(tǒng)的自頂向下設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)的復(fù)雜性將不再成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的障礙。另一方面，硬件本身的自我重構(gòu)能力對(duì)于那些在復(fù)雜多變的環(huán)境，特別是人不能直接參與的環(huán)境工作的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)將帶來(lái)極大的影響。因此可進(jìn)化硬件的研究將會(huì)進(jìn)一步深入并會(huì)得到廣泛的應(yīng)用而造福人類。
近年來(lái)，我國(guó)電子技術(shù)獲得突飛猛進(jìn)發(fā)展，新型元器件和集成電路得以廣泛應(yīng)用，電集成化與復(fù)雜化顯然已成為新時(shí)期電路設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。為更好滿足當(dāng)代電路設(shè)計(jì)需求，利用電子線路CAD技術(shù)取代傳統(tǒng)的手工操作很有必要。在電子線路CAD技術(shù)的輔助下，電路設(shè)計(jì)的精密度將獲得可靠保障。電子線路CAD技術(shù)的應(yīng)用，其實(shí)是電路設(shè)計(jì)者在電路設(shè)計(jì)理論上具有可行性的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)繪圖、設(shè)計(jì)軟件等工具，完成實(shí)際的設(shè)計(jì)工具。在電子線路CAD技術(shù)的幫助下，電路設(shè)計(jì)工作的效率與質(zhì)量均將得以顯著提升。目前，電子線路CAD技術(shù)在電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要包括以下內(nèi)容：
1.1電路圖的設(shè)計(jì)。作為電子設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完善、功能全面的電路圖很有必要，這是確保電子設(shè)計(jì)最終產(chǎn)物能夠正常使用的根本保障。在電子設(shè)計(jì)者進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)工作時(shí)，完全可以借助Protel工具，實(shí)現(xiàn)原理圖的輸入。Protel蘊(yùn)藏著資源豐富的電子器件庫(kù)，在Protel的輔助下，設(shè)計(jì)者在繪圖期間能夠結(jié)合設(shè)計(jì)需求，靈活使用各類電子器件，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的工作量，同時(shí)提高了電路原理圖的精密度。譬如，使用者繪制完成元器件后，可以根據(jù)自己的想象，將其放在任何一個(gè)位置，僅需通過(guò)拖動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)，無(wú)需進(jìn)行其他調(diào)整參數(shù)等操作。
1.2模擬數(shù)據(jù)。電子線路CAD技術(shù)還能起到模擬數(shù)據(jù)的作用，以便設(shè)計(jì)者根據(jù)模擬電路運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)電路設(shè)計(jì)有無(wú)異常。同時(shí)，可結(jié)合模擬數(shù)據(jù)，對(duì)電路進(jìn)行更深層次的分析。Protel軟件本身自帶多種模擬功能，設(shè)計(jì)者可通過(guò)模擬功能的運(yùn)用，對(duì)電子設(shè)計(jì)在通電情況下的溫度、瞬態(tài)、靈敏度等情況有一個(gè)初步的了解，以確保該電路的功能是否達(dá)到預(yù)期效果。另外，還可利用數(shù)據(jù)模擬，了解電路各環(huán)節(jié)的運(yùn)行情況，以便設(shè)計(jì)者及時(shí)察覺線路異常，并盡快采取措施進(jìn)行調(diào)整。
1.3設(shè)計(jì)PCB板。利用Protel軟件，將電路設(shè)計(jì)圖進(jìn)行布線，最終形成的電路板即為PCB板。PCB板的設(shè)計(jì)，離不開電路原理圖的導(dǎo)入，而電路原理圖的導(dǎo)入工作，勢(shì)必需要借助Protel軟件的數(shù)據(jù)模擬功能。同時(shí)，為確保PCB板的設(shè)計(jì)達(dá)到理想效果，電路原理圖與PCB板中的各類元器件的電氣特點(diǎn)務(wù)必要保持一致。只有這樣，設(shè)計(jì)者才能借助Prote軟件的布線功能完成布線工作，并在后期，通過(guò)人工調(diào)整的方式，進(jìn)一步改善布線工作的效果，使電路布線更加精確、整潔。
2運(yùn)用電子線路CAD技術(shù)提高電子設(shè)計(jì)課程教學(xué)質(zhì)量的有效建議
電子線路CAD課程是一門理論與實(shí)際結(jié)合性很強(qiáng)，具有一定實(shí)踐性的新興課程，是當(dāng)代電子信息技術(shù)專業(yè)的核心課程之一。電子線路CAD課程的主要目的，是幫助鍛煉學(xué)生PCB板的設(shè)計(jì)能力，能夠結(jié)合設(shè)計(jì)需要，完成各種類型的PCB板布局與布線。作為電子信息技術(shù)專業(yè)的高職學(xué)生，務(wù)必要掌握：CAD軟件的應(yīng)用能力、原理圖繪制能力、原理圖元件制作能力。PCB板設(shè)計(jì)能力、新元件封裝制作能力、單面PCB板設(shè)計(jì)與編輯。雙面PCB板設(shè)計(jì)與編輯，并了解一定的有關(guān)多層PCB板設(shè)計(jì)與編輯以及電子線路仿真知識(shí)。結(jié)合電子線路CAD技術(shù)在電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況來(lái)看，為能有效完成電子線路設(shè)計(jì)工作，全面落實(shí)電子線路CAD技術(shù)的教學(xué)很有必要。然而，從目前教學(xué)工作開展情況來(lái)看，在高職電子設(shè)計(jì)課程的教學(xué)工作中，電子線路CAD技術(shù)的應(yīng)用并沒有達(dá)到理想效果。學(xué)生在對(duì)電子線路CAD技術(shù)始終無(wú)法真正掌握電子線路CAD技術(shù)，也不能通過(guò)靈活應(yīng)用該技術(shù)，順利完成電子設(shè)計(jì)工作。學(xué)生對(duì)該技術(shù)的學(xué)習(xí)，往往只是停留在對(duì)理論知識(shí)的理解，對(duì)實(shí)踐操作方面的內(nèi)容，多呈現(xiàn)出臨時(shí)性記憶的特點(diǎn)，一旦離開教師的輔導(dǎo)或一定時(shí)間未接觸，就會(huì)出現(xiàn)無(wú)從下手的情況。針對(duì)這一問題，結(jié)合發(fā)達(dá)國(guó)家成功經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用以行動(dòng)為向?qū)У捻?xiàng)目教學(xué)法效果更佳。告知電子設(shè)計(jì)課程在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)遵循以下基本原則：
（1）先整體后具體。在開展CAD技術(shù)的教學(xué)工作時(shí)，教師應(yīng)提前對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值與學(xué)習(xí)意義進(jìn)行介紹，告知學(xué)生這一知識(shí)要點(diǎn)的學(xué)習(xí)難度與學(xué)習(xí)目的，使學(xué)生做好充分的心理準(zhǔn)備后，再進(jìn)行各項(xiàng)目的教學(xué)與實(shí)踐；
（2）循序漸進(jìn)。學(xué)生初步接觸CAD技術(shù)時(shí)，教師注意引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單嘗試，帶領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行難度系數(shù)低的電子設(shè)計(jì)，然后不斷增減難度，由淺入深，加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用該技術(shù)的能力。比如說(shuō)，相較于高頻電子產(chǎn)品，低頻電子產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，教師在帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，應(yīng)從低頻電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)入手，待學(xué)生完全掌握操作技能后，再逐漸轉(zhuǎn)向高頻電子產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)；
（3）鼓勵(lì)創(chuàng)新。在使用CAD技術(shù)進(jìn)行電子設(shè)計(jì)時(shí)，教師應(yīng)在學(xué)生CAD技術(shù)掌握到一定程度時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生積極創(chuàng)新，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生電子線路CAD技術(shù)應(yīng)用的靈活性；
（4）要求學(xué)生將理論落實(shí)到實(shí)踐。子在學(xué)生運(yùn)用CAD技術(shù)完成電子設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，教師應(yīng)要求學(xué)生將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為成品，而不是停留在電腦的設(shè)計(jì)。將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為成品，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)成就感，使學(xué)生更加直觀的感受到CAD技術(shù)的魅力，今后愿意更加專注地投入學(xué)習(xí)。
3結(jié)束語(yǔ)
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；三電平；PWM整流器；功率因數(shù)校正
引言
三電平（ThreeLevel，TL）整流器是一種可用于高壓大功率的PWM整流器，具有功率因數(shù)接近1，且開關(guān)電壓應(yīng)力比兩電平減小一半的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]及[2]提到一種三電平Boost電路，用于對(duì)整流橋進(jìn)行功率因數(shù)校正，但由于二極管整流電路的不可逆性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率流的雙向流動(dòng)。文獻(xiàn)[3]，[4]及[5]提到了幾種三電平PWM整流器，盡管實(shí)現(xiàn)了三電平，但開關(guān)管上電壓應(yīng)力減少一半的優(yōu)點(diǎn)沒有實(shí)現(xiàn)。三電平整流器盡管比兩電平整流器開關(guān)數(shù)量多，控制復(fù)雜，但?具有兩電平整流器所不具備的特點(diǎn)：
1）電平數(shù)的增加使之具有更小的直流側(cè)電壓脈動(dòng)和更佳的動(dòng)態(tài)性能，在開關(guān)頻率很低時(shí)，如300～500Hz就能滿足對(duì)電流諧波的要求；
2）電平數(shù)的增加也使電源側(cè)電流比兩電平中的電流更接近正弦，且隨著電平數(shù)的增加，正弦性越好，功率因數(shù)更高；
3）開關(guān)的增加也有利于降低開關(guān)管上的電壓壓應(yīng)力，提高裝置工作的穩(wěn)定性，適用于對(duì)電壓要求較高的場(chǎng)合。
1TL整流器工作原理
TL整流器主電路如圖1所示，由8個(gè)開關(guān)管V11～V42組成三電平橋式電路。假定u1=u2=ud/2，則每只開關(guān)管將承擔(dān)直流側(cè)電壓的一半。
以左半橋臂為例，1態(tài)時(shí)，當(dāng)電流is為正值時(shí)，電流從A點(diǎn)流經(jīng)VD11及VD12到輸出端；當(dāng)is為負(fù)值時(shí)，電流從A點(diǎn)流經(jīng)V11及V12到輸出端，因此，無(wú)論is為何值，均有uAG=uCG=＋ud/2，D1防止了電容C1被V11(VD11)短接。同理，在0態(tài)時(shí)，有uAG=0；在－1態(tài)時(shí)，有uAG=uDG=－ud/2，D2防止了電容C2被V22(VD22)短接。
右半橋臂原理類似，因此A及B端電壓波形如圖2所示，從而在交流側(cè)電壓uAB上產(chǎn)生五個(gè)電平：＋ud，＋ud/2，0，－ud/2，－ud。
每個(gè)半橋均有三種工作狀態(tài)，整個(gè)TL橋共有32=9個(gè)狀態(tài)。分別如下：
狀態(tài)0(1,1)開關(guān)管V11，V12，V31，V32開通，變換器交流側(cè)電壓uAB等于0，電容通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us的變化而增加或減小。
狀態(tài)1(1,0)開關(guān)管V11，V12，V32，V41開通，交流側(cè)輸入電壓uAB等于ud/2，輸入端電感電壓等于us－u1。電容C1電壓被正向(或反向)電流充電(u1<us，或放電us<u1)，C2通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電。
狀態(tài)2(1,－1)開關(guān)管V11，V12，V41，V42開通，輸入電壓uAB=ud，正向(或反向)電流對(duì)電容C1及C2充電(或放電)，由于輸入電感電壓反向，電流is逐漸減小。
狀態(tài)3(0,1)開關(guān)管V12，V21，V31，V32開通，交流側(cè)輸入電壓uAB等于－ud/2，輸入電感上電壓等于us＋u1。電容電壓被正向(或反向)電流充電(或放電)。
狀態(tài)4(0,0)開關(guān)管V12，V21，V32，V41開通，輸入端電壓為0，電容通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us的變化而增加或減小。
狀態(tài)5(0,－1)開關(guān)管V12，V21，V41，V42開通，交流側(cè)電壓為ud/2，正向(或反向)電流對(duì)電容C2充電(或放電)，電容C1通過(guò)負(fù)載電流放電。
狀態(tài)6(－1,1)開關(guān)管V21，V22，V31，V32開通，uAB=－ud，正向(或反向)線電流對(duì)兩個(gè)電容C1及C2充電(或放電)，由于升壓電感電壓正向，線電流將逐漸增加。
狀態(tài)7(－1,0)開關(guān)管V21，V22，V32，V41開通，交流側(cè)電壓電平為－ud/2，正向(或反向)電流對(duì)電容C2充電(或放電)，電容C1通過(guò)負(fù)載電流放電。
狀態(tài)8(－1,－1)開關(guān)管V21，V22，V41，V42開通，輸入端電壓為0，升壓電感電壓等于us，兩個(gè)電容C1及C2均通過(guò)負(fù)載電流放電。電流is根據(jù)電壓us的變化而增加(或減小)。
2硬件電路設(shè)計(jì)
從圖2可以看出，在輸入電壓頻率恒定的情況下，要在變換器交流側(cè)產(chǎn)生一個(gè)三電平電壓波形，輸入電壓一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)定義兩個(gè)操作范圍：區(qū)域1和區(qū)域2，如圖3所示。
在區(qū)域1，電壓大于－ud/2，并且小于ud/2，在電壓uAB上產(chǎn)生三個(gè)電平：－ud/2，0，ud/2。同理，在區(qū)域2，電壓絕對(duì)值大于ud/2，并小于直流側(cè)電壓ud，在電壓正半周期(或負(fù)半周期)上產(chǎn)生兩個(gè)電平：ud/2和ud(或－ud/2和－ud)。相應(yīng)電平的工作區(qū)域如表1所列。
表1相應(yīng)電平的工作區(qū)域
工作區(qū)域
1
2
1
2
us>0
us<0
us>0
us<0
高電平
ud/2
ud
－ud/2
低電平
－ud/2
ud/2
－ud
為方便控制，這里定義兩個(gè)控制變量SA及SB，其中
根據(jù)表1可以設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)查詢表，如表2所列，將其存儲(chǔ)在DSP中，當(dāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，便可根據(jù)輸入電壓、電流信號(hào)，從表中查詢所需采取的開關(guān)策略。
表2查詢表
SA
SB
V11
V12
V21
V22
V31
V32
V41
V42
uAB
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
ud/2
1
－1
1
1
1
1
ud
1
1
1
1
1
－ud/2
1
1
1
1
－1
1
1
1
1
ud/2
－1
1
1
1
1
1
－ud
－1
1
1
1
1
－ud/2
－1
－1
1
1
1
1
整個(gè)控制系統(tǒng)以一片DSP為核心，控制框圖如圖4所示。
鎖相環(huán)電路產(chǎn)生一個(gè)與電源電壓同相位的單位正弦波形，ud的采樣信號(hào)通過(guò)低速電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，電流is的采樣信號(hào)通過(guò)高速電流內(nèi)環(huán)G1進(jìn)行調(diào)節(jié)，電容C1端直流電壓u1與電容C2端直流電壓u2分別通過(guò)兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，補(bǔ)償環(huán)G2用于補(bǔ)償兩只電容電壓的不平衡。
檢測(cè)的線電流命令is與參考電流is＊比較，產(chǎn)生的電流誤差信號(hào)送至電流內(nèi)環(huán)G1，以跟蹤電源電流變化，產(chǎn)生的線電流波形將與主電壓同相位。
3軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用兩個(gè)通用定時(shí)器GPT1及GPT2來(lái)產(chǎn)生周期性的CPU中斷，其中GPT1用于PWM信號(hào)產(chǎn)生、ADC采樣和高頻電流環(huán)控制(20kHz)，GPT2用于低頻電壓環(huán)的控制(10kHz)，兩者均采用連續(xù)升/降計(jì)數(shù)模式。低速電壓環(huán)的采樣時(shí)間為100μs，高速電流環(huán)采樣時(shí)間為50μs。中斷屏蔽寄存器IMR，EVIMRA和EVIMRB使GPT1在下降沿和特定周期產(chǎn)生中斷，GPT2則僅在下降沿產(chǎn)生中斷。
整個(gè)程序分為主程序模塊、初始化模塊、電流控制環(huán)計(jì)算模塊、電壓控制環(huán)計(jì)算模塊、PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊等五大部份。程序流程如圖5所示。
4仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)
仿真參數(shù)如下：輸入電壓us交流220V，50Hz，輸出功率1kW，開關(guān)管GTO，開關(guān)頻率500Hz。整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)下電源電壓us、電源電流is、交流側(cè)電壓uAB波形分別如圖6及圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了設(shè)計(jì)的正確性，在采用GTO管、開關(guān)頻率較低（500Hz）時(shí)，輸入側(cè)電流波形仍然非常接近正弦，裝置得到了接近1的功率因數(shù)，同時(shí)開關(guān)上的電壓應(yīng)力減少了一半。
電子商務(wù)是買賣雙方通過(guò)Internet的信息流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)商品交換的。電子商務(wù)圖書交易系統(tǒng)不僅能有效解決傳統(tǒng)圖書交易中存在的客觀條件限制、工作效率低下等問題，也能進(jìn)一步規(guī)范圖書交易活動(dòng)；另外，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展也為信息系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了全新的技術(shù)支撐平臺(tái)和解決方案。
本文以系統(tǒng)思想為指導(dǎo)，將圖書交易的商務(wù)理論與現(xiàn)代信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合，研究并創(chuàng)建了一個(gè)適合現(xiàn)代化特征的圖書交易系統(tǒng)，從而有效地解決圖書交易中的信息管理需求。
二、基于Web的商務(wù)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析
與傳統(tǒng)的圖書交易模式相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：
1.擴(kuò)展了圖書交易范圍。傳統(tǒng)的圖書交易，競(jìng)爭(zhēng)不夠充分，交易效果也不理想，而利用圖書交易系統(tǒng)，可將圖書交易范圍擴(kuò)大到全省、全國(guó)，既擴(kuò)大了視野，也增加了經(jīng)濟(jì)效益。
2.提高了工作效率，節(jié)省了交易時(shí)間。采用本系統(tǒng)實(shí)施圖書交易以后，業(yè)務(wù)流程全部放在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行，快速有效，經(jīng)濟(jì)效益好。
3.節(jié)省大量費(fèi)用開支。采用本系統(tǒng)以后，可大量減少傳統(tǒng)圖書交易方式中的差旅費(fèi)、交通費(fèi)、活動(dòng)費(fèi)等一系列費(fèi)用。
三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.設(shè)計(jì)思想
(1)基于大型數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)和管理
采用SQLSERVER2005為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。
(2)采用+Server2005為開發(fā)環(huán)境
大部分程序在服務(wù)器端執(zhí)行，當(dāng)程序執(zhí)行完畢后，服務(wù)器僅將執(zhí)行結(jié)果返回給客戶端，既減輕了客戶端的負(fù)擔(dān)，也提高了信息交互的速度。
2.系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的主要邏輯結(jié)構(gòu)如圖所示。
系統(tǒng)的主要部分包括：
(1)用戶信息管理部分。包括用戶登錄、圖書信息管理、客戶賬單信息管理。
(2)圖書信息管理部分。包括圖書類別管理、圖書交易管理。
客戶成功購(gòu)物過(guò)程如下：
系統(tǒng)的大致流程如下：
四、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)表如下：
管理員信息表：Admin（編號(hào)，用戶名，用戶密碼，權(quán)限）
圖書類別信息表：classinformation(類別編號(hào)，類別信息，是否在首頁(yè)顯示，順序)
送貨方式表：delivery(編號(hào)，送貨/匯款方式，價(jià)錢，順序)
訂貨信息表:orders(編號(hào)，訂單用戶名，訂貨日期，圖書編號(hào)，圖書訂購(gòu)數(shù)量，訂單編號(hào)，狀態(tài)，收貨人，收貨地址，郵編，留言，匯款方式編號(hào)，送貨方式編號(hào)，性別，總金額，姓名，郵箱，電話，用戶編號(hào))
圖書信息表：（圖書編號(hào)，圖書名稱，作者，出版日期，積分，詳注，目錄，市場(chǎng)價(jià)格，會(huì)員價(jià)格，訂購(gòu)次數(shù)，察看次數(shù)，折扣，類別編號(hào)，添加日期，vip價(jià)格，出版社，ISBN，頁(yè)數(shù)，開本，版本，簡(jiǎn)介）
五、系統(tǒng)的主要模塊及實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)按使用流程主要分為兩個(gè)功能模塊。
用戶信息模塊。包括客戶、系統(tǒng)用戶的信息注冊(cè)、查看和更新。
圖書信息模塊。對(duì)于客戶，列出圖書的有效信息，以供客戶購(gòu)買。
具體實(shí)現(xiàn)模塊如下：
(1)數(shù)據(jù)連接公用模塊
數(shù)據(jù)連接方法：
SqlConnectionconn=newSqlConnection("server=localhost\\sqlexpress
;uid=sa;pwd=數(shù)據(jù)庫(kù)密碼;database=DatabaseName");
(2)用戶信息模塊
主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶的注冊(cè)、登錄及維護(hù)用戶基本信息。
(3)圖書信息模塊
主要是查看圖書信息列表、搜索圖書信息、顯示圖書信息；還能實(shí)現(xiàn)在線網(wǎng)絡(luò)客戶對(duì)圖書的購(gòu)買、取消和完成結(jié)賬等功能。
系統(tǒng)圖書信息搜索中，又分為模糊搜索、高級(jí)搜索。
模糊搜索中，客戶可通過(guò)圖書大致類別信息查詢圖書信息列表。高級(jí)搜索中，客戶可通過(guò)選擇或輸入圖書的具體名稱、出版社、出版時(shí)間或圖書價(jià)格范圍來(lái)進(jìn)行查詢。
(4)系統(tǒng)管理模塊
主要實(shí)現(xiàn)圖書基本信息的添加和刪除，客戶訂單信息管理，商品類別管理等。
(5)數(shù)據(jù)導(dǎo)出導(dǎo)入模塊
主要實(shí)現(xiàn)批量圖書信息的導(dǎo)入和圖書銷售信息的導(dǎo)出。
(6)財(cái)務(wù)管理模塊
主要實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)信息管理。
六、系統(tǒng)安全性
系統(tǒng)采取了以下措施保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定。
1.身份鑒別和數(shù)字簽名。系統(tǒng)采用了身份鑒別和數(shù)字簽名技術(shù)，既防止收到偽造的信息，還要防止對(duì)方事后抵賴等問題。
2.分門別類管理用戶。系統(tǒng)將用戶分為：一般客戶、系統(tǒng)管理員、圖書管理員和財(cái)務(wù)管理員，不同的用戶擁有不同的權(quán)限。
3.系統(tǒng)日志。系統(tǒng)對(duì)某些重要的數(shù)據(jù)和關(guān)鍵性操作會(huì)自動(dòng)記錄在系統(tǒng)日志中。
4.數(shù)據(jù)加密。系統(tǒng)采用了IDEA和MD5相結(jié)合的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密。
5.防火墻。主要目的是對(duì)受保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)訪問控制。
七、結(jié)束語(yǔ)
基于WEB的圖書交易系統(tǒng)是借助先進(jìn)管理思想，結(jié)合圖書交易實(shí)際情況而開發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品化系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實(shí)施，將使圖書管理、圖書交易、費(fèi)用結(jié)算和財(cái)務(wù)管理等業(yè)務(wù)流程得到大幅度優(yōu)化，工作效益得到提高，經(jīng)濟(jì)效益得到改善，相信該系統(tǒng)有一定的推廣價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)的研究中,最為主要的研究點(diǎn)在于:
(1)高速數(shù)字電路信號(hào)的完整性;
(2)高速數(shù)字電路電源的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。在本節(jié)中,筆者將進(jìn)行系統(tǒng)的闡述,強(qiáng)化對(duì)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)與研究。具體而言,主要在于以下幾點(diǎn)內(nèi)容:
1.1高速數(shù)字電路信號(hào)的完整性設(shè)計(jì)
在高速數(shù)字電路信號(hào)的完整性設(shè)計(jì)中,最主要的研究要點(diǎn)在于兩個(gè)方面:一是不同電路信號(hào)網(wǎng)傳輸信號(hào)的干擾情況;二是不同信號(hào)在電路信號(hào)網(wǎng)中的相互干擾情況。也就是說(shuō),在電路信號(hào)的完整性中,信號(hào)干擾是最為關(guān)鍵的因素,無(wú)論是對(duì)于干擾問題,還是對(duì)于反射問題,都是高速數(shù)字電路信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的研究要點(diǎn)。在理想狀態(tài)之下,不同阻抗是相等的,存在相互匹配性。所以,在電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中,要特別注意阻抗的控制,阻抗過(guò)小(過(guò)大)都會(huì)對(duì)線路中的電流及電壓造成影響,進(jìn)而形成信號(hào)干擾問題。當(dāng)然,在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中,是很難以讓臨界阻抗與電路新城相互匹配的狀態(tài),這就強(qiáng)調(diào),高速數(shù)字電路信號(hào)系統(tǒng),應(yīng)最可能的處于較為合適的狀態(tài),以最大程度上提高高速數(shù)字電路的信號(hào)質(zhì)量。
1.2高速數(shù)字電路電源的設(shè)計(jì)
高速數(shù)字電路電源設(shè)計(jì),是設(shè)計(jì)技術(shù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。對(duì)于高速數(shù)字電路而言,需要大量的低電壓元器件的應(yīng)用,以更好地確保設(shè)計(jì)的需求。但是,低壓元器件的應(yīng)用,帶來(lái)了一個(gè)問題,即電源穩(wěn)定性受到一定的影響,造成電源設(shè)計(jì)問題的出現(xiàn)。因此,在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要對(duì)高速數(shù)字電路電源設(shè)計(jì)作充分的考慮。在電源設(shè)計(jì)中“,電源完整性”是主要的關(guān)鍵因素,是指電源波形的質(zhì)量。這一因素的影響主要表現(xiàn)為:
(1)瞬間電流產(chǎn)生過(guò)大,即在高速開關(guān)狀態(tài)下,線路器件極易產(chǎn)生過(guò)大的瞬間電流;
(2)信號(hào)回路阻抗變大,即在電路之中,過(guò)多的電感以至于回路阻抗變大,進(jìn)而產(chǎn)生一定影響。因此,在高速數(shù)字電路電源的設(shè)計(jì)中,最為理想的狀態(tài)的設(shè)計(jì)就是在高速數(shù)字電路電源系統(tǒng)中,并不存在所謂的“阻抗”。這樣一來(lái),不僅不存在阻抗所帶來(lái)的損耗,而且確保了系統(tǒng)中各電位的恒定,當(dāng)然,在實(shí)際之中,理想狀態(tài)的設(shè)計(jì)是不存在,電源系統(tǒng)所形成的干擾噪聲,對(duì)高速數(shù)字電路系統(tǒng)的運(yùn)行造成較大影響。于是乎,電路設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)電源的電阻及電感做充分的設(shè)計(jì)考慮,提高高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的有效性。
2結(jié)語(yǔ)
電子技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)各行各業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用廣泛———廣播通信、網(wǎng)絡(luò)、航空航天、工業(yè)、交通、醫(yī)學(xué)、消費(fèi)類電子領(lǐng)域都離不開電子技術(shù)。眾所周知的北京2008年奧運(yùn)會(huì)的水立方建筑運(yùn)用50萬(wàn)顆LED燈構(gòu)成世界上最大的半導(dǎo)體照明工程。學(xué)習(xí)電子技術(shù)基礎(chǔ)是適應(yīng)時(shí)展之必須。高職教育不同于普通高等教育，它的專業(yè)設(shè)置和課程設(shè)置指導(dǎo)思想都是以服務(wù)為宗旨，以就業(yè)為導(dǎo)向。針對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，我們進(jìn)行了廣泛的市場(chǎng)調(diào)研，重點(diǎn)調(diào)研了長(zhǎng)三角地區(qū)高職畢業(yè)生的主要就業(yè)崗位，需要具備的職業(yè)能力及從業(yè)資格證書等問題，應(yīng)用電子專業(yè)的就業(yè)崗位主要有：電子產(chǎn)品維修工，電子產(chǎn)品裝配工，電子產(chǎn)品調(diào)試員，電子產(chǎn)品工藝員。通過(guò)崗位的典型工作任務(wù)，職業(yè)能力分析，歸納出職業(yè)行動(dòng)領(lǐng)域，然后根據(jù)我系的實(shí)際教學(xué)條件，實(shí)訓(xùn)條件，將職業(yè)行動(dòng)領(lǐng)域轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)領(lǐng)域，構(gòu)建了《電路與模擬電子技術(shù)》這門課程。同時(shí)，我們制定了課程標(biāo)準(zhǔn)。
2電路與模擬電子技術(shù)課程目標(biāo)
本課程的總體目標(biāo)是：通過(guò)對(duì)電路原理、常用電子元器件、模擬電路及其系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得電路與模擬電子技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識(shí)、基礎(chǔ)理論和基本技能，為深入學(xué)習(xí)電子技術(shù)及其在專業(yè)中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。其中包括：（1）知識(shí)目標(biāo)：掌握電路基本概念、基本分析和計(jì)算方法；會(huì)計(jì)算電路主要參數(shù)；掌握電路波形圖畫法、建立電路模型的方法；會(huì)判斷器件類型、電路工作狀態(tài)；（2）能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生正確使用常用儀表的能力；培養(yǎng)學(xué)生正確選擇元器件的能力；培養(yǎng)學(xué)生檢索與閱讀各種電子手冊(cè)及資料的能力；培養(yǎng)學(xué)生識(shí)讀與分析電路的能力；培養(yǎng)學(xué)生安裝和焊接電路的能力；培養(yǎng)學(xué)生電路測(cè)試方案的設(shè)計(jì)能力和對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析能力；培養(yǎng)學(xué)生排除電路故障的能力；培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單電路設(shè)計(jì)的能力；（3）情感目標(biāo)：通過(guò)趣味案例激發(fā)學(xué)生好奇心和學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)學(xué)習(xí)情境挖掘?qū)W生的求知欲和創(chuàng)造欲，樹立學(xué)生自信心。
3電路與模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)
本門課程設(shè)計(jì)的理念是：以學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)為最根本的出發(fā)點(diǎn)，理論學(xué)習(xí)以必須，夠用為度,同時(shí)進(jìn)行課證融合。在課程的教學(xué)過(guò)程中采用多種教學(xué)方法和手段：傳統(tǒng)的教學(xué)法、直觀教學(xué)法、探究法、啟發(fā)式教學(xué)和多媒體教學(xué)手段。
4電路與模擬電子技術(shù)課程實(shí)施
在課程的實(shí)施過(guò)程中教師首先進(jìn)行了學(xué)情分析：高職院校的學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)普遍較差，學(xué)習(xí)能力欠缺，急于求成，缺乏持久性。雖然學(xué)生對(duì)電類專業(yè)課入門的學(xué)習(xí)具有一定的興趣，但這種興趣不夠穩(wěn)定，需要教師創(chuàng)設(shè)適度的情境，適時(shí)地激發(fā)。所以在教學(xué)過(guò)程中，教師要力求做到將深?yuàn)W的知識(shí)淺顯化，抽象的知識(shí)形象化。課程的重點(diǎn)難點(diǎn)是半導(dǎo)體器件，放大電路，負(fù)反饋。教師對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)的處理方法有：（1）傳統(tǒng)的講解法；（2）直觀式教學(xué)；（3）配合flas演示；（4）通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)試加深理解；（5）創(chuàng)建學(xué)習(xí)情境。例如:在半導(dǎo)體器件的講解部分，可采用直觀式的教學(xué)法，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)各種不同的二極管，三極管。對(duì)于三極管的講解，配合萬(wàn)用表測(cè)試加深理解。下面以一次課實(shí)驗(yàn)課———三極管電流放大特性為例，來(lái)說(shuō)明課堂的教學(xué)組織。三極管的電流放大特性這節(jié)內(nèi)容是深入模擬電子技術(shù)部分的第一道難關(guān)。學(xué)生只有深入到心里層面去理解了這節(jié)內(nèi)容，才可以舉一反三去理解后續(xù)學(xué)習(xí)的電子元器件。教師采用基于工作過(guò)程“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)設(shè)計(jì)，把啟發(fā)式教學(xué)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)操作和多媒體仿真，把抽象的理論知識(shí)難度降低，達(dá)到突破難點(diǎn)，幫助學(xué)生化難為易，讓學(xué)生輕松愉快充滿信心地完成學(xué)習(xí)。
5考核方案
課程的考核方案根據(jù)學(xué)院教務(wù)處的要求，期中成績(jī)占30%，平時(shí)成績(jī)占30%，期末成績(jī)占40%。平時(shí)成績(jī)包括：課堂考核，課后作業(yè)，單元測(cè)驗(yàn)。在學(xué)期結(jié)束前另有為期一周的教學(xué)實(shí)習(xí)，教師根據(jù)維修電工的考試內(nèi)容結(jié)合實(shí)際情況申報(bào)，并由系部統(tǒng)一采購(gòu)實(shí)習(xí)耗材。實(shí)習(xí)的考核分為：優(yōu)———電路功能完全實(shí)現(xiàn)，性能優(yōu)良，工藝精美。良———電路功能基本實(shí)現(xiàn)，性能優(yōu)良。中———電路功能基本實(shí)現(xiàn)，性能不夠穩(wěn)定。及格———在教師輔助制作下，電路功能基本實(shí)現(xiàn)。不及格———電路功能未實(shí)現(xiàn)且學(xué)習(xí)態(tài)度有問題。
6教學(xué)評(píng)價(jià)
課程的教學(xué)評(píng)價(jià)包括：校內(nèi)督導(dǎo)評(píng)價(jià)，同行專家評(píng)價(jià)，教師自我評(píng)價(jià)，學(xué)生評(píng)價(jià)。
7課程特色及展望
1.1ARM處理部分
針對(duì)ARM內(nèi)核的高速可順序執(zhí)行特性，更適合處理復(fù)雜協(xié)議信息。ARM處理部分在設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)協(xié)議層處理工作，包括通信信息、人機(jī)交互設(shè)定、系統(tǒng)工作參數(shù)監(jiān)測(cè)、報(bào)警數(shù)據(jù)設(shè)定、監(jiān)測(cè)以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理等多方面的工作，整體采用搶占式進(jìn)行多任務(wù)分配，提高CPU利用率以及系統(tǒng)魯棒性。
1.2FPGA控制部分
總體來(lái)看，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)硬件設(shè)備底層驅(qū)動(dòng)的讀寫，作為ARM的一個(gè)外部擴(kuò)展RAM進(jìn)行外設(shè)數(shù)據(jù)交換，所有FPGA采集、輸出的數(shù)據(jù)均可通過(guò)ARM的可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器(FlexibleStaticMemoryController，F(xiàn)SMC)總線讀寫。在設(shè)計(jì)中運(yùn)用FPGA獨(dú)特的可多任務(wù)并行執(zhí)行的特性，F(xiàn)PGA控制部分主要負(fù)責(zé)外部通信模式的選擇；外部模擬信號(hào)的采集、輸出溫度的控制、時(shí)鐘同步、時(shí)鐘移相、數(shù)碼管計(jì)數(shù)顯示等多項(xiàng)功能的處理。在外部模擬量、氫原子鐘內(nèi)爐溫度采集部分，由FPGA內(nèi)部硬件采用狀態(tài)機(jī)形式通過(guò)兩片AD7490D對(duì)外部32路模擬量采集，并直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制處理；另一個(gè)狀態(tài)機(jī)通過(guò)熱敏電阻對(duì)內(nèi)爐頂，上，底等三部分溫度進(jìn)行采集；在溫度輸出控制部分，通過(guò)三路PWM控制方式，以外部溫控器作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，調(diào)節(jié)加熱功率。在模數(shù)轉(zhuǎn)換部分由專用基準(zhǔn)電壓芯片REF192產(chǎn)生參考電壓，溫度轉(zhuǎn)換經(jīng)過(guò)帶有前置運(yùn)算放大器（Operationalamplifier，OP）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，并同時(shí)具有抑制50Hz抑制功能，以抵消測(cè)量中所產(chǎn)生的工頻干擾。在通信電路的設(shè)計(jì)部分由FPGA來(lái)選擇所采用的通信方式，其中串口通信采用隔離式電平變換芯片，避免電平不兼容或是不同設(shè)備間的靜電釋放（Electro-Staticdischarge，ESD）所帶來(lái)的放電損壞；以太網(wǎng)部分采用專用以太網(wǎng)接口模塊，可同時(shí)兼容TCP/IPv4、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP）等。
1.串口通信接口的電路設(shè)計(jì)
原本的串口通信設(shè)計(jì)為了滿足兩路串口通信的技術(shù)指標(biāo)，采用AT89C52結(jié)合通用同步異步接收發(fā)送器8251A實(shí)現(xiàn)雙串口的擴(kuò)展。本文采用ADM3251E[3]來(lái)解決多路串口的通信功能。ADM3251E是一款高速、2.5kV完全隔離、單通道RS-232/V.28收發(fā)器、具有isoPower隔離電源的雙通道數(shù)字隔離器，設(shè)計(jì)中無(wú)需使用單獨(dú)的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。由于RIN和TOUT引腳提供高壓ESD保護(hù)，因此該器件非常適合在惡劣的電氣環(huán)境中工作，或頻繁插拔RS-232電纜的場(chǎng)合。ADM3251E采用ADI公司的芯片級(jí)變壓器iCoupler技術(shù)，能夠同時(shí)用于隔離邏輯信號(hào)和集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器，因此該器件可提供整體隔離解決方案。
2.ADC模擬量采樣電路設(shè)計(jì)改進(jìn)
原本的ADC采樣電路使用兩片ADC0816。ADC0816是逐次比較式16路8位A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部包含有一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器和16路的單端模擬信號(hào)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換精度為1/2LSB，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us（時(shí)鐘頻率為640KHz）。改進(jìn)設(shè)計(jì)中采用AD7490，它是一款12位高速、低功耗逐次逼近型ADC。同時(shí)AD7490采用單電源工作，電源電壓為2.7V至5.25V，最高吞吐量可達(dá)1MSPS；其內(nèi)置一個(gè)低噪聲、寬帶寬采樣/保持放大器，可處理1MHz以上的輸入頻率；轉(zhuǎn)換過(guò)程和數(shù)據(jù)采集過(guò)程通過(guò)CS和串行時(shí)鐘進(jìn)行控制，從而為器件與微處理器接口創(chuàng)造了條件。
3.溫度控制部分的設(shè)計(jì)改進(jìn)
溫度對(duì)于氫原子鐘來(lái)說(shuō)是個(gè)很重要的因素，溫度控制不好會(huì)引起氫原子鐘穩(wěn)定度變差；溫度失控會(huì)直接導(dǎo)致氫原子鐘沒有中頻信號(hào)輸出。因此在溫度控制的設(shè)計(jì)中首先要做到可靠、穩(wěn)定。原先的溫度控制系統(tǒng)采用模擬控制多塊電路板各溫度區(qū)域獨(dú)立控制模式，其缺點(diǎn)是變?nèi)荻O管參數(shù)數(shù)值不在正常工作范圍內(nèi)之后，需要人為調(diào)整電路板的電位器，即通過(guò)人為改變電阻的模式來(lái)達(dá)到調(diào)整溫度的目的。在數(shù)字化智能溫控設(shè)計(jì)中采用AD7792[4]，AD7792具有兩個(gè)高精度的可編程恒流激勵(lì)源，內(nèi)置有可編程的儀表放大器，可以對(duì)不同的輸入信號(hào)選擇相對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的匹配。它內(nèi)置16位ADC，采用SPI串行接口，容易實(shí)現(xiàn)光耦隔離，有三路差分模擬輸入，可以滿足設(shè)計(jì)中分別對(duì)內(nèi)爐頂，上，底三部分溫度進(jìn)行采集的設(shè)計(jì)要求。AD7792為適應(yīng)高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置一個(gè)低噪聲、帶有三個(gè)差分模擬輸入的16位Σ-Δ型ADC。它還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號(hào)；內(nèi)置一個(gè)精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，而且也可采用一個(gè)外部差分基準(zhǔn)電壓。圖2中所示CHAN表示溫度區(qū)域，其中CH1代表內(nèi)爐頂，CH2代表內(nèi)爐上，CH3代表內(nèi)爐底；ACTU代表采樣溫度數(shù)值，SET代表設(shè)定溫度數(shù)值，OUT代表了輸出功率的大小。
4.移相同步精度設(shè)計(jì)改進(jìn)
傳統(tǒng)控制板同步精度為100ns±邏輯門延時(shí)（約幾個(gè)ns），移相分辨率為0.1us。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)后，采用獨(dú)特的先倍頻后同步技術(shù)，可大大提高移相同步分辨率。在本次應(yīng)用中，先對(duì)外部輸入的10MHz方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop，PLL）的配置進(jìn)行零度移相五倍頻，得到和輸入信號(hào)零相位差的50MHz信號(hào)。上一幅為10MHz信號(hào)波形，下一幅為倍頻后的50MHz方波信號(hào)波形。
5.DDS電路設(shè)計(jì)部分
之前控制板在綜合器設(shè)計(jì)輸出時(shí)，采用AT89C52驅(qū)動(dòng)三片74LS595串入并出輸出6位8421碼共24位數(shù)據(jù)信息經(jīng)25芯彎角插座（DR-25）將數(shù)據(jù)傳輸至接收機(jī)控制板，再由CPLD處理后輸出所需的頻率信號(hào)。而目前設(shè)計(jì)中選取AD9956[5]，使用直接數(shù)字式頻率合成器（DirectDigitalSynthesizer，DDS）技術(shù)直接從監(jiān)控板輸出所需的頻率信號(hào)，AD9956是由美國(guó)AnalogDevice公司推出的高性能的DDS芯片，提供速度高達(dá)400MHz的內(nèi)部時(shí)鐘，可合成頻率高達(dá)160MHz，支持2.7GHz的時(shí)鐘輸入(可選2，4或8分頻)、內(nèi)部集成14位的D／A轉(zhuǎn)換器，具備快速頻率轉(zhuǎn)換、精細(xì)頻率分辨率和低相位噪聲輸出的性能，適用于快速跳頻頻率合成器的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)DDS輸出頻率信號(hào)可以根據(jù)鍵盤鍵入的頻率值不同而輸出不同的頻率值。
6.存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)改進(jìn)
氫原子鐘必需具有對(duì)時(shí)間以及對(duì)所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存的功能。然而外部存儲(chǔ)器的選擇也是多種多樣的，目前應(yīng)用最多的仍是SRAM、EEPROM及NVRAM這三種方案。我們目前使用的存儲(chǔ)器就是采用SRAM加后備電池的模式，型號(hào)62256，它是組織結(jié)構(gòu)為32K*8位字長(zhǎng)的高性能CMOS靜態(tài)RAM。在設(shè)備掉電的情況下，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)易丟失。同時(shí)SRAM加后備電池的方法增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性；EEPROM方式可擦寫次數(shù)較少(約10萬(wàn)次)，且寫操作時(shí)間較長(zhǎng)(約10ms)；而NVRAM的價(jià)格問題又限制了它的普遍應(yīng)用。因此越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者將目光投向了新型的非易失性鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)。鐵電存儲(chǔ)器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可以總線速度寫入數(shù)據(jù)，而且在寫入后不需要任何延時(shí)等待；有近乎無(wú)限次擦寫壽命；數(shù)據(jù)保持45年不丟失；具有較低的功耗。設(shè)計(jì)中采用的FM25L16是串行FRAM。其內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為2k×8位，地址范圍為0000H~07FFH，F(xiàn)M25L16支持SPI方式0和方式3。具有先進(jìn)的寫保護(hù)設(shè)計(jì)，包括硬件保護(hù)和軟件保護(hù)雙重保護(hù)功能。FM25L16的數(shù)據(jù)讀寫速度能達(dá)到18MHz，可與當(dāng)前高速的RAM相媲美。結(jié)束語(yǔ)從設(shè)計(jì)的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，全新的設(shè)計(jì)模式對(duì)電路的性能，可靠性，穩(wěn)定性等多方面都有很大的提高，具體表現(xiàn)如下所示：
（1）設(shè)計(jì)中采用AD7490替代ADC0816，從而使得ADC精度提高8bit升級(jí)到12bit，精度提高了16倍，并且無(wú)需經(jīng)過(guò)外接模擬開關(guān)，減少了信號(hào)經(jīng)過(guò)多個(gè)模擬芯片引起誤差。
（2）溫度控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)模式，提高測(cè)量精度，降低干擾，可避免處理運(yùn)放電路所造成的對(duì)溫度飄移的影響以及多級(jí)模擬帶來(lái)的累計(jì)誤差，最重要的一點(diǎn)就是不用再人為的通過(guò)改變電阻模式來(lái)達(dá)到調(diào)整溫度的目的。
（3）綜合器設(shè)計(jì)部分采用DDS處理技術(shù)，直接從監(jiān)控板輸出所需頻率信號(hào)，從而大大減少設(shè)計(jì)中潛在的故障點(diǎn)，大大提高了設(shè)計(jì)的可靠性，穩(wěn)定性。
