2017年全國大學生電子設計競賽XXXXXXXXXXXXX（X題）[本科組]2017年9月7日

摘要本系統以飛思卡爾單片機MC9S12XS128作為主控制芯片，通過數字攝像頭OV7620采集靶面圖像，進行圖像信息的處理，得到靶面上彈著點的位置信息，并在OLED上顯示彈著點的環(huán)數、方位。同時為了方便攝像頭的圖像的校準，設計了激光三點定位裝置。另外設計了以步進電機和直流減速電機驅動的二維激光頭移動調節(jié)架，通過按鍵控制可實現激光點在靶面上的移動、自動中心打靶、定位打靶。關鍵詞：激光打靶單片機數字攝像頭步進電機AbstractThissystemadoptstheFreescaleMCU(MC9S12XS128)asthecoreprocessingchip,targetsurfaceimagearegainedbythedigitalcameraOV7620,thespotpositioninformationonthetargetisgotaftertheimageinformationprocessing,theringnumberandlocationaredisplayedontheOLED.Atthesametime,inordertofacilitatetheimageofthecalibrationofcameras,thelaserat3o'clockpositioningdeviceisdesigned.Inaddition,stepmotorandDCgearmotoraredesignedtodrive2Dpositioncontrolframe,itcanberealizedthroughthekeycontrolthatthelaserspotonthetargetmobile,automatictargetandhitthebull's-eye,automaticpositioning.Keywords:laser-shootingmicrocomputerdigitalcamerastepmotor電子設計大賽論文報告格式**設計報告容：1．封面：單獨1頁（見樣件）2．摘要、關鍵詞：中文（150～200字）、英文；單獨1頁3．目錄：容必要對應頁碼號4．設計報告正文：一、前言：二、總體方案設計：包括方案比較、方案論證、方案選擇（以方框圖的形式給出各方案，并簡要說明）/10

三、單元模塊設計：①各單元模塊功能介紹與電路設計；②電路參數的計算與元器件的選擇；③特殊器件的介紹；④各單元模塊的聯接，以一個模塊為一個框，畫出框的聯接圖并簡要說明。四、系統調試：說明調試方法與調試容，軟件仿真放這里。五、系統功能、指標參數：①說明系統能實現的功能；②系統指標參數測試，說明測試方法，要求有測試參數記錄表；③系統功能與指標參數分析（與設計要求對比進行）。六、設計總結：包括：①對設計的小結；②設計收獲體會；③對設計的進一步完善提出意見或建議。10.競賽作品上交與包裝密封要求2011年9月3日晚20:00競賽結束時，參賽隊需要上交的材料包括：①《設計報告》；②制作實物；③《2011大學生電子設計競賽登記表》，必須封入由各校自備的紙箱。密封后的紙箱部所有物品與紙箱外部不得出現任何校名、參賽隊代號、參賽隊員與其它暗記，否則視為無效。紙箱封條由賽區(qū)組委會自備，各參賽學校必須按照賽區(qū)組委會要求的時間、地點上交。11.《設計報告》寫作與裝訂要求《設計報告》文字應控制在8000字以，第一頁為300字以的設計中文摘要，正文采用小四號宋體字，標題字號自定，一律采用A4紙縱向打印。《設計報告》每頁上方必須留出3cm空白，空白不得有任何文字，每頁右下端注明頁碼。報告用紙由參賽學校自備。12.《設計報告》的密封方法競賽結束時，參賽隊應將設計報告密封紙在距設計報告上端約2厘米處裝訂，然后將參賽隊的代碼（代碼由賽區(qū)組委會統一編制，在發(fā)放題目時通知各參賽隊）寫在設計報告密封紙的最上方。設計報告裝訂好后將密封紙掀起并折向報告背面，最后用膠水在后面粘牢。設計報告上不允許出現參賽隊的學校、等文字。I/10

目錄1系統方案01.1XXXX的論證與選擇01.2XXXX的論證與選擇01.3控制系統的論證與選擇02系統理論分析與計算02.1XXXX的分析02.1.1XXX02.1.2XXX02.1.3XXX02.2XXXX的計算02.2.1XXX02.2.2XXX12.2.3XXX12.3XXXX的計算12.3.1XXX12.3.2XXX12.3.3XXX13電路與程序設計13.1電路的設計13.1.1系統總體框圖13.1.2XXXX子系統框圖與電路原理圖13.1.3XXXX子系統框圖與電路原理圖13.1.4電源13.2程序的設計13.2.1程序功能描述與設計思路13.2.2程序流程圖24測試方案與測試結果24.1測試方案24.2測試條件與儀器24.3測試結果與分析24.3.1測試結果(數據)24.3.2測試分析與結論3附錄1：電路原理圖4附錄2：源程序5II/10

XXXXXXXX（X題）[本科組]1系統方案本系統主要由XXX模塊、XXX模塊、XXX模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1XXXX的論證與選擇方案一：XXX。XXXX方案二：XXX。XXXX方案三：XXX。XXXX綜合以上三種方案，選擇方案三。1.2XXXX的論證與選擇方案一：XXX。XXXX方案二：XXX。XXXX方案三：XXX。XXXX綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3控制系統的論證與選擇方案一：XXX。XXXX方案二：XXX。XXXX綜合考慮采用XXXXX。1.3控制系統的論證與選擇方案一：XXX。XXXX方案二：XXX。XXXX綜合考慮采用XXXXX。2系統理論分析與計算2.1XXXX的分析2.1.1XXXXXXX2.1.2XXXXXXX2.1.3XXXXXXX2.2XXXX的計算2.2.1XXXXXXX0/10

2.2.2XXXXXXX2.2.3XXXXXXX2.3XXXX的計算2.3.1XXXXXXX2.3.2XXXXXXX2.3.3XXXXXXX3電路與程序設計3.1電路的設計3.1.1系統總體框圖系統總體框圖如圖X所示，XXXXXX圖X系統總體框圖3.1.2XXXX子系統框圖與電路原理圖1、XXXX子系統框圖圖XXXXX子系統框圖2、XXXXX子系統電路圖XXXXX子系統電路3.1.3XXXX子系統框圖與電路原理圖1、XXXX子系統框圖圖XXXXX子系統框圖2、XXXXX子系統電路圖XXXXX子系統電路3.1.4電源電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統提供5V或者12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實現，故不作詳述。3.2程序的設計3.2.1程序功能描述與設計思路1、程序功能描述根據題目要求軟件部分主要實現鍵盤的設置和顯示。1/10

1）鍵盤實現功能：設置頻率值、頻段、電壓值以與設置輸出信號類型。2）顯示部分：顯示電壓值、頻段、步進值、信號類型、頻率。2、程序設計思路3.2.2程序流程圖1、主程序流程圖2、XXX子程序流程圖3、XXX子程序流程圖4、XXX子程序流程圖4測試方案與測試結果4.1測試方案1、硬件測試2、軟件仿真測試3、硬件軟件聯調4.2測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全一樣，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數字毫伏表，模擬示波器，數字示波器，數字萬用表，指針式萬用表。4.3測試結果與分析4.3.1測試結果(數據)2V檔信號測試結果好下表所示：（單位/V）信號值0.20500.21000.20450.40261.0071.5421.6691.999顯示0.20510.21000.20440.40261.0061.5421.6691.9992/10

4.3.2測試分析與結論根據上述測試數據，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下結論：1、2、3、綜上所述，本設計達到設計要求。3/10

附錄1：電路原理圖4/10

附錄2：源程序5/10

音頻信號分析儀（A題）摘要：本音頻信號分析儀由32位MCU為主控制器，通過AD轉換，對音頻信號進行采樣，把連續(xù)信號離散化，然后通過FFT快速傅氏變換運算，在時域和頻域對音頻信號各個頻率分量以及功率等指標進行分析和處理，然后通過高分辨率的LCD對信號的頻譜進行顯示。該系統能夠精確測量的音頻信號頻率圍為20Hz-10KH，z其幅度圍為5mVpp-5Vpp，分辨力分為20Hz和100Hz兩檔。測量功率精確度高達1%,并且能夠準確的測量周期信號的周期，是理想的音頻信號分析儀的解決方案。關鍵詞：FFTMCU頻譜功率

目錄

1系統方案論證與比較1.1引言1.2采樣方法比較與選擇方案一、用DDS芯片配合FIFO對信號進行采集，通過DDS集成芯片產生一個頻率穩(wěn)定度和精度相當高的信號作為FIFO的時鐘，然后由FIFO對A/D轉換的結果進行采集和存儲，最后送MCU處理。方案二、直接由32位MCU的定時中斷進行信號的采集，然后對信號分析。由于32位MCU-LPC2148是60M的單指令周期處理器，所以其定時精確度為16.7ns,已經遠遠可以實現我們的40.96KHz的采樣率，而且控制方便成本便宜，所以我們選擇由MCU直接采樣。1.3處理器的比較與選擇由于快速傅立葉變換FFT算法設計大量的浮點運算，由于一個浮點占用四個字節(jié)，所以要占用大量的存，同時浮點運算時間很慢，所以采用普通的8位MCU一般難以在一定的時間完成運算，所以綜合存的大小以及運算速度，我們采用Philips的32位的單片機LPC2148，它擁有32K的RAM，并且時鐘頻率高達60M，所以對于浮點運算不論是在速度上還是在存上都能夠很快的處理。1.4周期性判別與測量方法比較與選擇對于普通的音頻信號，頻率分量一般較多，它不具有周期性。測量周期可以在時域測量也可以在頻域測量，但是由于頻域測量周期性要求某些頻率點具有由規(guī)律的零點或接近零點出現，所以對于較為復雜的，頻率分量較多且功率分布較均勻且低信號就無確的分析其周期性。而在時域分析信號，我們可以先對信號進行處理，然后假定具有周期性，然后測出頻率，把采樣的信號進行周期均值法和定點分析法的分析后即可以判別其周期性。綜上，我們選擇信號在時域進行周期性分析和周期性測量。對于一般的音頻信號，其時域變化是不規(guī)則的，所以沒有周期性。而對于單頻信號或者由多個具出有最小公倍數的頻率組合的多頻信號具有周期性。這樣我們可以在頻域對信號的頻譜進行定量分析，從而得出其周期性。而我們通過先假設信號是周期的，然后算出頻率值，然后在用此頻率對信號進行采樣，采取連續(xù)兩個周期的信號，對其值進行逐次比較和平均比較，若相差太遠，則認為不是周期信號，若相差不遠（約1

5%），則可以認為是周期信號。1.5系統總體設計音頻信號經過一個由運放和電阻組成的50Ohm阻抗匹配網絡后，經由量程控制模塊進行處理，若是一般的100mV-5V的電壓，我們選擇直通，也就是說信號沒有衰減或者放大，但是若信號太小，12位的A/D轉換器在2.5V參考電壓的條件下的最小分辨力為1mV左右，所以如果選擇直通的話其離散化處理的誤差將會很大，所以若是采集到信號后發(fā)現其值太小，在20mV-250mV之間的話，我們可以將其認定為小信號，從而選擇信號經過20倍增益的放大器后再進行A/D采樣。經過12位A/D轉換器ADS7819轉換后的數字信號經由32位MCU進行FFT變換和處理，分析其頻譜特性和各個頻率點的功率值，后然將這些值送由Atmega16進行顯示。信號由32位MCU分析后判斷其周期性，后然由Atmegal6進行測量，然后進行顯示。圖1-1總體設計框架圖2

2各單元電路設計2.1前級阻抗匹配和放大電路設計圖2-1阻抗匹配和放大電路信號輸入后通過R5,R6兩個100Ohm的電阻和一個高精度儀表運放AD620實現跟隨作用，由于理想運放的輸入阻抗為無窮大，所以輸入阻抗即為：R5//R6=50Ohm,阻抗匹配后的通過繼電器控制是對信號直接送給AD轉換還是放大20倍后再進行AD轉換。在這道題目里，需要檢測各頻率分量及其功率，并且要測量正弦信號的失真度，這就要求在對小信號進行放大時，要盡可能少的引入信號的放大失真。正弦信號的理論計算失真度為零，對引入的信號失真非常靈敏，所以對信號的放大，運放的選擇是個重點。我們選擇的運放是TI公司的低噪聲、低失真的儀表放大器INA217，其失真度在頻率為1KHz，增益為20dB(100倍放大)時僅為0.004%，其部原理圖如圖2-2所示。圖2-2INA217部內原理圖3

其中放大器A1的輸出電壓計算公式為OUT1=1+（R1/RG）*VIN+同理，OUT2=1+（R2/RG）*VIN--R3、R4、R5、R6及A3構成減法器，最后得到輸出公式VOUT=（VIN2-VIN1）*[1+（R1+R2）/RG]R1=R2=5K,取RG=526，從而放大倍數為20。2.2AD轉換及控制模塊電路設計圖2-3AD轉換及控制模塊電路設計采用12位AD轉換器ADS7819進行轉換，將轉換的數據送32位控制器進行處理。2.3功率譜測量功率譜測量主要通過對音頻信號進行離散化處理，通過FFT運算，求出信號各個離散頻率點的功率值，然后得到離散化的功率譜。由于題目要求頻率分辨力為100Hz和20Hz兩個檔，這說明在進行FFT運算前必須通過調整采樣頻率(fK)和采樣的點數(N),使其基波頻率f為100Hz和20Hz。根據頻率分辨率與采樣頻率和采樣點數的關系：f=fk/N;可以得知，fk=N*f;又根據采樣定理，采樣頻率fk必須不小于信號頻率fm的2倍，即：fk>=2fm;題目要求的最大頻率為10KHz，所以采樣頻率必須大于20KHz，考慮到FFT運算在2的次數的點數時的效率較高，所以我們在20Hz檔時選擇40.96KHz采樣率，采集2048個點，而在100檔時我們選擇51.2KHz采樣率，采集512個點。通過FFT分析出不同的頻率點對應的功率后，可就以畫出其功率譜，并可以在頻域計算其總功率。4

3軟件設計主控制芯片為LPC2148,測量周期為Atmega16實現,由于處理器速度較快,所以采用c語言編程方便簡單.軟件流程圖如下：主流程圖周期性分析和測量流程圖圖3-1程序流程圖5

4系統測試4.1總功率測量（室溫條件下）表4-1總功率測量結果（室溫條件下）輸頻率幅度測量時域總功測量頻域總理論值估算誤差入信號率(w)功率(w)正100Hz1Vpp0.1270.1290.1290.1250.1251.2%弦波1KH1Vpp0.1261.3%音頻20mVpp-5Vpp0.7831.8030.7611.777X《5%信號20Hz-10KHzX《5%結果分析：由于實驗室提供的能夠模仿音頻信號的且能方便測量的信號只有正弦信號，所以我們用一款比較差點的信號發(fā)生器產生信號，然后進行測量，發(fā)現誤差不達，在+-5%以。我們以音頻信號進行測量，由于其實際值無法測量，所以我們只能根據時域和頻域以及估計其誤差，都在5%以。4.2單個頻率分量測量（室溫條件下）表4-2單個頻率分量測量結果（室溫條件下）輸入信號頻率幅度最大功率最大功率次大功率頻次大功率頻頻點功率點100mVpp500Hz1.20mw520Hz0.04mW頻點點功率正弦波正弦波500Hz5KHz1Vpp5KHz120mw5.02KHz3.56mw880Hz23mw600Hz4.3mw音頻信號20Hz-10KX結果分析：我們首先以理論上單一頻率的正弦波為輸入信號，在理想狀況下，其頻譜只在正弦波頻率上有值，而由于有干擾，所以在其他頻點也有很小的功率。音頻信號由于有多個頻點，所以沒有一定的規(guī)律性。由于音頻信號波動較大，沒有一定的規(guī)律，且實驗室沒有專門配置測量儀器，所以我們只好以正弦波和三角波作為信號進行定量分析測量，以及對音頻信號進行定性的分析和測量。我們發(fā)現其數字和用電腦模擬的結果符合得很近。6

5結論由于系統架構設計合理，功能電路實現較好，系統性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達到了題目要求的各項指標。7

參考文獻：[1]ALANV.OPPENHEIM．信號與系統．：交通大學，1997年[2]元秋奇．數字圖像處理學．：電子工業(yè)，2000年[3]吳運昌．模擬電子線路基礎．：華南理工大學，2004年[4]閻石．數字電子技術基礎．：高等教育，1997年[5]曉麗等．數據結構與算法．：機械工業(yè)，2002年[6]馬忠梅等．ARM&Linux嵌入式系統教程．：航空航天大學，2004年[7]建忠．單片機原理及應用．：電子科技大學，2002年8

附錄：附1：元器件明細表：1、LPC21482、ATMEGA163、AD6204、ADS78195、液晶320*240附2：儀器設備清單1、低頻信號發(fā)生器2、數字萬用表3、失真度測量儀4、數字示波器5、穩(wěn)壓電源附3：電路圖圖紙9

電源系統前級放大和AD轉換Atmega16控制板附4：程序清單/*/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////FFT轉換函數，dataR:實部，datai:虛部，////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////*/10

voidFFT(float*dataR,float*dataI,intn){inti,L,j,k,b,p,xx,qq;intx[11]={0};floatTR,TI,temp;floatQQ;//////////////////////////////////位倒置////////////////////////////////////////////////////for(i=0;i<count[n];i++){xx=0;for(j=0;j<n;j++)x[j]=0;for(j=0;j<n;j++){x[j]=(i/count[j])&0x01;}for(j=0;j<n;j++){xx=xx+x[j]*count[n-j-1];}dataI[xx]=dataR[i];}for(i=0;i<count[n];i++){dataR[i]=dataI[i];dataI[i]=0;}////////////////////////////////////////////////////////////////////////////for(L=1;L<=n;L++)蝶形運算{b=1;i=L-1;while(i>0){b=b*2;i--;}for(j=0;j<=b-1;j++){p=1;i=n-L;while(i>0){p=p*2;i--;}11

p=p*j;for(k=j;k<count[n];k=k+2*b){TR=dataR[k];TI=dataI[k];temp=dataR[k+b];QQ=2*pi*p/count[n];qq=p*count[11-n];dataR[k]=dataR[k]+dataR[k+b]*cos_tab[qq]+dataI[k+b]*sin_tab[qq];dataI[k]=dataI[k]-dataR[k+b]*sin_tab[qq]+dataI[k+b]*cos_tab[qq];dataR[k+b]=TR-dataR[k+b]*cos_tab[qq]-dataI[k+b]*sin_tab[qq];//查表運算dataI[k+b]=TI+temp*sin_tab[qq]-dataI[k+b]*cos_tab[qq];}}}for(i=0;i<count[n];i++){w[i]=sqrt(dataR[i]*dataR[i]+dataI[i]*dataI[i]);w[i]=w[i]/count[n-1];}w[0]=w[0]/2;}///////////////////////////回放數據/////////////////////////voidviewdata(void){unsignedintkey,page,i;page=0;LCD_PenColor=0x1F;//紅色LCD_WriteChineseString(font5,2,40,0);LCD_PenColor=0xFC;//藍色while(1){key=getkey();if(key!=0xFF){if(key==4){SystemState=fft_mode;return;}//返回12

if(key==2){LCD_ClearScreen();LCD_WriteChineseString(font3,2,10,0);LCD_WriteChineseString(font4,2,60,0);i=page*4+1;p3510(Re[i],0,15);print3510(Im[i]*mode,50,15);p3510(Re[i+1],0,26);print3510(Im[i+1]*mode,50,25);p3510(Re[i+2],0,38);print3510(Im[i+2]*mode,50,35);p3510(Re[i+3],0,50);print3510(Im[i+3]*mode,50,50);if(page>0);delay_nms(8000000);}//上翻頁if(key==1){LCD_ClearScreen();LCD_WriteChineseString(font3,2,10,0);LCD_WriteChineseString(font4,2,60,0);i=page*4+1;p3510(Re[i],0,15);print3510(Im[i]*mode,50,15);p3510(Re[i+1],0,26);print3510(Im[i+1]*mode,50,25);p3510(Re[i+2],0,38);print3510(Im[i+2]*mode,50,35);p3510(Re[i+3],0,50);print3510(Im[i+3]*mode,50,50);page++;if(page>=SampleNum/4)page=0;delay_nms(8000000);}//下翻頁}}}////////////////////////////失真度計算///////////////////////voiddistortion(void){LCD_ClearScreen();LCD_WriteChineseString(font6,3,10,20);unsignedintkey;intfr;while(1){////////////獲取頻率////////////////////13

log_2_N=11;SampleNum=SampleTab[log_2_N];reset_timer(0);init_timer0(40960);New_Flag=0;enable_timer(0);////////////////////等待采樣完成///////////////////////////while(!FFT_Flag);disable_timer(0);//關定時器0//////////////////////FFT運算/////////////////////////////////FFT(Re,Im,log_2_N);////////////////頻域功率////////////////////////////////////for(i=1;i<SampleNum/2;i++){Re[i]=Re[i]*Re[i];Re[i]=Re[i]/2;}////////////////////總功率/////////////////////////////////Fp=0;for(i=1;i<SampleNum/2;i++)Fp+=Re[i];sort(&Re[1],&Im[1],SampleNum/2-1);f