电子系统综合设计——基于精选案例与实战指导

《电子系统综合设计》本书涵盖范围广泛，以电子设计大赛、Inter杯、Altera杯、教学案例竞赛四大赛事为依托，加以大学生科研、毕业设计内容以及教学案例竞赛中的优秀作品，旨在锻炼学生解决实际问题的能力，为高校学生参加相关科研和竞赛提供科学思路和实战指导，为高等学校电子信息类拔尖创新人才培养的探索与实践提供借鉴和参考。 

本书涵盖范围广泛，以全国大学生电子设计竞赛、英特尔杯大学生电子设计竞赛、Altera杯大学生电子设计竞赛、全国电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛四大赛事为依托，加以大学生科研项目、本科生毕业设计的优秀作品，旨在锻炼学生解决实际问题的能力，为高校学生参加相关科研和竞赛提供科学思路和实战指导，为高等学校电子信息类拔尖创新人才培养的探索与实践提供借鉴和参考。
本书定位准确、内容新颖、结构合理、案例丰富、深入浅出，对读者具有重要的指导意义。本书可作为高等学校电子信息工程、通信工程等专业的实践教程和参考图书，也可供相关工程技术人员参考。

目录

第1章大学生科研项目

1.1基于Nios的航空相机姿态矫正系统

1.1.1系统总体方案

1.1.2姿态角的处理——Kalman滤波

1.1.3相机姿态调整

1.1.4小结

1.2火力发电厂锅炉内化学量分布式监测系统

1.2.1系统总体方案

1.2.2分布式前置工作站

1.2.3系统通信与布局

1.2.4系统软件设计

1.2.5系统测试

1.2.6小结

1.3锁相环调频发射接收系统

1.3.1系统硬件设计

1.3.2系统硬件测试

1.3.3小结

1.4天地波组网雷达信号处理系统

1.4.1海洋表面流场提取

1.4.2系统测试

1.4.3小结

1.5数字检流计

1.5.1系统总体方案

1.5.2系统硬件设计

1.5.3小结

1.6智能光伏供电与监测系统

1.6.1系统总体方案

1.6.2光伏供电系统

1.6.3监控系统

1.6.4光伏系统测试

1.6.5小结

1.7基于TFTLCD的多路实时采集显示系统

1.7.1系统总体方案

1.7.2系统测试

1.7.3小结

1.8基于H.265/HEVC的视频质量参数评价

1.8.1H.265/HEVC算法

1.8.2客观视频质量评价方法

1.8.3序列编解码测试

1.8.4小结

第2章全国大学生电子设计竞赛

2.1可控增益射频宽带放大器

2.1.1系统总体方案

2.1.2理论分析

2.1.3系统电路设计

2.1.4系统程序设计

2.1.5系统测试

2.1.6总结

2.2多旋翼自主飞行器系统

2.2.1系统总体方案

2.2.2理论分析

2.2.3系统电路设计和控制方法

2.2.4系统程序设计

2.2.5系统测试

2.2.6总结

2.380~100MHz频谱分析仪

2.3.1系统总体方案

2.3.2理论分析

2.3.3系统电路设计

2.3.4系统程序设计

2.3.5系统测试

2.3.6总结

2.4双向DCDC变换器

2.4.1系统总体方案

2.4.2理论分析

2.4.3系统电路设计

2.4.4系统程序设计

2.4.5系统测试

2.4.6总结

2.5数字频率计

2.5.1系统总体方案

2.5.2理论分析

2.5.3系统电路与程序设计

2.5.4系统测试

2.5.5总结

第3章本科生毕业设计优秀作品

3.1VHF航空波段接收机的研究

3.1.1系统总体方案及硬件设计

3.1.2系统测试

3.1.3小结

3.2浊度计的设计

3.2.1系统总体方案

3.2.2浊度计硬件设计

3.2.3浊度计软件设计

3.2.4数据标定及测量结果

3.2.5小结

3.3基于DDS的高频信号源设计

3.3.1基于FPGA的DDS设计

3.3.2DDS系统硬件设计

3.3.3系统实现与测试

3.3.4小结

3.4基于嵌入式双目视觉测距系统的研究

3.4.1系统总体方案

3.4.2双目视觉测距系统硬件设计

3.4.3基于嵌入式的图像预处理

3.4.4基于嵌入式的SAD算法

3.4.5小结

3.5嵌入式智能小车无线控制与视频传输系统设计

3.5.1系统总体方案

3.5.2智能小车硬件设计

3.5.3智能小车软件设计

3.5.4系统测试

3.5.5小结

第4章英特尔杯大学生电子设计竞赛和Altera杯大学生电子设计竞赛

4.1基于EMG信号控制的智能探险机器人

4.1.1系统总体方案

4.1.2Genius Arm硬件设计

4.1.3Genius Arm软件设计

4.1.4Genius Arm系统测试

4.1.5小结

4.2基于SOPC的智能辅助饮食系统设计

4.2.1系统总体方案

4.2.2图像撷取处理模块

4.2.3语音交互模块

4.2.4机械臂控制模块

4.2.5系统测试

4.2.6小结

4.3“凌动”的飞舞——室内飞行器定位与控制系统

4.3.1系统总体方案

4.3.2系统原理

4.3.3系统硬件设计

4.3.4系统软件设计

4.3.5系统测试

4.3.6小结

4.4知音识谱小琴手

4.4.1电子乐谱协议

4.4.2系统硬件设计

4.4.3系统软件设计

4.4.4系统测试

4.4.5小结

4.5反无人机侦察兵

4.5.1系统总体方案

4.5.2系统硬件设计

4.5.3系统软件设计

4.5.4系统测试

4.5.5小结

第5章全国电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛

5.1电子称的设计

5.1.1实验内容与任务

5.1.2实验过程及要求

5.1.3相关知识及背景

5.1.4教学目的

5.1.5实验教学与指导

5.1.6实验框图及方案

5.1.7实验报告要求

5.1.8考核要求与方法

5.1.9项目特色与创新

5.2加法器的设计与实现

5.2.1实验内容与任务

5.2.2实验过程及要求

5.2.3相关知识及背景

5.2.4教学目的

5.2.5实验教学与指导

5.2.6实验原理及方案

5.2.7实验报告要求

5.2.8考核要求与方法

5.2.9项目特色或创新

5.3嵌入式系统串口通信实验

5.3.1实验内容与任务

5.3.2实验过程及要求

5.3.3相关知识及背景

5.3.4教学目的

5.3.5实验教学与指导

5.3.6实验原理及方案

5.3.7实验报告要求

5.3.8考核要求与方法

5.3.9项目特色或创新

5.4数字调频收音机

5.4.1实验内容与任务

5.4.2实验过程及要求

5.4.3相关知识及背景

5.4.4教学目的

5.4.5实验教学与指导

5.4.6实验原理及方案

5.4.7实验报告要求

5.4.8考核要求与方法

5.4.9项目特色或创新

5.5射频收发系统

5.5.1实验内容与任务

5.5.2实验过程及要求

5.5.3相关知识及背景

5.5.4教学目的

5.5.5实验教学与指导

5.5.6实验原理及方案

5.5.7实验报告要求

5.5.8考核要求与方法

5.5.9项目特色或创新

参考文献

前言
电子技术在国民经济建设中发挥了重要作用，它已广泛渗透到工业、农业、国防、科技及人们的日常生活中。随着电子技术日新月异的快速发展和经济需求的迅猛增长，社会对电子类拔尖人才的需求与人才培养模式的矛盾越来越突出，主要反映在高校培养计划普遍重视理论课程教学，忽视了实践环节；有些高校没有达到教育部对各专业实践教学所要求的学时数或学分数，导致学生的工程实践能力、解决实际问题的能力较弱。多年的实践证明，培养优秀人才不仅要有优秀的教师队伍和优质课程，同时还必须重视实践教学在人才培养中的作用和地位。然而重学轻术的现象在高校中还比较普遍，重科学研究、轻人才培养的畸形状态在高校中还有相当大的市场，这不仅严重影响人才培养质量，也阻碍了高等教育发展。
教育部相继启动了“高等学校教学质量和教学改革工程”以及“卓越工程师教育培养计划”，将培养学生的实践能力提高到战略高度。武汉大学电子信息学院开展了一系列有益的探索，取得了相对丰硕的成果。
本书作者长期以来工作在教学一线，在指导学生创新实践、大学生科研、电子类学科竞赛等方面积累了丰富的实践教学经验。本书收集、整理了一批大学生科研项目、毕业设计专题、各类学科竞赛获奖作品（如全国大学生电子设计竞赛等）以及全国高校实验教学获奖实验项目等，每个案例都给出了相关原理、方案、硬件电路以及软件架构，部分还附有程序源代码，可供学生在自主学习、创新设计、学科竞赛培训及开展电子系统综合设计等方面作为参考，也可作为电子设计实践课程的参考教材。
本书以归纳、学习知识点为主线，适合具有一定电类专业知识的学生使用，本书旨在提高学生设计能力和解决实际问题的能力，尽量解决好电子类综合设计实践环节的薄弱部分，借此推进高校电子实验教学改革。
成书过程中得到武汉大学电子信息学院教学实验中心老师们的大力支持和帮助，他们不仅提供了良好的素材，还提供了许多宝贵的意见和建议。尤其要感谢我的同事杨光义老师，对本书的编写起到非常重要的作用，还要感谢李高旭、张梓琪等同学的无私奉献和参与。由于时间仓促，书中难免有不妥或错误之处，欢迎批评指正。如果您对本书有任何意见或建议，抑或您对本书中的某些内容或章节感兴趣，不妨通过电子邮件（[email protected]）共同探讨，不胜感激。
陈小桥2018年于武汉

第3章
CHAPTER 3

本科生毕业设计优秀作品

3.1VHF航空波段接收机的研究
甚高频(Very High Frequency，VHF)是指电波频率在30~300MHz范围内的无线电波，在电台和电视台广播等领域有广泛的应用。VHF波段也用于航空和航海的沟通频道，并在国内外机场都有着广泛应用。民航客机进出场过程中和塔台的联系、塔台对场内飞机的调度、机场地勤人员与飞行员以及塔台的联系都通过这个频段的无线电波完成。因此，VHF航空波段接收机在协调机场各部门正常运行中发挥着不可或缺的作用，开发出灵敏度更高、选择性更好、噪声更小、性能更优异的航空波段接收机有着重要的意义和实用价值。
3.1.1系统总体方案及硬件设计
由于超外差接收机有着优异的选择性、较好的灵敏度、较大的动态范围以及对镜像频率干扰的抑制，次航空波段接收机设计采用超外差结构，系统总体结构如图3.1所示。系统由天线、前端射频滤波器、混频器、检波模块、音频放大器和输出模块等基本模块构成。在实际的接收机设计过程中，通常还要加入低噪声放大器、中频滤波器、中频放大器以及自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)等模块，以提升无线接收机的性能以及可靠性。

图3.1系统总体结构

1. 射频前端滤波器
滤波器主要分为有源滤波器和无源滤波器两大类。由于有源滤波器中运算放大器带宽的限制，在频率较高的甚高频波段，滤波器系统的Q值较低，达不到无线接收机系统所需要的滤波效果。而且，射频滤波器处于系统的第一级，对系统噪声影响很大，如果滤波器本身的噪声比较大，经过后续电路的一系列放大之后，噪声将变得更大，甚至掩盖实际需要接收的语音信号。因此，本航空波段接收机采用由L、C等无源器件构成的无源滤波器。
包括武汉天河机场在内的国内机场无线通信频率基本集中在118~138MHz，因此，接收机的前端滤波器必须完整覆盖这个波段。带通滤波器能够让指定范围内的频率信号通过并阻止其他频率的信号通过，多应用于音响装置以及无线收发装置中，以获得指定频段音频信号并滤除其他频段的杂波干扰。因此，接收机前端滤波器采用带通滤波器。
1) 滤波器参数

带通滤波器存在上限频率fH，下限频率fL以及通带带宽BW。位于下限频率fL和上限频率fH之间的频率的信号可以通过，其他频率信号会因受到极大衰减而不能通过电路。无源带通滤波器只由无源器件L、C等器件构成。带阻滤波器的中心频率f0、上限频率fH、下限频率fL以及阻带带宽BW的关系如式(31)和式(32)所示，其中Q为滤波器的品质因数，阻带带宽越窄的滤波器，品质因数越高。

Q=f0BW=f0fH-fL(31)

f0=fH×fL(32)

一个理想的带通滤波器通带边缘是垂直的，通带顶端是一条平坦的直线，而且在通带内信号没有衰减，在通带外信号增益为0，上限频率为fH，下限频率为fL。但是实际应用中不存在理想的带通滤波器，通带边缘并不是垂直下降的，而是有一个缓慢下降的过程，这个现象通常被称为滤波器的滚降现象，一般用10倍频的衰减幅度dB数来表示。一般情况下取3dB衰减点对应的两个频率FL与FH为带通滤波器实际的上限频率和下限频率。通常在设计带通滤波器时，应尽量保证通带边缘下降得越快越好。此外，实际滤波器的通带顶部并不平坦，通带顶部会有波纹出线，这种现象被称为吉布斯现象。为降低该现象的影响，应保证带通滤波器通带顶部的平稳度，通带顶部越平整，整个滤波器的效果就越好。理想带通滤波器(实线)与实际带通滤波器(虚线)的参数对比如图3.2所示。

图3.2理想带通滤波器与实际带通滤波器参数

考虑到带通滤波器的滚降效应，接收机前端滤波器的带宽要略大于118MHz和138MHz这两个频率的差值。对比国内机场无线通信采用的频率，同时为了方便最终的系统测试和调试，频率应包含部分调频广播频段，或者下限频率尽量接近调频广播频段，最终无线接收机系统的前端滤波器下限频率fL=110MHz，上限频率fH=150MHz，通带带宽BW=40MHz，由式(32)可得，系统前端滤波器中心频率f0=128.5MHz。经过实验验证，这一组上下限频率以及带宽选取适当，可以很好地覆盖VHF航空接收机所需要接收的信号频段，基本上保证了系统的可行性与可靠性，为最终完成一个性能优良的航空波段接收机提供了最基础的保障。

2) 滤波器电路
滤波器电路如图3.3所示，是一个五阶巴特沃斯带通滤波器，中心频率f0为128MHz，通频带带宽为40MHz。