实验题目：智能超市购物车的电路系统设计与制作

1. 课程简要信息

课程名称：基于科创问题的电子信息系统创新实验
课程学时：课内24、课外24
适用专业：电气类、电子信息类、自动化类
学生年级：大三年级、秋季学期

2. 实验内容与任务

以单片机为控制器，设计一款智能超市购物车的电路系统，支持商品识别和商品定位功能，3.3V/5V 供电，商品识别速度 ${ > } 2 0$ 个/分，商品定位精度 ${ < } 3 0 \mathrm { c m }$ 。

(1) 商品识别

基本识别：利用 RFID 射频识别芯片 MF-RC522，设计其外围电路和 PL2303 串口电路，实现商品RFID射频识别功能。

进阶识别：利用神经网络智能处理芯片K210，设计其外围电路、电源电路、I/O电路和摄像头电路，实现商品的智能图像识别。

(2) 商品定位

协处理器电路：基于主芯片 STM32F103RCT6，设计P1接口电路对接DWM1000 通信，P2接口电路对接核心显示单元；保留启动模式选择接口 BOOT0，用于下载程序和后期维护、调试；电源使用 AMS1117-3.3稳压芯片将5V输入电源转换为 $3 . 3 \mathrm { V }$ 。

定位模块电路：选择主芯片 DWM1000 芯片，设计 6.5GHz 射频波段电路，设计电路支持数据传输率850kbps，数据包长度为512字节，双程测距和TDOA定位模式。

3. 实验过程及要求

(1) 明确内容要求，进行任务分解，制定作业计划；(2) 确定主控芯片型号，了解主控芯片的引脚功能、性能参数等；(3) 查找满足要求的外围电路，了解外围电路构成、功能特点、电气参数等；(4) 思考 RFID 电路系统的商品识别方法，讨论确定检测电路结构；(5) 思考根据 K210 电路系统实现商品图像识别方法，讨论确定检测电路结构；(6) 思考单片机 STM32F103RCT6 作为协处理器，对接核心计算单元和定位模块的
方法，讨论确定电路结构；(7) 思考超宽带 DWM1000 芯片电路系统，实现室内定位功能的方法，讨论确定定
位模块电路的结构；(8) 完成电路原理图设计；(9) 完成系统程序开发，并进行仿真调试与优化，确保仿真功能实现；

(10) 小组合作完成PCB电路设计，焊接电路元器件；(11) 下载源程序，修改控制流程，联调实现功能要求；(12) 分组演示产品功能，参照评分标准进行自评互评，整理技术资料并撰写设计报告；(13) 完成产品优化、外观设计，准备参加双创竞赛。

4. 相关知识及背景

这是一款运用电子设计技术及单片机相关知识设计的智能商超产品，需要运用单片机 STM32 技术、RFID 传感器技术、A/D 转换、信号放大、定时器中断和 UWB 室内定位电路技术等相关知识方法，并涉及原理图设计、程序开发、系统仿真分析、元器件筛选、产品焊接装配、软硬件联调，系统参数调整、仪器仪表使用等实践技能技术。

5. 教学目标与目的

(1) 知识目标

$\textcircled{1}$ 熟练运用相关知识点$\textcircled{2}$ 理解系统工作原理

(2) 技能目标

$\textcircled{1}$ 能完成产品装配$\textcircled{2}$ 会使用仪器仪表$\textcircled{3}$ 会故障定位与检修

(3) 素质目标

$\textcircled{1}$ 提高自主学习能力$\textcircled{2}$ 提高表达、沟通能力$\textcircled{3}$ 培养协作、创新能力

(4) 德育目标

$\textcircled{1}$ 培养勇于探索的科学精神$\textcircled{2}$ 树立科技强国理想信念$\textcircled{3}$ 弘扬和继承科学家精神

6. 教学设计与引导

7. 实验原理及方案

(1) 系统结构

智能超市购物车主要解决超市排队结算拖沓、商品寻找困难的问题。购物车具备商品特征识别和商品定位导航功能，因此，本课程重点解决智能超市购物车的商品识别和定位功能的电路系统设计问题。

图 1 系统结构

(2) 实现方案

商品识别：将RFID射频识别芯片 MF-RC522 作为主芯片，设计其外围电路和串口电路，实现对商品的特征、种类、品名识别。在完成 RFID 实验部分后，可以开展进阶实验，利用 K210 深度学习芯片取代 MF-RC522，外置摄像头传感器，实现商品的图像识别。

商品定位：协处理器电路选择主芯片 STM32F103RCT6，设计 P1、P2 接口电路对接 DWM1000 和核心显示单元；定位模块选择主芯片 DWM1000 芯片，设计 6.5GHz 射频波段电路，设计电路支持数据传输率850kbps，双程测距和TDOA定位模式。

图 2 实现方案

(3) 电路原理图

在智能购物车系统中，需要商品识别和商品定位，因此本课程基于电子线路和单片机技术，主要涉及四部分电路的设计：

$\textcircled{1}$ RFID 射频识别电路设计：选择主芯片为 MF-RC522，芯片的 TX1 和 TX2 引脚驱动读写器天线，发送经过调试的13.56MHz 载波能量信号。接收载波信号通过接收器解调成有效信号，有效信号再经过 A/D 转换器转换成数字信号，该信号会依照ISO14443A 协议处理。选择 I2C 接口，快速模式的速率为 400kbit/s，3.3V 的低电压低功耗供电，64 字节 FIFO 缓冲区。为配合数据传送，设计 PL2303 串口电路，12MHz 晶振，3.3V 供电，串行 RS232 数据流格式，19200bit/s 传输波特率，电路结构为图 $3 \sim$ 图 4。

$\textcircled{2}$ 视觉智能识别电路设计：选择主芯片为 K210，64 位内置浮点运算单元的双核处理器，3.3V电压供电，Tensorflow图像卷积网络接口，可编程IO阵列，为支撑 K210的机器智能视觉能力，需要对应设计 K210 模块电源电路、摄像头传感器接口电路和 I/O口接口电路，进而使用Tensorflow构建图像识别卷积神经网络，支撑大量数据训练，其性能指标：商品识别准确率 $. > 9 0 %$ ；商品识别速度 $\mathord { > } 5 0$ 次/分，电路结构为图 $5 \sim$ 图8。

$\textcircled{3}$ 协处理器电路设计：选择主芯片STM32F103RCT6。采用8M无源晶振作为时钟输入，经过内部锁相环倍频，工作在72MHz主频。P1接口引出了与DWM1000通信相关的引脚，通过排线与DWM1000模块相连；P2接口引出了与 ARM主处理器通信相关的引脚，通过排线与 ARM 主处理器电路板相连。协处理器部分电路还保留了启动模式选择接口 BOOT0，用于下载程序和后期维护、调试，电源使用 AMS1117-3.3 稳压芯片将5V输入电源转换为3.3V，电路结构为图9。

$\textcircled{4}$ 定位模块电路设计：选择主芯片 DWM1000 芯片，为了保证定位性能，DWM1000并未和协处理器设计在一块电路板上，而是采用了一块单独的电路板，通过排线和协处理器部分电路相连，因此需要单独设计，具体设计指标如下：6.5GHz射频波段；发射端输出功率编程可控；完全相干接收机，供电为 3.3V，低功耗模式，数据传输率 850kbps，数据包长度为512字节，双程测距和TDOA定位模式，电路结构为图10。

图 3. RC522 电路结构

图 4. 串口电路

图 5. K210 电路

图 6. K210 模块电源电路

图 7. K210 模块摄像头接口

图 8. I/O 口接口电路

图 9. STM32 协处理器电路

图 10. 基站 DWM1000 电路结构图

8. 教学实施进程

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

(1) 作业计划表：明确任务分工、任务完成时间及要求；
(2) 系统结构框图：系统模块组成及模块、芯片选型论证；
(3) 电气原理图：系统电路构成、工作原理分析及元件参数推导计算；
(4) 系统控制思路：绘制程序流程图；
(5) 系统仿真分析：仿真调试过程中存在的问题及问题解决办法；
(6) PCB 制图设计：元件布局及走线规范性要求；
(7) 元器件筛选报表：元器件型号、作用、数量、电路符号、性能测试结果等；
(8) 系统功能调试：调试过程中存在问题与问题解决办法；
(9) 实验现象记录：记录数据、功能、现象；
(10) 实验结果总结：总结设计制作经验与方法。

10.考核要求与方法

11.项目特色或创新

(1) 电子系统设计的综合性

实验完成过程中，需要综合运用《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《传感检测技术》、《单片机技术及应用》等课程相关知识。

(2) 混合式教学模式的应用

实验教学设计采用线上线下混合式教学模式，依托在线环境知识传授的前置功能，改变课堂教学模式，使课堂教学侧重于以知识内化为目标的互动、协作探究与实践。

(3) 课程思政加强思想引领

结合课程知识点和研究过程，润物无声引入课程思政教学案例，引导学生树立科技强国理想信念，培养学生勇于探索的科学精神，弘扬和继承科学家精神。

参赛信息表

佐证材料一：教学大纲

基于科创问题的电子信息系统创新实验教学大纲

一、课程基本信息

课程编号：EI42001

课程名称：基于科创问题的电子信息系统创新实验

英文名称：EIS Innovative Experiment Based on Scientific Issue

课程学时：24 讲课学时：4 实验学时：20

课程学分：1.5

开课单位：电子与信息工程学院

授课对象：电气类、电子信息类、自动化类大三年级

开课学期：1秋

二、课程目标

（1）课程针对电子信息类前沿方向，讲授电子系统综合创新实验，突出“自主性、创新性、研究性”的培养目标，培养学生利用基础电路类课程知识，综合设计复杂电子信息系统的能力。

（2）通过本课程的学习，激发学生开展实验设计的创新研究，引导学生进行创新性实验设计，训练学生创新性思维，增强学生理论联系实践的能力，鼓励学生勇于创新，大胆尝试创新设想，解决创新问题

三、课程目标与毕业要求对应关系

四、课程目标与课程内容对应关系

五、课程教学方法

课程采用混合式教学方法，充分利用创新实验典型设计案例的分析，基于每个创新设计方向展开互动式教学，指导学生对技术和方法进行深入研究，对题目进行实验设计，激发学生创新思维，引导产出科技创新作品。

六、课程考核方法

七、主要教材与参考书

[1] 钟洪声. 《电子电路设计技术基础》 电子科技大学出版社, 2012.

[2] 张世英. 《电子技术实践教程与课程设计》 国防工业出版社, 2016.

[3] 梅开乡, 梅军进, 张健. 《电子电路设计与制作:电子技术课程设计教学指导》 北京理工大学出版社, 2016.

[4] 李玉柏. 《最小系统设计与应用》 电子科技大学出版社, 2012.

[5] 陈祝明. 《电子系统专题设计与制作》 电子科技大学出版社, 2012. [7] 王新民,等. 无人机编队飞行技术. 西北工业大学出版社, 2015.

[8] 谢金龙,邓人铭. 物联网无线传感器网络技术与应用. 人民邮电出版社, 2016.

佐证材料二：电路 PCB

佐证材料三：开课过程