作者:
清华大学工程训练中心
行业:
大学/教育
产品:
院校产品
作者
挑战:
让学生在短期内完成从电路原理仿真验证、印制电路板设计制造直到元器件检测、焊接、安装、调试的产品设计制造全过程，以达到训练的目的。同时，面对没有或很少电路基础的低年级学生，如何保证教学质量。
让学生在短期内完成从电路原理仿真验证、印制电路板设计制造直到元器件检测、焊接、安装、调试的产品设计制造全过程，以达到训练的目的。同时，面对没有或很少电路基础的低年级学生，如何保证教学质量。
解决方案:
清华大学从1986年起正式设立《电子工艺实习课程》，训练学生电子设计和制造方面的能力。EDA技术作为电子设计与制造中的主流技术已成为理工科专业学生必备技能之一，我们将其作为电子工艺实习教学中的工程素质培养的重点。现在，该课程是面向全校所有工科和理科院，年接纳学生1500人。
清华大学从1986年起正式设立《电子工艺实习课程》，训练学生电子设计和制造方面的能力。EDA技术作为电子设计与制造中的主流技术已成为理工科专业学生必备技能之一，我们将其作为电子工艺实习教学中的工程素质培养的重点。现在，该课程是面向全校所有工科和理科院，年接纳学生1500人。
"EDA实践教学把电子实习中的产品工艺设计从枯燥乏味的纸上谈兵式的作业，变成了兴趣盎然的创新制作。学生动手的积极性和主动性大大提高，学生的硬件设计与制作能力和信心得到提高。还可再通过基于LabVIEW的虚拟仪器技术对这些产品进行测试，真正体验工程师的产品设计制造甚至测试流程，实现对学生的工程素质培养。"
在2002年之前，受条件限制学生仅根据原理图使用CAD软件设计印制电路板图，不能学习和体验电子设计和制造的全过程，教学内容也落后于工程上的主流技术，与真正的工程实际不符。所以，我们打算在引入电路仿真环节，结合SPICE、VHDL同时进行模拟和数字电路仿真。直观和方便的虚拟仪器界面，不仅帮助适应各专业学生的知识结构和使用要求；同时让教师和学生可以快速判定原理电路是否正确，使EDA的全程训练成为可能。
在2002年，我们选择了Multisim。在课上，只需简要介绍软件的使用，主要由学生利用教材和教学网站上的资料自学；布置实验任务并介绍电路原理，让学生绘制原理图并自己判断电路的正确性。利用Multisim的传送功能，传送网络表至Ultiboard(原课程网络表由教师提供)，进而利用Ultiboard软件完成印刷电路板布局、布线等工作，并通过网络上传作业至教学网站。印制板图经教师批改后，由学生自己完成印制电路板的制作，再进行焊接、安装、调试。2008年有99.7%的学生使用自己设计和制作的印制电路板完成了教学任务。值得一提的是，Multisim和Ultiboard之间的无缝衔接使短时间内完成整个训练成为了可能。
为了更好地使学生的硬件设计与制作能力得到锻炼和培养，研制了一批包括机器猫、多用充电器、MP3、蓝牙鼠标等以真实产品为基础的实验项目。以机器猫为例，虽然简单，但它却是一个包含声光机电的小系统，包括三种传感器、两个执行环节和一个控制核心。主要工作原理：利用555构成的单稳态触发器，在三种不同的控制方式下，均给以低电平触发，促使电机转动，从而达到了机器猫停走的目的。即：拍手即走、光照即走、磁铁靠近即走，但都是持续一段时间就会停下，再满足其中一条件将继续行走。此外，我们在基本型机器猫的基础上，又开发了单片机、可编程器件、PSOC控制核心，为与后续课程的衔接打下了良好的基础。
图一，机器猫电子产品
图二，机器猫Multisim原理图
图三，机器猫Ultiboard印制版图
EDA实践教学把电子实习中的产品工艺设计从枯燥乏味的纸上谈兵式的作业，变成了兴趣盎然的创新制作。学生动手的积极性和主动性大大提高，学生的硬件设计与制作能力和信心得到提高。还可再通过基于LabVIEW的虚拟仪器技术对这些产品进行测试，真正体验工程师的产品设计制造甚至测试流程，实现对学生的工程素质培养。
此外，NI电子设计软件的学习和掌握为后续电子技术、电工学系列课程的学习打下了良好的基础，已经成为学习相关课程的有效学习工具。同时，EDA实践教学为电子设计大赛、创意机器人大赛、虚拟仪器大赛等科技赛事和数字逻辑课等课程的实践教学环节、SRT计划及课程设计和毕业设计打下了良好的基础。
