时间：2023-03-10 14:53:09
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论文摘要:介绍了电子设计自动化(EDA)实验环境的建设与管理的经验,简要分析了由此给教学产生的实际影响。
由于集成电路技术和计算机技术的高度发展,设计自动化的观念和EDA工具的使用水平已成为度量工程师能力的一个重要方面。国内各高校都投入了大量的人力物力建立EDA实验室。EDA实验环境的硬件、软件和服务水平在某种程度上已成为衡量该校硬件水平、教学水平和办学水平的一个重要标志。我校在教育部电工电子教学基地的建设过程中,始终对EDA的教学和实验环境的建设给予了足够地重视,专门成立了EDA(实验)中心,旨在负责全校EDA实验教学,EDA项目开发和新技术推广工作。经过近两年的建设,EDA中心已初具规模,为全校的EDA教学提供了良好的实验环境,促进了我校电类现代化课程教育的发展。
1EDA实验环境的建设
EDA(实验)中心的建设起始于1998年初,学校先后投入资金近百万元,第一期工程建立起配备有40台Pentium166MMX微机的多媒体实验室和硬件实验室各一个;1999年进行了第二期工程,又建起了一个包含40台PentiumⅡ400微机和两台专用服务器的网络实验室和一个管理办公室。并进行了软件建设和有关实验项目的开发。到目前为止已建立起的软硬件环境如表1。
在EDA中心的建设中,我们遵循以下原则:
(1)创建一流具有EDA特色的实验环境。EDA的实验环境的好坏在某种程度上直接影响电类学生对现代化技术的掌握,同时EDA的实验环境也是一个窗口,代表了一个学校现代化教学的形象。EDA中心的建设不应等同于一般的计算中心或机房的建设,应该具有EDA特色,那就是要有丰富的EDA软硬件支持,要有得力的指导开发力量。为了建设好一流的EDA实验环境,我们成立了专家指导小组指导环境的建设,并多次派人到EDA教学较好的学校去参观学习。为了体现时代的特点,我们将中心80台机器内部互连,整个内部网络完全按照Internet技术规范设计,能提供全套Internet服务。中心内部网络还通过Linux网关与校园网相连。服务器采用WindowsNT4.0、Linux5.0、Net-ware3.12,工作站安装了DOS6.22、Win-dows98(中、英文)、WindowsNT、Linux等操作系统。
(2)严把质量关,高质量完成建设。EDA所有软硬件设备的引进都经过认真市场调查研究,并严格的检测,对不合格的产品坚决清除。如曾进一批微机,检测后发现配置与样机不符,立刻退货,重新购置。软件的建设对EDA来说是体现特色的关键性建设,尽管EDA软件投资较大,为保证实验质量,划出专项资金,引进许多最新的正版EDA软件。
(3)加强外联,寻求多方支持。EDA教学的开展需要许多方面的技术支持,为了做好这方面的工作,我们加强了校际之间的技术交流以及与EDA软硬件开发商家的联系,可以从中得到了许多必不可少的帮助,如东南大学赠送给我们不少非常有用的EDA软件和设备,美国Altera公司通过其大学项目赠送给我们专业版和网络版的Max+PlasⅡ软件开发工具等。
(4)鼓励师生开发EDA教学项目。我校EDA教学项目的开发进行得比较早,并已取得了不少成就,EDA中心成立后更加强了这方面工作的开展,目前已自行开发并用于教学有ISP和FPGA等实验装置,全定制的A-SIC实验环境也正在紧锣密鼓地准备中。
(5)勤俭节约,变废为宝。EDA的某些硬件实验对微机要求并不高并且有可能对微机产生伤害,为此我们从校计算中心等地方找来约20台淘汰了的386和486微机,建成了硬件机房,很好地解决了这类问题并节约了不少资金。
2EDA实验环境的管理
我校的EDA实验环境主要面向电子工程系和自动控制系学生,行政上挂靠电子工程系。为了便于协调管理,两系分别任命了兼职正副主任负责中心的建设和日常管理。
在EDA(实验)中心的日常管理中我们努力做到:
(1)全心全意为EDA教学服务。EDA(实验)中心建立的主要目的之一就是为全校师生的EDA教学实验提供方便。为了做好服务工作,我们尽力满足师生的要求。如有教师希望通过网络授课,我们引进了Lanstar网络教学系统软件。有教师需要提供语音教学服务,我们购买了无线话筒。有一些国外引进的EDA软件需要用英文操作系统,中心工作人员经过多次试验,使中英文操作系统能够方便地切换。中心的Internet网及打印机等设备也均向师生开发。
(2)开放式的实验环境。中心除正常设备维护日外,保持全日制开放。开放时除了安排一般值班人员外,还经常安排对EDA技术熟悉的教师或研究生进行现场指导,学生可以自由地上机实习。
(3)不断推广EDA新技术。EDA技术的发展速度非常快,我们利用中心与外界联系较多的优势,不断向师生推荐EDA新技术和新方法。如我们曾请经销商来介绍最新版本的PADS、EWB等EDA软件的特点和使用方法,与东南大学EDA实验中心合作举办了两期全国性的EDA研讨班。
3效果分析
(1)EDA中心自投入使用以来,已为电类专业的学生开设了“电路”、“电子线路”、“数字电路”、“信号与系统”等十多门课程的上百个实验,部分实验还延伸到非电类专业的“电工学”课程中;每年还有几十名本专科生和研究生在这里进行毕业设计和课题上机。总上机时数已达4万机时。
(2)EDA中心的构建,推动了我校多门类课程的教学内容、教学方法的改革。就数字电子课程而言,迫切需要充实现代化的设计思想和设计方法,EDA中心的服务为此创造的必要的条件。由于EDA中心的大量工作,使教师可以在课常上集中精力和时间与学生一起共同体验前人创造知识的途径与方法,而把一些繁琐的计算交给EDA工具,学生通过EDA工具的使用去实践他们在课堂上学到的方法和思路。对电路分析、模拟电子线路、数字系统设计等课也起到了同样的作用。
(3)开放式的管理,方便了学生,激发了学生的学习热情和求知欲。如有一位在给电类提高班讲课的教师发现,原拟定通过Lanstar授课系统对学生讲授EWB的使用方法,结果在现场却发现,不少学生已初步学会了EWB的使用,其原因是他们已主动地到EDA中心,通过自学,进入了EDA环境。这是一个学生主动学习的例子。通过这样的学习客观上提高了学生的自学能力,反映了他们高度的学习热情和求知欲,这也为他们将来自行掌握更现代化、更复杂的EDA工具打下了基础。
(4)EDA中心成为学生第二课堂的场地,培养学生从事科学研究的能力。如数字系统设计的老师利用EDA中心进行电子设计竞赛,取得很好的效果,受到了学生的欢迎。
参考文献:
知识面广，内容涵盖多个专业领域新技术的应用，学生在连续四天三夜内完成赛题的设计、制作及调试，并写出设计报告。竞赛考察学生的设计能力、实践动手能力，对学生的心理素质及团队精神是一个极大的挑战。在竞赛的过程中，学生应用各种资源，不断提升自己的学习能力、发展创新能力。通过对连年来竞赛作品、设计报告的分析，发现在参赛学生中，以下问题较为普遍。（1）对专业前沿知识了解不足，缺乏对新器件、新技术的应用；（2）知识面较窄，综合分析、设计运用能力不够，创新能力较差；（3）实践动手及调试能力不足。
2.依托电子设计竞赛推动电子信息工程专业教学改革
学生在竞赛中出现的问题，充分说明了在现行的教学过程中，缺乏对学生能力的培养，教学内容没有跟上当代科技的发展，必须进行教学改革。
2.1依托竞赛充实教学内容，更新教学体系
随着科技的高速发展，学科之间相互交叉渗透，电子设计竞赛的题目正朝着新器件、新技术及新应用方面发展，赛题综合性强，设计指标要求高。传统的教学内容和课程体系已不能满足科技的发展，这就需要我们更新教育理念，扩充教学内容。对学生的专业知识结构进行有效的整合，构建新的课程体系，在新课程体系中增设一些综合性课程设计，在毕业设计和课程设计中鼓励学生制作电子实物，以加强学生的工程实践能力。在信息和电子技术飞速发展的今天，相关专业课程内容更新快，课程的内容不仅要有基础知识和专业知识部分，同时还应该注重学科前沿知识，把新技术、新应用充实到教学中。要在有限的学时里增加新知识，我们必须对授课内容做相应调整，在基础课中减少基本公式推导等理论性论证过程。在专业基础课中增加实用性电路设计的实例，而在专业课的教学过程中则需扩充一些综合性电路系统设计的案例。通过相应案例的分析、设计过程来加强学生分析问题、解决问题的能力，强化学生综合运用知识的能力。教学方法上应采用多样化的教学手段，激发学生自主性学习热情，培养学生创新性思维，改变传统的“满堂灌”，以及教学过程中只注重知识的传授，忽视对学生综合应用能力的培养，尤其是创新能力培养的现象。适当地采用启发式、讨论式以及案例教学方法，有意识地把实际工程案例中的某些问题留给学生，引导学生通过思考、讨论、自学等方法解决实际问题，增强学生的成就感，提高学习兴趣，培养他们的自主学习能力、解决问题能力和创新能力。
2.2依托竞赛促进实验教学改革
实验教学的宗旨是促进学生对理论知识的理解，培养学生动手实践能力、提升学生创新能力的发展。目前，我国还有相当数量的高校在教学过程中没有摆脱传统教育理念和模式，存在着偏重知识轻视能力、偏重继承轻视创新、偏重理论轻视实践的教育观[2]。在这种教育思想的指导下，实验教学过程中验证性实验占主导地位，综合性、设计性实验分量不足。这种实验教学模式培养的学生只满足于对书本知识的理解，动手能力不强、创新思维不足、难于将书本知识融合到实践中，解决不了实际问题，很难满足当今社会发展的需求。因此，势必要对实验教学进行改革。针对目前实验教学中存在的问题，借助电子设计竞赛的推动，按照训练层次，重新整合原有的实验，划分为以下三个部分。
2.2.1验证性实验
验证性实验的教学目的是训练学生对常用基础性仪器及基本电子器件的正确使用，验证课堂教学中的基本理论。通过验证性实验加深对理论知识的理解，培养学生正确纪录实验数据，并能够对数据的正确性做出分析、处理。实验内容要尽可能多地涉及理论教学中的重要知识点，实验过程中要对电路的测量和调试方法做重点训练。完成验证性实验后，学生应该掌握信号源、示波器等常用仪器的使用方法，同时应具备测量和调试简单电路的技能。为后面的综合、设计性实验奠定基础。
2.2.2综合性实验
综合性实验的目的是训练学生对多种仪器综合使用的技能及对综合性电路的组建、调试的能力。实验采用模块化结构，将基本的单元电路组合成具有一定功能的小系统电路，实现电路系统的设计。通过综合性实验，学生应具备小系统电路的构建、安装、调试的能力，查阅器件手册及网络查询资料的能力，初步具备现场处理问题的能力。
2.2.3设计性实验
设计性实验的目的是培养学生自主学习能力、设计动手能力、组织管理能力及创新能力。可以是老师出题，也可以学生自拟题目，针对题目，学生首先查阅资料，拟定实验方案，设计出实验电路。然后自己进实验室，通过实验器件、仪器和设备完成实验课题。在设计性实验的全部过程中学生是实验的主体，老师只扮演启发和点拨的角色。设计性实验赋予学生很大的空间，在这种模式下，学生可以独立思考，大胆实验，使自己的创新思维得以体现，通过设计性实验学生应基本具备应用综合知识解决实际问题的能力。
2.3以竞赛促进大学生科技创新活动的开展，培养创新能力
科技创新活动是培养大学生创新能力的不可或缺的手段，是教学工作的延伸。培养学生的创新能力是社会赋予高校的职责，也是当代大学生所应具备的潜质。为了把科技创新活动开展得更好，须从以下几方面入手。
2.3.1学校应加强制度建设，提高管理水平。学校要建立起对学生科技创新活动进行组织和管理的规章制度。设立科技创新活动基金，用于奖励在此项活动中表现突出的学生和指导教师，调动师生的积极性，推动科技创新活动长期有效的开展。另外，可以通过成立电子协会、电子兴趣小组、创新活动小组等多样化的形式，吸引学生参与到课外科技活动中来。
2.3.2采取有效措施，调动老师和学生的积极性。在学校科技创新活动中教师发挥着非常重要的作用。为调动教师积极性，保证学生创新活动的层次和质量，学校应认可指导教师的付出，拨专项经费，建立、开放创新实验室，配备有实践经验的教师指导学生科技创新活动。学校还可以通过制定指导教师工作量，成立科技创新活动指导小组，落实指导教师职责，开展评奖评优等方法促进教师在学生科技创新活动中的积极性。对于学生，学校则可以通过学分对换、设立创新基金等形式，奖励在活动中成绩显著的学生。在创新活动中指导教师要切实起到引领和点拨的作用，首先应保证对学生的指导时间，定期给学生开办讲座，使学生了解专业发展的前沿，组织学生参与到项目研究中来，以提高学生科技创新素质和科研水平，促进科技创新活动的深入开展。
2.3.3建立创新实验室，加大开放力度。无论科技创新活动，还是学科竞赛都离不开实验室。学校应建立专门用于此类活动的创新实验室，添置活动所需的实验设备。更新实验室管理办法，设置实验室开放经费，增加实验室开放时间，安排开放性实验教学，把开放性实验教学纳入学分中，有意识地使开放性实验和科技创新活动相融合，为学生参加学科竞赛搭建良好的平台，为课外科技创新活动奠定重要的基础。
3.结束语
通过组织和指导学生参加全国电子设计竞赛和陕西省大学生TI杯模数混合电子设计大赛，我发现存在以下问题：
1．1学生掌握的知识面窄学生选定一个项目后，根据给定要求提出的设计方案很少，只能将典型电路进行生搬硬套。对理论的基本知识和技能掌握的不够全面，对器件的了解和阅读的文献资料较少。
1．2学生对仪器仪表设备使用不熟练学生在进行调试电路时，对部分仪器的使用不够熟练，从而导致在测试电路时出现错误，观察不到正确的实验现象和实验结果。这样，既延误了时间，又对实验项目的方案得不到有效论证。
1．3学生应用计算机知识的能力有限电子设计竞赛中很多题目都要求使用单片机才能完成相应的设计要求，但是部分学生对使用单片机编程技巧掌握的太差，对一些功能要求不能够通过计算机编程而达到相应要求，从而导致成绩不理想。还有部分同学不会使用计算机软件进行电路的设计和仿真测试，导致方案论证和书写设计报告论文时出现问题。
1．4对新型器件和技术的了解及应用能力较差电子设计竞赛中的一些题目如果能够采用一些新型器件和技术，将会使得设计电路简单，性能等各项指标均高于传统的电路。我们的学生在这方面获得的知识和技术有限，与大学生电子设计竞赛的要求还有一定的差距。
2电子设计竞赛对我院实践教学改革的促进作用
2．1减少验证性实验，增加设计性创新性实验在课内实践教学中要增加综合性和设计性实验项目。如：在《数字电子技术》实验教学中根据“循序渐进”的原则先开设基础实验，再开设综合实验，最后开设设计性创新性实验。要求学生运用数字电路的知识实现八位流水灯循环显示电路，内容包括了译码器、计数器、移位寄存器和555集成定时器等知识的综合运用。学生通过任务要求首先会选择合适的器件，其次根据电路的设计要求提出设计方案，设计出电路图，最后连接电路调试完成设计任务，写出实验报告。这样的实验训练了学生用所学知识解决实际问题的能力，为学生以后设计电路打下良好的基础。
2．2实验手段的更新开展EDA应用技术，以计算机辅助分析和设计为核心的虚拟实验环境和现实实验环境相结合的实验教学平台。通过虚拟实验环境对一个完整项目的设计和实现，使学生迅速掌握电子设计的理论、方法和技能。在现有的实践教学中舍弃了过时陈旧的内容，如模拟电路中过多的分立元件电路实验，数字电路中过多的小规模集成电路实验；引入新的内容，如集成运放的各种应用，电子线路系统设计等。增加了电子线路软件仿真的内容，使硬件软件相结合，丰富了实验手段。并将虚拟仿真实验教学融入到实践教学中去。
2．3促进实践教学方法的改革我们在原来的集中课内实验教学方法上增加了开放式实验教学。开放主要是在时间和内容上开放。学生可自主选择时间进入开放实验室，在开放时间内由开放实验室管理员参与管理，指导老师每周对开放实验室管理人员和参与开放人员进行相应的培训和指导。让学生管理员参与日常的管理和维护，这样锻炼了学生自主学习、自我管理、发挥潜能的能力。在开放内容上，学生根据自己的情况选择各开放实验室提供的开放实验项目，也可根据自己的专业和爱好选择规定以外的其他实验项目。我负责开放的实验室有电工电子实验室和电子测量与智能仪器实验室，学生通过具体的实践操作，学会了仪器仪表的使用和测量方法、常用工具的使用和基本的焊接技术，掌握了典型电路的连接和故障处理方法，从而提高了电路的分析和设计能力。同时，实验室的开放加强了学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际问题进行电子设计、制作的综合能力，也为电子设计竞赛的选拔输送了大量的人才。
2．4促进教师的教学水平电子设计竞赛，是对学生掌握电子理论知识和实践操作水平的检验，同时也是对高校教师师资水平、实验室硬件条件及高校实践教学质量水平的检验。例如我院的电工电子、单片机、EDA等课程实验基本是单独负责授课，这样，教师对所负责的这一门实验内容非常熟悉，但是时间长了对其它方面的内容缺乏联系。但是教师通过组织和指导学生参加电子竞赛的培训的过程中，可以将多方面的知识融合在一起，提高综合能力。我们做为教师只有在不断学习新知识、新技术和开展教研室活动中，不断拓宽知识领域和提高自身的业务能力，才能更好地指导电子设计竞赛工作。
3结束语
《电子设计初步》是计算机应用技术专业面向职业岗位所设置的行业通用能力培养课程，是校企合作开发的基于电子产品设计与调试典型工作过程的课程，对学生职业能力的培养起着至关重要的作用。课程定位为专业基础课，在新生入学的第一学期开设。通过本课程的学习可使学生具备电子电路分析、设计和制作的基础知识和相关的基本职业技能，为学生就业打下坚实基础；激发学生的学习兴趣，明确专业发展的方向；提高学生的专业素养，培养学生的创新能力，为后续专业课程的学习作好前期准备。
二、课程设计实施
（一）课程的培养目标
通过本门课程的学习，逐步培养学生具备以下四种类型的能力：1、专业核心能力：综合利用电子技术的基础知识进行理论设计的能力；具备一定的生产、生活中的电子电路的制作及维修能力。2、社会适应能力：自学创新能力；团队合作能力；独立解决问题的能力。3、行业通用能力：熟练应用Multisim仿真软件。4、岗位专用能力：元器件识别检测，仪器的使用及保养。知识目标的培养具体包括以下5个方面：1、认识各种电子元器件，掌握电子元器件的特性、参数选择以及检测方法。学会常用电子仪器的使用及器件手册的查阅。2、通过搭建各种典型电子电路，了解元器件在电路中的作用，掌握典型电路的工作原理。3、通过焊接技术的学习，使学生掌握焊接技术机理，掌握合格焊点的质量标准。了解生产企业中电子产品的制造过程。4、熟练掌握Multisim仿真软件的使用。5、能够进行一个简单电路或一个简单电子产品的设计、焊接、制作与调试。
（二）教学项目的选取
充分利用校内外教学资源，以项目作为教学的载体，采纳企业人员的建议，基于工作过程选取典型功能电路作为教学项目。教学项目实施进程表设计如下：企业常用到的一些大型的焊接设备，例如：波峰焊和贴片焊，在校内无法让学生亲身体验，因此可采取带领学生去校外的企业参观学习的形式作为教学的补充。项目一至五为模拟电路，项目六和七为数字电路，模拟电路是数字电路的基础。电路结构的选取由简单到复杂，呈递进关系。教学中以学生为主体，体现了“教学做”一体化的教学模式。
（三）教学项目的具体实施
1、教师给出具体项目后，学生根据电路图选取并检测所需的元器件。2、运用Multisim仿真软件进行电路的仿真实验，学习掌握电路的工作原路。3、利用面包板搭建实际电路，进行电路的参数调整并调试电路使其符合性能要求。4、将实际搭建电路与仿真电路对比，进行误差分析。5、通过举一反三，对所学电路进行拓展。6、运用Multisim仿真软件仿真拓展电路培养学生的电路设计能力。
（四）课程教学方法及手段
本门课程教学方法的使用大体归纳为三点：1、基于企业实际开发电子产品的设计流程，采用仿真与实践相结合的项目导向教学方法。根据实际教学需要，将案例教学法、问题教学法、擂台竞赛法等多种教学方法灵活应用。同时，注重人文与专业的结合，重视做人做事的教育，将职业道德、职业规范、职业技能的培养有机结合。2、教育技术的应用：借助现代教育手段，可以使学生了解行业最新的技术信息，开阔学生的眼界，并促进教学内容更新完善。3、体验性学习的广泛开展：通过校内实训室的实际动手操作，校内外企业的参观学习，使学生亲身体验，产生直观的感受，通过体味领悟，使学生真正弄懂知识，从而收到良好的教学效果。所使用到的教学手段主要有：1、采用多媒体教学影片。2、准备电子教案，并且采用多媒体课件辅助教学。3、充分利用校园网和互联网：学生可以根据自己掌握知识的程度有选择的进行学习，通过校园网随时进入仿真实验室进行操作。通过大量互联网的使用使学生了解最新的行业资讯。教师也会给学生提供一些电子行业相关的网站供学生参考。4、利用真实的实践教学环境。例如：项目八电子产品的制造过程这一知识目标的学习，通过带领学生进入校外企业参观学习以及安排学生观看多媒体教学影片的形式来实现。在参观的过程中，由我们顶岗实习的学生给新生做详细的介绍。一方面，学生直观了解电子产品制造的全过程，另一方面，亲身感受企业真实的工作环境，提前做好心理准备，明确发展的方向。
（五）课程的评价体系
《电子设计初步》课程采用项目实施过程的考核机制，企业参与、教师评定与学生互评相结合。总评成绩由实践表现和项目累积成绩两部分组成。其中，实践表现部分结合企业用人标准给个人打分，包括出勤率、学习态度、查阅资料质量、电路所测参数、校内、外企业参观实习表现等。实践表现占个人总评成绩的30%。项目累积成绩部分给出的是团队成绩，学生互评推选出优秀作品参加小组间的评比，校内实训室完成的项目由教师打分给出小组的项目实践成绩；校内企业完成的项目请企业人员参与评分，项目累积成绩占个人总评成绩的70%。
三、课程设计成果及思考
汽车电子设计已成为汽车系统设计中的重点和难点。传统方式下的汽车设计者不得不借助各种机械的、液压的、电子的汽车零部件以验证汽车各子系统的功能，开发周期长，成本居高不下。为了缩短开发周期、降低开发成本，人们引入了SABER仿真技术进行汽车系统技术的验证和开发。SABER仿真技术通过对整个汽车系统进行有效的建模和分析，能够节约大量的试验设备和试验时间。国际上几大跨国汽车公司都已使用SABER仿真技术进行设计，如美国通用、大众、克莱斯勒等。目前，国内有泛亚技术中心能够运用此项技术与通用（北美）进行同步开发。
1SABER软件仿真技术
SABER软件是一个在数学模拟及硬件设计方面功能卓著的仿真工具。对于复杂的混合信号设计和验证问题，SABER软件为设计工程师提供了一种功能强大的混合信号行为仿真器。由于混合信号硬件描述语言——MAST的支持，SABER软件实现了单一内核混合信号及混合技术的仿真，完全改变了模拟电路仿真的现状。SABER软件在混合技术领域具有多个仿真引擎，可以分别处理不同领域的设计单元，且遵循相应的守恒定律，支持电力系统、机电一体化、机械系统、电子系统、光电控制系统、液压系统等系统单元。现在，SABER软件在汽车和飞机制造领域已得到广泛的应用。尤其是在汽车制造领域，许多欧美公司已将它定为行业标准，并投资SABER软件的发展以不断满足新的设计需要。
SABER软件具有明显的优势：分析从SOC到大型系统之间的设计，包括模拟电路、数字电路及混合电路；通过单一的混合信号仿真内核就可以提供精确有效的仿真结果；通过对稳态、时域、频域、统计、可靠性及控制等方面的分析来检验系统性能。
SABER仿真器能够让设计人员对从汽车的最初设计方案（方框图）到由实际电路和机械实现的完整系统进行仿真。这种能力对于复杂运动控制系统的设计（如ABS系统、安全气囊系统、发动机控制系统、车身控制系统等）尤为重要。
2汽车电子仿真技术的应用
汽车在投产之前要经过大量的测试试验，对原设计不断地进行修正往往会耗费大量的物力和时间。在设计阶段，对各种状况进行模拟仿真、修正、完善设计，能够提高效率、缩短开发周期。使用SABER软件进行仿真，主要分为3个阶段：建立数学模型、对系统原理进行仿真和对仿真模型进行修改检验。
2.1建立数学模型
所谓计算机仿真就是将实际系统的运行规律用数学形式表达出来，它们通常是一组微分方程或差分方程，然后通过计算机采用数值求解法求解这些方程。
在仿真之前，首先对系统原理图中的所有零部件进行抽象化，建立数学模型，绘制系统的数学模型。为了对电路或系统进行计算机仿真，经常需要开发一个或一组模型。要研究电路的详细特性，可能要求对物理器件建模，有时还需要对大型电路或系统建模。系统模型可能无需和器件模型一样详尽，但作为大系统仿真的一部分，系统模型仍然非常有用。零部件数学模型的质量直接关系到仿真结果的准确性。通过对数学模型各种参数属性的设置来模拟零部件的功能，同时，经过大量计算和试验，不断修正、完善数模。对于同一类零部件可以共用一个（或一类）模型，通过调整数模参数值来实现零部件的更迭。这对于缩短开发周期、节省开发成本，起着至关重要的作用。
在一定外界条件（即输人或激励，包括外加控制与外加干扰）的作用下，从系统的一定初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）决定了整个动态过程。研究系统及其输人、输出三者之间的动态关系，即可确定其性能的属性。图1是汽车音响系统中扬声器的物理模型，其中In_pfUIn_m作为输人信号、由电磁学可知，可以进一步将其简化为力f（t）输人。
于是可将其进一步简化为质量-阻尼-弹簧系统，如图2所示，图2中m、c、k分别表示质量、粘性阻尼系数、弹簧刚度。对系统而言，质量受外力f（t）的作用，质量位移为y（t）（实际扬声器衔铁的振幅），系统的动力学方程为my"（t）cy''''''''（t）ky（t）=f（t），y（o）=yo，y''''''''（o）=y''''''''。
其中，y（0）与y''''''''（0）分别为质量的初位移与初速度，这就是在输人作用于系统之前系统的初始状态。显然，此系统在任何瞬间的状态完全可以由质量的,y（t）与y''''''''（t）这两个变动着的状态（即状态变量）在此瞬间的取值来刻画。因为y（t）在此瞬间的取值代表了位移的情况，y''''''''（t）在此瞬间的取值代表了y（t）在此瞬间的变化趋势（速度）的情况。
还有一种更直接的建立数学模型的方法，就是模拟硬件描述语言（AHDL）的含义。MAST就是一种AHDL,Saber仿真器可以仿真用MASTAHDL描述的网表。
零部件的模型是建立在大量计算和试验基础上的，SABER软件提供了大量的零部件库文件，对于类似的零件只需修改其属性参数值即可。
2.2对系统原理进行仿真
在仿真过程中，将数学模型转变成为计算机上运行的仿真模型，是由SABER软件系统来完成的，并同时根据仿真模型编制出仿真程序。通过对系统的仿真，可以随时得出各个子系统或零部件的瞬时工作状态及性能参数变化，如电压、电流、功率、转矩等各参数的波形。通过对这些波形与实际试验的结果进行对比分析，找出两者的差别，从而修正原设计。
如先前所提及的，安全性和舒适性的需求导致了新的、高能耗的负载。这些负载可能随着汽车产品的进一步电子化，汽车电子控制装置得到更多的应用，所消耗的电能也将大幅度地增加。现有的12V动力电源已满足不了汽车上所有电气系统的需要，今后将采用集成的42V起动机-发电机供电系统，发电机最大输出功率将由目前的1.4kW提高到8kw左右，发电效率将会达到80以上。伺时，电压等级的提升还将同时带来许多新的问题。12V/42V汽车双电压系统原理图如图3所示。
在双电压系统中，把用电设备分成两部分：中小功率负载由14V电压供电，如室内灯、中控锁、收音机、仪表、车载导航系统等主要为车身电子设备；大功率负载，如电控机械制动装置、电控机械气门正时装置、三元催化转换加热器、电控悬架等，主要为发动机、底盘系统电子设备，由42V电压供电。此双电压供电系统有两个关键器件，一个是DC/DC变换器，它能把交流发电机输出的42V高电压转变为14V的电压。另一个，是装在发动机和变速器之间的起动-发电机，借助一个半导体整流-逆变功率变换器，它不仅充当交流发电机，发出42V的高电压，而且在发动机起动时还作为起动机用。由于它是直接起动发动机，起动时间仅为0.5s，所以噪声很小。
2.2.2起动机／发电机系统
大功率起动机与发电机（IntegratedStarter/Alternator，ISA）的转矩特性一致，因此，集成两种设备于一体在技术上是可行的，在经济上的效益也显而易见。如图4所示的输出功率与内燃机曲轴转速的关系曲线，ISA让内燃机的速度达到600v/min的起动速度，然后切换到发电模式。由于42V系统能够提供足够的电能，发动机在极短的时间内起动且在点火前达到更高的转速，这样可以降低低转速下的排放，换句话说，使得汽车重起动变得更加容易。
2.2.3双电压系统中42V供电系统
在运行中，双电压系统的电压随着转速变化而变化，电压峰值对电器元件的影响是非常明显的。图5所示的是双电庄系统中42V供电系统的变化曲线，非常清晰地显示了在转速急剧变化时电压的瞬时值，此脉冲电压峰值在电气系统设计和选择电子电器元件时有着非常重要的参考价值。
在仿真过程中，主要分两种类型进行。为了描述简单，这里将42V与14V分开进行讨论。第一种方法，全部打开所有的电子设备，可以观察到整个系统及各个电子器件的电压、电流波形，以及各个电子电器设备互相切换或同时打开时的电压、电流波形。同时，很方便地观察到在抛载状况时的峰值电压波形，局部抛载或全部抛载对系统的影响。
2.2.414V供电系统
14V电压系统主要用于各控制单元，对波形要求甚高。若峰值电压及电流产生严重的脉动，使蓄电池两端电压产生脉动干扰，控制单元搭铁（蓄电池负极）电位也将随之产生脉动干扰。如果这个干扰脉冲幅值过大，就会造成原有信号的丢失，引起控制失灵。观察峰值电压的波形，判定是否符合系统要求。14V线路上的电压波形如图6所示。
2.3对仿真模型进行修改、检验
通过对系统的仿真，得出的初步结果往往不能与理想的目标相一致，还需要通过分析研究，以及与试验进行对比，对系统原理或数学模型进行修改。SABER提供多种仿真分析，如：直流工作点分析、交流小信号分析、顺态分析、蒙特卡罗分析（在模型参数值浮动范围内随机取样，对所取的参数进行分析，检验器件参数在一定范围内浮动对输出的影响）、零极点分析等。结合多种分析，加以对仿真模型的完善。
1.1确定赛事和参赛项目全国大学生电子设计大赛是教育部倡导的四大学科竞赛之一，权威性不言而喻。只有在这种211和985高校都参加的比赛中取得好成绩，才能真正说明我校的人才培养质量，才能真正做到与这些重点高校一起同台竞技。
1.2对学生的选拔与培养我院的赛前准备工作分为基础培训、模块训练、真题训练三个阶段。在组织管理、赛前指导、正式竞赛等方面做了大量的工作。整个电子设计竞赛的培训包含三个内容。首先是选拔与基础培训，时间是2012年10月中旬到2013年5月。主要工作内容是挑选有兴趣的同学参加培训，学生的热情很高，共有70个多名学生报名，我们利用学生课余时间，给学生讲解Multisim,proteus软件仿真，MSP430单片机，模拟电子电路和数字电子电路知识、各种常用的传感器介绍等基础知识；并布置学习任务，让学生相互学习，相互促进。第二个内容是电路常用模块训练。暑假集中训练。挑选出6组共18名较优秀的学生，每组选好方向，分为控制组，高频组，电源组等；利用暑期进行严格的训练。电源模块，单片机最小系统，D/A与A/D，键盘与显示，各种放大器模块，传感器模块等进行设计与制作。第三个内容是真题训练。对第二阶段挑选出来的4组共12名秀学生，要求每组根据自己的方向做一两个往届的题目，边做边发现问题、解决问题。渐渐熟悉大赛流程和一些应对方法策略。在竞赛的四天三夜里，学生废寝忘食，承受了常人难以想象的压力。所有的困难都必须是三人小组共同去面对、解决。他们靠的是扎实的理论基础和集体的力量，分工协作，相互支持，相互激励，攻克一个个技术难关，完成作品。
1.3参赛的组织与管理独立学院对学科竞赛的重视程度，将直接影响到对学科竞赛的管理及最后的比赛成绩。学科竞赛其实也是一项科研项目，需要必要的硬件经费来制作参赛作品，因此如果学校、系部领导如果充分重视学科竞赛，那么在参赛经费上提供较充分的保障。目前独立学院基本形成学科竞赛项目负责人制，由学院领导任项目负责人，由院领导组织教师具体执行学科竞赛的日常组织工作。从前述的学科竞赛组织中，我们可以看到，完成一项学科比赛的整个工作是一个系统工程，指导教师的实际工作量是非常大的。
2电子设计竞赛方面的经验与问题
我院此次参加竞赛的学生，均是基础相对较好，热爱电子技术、喜欢动手的学生，尽管如此也反映出了我院学生动手能力较弱，理论基础较差，综合运用知识（特别是独立设计电路）的能力差的弱点；同时也反映出我院教师实践经验的不足。由于目前荆州无专业的电子元器件市场，购买元器件只能到武汉购买，并且元器件要在多个门市才能购置齐，从荆州到武汉乘班车当天往返难度很大，而且器件每次都要向实验中心和教务部门申请，才能购买，机动性不够，很不方便，对竞赛造成很大的影响。通过参加竞赛我们总结和积累了一些经验：
2.1加强基础工作在平时的教学中，加强学生创新设计思想的培养，广泛利用课内外时间培养学生的动手能力，加大综合设计性实验开设，调整电子信息课程体系，注重各主干课程间的关联，特别加强电子技能与工艺的训练。加大经费和实践条件的投入，扩大开放实验室。
2.2强化相关实践科目的学习电子设计竞赛以应用设计为主要内容，涉及电子工艺、模拟电路、数字电路、单片机应用、可编程逻辑器件、EDA工具软件和PCB制作等相关科目。虽然参加电子设计竞赛往往以大三、大四学生为主力军，但是相关课程的学习从大二就已开始，所以应指导学生有的放矢地强化相关科目的学习，夯实理论基础，积淀科技文化底蕴。
(1)电子设计实践能力提高班的课程系列化、模块化、层次化。(2)以实践教学为主，突出实践，实现“玩中学，学中玩”“做中学，学中做”。(3)拓展学生的知识面，补充实践学时，丰富课余生活，形成学生的特长和个性。(4)培养学生的学习能力，促进学生创新、创业、就业能力的提高。(5)全面培养学生的实践能力，培养企业需要的电气信息类拔尖人才。
2教学计划和内容
电子设计实践能力提高班的教学计划分为三个阶段，课内总学时数108课时，全年安排36周，每学期18周，周学时数为3课时，教务处教学计划单列组班。第一阶段：电工电子认知阶段，完成12学时教学计划内容(见表1)。第二阶段：集中实验能力训练阶段，完成42学时教学计划内容。集中实验能力训练以AVR单片机为载体，通过编程实现单片机的各种功能。AVR单片机是目前最新的单片机系列之一，拥有丰富的片内硬件资源，功能强大，可靠性高，功耗低，在业界得到迅猛发展和广泛应用。集中训练环节以ATMEGA128A芯片构成实验系统，完成21个实验项目的训练(见表2)。第三阶段：分组分项目综合训练阶段，完成54学时教学计划内容。学生分组，每组2～3人，自由组合，自由选择项目类别，采用命题作文的形式完成一个典型电子产品的设计、组装、实验和调试(见表3)。
3组织方式
学校教务处每年下达单列教学计划，电子设计实践能力提高班招生名额为30人，招生工作在大一下学期进行，全校理工类专业一年级本科生各科成绩合格者均可报名参加考试。电工电子实验中心负责组织初试和复试，初试主要考查学生的基本实验技能，初试通过后，在网上公示名单；对初试合格学生进行复试，复试采用面试形式，主要考查学生的非智力因素及合作沟通能力，确定最终录取名单并在网上公示。电子设计实践能力提高班的教学安排在大二上、下两个学期，上学期完成基础能力训练，下学期完成综合能力培养，总学时数为432课时，其中课内108课时，课外324课时，由电工电子实验教学团队分阶段分梯度完成。
4运行管理机制
电子设计实践能力提高班的学生来自学校不同学院、不同专业，为方便教学，同时不影响学生的正常学习，提高班教学时间一般安排在18:00～21:00。要求教师具有良好的敬业态度和较强的奉献精神；要求学生既有浓厚的电工电子实验兴趣，又有强烈的责任心和担当力；为了不影响常规教学，提高班的实验教学设备、实验元器件、材料需单独购置和准备，不宜与常规教学设备共用；要求教师深入开展实验教学改革，采用自主研究式、探索式实验模式，培养学生玩中学、做中学的能力；引入退出机制，允许不适应这种教学模式的学生退出，学生退出后不能获得相应的学分；引入新的评价机制，学生的成绩由综合实验报告和电子作品综合评定，所得学分与其他选修课学分价值相同。
5实践效果
2013年5月，经过报名、初试和复试，我们在全校范围内选拔了40名学生进入电子设计实践能力提高班。在培养过程中，有4名学生不适应提高班的教学模式和教学方法，申请退出，其余36名学生经过近一年的培养和训练，从不适应到适应，从被动学习到主动学习，从孤立学习到相互启发式学习，学生发生了明显的变化：(1)主动学习意识明显增强，综合实践能力得到提高。(2)团队合作意识明显增强，文献检索和应用能力得到训练。(3)学生自主参与、自主选择、自主设计、自主实践能力得到充分施展。(4)现代电子产品设计、组装、调试、综合实验能力增强，作品不断增加。(5)学生参加电子科技创新活动的热情高涨，对自己的学习提出了更高的目标。
6结束语
创新开放实验室的建设目的就是为学生提供一个平台，让学生在理论学习的同时，还能得到实践能力的锻炼，同时，通过将课堂所学知识运用到实际之中，使学生能更好的理解书本所传颂的理论知识，可以避免传统填鸭式教学而造成的“高分低能”现象。创新开放实验室绝不仅仅是课堂教学的辅助或从属，而是理论学习的开拓和升华，是现代化教育培养高素质人才的至关重要的一环。电子设计创新开放实验室主要针对电子技术、信息工程技术、自动化技术和数字控制技术等实践性和应用性较强的专业，面向企业需求提供满足行业实际需要的技术型和专业型人才，其特点就是理论知识和实践能力结合紧密，在教学、管理、实践的过程中，重视学生的动手能力，培养学生的创新意识。近几年，有部分高校开始探索新的教育方法。广泛开展各种创新科技活动和电子设计比赛，不仅充分利用实验室资源，发挥了电子设计创新实验室的重要作用，还加强了学校与学生、学校与企业、企业与学生之间的交流，让学生得到了更好的锻炼，真正体现了素质教育的理念。
2创新开放实验室存在的主要问题
2.1实验设备落后
电子设计实验室对培养学生动手能力、应用知识能力、开发设计能力和实际操作能力具有非常重要的作用，而实验设备是发挥实验室教学功能的基本保障。然而，有部分高校对实验设备的重视不足，导致实验室中仪器设备没能得到及时的更换，仪器陈旧、落后，部分甚至损坏却没有专人来维修。落后的仪器设备根本无法满足教学的需要，延误实验进程，大大影响了实验室发挥其本来价值。此外，电子设计的有关实验存在一定危险性，陈旧落后的实验设备也是安全隐患之一，可能会威胁到教师和学生的人身安全。
2.2缺乏有效的管理
目前，创新开放实验室正处在边探索边建设的阶段，很多高校都存在着实验室管理不到位的问题。根据调查，有部分高校的实验室平均使用率不足60%，而大型电子仪器设备的利用率更低。这就说明我们的实验室资源没有得到有效的利用。究其根本，仪器设备的购置计划不合理、教学和科研实验的安排脱节、及其仪器设备的管理模式与方法落后是主要原因。此外，实验室和相应院系之间的工作不连贯也是常见问题之一。不到位的管理工作会导致各实验室不能进行有效的动态化管理，工作缺乏条理，还会出现人员编制混乱，资金周转出现纰漏等一系列失误，最终将影响实验室发挥其的本来功能。
3有效的建设措施
3.1加强硬件建设
要想学生能够快速提升实践能力，除了学生努力学习之外，实验室的硬件条件也是必须配备齐全的。为了让学生能够有更好的学习环境，应专门划分出一处建筑作为实验室，室内学习用具齐全，网络等多媒体设备完整。同时，根据电子设计的专业要求，应购置常用电子仪器等专业设备。另外，为了保证各实验室能够正常运行，实验设备要有专人定期维护和管理，从而保证各仪器设备能够正常的运行，提高其有效利用率。在实际的工作中，为了有效的开展对电子仪器设备的维修工作，并避免在维修中造成不必要的损失和时间的浪费，要求维修人员要熟悉相关电子仪器设备的基本工作原理，并掌握一定的维修技巧。教师在教学过程中也应该要求学生仔细了解、分析仪器设备发生故障时的现象和使用情况。只有这样，才能保证实验室能够充分发挥其价值，为学生提供锻炼的平台，也减少因实验操作错误而造成的人身伤害。
3.2严格管理制度
为了实现实验室制度的有效落实与监督，必须组建创新实验室管理队伍，保障创新实验室的开放时间及学生日常管理。为了让学生得到充分的锻炼，可以在开放创新实验室的学生中选拔具有优秀组织能力和领导能力的高年级学生作为实验室主管，低年级学生作为助管，共同对实验室进行日常管理。不仅避免了实验室和相应院系之间的工作脱节，还提高了学生的综合水平。
4建设创新开放实验室的重要意义
电子设计创新开放实验室是电子信息专业重要的教学内容和学生组织，对于培养学生的实践能力和创新能力具有重大作用，设立实验室的核心环节是实践教学，致力于培养具有较强社会适应能力和竞争能力的高端技术技能型人才，是探索新的教育方法，真正实现素质教育的重要一步。
5结语
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