病毒大作战
实验题目：病毒大作战
1. 课程简要信息
课程名称：电子系统课程设计
课程学时：32
项目学时：课内 16、课外16
适用专业：轨道交通信号与控制、电子科学与技术、自动化
学生年级：大三上学期
2. 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）
病毒大作战系统如图 1所示，由底板、细胞模块、病毒入侵控制中心、免疫系统和加农炮组成。细胞模块安装在底板（如图 2 所示）的四角，与病毒入侵控制中心相连。病毒入侵控制中心的 4 个按键分别控制 4 个细胞模块是否被病毒感染，按下按键时，对应的细胞将进入感染状态。当细胞被病毒感染后，位于细胞模块上半部分靶心的病毒感染指示灯点亮，同时模块上的红外发光二极管会发出闪烁频率为 50kHz的红外信号；未被感染的细胞模块则不会发出任何信号。当位于底板中心位置的加农炮发射的红色光束照射到细胞模块上的光电二极管时，细胞模块下方病毒图标口中的 LED 指示灯将被点亮，代表病毒被击中，但只有当该红色光束为频率为 10kHz的动态信号时才能将病毒有效杀灭。同时要求免疫系统具有一定的抗干扰能力，能够在特定时间内尽可能多的消灭病毒。
系统中的底板、细胞模块、病毒入侵控制中心已由课程组提前制作完成，要求使用统一提供的直流减速电机及连接的橡胶轮、红色高亮发光二极管和红外接收光电二极管自行设计并制作免疫系统和加农炮，从而完成整个病毒大作战系统。
图 1 病毒大作战系统示意图
3. 实验过程及要求（限 300 字）
1） 根据设计任务要求设计系统整体方案，比较多种方案的优缺点，选择最优方案
2） 学习利用光电传感器检测信号的方法，设计光电传感器监测电路
3） 学习将模拟信号转化为数字信号的方法，可选择比较器电路或 ADC电路
4） 设计信号发生器电路，根据设计任务要求发出频率恰当的波形
5） 设计信号处理与逻辑判断电路，能够根据传感器电路检测到的结果区分正常细胞与被病毒感染的细胞并控制驱动电路正确响应
6）设计电机驱动电路，能够正确响应处理电路的控制指令，控制加农炮快速旋转与停止
7）设计声音发生电路与可见光发光电路，能够正确响应处理电路的控制指令，在恰当的时机开炮并发出枪炮声
8）撰写工作日志，完整记录项目设计过程，撰写设计总结报告
4. 相关知识及背景（限 150 字）
这是一个运用数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，项目背景为2020年开始的新冠疫情导致学生被迫在家待了一整个学期，对此深有感触，从疫情出发设计的该项目能够引起学生的兴趣。
该项目需要运用传感器及检测技术、信号放大、信号处理、电机控制、噪声抑制、电磁抗干扰等相关知识与技术方法，工程性极强。
5. 实验环境条件
项目实施需要实验资源，包括实验装置功能、实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。
实验仪器：直流稳压电源、示波器、信号源、焊台。
设计软件：Multisim、TINA、Altium Designer、Keil、IAR 等。
实验电路板：课程组统一设计提供底板、细胞模块、病毒入侵控制中心。
主要电子元器件：电阻、电容、电感、光电二极管、发光二极管、红外发光管、电机驱动芯片、处理器、运算放大器、比较器、NE555等。
6. 教学目标与目的（限 150 字）
教学目标是培养学生综合运用所学专业知识和技能解决复杂工程问题的能力，要求学生掌握电子系统设计与分析的基本理论和基本方法，具备比较和评估设计方案的能力，具备利用专业工具及软件的能力，提高学生对电路设计的兴趣和实际动手操作能力，培养学生的创新意识和团队合作意识，提高学生的口头沟通和书面表达能力。
7. 教学设计与实施进程
该实验题目是一个比较完整的工程实践项目，需要学生经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，重点在以下几个方面加强对学生的引导：
1）课堂讲授电子系统设计方法、学习电子系统设计的基本原则和基本方法
2）讲解常用设计软件和工具的使用方法，讲解资料和文献的查阅方法
3）从基础知识开始，由浅入深讲解电子元器件知识、电路焊接知识、电路分析方法、简单电路模块的设计与验证方法、电路测试方法
4） 引导学生根据设计任务要求设计整体方案，对多种不同方案进行对比、评估，选择最佳方案
5） 根据总体方案设计单元电路并进行焊接、调试、验证
6） 在单元电路设计、搭试、调试完成后，用标准仪器设备进行实际测量，设计测试方法，记录测试数据
7）对单元电路进行联调，发现单元电路级联中存在的问题并进行分析解决，最终实现整机的性能测试，根据设计任务要求验证系统的性能指标是否符合要求
8）在实验完成后，组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面
9）在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证并进行解决。
8. 实验原理及方案
图 2 演示样机实物图
1）题目具体要求
（a）基本部分（满分 60 分）
加农炮具有开炮能力，即炮管能够发出频率为 10kHz（误差≤1kHz）的高亮红光信号。（15 分）
免疫系统能够探测到感染病毒的细胞，并点亮指示灯提示。（15分）
加农炮炮塔应能自动旋转，炮管自动瞄准被病毒感染的细胞后开炮（炮塔停止转动并持续开炮 0.5s）。（20分）
加农炮开炮时能够同步发出枪炮声。（10 分）
（b） 提高部分（满分 40分）
免疫系统具有一定的抗干扰能力，不会被闪烁频率在 45～55kHz 以外的可见光或红外信号所误导。（10分）
感染病毒的细胞在 4个细胞模块中随机出现。免疫系统和加农炮应在 60s的限定时间内尽可能多地消灭入侵病毒，同时尽可能不要误伤正常细胞。每消灭一个感染细胞加 0.5分，每误伤一个正常细胞扣 0.5分，30 分扣完为止。（30 分）
2）实现方案
图 3 病毒大作战系统参考实现方案
该项目实现方案可以有多种，现以其中一个方案为例进行分析，方案框图如图 3 所示。
根据对项目任务书分析可知，整体系统可由红外接收传感器电路、控制电路、可见光发光电路、声音输出电路及电机控制电路构成。
红外接收电路需要接收较微弱的病毒或细胞发出的红外光信号，经过信号调理电路处理后发送给后级的信号处理电路，在此过程中还需要考虑抗干扰，干扰信号可通过硬件滤除，也可通过软件滤波算法进行处理。
可见光加农炮发光击中病毒模块可消灭病毒，发光强度太低则容易导致脱靶，因此电路设计中需要考虑LED 的发射功率，需要设计功率驱动电路。病毒模块只对特定频率的光信号起作用，需要设计信号发生电路或由信号处理电路产生。
项目要求开炮时同步发出枪炮声，因此需要设计声音输出电路，声音可由处理器产生或采用专门的发声模块。
系统运行中检测到病毒模块后需要控制炮管旋转到对应方向，需要设计电机驱动电路来控制电机运行。同时由于电机运行会产生较严重的电磁干扰，在电路设计中应重点考虑电磁兼容性问题。
9. 实验报告要求
实验报告需要包括以下内容：
1）设计任务要求
2）设计方案及论证（40分）
a) 任务分析（5分）文字说明及理论计算
b) 方案比较（20分）至少两种方案
c) 系统结构设计（5分）文字说明及原理框图
d) 具体电路设计（5分）完整的电路原理图及文字说明
e) 单片机软件算法流程（5分）
3）制作及调试过程（20 分）
a) 制作与调试流程（10分）b) 遇到的问题与解决方法（10分）
4）系统测试（15分）
a) 测试方法（含接线图）（5分）b) 测试数据（表格）（5分）c) 数据分析和结论（5分）
5）系统使用说明（10分）
a) 系统外观及接口说明（5分）含 $_ { 2 \sim 3 }$ 张实物照片b) 系统操作使用说明（5分）
6）总结（10 分）
a) 本人所做工作（5分）b) 收获与体会（5分）c) 对本课程的建议（5分）
7）参考文献（5分）
10.考核要求与方法（限 300 字）
1） 实物验收（总分 100分）
根据课程《验收测试标准》进行验收评分
2） 答辩验收(总分 100分)：
a)系统设计思路、工作原理（20分）
b)系统设计方案的比较与评估（20分）
c)对照电路实物及设计报告指出本人在所做的工作，说明团队合作情况（20分）
d)对照电路原理图和电路实物解释各部分电路的功能、参数计算方法（20分）
e)系统设计制作过程、遇到的问题及解决的方案（20分）
3） 实验报告验收（总分 100分）：
根据实验报告验收标准进行验收。
成绩构成：
1）作品实物——以小组为单位现场测试验收，占总成绩的 $50 %$
2）设计报告— —每人“背靠背”独立撰写，单独打分，占总成绩的 $20 %$
3）答辩——单人答辩，单独打分，占总成绩的 $30 %$
11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）
项目的特色在于：
- 从当前社会热点问题——新冠疫情出发，学生对此有切身的体会，对项目有着浓厚的兴趣
- 趣味性强，寓教于乐；创新性强，可培养学生的创新意识；工程性强，知行合一
- 难度适当、知识覆盖面广，综合性强，可培养学生的团队合作能力
- 实现方法多样，学生可以设计多种方案，综合考虑多种因素评估和确定解决方案