2017年全国大学生电子设计竞赛：核心知识点与实战指南

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简介：全国大学生电子设计竞赛是一场提高学生电子工程实践能力的盛会。2017年的比赛题目要求参赛者展示他们的创新思维和解决实际问题的能力。赛事覆盖了从基础电路设计到系统集成的各个方面。本简介提供了参赛者需要掌握的关键知识点，包括电路设计基础、嵌入式系统、数字信号处理、传感器与执行器、通信技术、软件设计与算法实现以及系统集成与调试。这些技能的锻炼将为学生的职业生涯奠定坚实的基础。

1. 电路设计基础知识与实践

1.1 电路设计基础概念

电路设计是将多个电子组件按照既定的规则和逻辑连接起来，以便实现特定功能的过程。理解电路设计基础是深入学习电子设计竞赛的前提，包括电压、电流、电阻、电容和电感等基本电路元件的特性。掌握电路图的绘制和解读能力对于电路的搭建和分析至关重要。

1.2 实践案例解析

实际操作是理论知识的检验场。通过具体的实践案例，如LED灯的控制电路设计，我们可以深入了解如何根据电路设计原理选择合适的元件、绘制电路图、搭建电路并进行测试。这个过程中，将涉及电路仿真软件的使用、焊接技术以及故障排除等实用技能。

1.3 电路设计步骤与注意事项

电路设计不仅需要理论知识，还需要一系列系统化的设计步骤。这些步骤可能包括需求分析、方案设计、元件选型、电路仿真、原型搭建、调试验证以及最终测试。在每一个步骤中，电路设计师都需要遵循一定的原则，如简化设计、提高可靠性和降低成本等。同时，需要注意规避诸如短路、过载和元件损坏等常见问题。

本章通过融合理论与实践，引导读者系统性地理解电路设计的全貌，并为进一步深入学习电子设计竞赛奠定基础。

2. 嵌入式系统使用及开发

2.1 嵌入式系统基础

嵌入式系统是由硬件和软件组成，专门用于控制、监视或辅助机器、设备或工厂运作的装置。它通常包括一个中央处理单元（CPU）、内存和输入/输出（I/O）接口。嵌入式系统可以是简单的，如微波炉中的定时器，也可以是复杂的，如飞机上的飞行控制系统。由于其多样性和特殊性，嵌入式系统设计需要深入理解硬件与软件的交互。

2.1.1 嵌入式系统架构

嵌入式系统的架构通常分为单片机系统、微控制器系统和复杂的多处理器系统。单片机系统是将所有的功能集中在一个芯片上，而微控制器系统则可能包括多个芯片，但仍然以一个主控芯片为中心。多处理器系统则包含多个CPU，适用于对处理速度和数据处理能力有极高要求的应用场景。

2.1.2 开发环境搭建

开发嵌入式系统通常需要以下环境的搭建：

• 硬件平台 ：例如Arduino、Raspberry Pi、STM32等。
• 编程环境 ：如Keil、IAR、Eclipse、Visual Studio等集成开发环境。
• 交叉编译器 ：为特定的嵌入式硬件平台编译代码。
• 调试工具 ：如JTAG、SWD接口调试器。

2.2 嵌入式系统开发语言及工具

嵌入式系统开发中常用的编程语言包括C/C++、汇编语言等，它们允许开发者直接控制硬件资源。以下将介绍主要的开发语言和工具。

2.2.1 C/C++在嵌入式开发中的应用

C/C++语言因其高效的性能和接近硬件的操作能力，广泛应用于嵌入式开发中。在C语言中，指针的使用可以实现对内存地址的直接访问，这对于资源受限的嵌入式系统尤为关键。C++则在C的基础上增加了面向对象的特性，支持更复杂的系统设计。

2.2.2 嵌入式开发工具介绍

• GCC（GNU Compiler Collection） ：支持多种编程语言的编译器，广泛应用于嵌入式系统的交叉编译。
• GDB（GNU Debugger） ：一款功能强大的调试器，能够与GCC结合使用，帮助开发者找到程序中的错误。
• Eclipse ：是一个集成开发环境，支持多种编程语言，有丰富的插件可以支持嵌入式系统开发。

2.2.3 示例代码块及其解析

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void delay(unsigned int ms) {
    unsigned int start = __get_PRIMASK();
    __disable_irq();
    volatile unsigned int end = __getticks() + ms * (SystemCoreClock / 1000);
    while (__getticks() < end);
    __set_PRIMASK(start);
}

int main() {
    printf("Hello, Embedded World!\n");
    delay(2000);
    printf("Waited for 2 seconds!\n");
    return 0;
}

本示例代码使用C语言编写的简单嵌入式程序，其中包含了一个 delay 函数用于延迟程序执行。 __disable_irq() 和 __set_PRIMASK() 函数用于禁止和恢复中断，而 __getticks() 函数用于获取当前的时钟滴答数，这些特定的函数是为了在没有操作系统的嵌入式环境中使用。该代码段演示了如何控制硬件，以及如何使用特定于嵌入式开发的编译器扩展。

2.3 嵌入式系统在电子设计中的应用实例

嵌入式系统广泛应用于电子设计中，从智能家电到汽车电子，甚至在工业自动化中都有着其身影。以下通过一个智能遥控器的项目实例来展示嵌入式系统在电子设计中的应用。

2.3.1 智能遥控器项目概述

智能遥控器项目旨在设计一个使用无线通信技术控制家用电器的装置。它包括一个嵌入式处理器、无线通信模块、按键输入和LED显示输出。

2.3.2 系统设计与实现

在本项目中，我们选择了使用STM32作为嵌入式处理器，它是一个广泛使用的微控制器。无线通信模块我们选择了基于ZigBee的模块，因为它能提供较低功耗的无线解决方案。

系统设计流程：

1. 需求分析 ：确定遥控器的功能需求，如开关控制、温度监控等。
2. 硬件选择 ：选择STM32处理器和ZigBee模块，以及其他必要的传感器和执行器。
3. 软件设计 ：设计系统的工作流程，编写程序代码，实现需求功能。
4. 系统集成 ：将硬件与软件结合起来进行测试。
5. 调试与优化 ：进行系统测试，根据测试结果对系统进行调整和优化。

核心代码解析：

// ZigBee 初始化函数
void ZigBee_Init() {
    // 初始化串口
    USART_Config();
    // 初始化ZigBee模块
    // 配置GPIO等
}

// 主函数
int main() {
    ZigBee_Init(); // 初始化ZigBee模块
    while(1) {
        // 检查是否有按键输入
        // 如果有，发送ZigBee消息
        // 如果接收到消息，执行相应的控制逻辑
    }
}

在此示例代码中， ZigBee_Init 函数负责初始化无线通信模块， main 函数则是整个程序的入口。通过在一个无限循环中检查按键输入，并发送ZigBee消息，实现了对家用电器的远程控制。

本章节我们重点介绍了嵌入式系统的概念、架构、开发环境搭建、开发语言和工具。通过示例代码和项目实例，说明了嵌入式系统在电子设计中的应用。在下一章节中，我们将探讨数字信号处理与通信技术的基础知识及其在电子设计中的应用。

3. 数字信号处理与通信技术

数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）与通信技术是现代电子设计不可或缺的领域。随着技术的不断进步，数字信号处理已经成为许多应用的核心，比如语音识别、图像处理、通信系统等。本章将深入探讨数字信号处理的基础理论，以及与通信技术的结合应用，通过实例展示这些技术是如何在电子设计中发挥作用的。

3.1 数字信号处理基础

数字信号处理是一种使用数字计算方法对信号进行分析和处理的技术。与传统的模拟信号处理不同，数字信号处理在稳定性、精确性和灵活性方面都有显著优势。数字信号处理的核心在于采样和量化，这是将连续模拟信号转换为计算机可以处理的离散数字信号的过程。

3.1.1 信号的基本概念

在深入数字信号处理之前，了解信号的基本概念是必要的。信号可以是时间函数，表示物理量随时间的变化。在电子设计中，常见的信号类型有连续时间信号和离散时间信号。

3.1.2 采样定理

采样定理是数字信号处理的基石。它规定了为了不失真的从连续信号重建离散信号，采样的频率必须高于信号最高频率的两倍。这个定理称为奈奎斯特采样定理。

3.1.3 快速傅里叶变换（FFT）

快速傅里叶变换是数字信号处理中用于高效计算离散傅里叶变换及其逆变换的算法。FFT极大地减少了计算量，并且在频域分析中有着广泛应用。

import numpy as np

# 生成信号
t = np.linspace(0, 1, 500, endpoint=False)
s = np.sin(2 * np.pi * 7 * t) + 0.5 * np.sin(2 * np.pi * 14 * t)

# FFT分析
fft_result = np.fft.fft(s)
fft_freq = np.fft.fftfreq(t.shape[-1])

# 解读代码：
# 1. np.linspace用于生成一个线性空间，这里生成了一个500个点的时间序列。
# 2. np.sin创建了一个正弦波信号。
# 3. np.fft.fft计算信号的傅里叶变换。
# 4. np.fft.fftfreq计算对应频率值。

3.1.4 数字滤波器设计

数字滤波器设计是数字信号处理中的一个关键环节，用于过滤信号中的特定频率成分。数字滤波器分为有限冲击响应（FIR）和无限冲击响应（IIR）两大类。

3.2 通信技术原理

通信技术涉及信号的传输、接收、处理和控制。数字通信技术通过数字信号传输信息，具有更高的传输效率和抗干扰能力。

3.2.1 通信系统模型

一个典型的通信系统包括信息源、发送器、信道和接收器。信息源产生要传输的信息，发送器对信息进行调制，信道用于信号的传输，接收器对接收到的信号进行解调。

3.2.2 常见的通信协议

在电子设计中，需要遵守不同的通信协议来保证不同设备之间的通信顺畅。例如，UART、SPI、I2C、蓝牙、Wi-Fi等。

3.2.3 编码与解码

信号在传输之前需要进行编码，以确保信号在传输过程中的完整性和安全性。而接收端则需要进行相应的解码。

graph LR
A[信息源] -->|编码| B[发送器]
B -->|调制| C[信道]
C -->|解调| D[接收器]
D -->|解码| E[数据输出]

3.2.4 通信中的抗干扰技术

信号在传输过程中容易受到噪声和干扰的影响，因此需要采取技术来提高信号的抗干扰能力，例如扩频技术和差错控制技术。

3.3 数字信号处理与通信技术在电子设计中的应用实例

本节将通过一个实例来展示数字信号处理和通信技术是如何在电子设计中得到应用的。

3.3.1 实例介绍

假设我们要设计一个基于FPGA的数字音频处理系统，该系统需要接收外部音频信号，进行降噪处理，然后通过无线传输发送到远程接收端。

3.3.2 设计步骤

a. 信号采集

使用ADC（模拟-数字转换器）对音频信号进行采样，并通过FPGA来实现数字信号的初步处理。

b. 数字滤波处理

设计一个低通FIR滤波器，用于滤除信号中的高频噪声。

module fir_filter(
    input clk,
    input signed [15:0] signal_in,
    output signed [15:0] signal_out
);

// FIR滤波器的具体实现代码

endmodule

c. 编码与调制

经过处理的音频信号需要进行编码，例如采用PWM编码，并通过无线模块进行调制传输。

d. 无线传输

采用蓝牙模块实现信号的无线传输。

e. 接收端处理

接收端使用相对应的解调和解码技术，将接收到的信号还原为音频信号。

# 无线模块接收数据并解码示例
data = wireless_module.receive()
decoded_data = decode(data)

# 解码后的音频信号输出
play_audio(decoded_data)

3.3.3 系统测试与优化

设计完成后，需要对系统进行彻底的测试，包括信号质量测试、抗干扰测试等，并根据测试结果进行优化。

通过上述实例，可以看出数字信号处理与通信技术在电子设计中扮演着核心角色。从信号的采集、处理、编码、传输到接收与解码，每一步都需要精心设计和优化。了解和掌握这些技术对于电子设计的竞争力至关重要。

4. 传感器和执行器的应用

4.1 传感器和执行器的基本概念

传感器是将物理量转换为电信号的装置，而执行器则是将电信号转换为物理动作的装置。在电子设计中，它们扮演着收集环境信息和实现控制输出的关键角色。

4.1.1 传感器类型和特性

传感器按其检测的物理量可以分为温度传感器、光敏传感器、压力传感器等多种。每种传感器都有其独特的性能参数，如测量范围、精度、响应时间、工作温度等，这些参数决定了它们的应用场景。

flowchart LR
    A[传感器] -->|按测量类型分类| B[温度传感器]
    A --> C[光敏传感器]
    A --> D[压力传感器]

4.1.2 执行器的工作原理

执行器的类型包括电机、液压或气动装置等，它们的工作原理和特性也不同。例如，电机根据控制信号的类型可分为直流电机、步进电机等，它们的输出性能和控制方法也有所区别。

flowchart LR
    A[执行器] -->|按工作原理分类| B[电机]
    A --> C[液压执行器]
    A --> D[气动执行器]

4.2 传感器和执行器的选型与应用

选择合适的传感器和执行器对于电子设计至关重要，需要综合考虑设计需求、工作环境、成本和兼容性等因素。

4.2.1 选择传感器的考虑因素

选择传感器时，除了需要考虑上述的基本特性外，还需考虑其与微控制器等电子元件的接口兼容性，以及是否具有所需的数据输出形式（模拟或数字信号）。

| 传感器类型 | 工作原理 | 测量范围 | 精度 | 输出形式 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 温度传感器 | 热电效应 | -50°C ~ 150°C | ±0.5°C | 数字（I2C） |
| 光敏传感器 | 光电效应 | 0 ~ 2000 Lux | ±10 Lux | 模拟 |

4.2.2 选择执行器的考虑因素

在选择执行器时，需要评估执行器的输出力、速度、响应时间以及控制信号的要求。此外，还需要考虑电源电压、电流需求和执行器的尺寸。

| 执行器类型 | 输出力 | 响应时间 | 控制信号 | 电源要求 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 直流电机 | 100g/cm | 10ms | PWM | 3V~12V |
| 步进电机 | 1kg/cm | 5ms | 步进和方向 | 5V |

4.2.3 实际应用场景分析

举例说明，在一个环境监控系统中，温度传感器可以用于监测环境温度，而步进电机则可以用来控制通风设备的开关。以下是传感器和执行器在实际应用中的简单代码示例：

#include <Wire.h>
#include "Adafruit_Si7021.h"

Adafruit_Si7021 sensor = Adafruit_Si7021();

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  if (!sensor.begin()) {
    Serial.println("Sensor not found :(");
    while (1);
  }
}

void loop() {
  float humidity = sensor.readHumidity();
  float temperature = sensor.readTemperature();
  Serial.print("Humidity: "); Serial.print(humidity);
  Serial.print("%\t");
  Serial.print("Temperature: "); Serial.print(temperature);
  Serial.println(" C");
  delay(1000);
}

4.2.4 传感器和执行器的集成与调试

在集成传感器和执行器时，需要按照设计电路图进行连接，并编写相应的控制代码进行调试。例如，在代码中需要设置合理的读取周期和执行器控制逻辑。

// 控制执行器的伪代码
void controlActuator(int controlSignal) {
    // 根据控制信号控制执行器动作
    if(controlSignal == ON) {
        digitalWrite(actuatorPin, HIGH);
    } else {
        digitalWrite(actuatorPin, LOW);
    }
}

传感器和执行器的应用是电子设计中的重要环节，需要细致的分析和选择过程，以确保设计的系统能够有效地完成既定的功能。在实际应用中，传感器和执行器的性能直接影响到系统的稳定性和精确度。通过选择合适的产品、合理的集成设计和精确的调试过程，可以确保设计的产品能够适应各种环境并满足用户需求。

5. 软件设计与算法实现

5.1 软件设计基础

软件设计在电子设计中扮演着至关重要的角色。它涉及到电子系统中软件部分的架构设计、编程语言的选择、开发流程的规范化以及最终软件的部署。一个良好的软件设计不仅能够提高系统的性能，还能增强软件的可维护性和可扩展性。

在软件设计初期，我们需要明确软件的使用场景、功能需求以及性能指标。接着，进行模块划分，确定各个模块之间的交互方式和通信协议。选择合适的编程语言也非常重要，它将影响到开发效率和系统的运行效率。

5.2 算法的实现

算法是软件设计的核心，它的效率直接影响整个电子系统的工作效率。在电子设计中，常见的算法包括信号处理算法、数据压缩算法、加密解密算法等。算法的实现需要关注其时间复杂度和空间复杂度，以及算法的准确性和鲁棒性。

在实现算法时，我们可以选择C/C++等性能优良的语言，以便在资源受限的嵌入式设备上也能获得良好的执行效率。例如，下面的代码展示了快速排序算法在C语言中的实现：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void quickSort(int *arr, int low, int high);
int partition(int *arr, int low, int high);
void swap(int *a, int *b);

int main() {
    int data[] = {8, 7, 6, 1, 0, 9, 2};
    int n = sizeof(data) / sizeof(data[0]);
    quickSort(data, 0, n - 1);
    printf("Sorted array in ascending order:\n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", data[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

void quickSort(int *arr, int low, int high) {
    if (low < high) {
        int pi = partition(arr, low, high);
        quickSort(arr, low, pi - 1);
        quickSort(arr, pi + 1, high);
    }
}

int partition(int *arr, int low, int high) {
    int pivot = arr[high];
    int i = (low - 1);
    for (int j = low; j <= high - 1; j++) {
        if (arr[j] < pivot) {
            i++;
            swap(&arr[i], &arr[j]);
        }
    }
    swap(&arr[i + 1], &arr[high]);
    return (i + 1);
}

void swap(int *a, int *b) {
    int t = *a;
    *a = *b;
    *b = t;
}

该代码段展示了快速排序算法的实现，通过递归的方式对数组进行排序。算法实现完毕后，还需要通过测试来验证算法的正确性和性能。

5.3 软件设计与算法优化

优化是软件设计和算法实现中不可或缺的一环。优化的目标是提高程序的执行效率，减少资源消耗，优化用户体验。常见的优化方法包括算法优化、数据结构优化、编译器优化等。

算法优化通常包括减少不必要的计算、避免递归的深层调用、优化数据访问模式等。例如，在上面的快速排序算法中，可以通过三路划分来减少排序中的元素交换次数，从而提高性能。

此外，还可以利用现代编译器提供的优化选项，如GCC的 -O2 或 -O3 参数来实现自动的代码优化。在软件设计中，使用缓存机制、优化内存使用等策略同样能够提升性能。

软件设计和算法实现是电子设计中不可或缺的一环，从基础的设计原则到高效的算法实现，再到最后的优化策略，每一步都需要精心策划和实施。通过不断的学习和实践，我们可以设计出更加优秀的软件解决方案，为电子设计提供强有力的支持。

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