時間：2023-03-10 14:53:09
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論文摘要:介紹了電子設計自動化(EDA)實驗環境的建設與管理的經驗,簡要分析了由此給教學產生的實際影響。
由于集成電路技術和計算機技術的高度發展,設計自動化的觀念和EDA工具的使用水平已成為度量工程師能力的一個重要方面。國內各高校都投入了大量的人力物力建立EDA實驗室。EDA實驗環境的硬件、軟件和服務水平在某種程度上已成為衡量該校硬件水平、教學水平和辦學水平的一個重要標志。我校在教育部電工電子教學基地的建設過程中,始終對EDA的教學和實驗環境的建設給予了足夠地重視,專門成立了EDA(實驗)中心,旨在負責全校EDA實驗教學,EDA項目開發和新技術推廣工作。經過近兩年的建設,EDA中心已初具規模,為全校的EDA教學提供了良好的實驗環境,促進了我校電類現代化課程教育的發展。
1EDA實驗環境的建設
EDA(實驗)中心的建設起始于1998年初,學校先后投入資金近百萬元,第一期工程建立起配備有40臺Pentium166MMX微機的多媒體實驗室和硬件實驗室各一個;1999年進行了第二期工程,又建起了一個包含40臺PentiumⅡ400微機和兩臺專用服務器的網絡實驗室和一個管理辦公室。并進行了軟件建設和有關實驗項目的開發。到目前為止已建立起的軟硬件環境如表1。
在EDA中心的建設中,我們遵循以下原則:
(1)創建一流具有EDA特色的實驗環境。EDA的實驗環境的好壞在某種程度上直接影響電類學生對現代化技術的掌握,同時EDA的實驗環境也是一個窗口,代表了一個學校現代化教學的形象。EDA中心的建設不應等同于一般的計算中心或機房的建設,應該具有EDA特色,那就是要有豐富的EDA軟硬件支持,要有得力的指導開發力量。為了建設好一流的EDA實驗環境,我們成立了專家指導小組指導環境的建設,并多次派人到EDA教學較好的學校去參觀學習。為了體現時代的特點,我們將中心80臺機器內部互連,整個內部網絡完全按照Internet技術規范設計,能提供全套Internet服務。中心內部網絡還通過Linux網關與校園網相連。服務器采用WindowsNT4.0、Linux5.0、Net-ware3.12,工作站安裝了DOS6.22、Win-dows98(中、英文)、WindowsNT、Linux等操作系統。
(2)嚴把質量關,高質量完成建設。EDA所有軟硬件設備的引進都經過認真市場調查研究,并嚴格的檢測,對不合格的產品堅決清除。如曾進一批微機,檢測后發現配置與樣機不符,立刻退貨,重新購置。軟件的建設對EDA來說是體現特色的關鍵性建設,盡管EDA軟件投資較大,為保證實驗質量,劃出專項資金,引進許多最新的正版EDA軟件。
(3)加強外聯,尋求多方支持。EDA教學的開展需要許多方面的技術支持,為了做好這方面的工作,我們加強了校際之間的技術交流以及與EDA軟硬件開發商家的聯系,可以從中得到了許多必不可少的幫助,如東南大學贈送給我們不少非常有用的EDA軟件和設備,美國Altera公司通過其大學項目贈送給我們專業版和網絡版的Max+PlasⅡ軟件開發工具等。
(4)鼓勵師生開發EDA教學項目。我校EDA教學項目的開發進行得比較早,并已取得了不少成就,EDA中心成立后更加強了這方面工作的開展,目前已自行開發并用于教學有ISP和FPGA等實驗裝置,全定制的A-SIC實驗環境也正在緊鑼密鼓地準備中。
(5)勤儉節約,變廢為寶。EDA的某些硬件實驗對微機要求并不高并且有可能對微機產生傷害,為此我們從校計算中心等地方找來約20臺淘汰了的386和486微機,建成了硬件機房,很好地解決了這類問題并節約了不少資金。
2EDA實驗環境的管理
我校的EDA實驗環境主要面向電子工程系和自動控制系學生,行政上掛靠電子工程系。為了便于協調管理,兩系分別任命了兼職正副主任負責中心的建設和日常管理。
在EDA(實驗)中心的日常管理中我們努力做到:
(1)全心全意為EDA教學服務。EDA(實驗)中心建立的主要目的之一就是為全校師生的EDA教學實驗提供方便。為了做好服務工作,我們盡力滿足師生的要求。如有教師希望通過網絡授課,我們引進了Lanstar網絡教學系統軟件。有教師需要提供語音教學服務,我們購買了無線話筒。有一些國外引進的EDA軟件需要用英文操作系統,中心工作人員經過多次試驗,使中英文操作系統能夠方便地切換。中心的Internet網及打印機等設備也均向師生開發。
(2)開放式的實驗環境。中心除正常設備維護日外,保持全日制開放。開放時除了安排一般值班人員外,還經常安排對EDA技術熟悉的教師或研究生進行現場指導,學生可以自由地上機實習。
(3)不斷推廣EDA新技術。EDA技術的發展速度非常快,我們利用中心與外界聯系較多的優勢,不斷向師生推薦EDA新技術和新方法。如我們曾請經銷商來介紹最新版本的PADS、EWB等EDA軟件的特點和使用方法,與東南大學EDA實驗中心合作舉辦了兩期全國性的EDA研討班。
3效果分析
(1)EDA中心自投入使用以來,已為電類專業的學生開設了“電路”、“電子線路”、“數字電路”、“信號與系統”等十多門課程的上百個實驗,部分實驗還延伸到非電類專業的“電工學”課程中;每年還有幾十名本專科生和研究生在這里進行畢業設計和課題上機。總上機時數已達4萬機時。
(2)EDA中心的構建,推動了我校多門類課程的教學內容、教學方法的改革。就數字電子課程而言,迫切需要充實現代化的設計思想和設計方法,EDA中心的服務為此創造的必要的條件。由于EDA中心的大量工作,使教師可以在課常上集中精力和時間與學生一起共同體驗前人創造知識的途徑與方法,而把一些繁瑣的計算交給EDA工具,學生通過EDA工具的使用去實踐他們在課堂上學到的方法和思路。對電路分析、模擬電子線路、數字系統設計等課也起到了同樣的作用。
(3)開放式的管理,方便了學生,激發了學生的學習熱情和求知欲。如有一位在給電類提高班講課的教師發現,原擬定通過Lanstar授課系統對學生講授EWB的使用方法,結果在現場卻發現,不少學生已初步學會了EWB的使用,其原因是他們已主動地到EDA中心,通過自學,進入了EDA環境。這是一個學生主動學習的例子。通過這樣的學習客觀上提高了學生的自學能力,反映了他們高度的學習熱情和求知欲,這也為他們將來自行掌握更現代化、更復雜的EDA工具打下了基礎。
(4)EDA中心成為學生第二課堂的場地,培養學生從事科學研究的能力。如數字系統設計的老師利用EDA中心進行電子設計競賽,取得很好的效果,受到了學生的歡迎。
參考文獻:
知識面廣，內容涵蓋多個專業領域新技術的應用，學生在連續四天三夜內完成賽題的設計、制作及調試，并寫出設計報告。競賽考察學生的設計能力、實踐動手能力，對學生的心理素質及團隊精神是一個極大的挑戰。在競賽的過程中，學生應用各種資源，不斷提升自己的學習能力、發展創新能力。通過對連年來競賽作品、設計報告的分析，發現在參賽學生中，以下問題較為普遍。（1）對專業前沿知識了解不足，缺乏對新器件、新技術的應用；（2）知識面較窄，綜合分析、設計運用能力不夠，創新能力較差；（3）實踐動手及調試能力不足。
2.依托電子設計競賽推動電子信息工程專業教學改革
學生在競賽中出現的問題，充分說明了在現行的教學過程中，缺乏對學生能力的培養，教學內容沒有跟上當代科技的發展，必須進行教學改革。
2.1依托競賽充實教學內容，更新教學體系
隨著科技的高速發展，學科之間相互交叉滲透，電子設計競賽的題目正朝著新器件、新技術及新應用方面發展，賽題綜合性強，設計指標要求高。傳統的教學內容和課程體系已不能滿足科技的發展，這就需要我們更新教育理念，擴充教學內容。對學生的專業知識結構進行有效的整合，構建新的課程體系，在新課程體系中增設一些綜合性課程設計，在畢業設計和課程設計中鼓勵學生制作電子實物，以加強學生的工程實踐能力。在信息和電子技術飛速發展的今天，相關專業課程內容更新快，課程的內容不僅要有基礎知識和專業知識部分，同時還應該注重學科前沿知識，把新技術、新應用充實到教學中。要在有限的學時里增加新知識，我們必須對授課內容做相應調整，在基礎課中減少基本公式推導等理論性論證過程。在專業基礎課中增加實用性電路設計的實例，而在專業課的教學過程中則需擴充一些綜合性電路系統設計的案例。通過相應案例的分析、設計過程來加強學生分析問題、解決問題的能力，強化學生綜合運用知識的能力。教學方法上應采用多樣化的教學手段，激發學生自主性學習熱情，培養學生創新性思維，改變傳統的“滿堂灌”，以及教學過程中只注重知識的傳授，忽視對學生綜合應用能力的培養，尤其是創新能力培養的現象。適當地采用啟發式、討論式以及案例教學方法，有意識地把實際工程案例中的某些問題留給學生，引導學生通過思考、討論、自學等方法解決實際問題，增強學生的成就感，提高學習興趣，培養他們的自主學習能力、解決問題能力和創新能力。
2.2依托競賽促進實驗教學改革
實驗教學的宗旨是促進學生對理論知識的理解，培養學生動手實踐能力、提升學生創新能力的發展。目前，我國還有相當數量的高校在教學過程中沒有擺脫傳統教育理念和模式，存在著偏重知識輕視能力、偏重繼承輕視創新、偏重理論輕視實踐的教育觀[2]。在這種教育思想的指導下，實驗教學過程中驗證性實驗占主導地位，綜合性、設計性實驗分量不足。這種實驗教學模式培養的學生只滿足于對書本知識的理解，動手能力不強、創新思維不足、難于將書本知識融合到實踐中，解決不了實際問題，很難滿足當今社會發展的需求。因此，勢必要對實驗教學進行改革。針對目前實驗教學中存在的問題，借助電子設計競賽的推動，按照訓練層次，重新整合原有的實驗，劃分為以下三個部分。
2.2.1驗證性實驗
驗證性實驗的教學目的是訓練學生對常用基礎性儀器及基本電子器件的正確使用，驗證課堂教學中的基本理論。通過驗證性實驗加深對理論知識的理解，培養學生正確紀錄實驗數據，并能夠對數據的正確性做出分析、處理。實驗內容要盡可能多地涉及理論教學中的重要知識點，實驗過程中要對電路的測量和調試方法做重點訓練。完成驗證性實驗后，學生應該掌握信號源、示波器等常用儀器的使用方法，同時應具備測量和調試簡單電路的技能。為后面的綜合、設計性實驗奠定基礎。
2.2.2綜合性實驗
綜合性實驗的目的是訓練學生對多種儀器綜合使用的技能及對綜合性電路的組建、調試的能力。實驗采用模塊化結構，將基本的單元電路組合成具有一定功能的小系統電路，實現電路系統的設計。通過綜合性實驗，學生應具備小系統電路的構建、安裝、調試的能力，查閱器件手冊及網絡查詢資料的能力，初步具備現場處理問題的能力。
2.2.3設計性實驗
設計性實驗的目的是培養學生自主學習能力、設計動手能力、組織管理能力及創新能力。可以是老師出題，也可以學生自擬題目，針對題目，學生首先查閱資料，擬定實驗方案，設計出實驗電路。然后自己進實驗室，通過實驗器件、儀器和設備完成實驗課題。在設計性實驗的全部過程中學生是實驗的主體，老師只扮演啟發和點撥的角色。設計性實驗賦予學生很大的空間，在這種模式下，學生可以獨立思考，大膽實驗，使自己的創新思維得以體現，通過設計性實驗學生應基本具備應用綜合知識解決實際問題的能力。
2.3以競賽促進大學生科技創新活動的開展，培養創新能力
科技創新活動是培養大學生創新能力的不可或缺的手段，是教學工作的延伸。培養學生的創新能力是社會賦予高校的職責，也是當代大學生所應具備的潛質。為了把科技創新活動開展得更好，須從以下幾方面入手。
2.3.1學校應加強制度建設，提高管理水平。學校要建立起對學生科技創新活動進行組織和管理的規章制度。設立科技創新活動基金，用于獎勵在此項活動中表現突出的學生和指導教師，調動師生的積極性，推動科技創新活動長期有效的開展。另外，可以通過成立電子協會、電子興趣小組、創新活動小組等多樣化的形式，吸引學生參與到課外科技活動中來。
2.3.2采取有效措施，調動老師和學生的積極性。在學校科技創新活動中教師發揮著非常重要的作用。為調動教師積極性，保證學生創新活動的層次和質量，學校應認可指導教師的付出，撥專項經費，建立、開放創新實驗室，配備有實踐經驗的教師指導學生科技創新活動。學校還可以通過制定指導教師工作量，成立科技創新活動指導小組，落實指導教師職責，開展評獎評優等方法促進教師在學生科技創新活動中的積極性。對于學生，學校則可以通過學分對換、設立創新基金等形式，獎勵在活動中成績顯著的學生。在創新活動中指導教師要切實起到引領和點撥的作用，首先應保證對學生的指導時間，定期給學生開辦講座，使學生了解專業發展的前沿，組織學生參與到項目研究中來，以提高學生科技創新素質和科研水平，促進科技創新活動的深入開展。
2.3.3建立創新實驗室，加大開放力度。無論科技創新活動，還是學科競賽都離不開實驗室。學校應建立專門用于此類活動的創新實驗室，添置活動所需的實驗設備。更新實驗室管理辦法，設置實驗室開放經費，增加實驗室開放時間，安排開放性實驗教學，把開放性實驗教學納入學分中，有意識地使開放性實驗和科技創新活動相融合，為學生參加學科競賽搭建良好的平臺，為課外科技創新活動奠定重要的基礎。
3.結束語
通過組織和指導學生參加全國電子設計競賽和陜西省大學生TI杯模數混合電子設計大賽，我發現存在以下問題：
1．1學生掌握的知識面窄學生選定一個項目后，根據給定要求提出的設計方案很少，只能將典型電路進行生搬硬套。對理論的基本知識和技能掌握的不夠全面，對器件的了解和閱讀的文獻資料較少。
1．2學生對儀器儀表設備使用不熟練學生在進行調試電路時，對部分儀器的使用不夠熟練，從而導致在測試電路時出現錯誤，觀察不到正確的實驗現象和實驗結果。這樣，既延誤了時間，又對實驗項目的方案得不到有效論證。
1．3學生應用計算機知識的能力有限電子設計競賽中很多題目都要求使用單片機才能完成相應的設計要求，但是部分學生對使用單片機編程技巧掌握的太差，對一些功能要求不能夠通過計算機編程而達到相應要求，從而導致成績不理想。還有部分同學不會使用計算機軟件進行電路的設計和仿真測試，導致方案論證和書寫設計報告論文時出現問題。
1．4對新型器件和技術的了解及應用能力較差電子設計競賽中的一些題目如果能夠采用一些新型器件和技術，將會使得設計電路簡單，性能等各項指標均高于傳統的電路。我們的學生在這方面獲得的知識和技術有限，與大學生電子設計競賽的要求還有一定的差距。
2電子設計競賽對我院實踐教學改革的促進作用
2．1減少驗證性實驗，增加設計性創新性實驗在課內實踐教學中要增加綜合性和設計性實驗項目。如：在《數字電子技術》實驗教學中根據“循序漸進”的原則先開設基礎實驗，再開設綜合實驗，最后開設設計性創新性實驗。要求學生運用數字電路的知識實現八位流水燈循環顯示電路，內容包括了譯碼器、計數器、移位寄存器和555集成定時器等知識的綜合運用。學生通過任務要求首先會選擇合適的器件，其次根據電路的設計要求提出設計方案，設計出電路圖，最后連接電路調試完成設計任務，寫出實驗報告。這樣的實驗訓練了學生用所學知識解決實際問題的能力，為學生以后設計電路打下良好的基礎。
2．2實驗手段的更新開展EDA應用技術，以計算機輔助分析和設計為核心的虛擬實驗環境和現實實驗環境相結合的實驗教學平臺。通過虛擬實驗環境對一個完整項目的設計和實現，使學生迅速掌握電子設計的理論、方法和技能。在現有的實踐教學中舍棄了過時陳舊的內容，如模擬電路中過多的分立元件電路實驗，數字電路中過多的小規模集成電路實驗；引入新的內容，如集成運放的各種應用，電子線路系統設計等。增加了電子線路軟件仿真的內容，使硬件軟件相結合，豐富了實驗手段。并將虛擬仿真實驗教學融入到實踐教學中去。
2．3促進實踐教學方法的改革我們在原來的集中課內實驗教學方法上增加了開放式實驗教學。開放主要是在時間和內容上開放。學生可自主選擇時間進入開放實驗室，在開放時間內由開放實驗室管理員參與管理，指導老師每周對開放實驗室管理人員和參與開放人員進行相應的培訓和指導。讓學生管理員參與日常的管理和維護，這樣鍛煉了學生自主學習、自我管理、發揮潛能的能力。在開放內容上，學生根據自己的情況選擇各開放實驗室提供的開放實驗項目，也可根據自己的專業和愛好選擇規定以外的其他實驗項目。我負責開放的實驗室有電工電子實驗室和電子測量與智能儀器實驗室，學生通過具體的實踐操作，學會了儀器儀表的使用和測量方法、常用工具的使用和基本的焊接技術，掌握了典型電路的連接和故障處理方法，從而提高了電路的分析和設計能力。同時，實驗室的開放加強了學生動手能力的培養和工程實踐的訓練，提高學生針對實際問題進行電子設計、制作的綜合能力，也為電子設計競賽的選拔輸送了大量的人才。
2．4促進教師的教學水平電子設計競賽，是對學生掌握電子理論知識和實踐操作水平的檢驗，同時也是對高校教師師資水平、實驗室硬件條件及高校實踐教學質量水平的檢驗。例如我院的電工電子、單片機、EDA等課程實驗基本是單獨負責授課，這樣，教師對所負責的這一門實驗內容非常熟悉，但是時間長了對其它方面的內容缺乏聯系。但是教師通過組織和指導學生參加電子競賽的培訓的過程中，可以將多方面的知識融合在一起，提高綜合能力。我們做為教師只有在不斷學習新知識、新技術和開展教研室活動中，不斷拓寬知識領域和提高自身的業務能力，才能更好地指導電子設計競賽工作。
3結束語
《電子設計初步》是計算機應用技術專業面向職業崗位所設置的行業通用能力培養課程，是校企合作開發的基于電子產品設計與調試典型工作過程的課程，對學生職業能力的培養起著至關重要的作用。課程定位為專業基礎課，在新生入學的第一學期開設。通過本課程的學習可使學生具備電子電路分析、設計和制作的基礎知識和相關的基本職業技能，為學生就業打下堅實基礎；激發學生的學習興趣，明確專業發展的方向；提高學生的專業素養，培養學生的創新能力，為后續專業課程的學習作好前期準備。
二、課程設計實施
（一）課程的培養目標
通過本門課程的學習，逐步培養學生具備以下四種類型的能力：1、專業核心能力：綜合利用電子技術的基礎知識進行理論設計的能力；具備一定的生產、生活中的電子電路的制作及維修能力。2、社會適應能力：自學創新能力；團隊合作能力；獨立解決問題的能力。3、行業通用能力：熟練應用Multisim仿真軟件。4、崗位專用能力：元器件識別檢測，儀器的使用及保養。知識目標的培養具體包括以下5個方面：1、認識各種電子元器件，掌握電子元器件的特性、參數選擇以及檢測方法。學會常用電子儀器的使用及器件手冊的查閱。2、通過搭建各種典型電子電路，了解元器件在電路中的作用，掌握典型電路的工作原理。3、通過焊接技術的學習，使學生掌握焊接技術機理，掌握合格焊點的質量標準。了解生產企業中電子產品的制造過程。4、熟練掌握Multisim仿真軟件的使用。5、能夠進行一個簡單電路或一個簡單電子產品的設計、焊接、制作與調試。
（二）教學項目的選取
充分利用校內外教學資源，以項目作為教學的載體，采納企業人員的建議，基于工作過程選取典型功能電路作為教學項目。教學項目實施進程表設計如下：企業常用到的一些大型的焊接設備，例如：波峰焊和貼片焊，在校內無法讓學生親身體驗，因此可采取帶領學生去校外的企業參觀學習的形式作為教學的補充。項目一至五為模擬電路，項目六和七為數字電路，模擬電路是數字電路的基礎。電路結構的選取由簡單到復雜，呈遞進關系。教學中以學生為主體，體現了“教學做”一體化的教學模式。
（三）教學項目的具體實施
1、教師給出具體項目后，學生根據電路圖選取并檢測所需的元器件。2、運用Multisim仿真軟件進行電路的仿真實驗，學習掌握電路的工作原路。3、利用面包板搭建實際電路，進行電路的參數調整并調試電路使其符合性能要求。4、將實際搭建電路與仿真電路對比，進行誤差分析。5、通過舉一反三，對所學電路進行拓展。6、運用Multisim仿真軟件仿真拓展電路培養學生的電路設計能力。
（四）課程教學方法及手段
本門課程教學方法的使用大體歸納為三點：1、基于企業實際開發電子產品的設計流程，采用仿真與實踐相結合的項目導向教學方法。根據實際教學需要，將案例教學法、問題教學法、擂臺競賽法等多種教學方法靈活應用。同時，注重人文與專業的結合，重視做人做事的教育，將職業道德、職業規范、職業技能的培養有機結合。2、教育技術的應用：借助現代教育手段，可以使學生了解行業最新的技術信息，開闊學生的眼界，并促進教學內容更新完善。3、體驗性學習的廣泛開展：通過校內實訓室的實際動手操作，校內外企業的參觀學習，使學生親身體驗，產生直觀的感受，通過體味領悟，使學生真正弄懂知識，從而收到良好的教學效果。所使用到的教學手段主要有：1、采用多媒體教學影片。2、準備電子教案，并且采用多媒體課件輔助教學。3、充分利用校園網和互聯網：學生可以根據自己掌握知識的程度有選擇的進行學習，通過校園網隨時進入仿真實驗室進行操作。通過大量互聯網的使用使學生了解最新的行業資訊。教師也會給學生提供一些電子行業相關的網站供學生參考。4、利用真實的實踐教學環境。例如：項目八電子產品的制造過程這一知識目標的學習，通過帶領學生進入校外企業參觀學習以及安排學生觀看多媒體教學影片的形式來實現。在參觀的過程中，由我們頂崗實習的學生給新生做詳細的介紹。一方面，學生直觀了解電子產品制造的全過程，另一方面，親身感受企業真實的工作環境，提前做好心理準備，明確發展的方向。
（五）課程的評價體系
《電子設計初步》課程采用項目實施過程的考核機制，企業參與、教師評定與學生互評相結合。總評成績由實踐表現和項目累積成績兩部分組成。其中，實踐表現部分結合企業用人標準給個人打分，包括出勤率、學習態度、查閱資料質量、電路所測參數、校內、外企業參觀實習表現等。實踐表現占個人總評成績的30%。項目累積成績部分給出的是團隊成績，學生互評推選出優秀作品參加小組間的評比，校內實訓室完成的項目由教師打分給出小組的項目實踐成績；校內企業完成的項目請企業人員參與評分，項目累積成績占個人總評成績的70%。
三、課程設計成果及思考
汽車電子設計已成為汽車系統設計中的重點和難點。傳統方式下的汽車設計者不得不借助各種機械的、液壓的、電子的汽車零部件以驗證汽車各子系統的功能，開發周期長，成本居高不下。為了縮短開發周期、降低開發成本，人們引入了SABER仿真技術進行汽車系統技術的驗證和開發。SABER仿真技術通過對整個汽車系統進行有效的建模和分析，能夠節約大量的試驗設備和試驗時間。國際上幾大跨國汽車公司都已使用SABER仿真技術進行設計，如美國通用、大眾、克萊斯勒等。目前，國內有泛亞技術中心能夠運用此項技術與通用（北美）進行同步開發。
1SABER軟件仿真技術
SABER軟件是一個在數學模擬及硬件設計方面功能卓著的仿真工具。對于復雜的混合信號設計和驗證問題，SABER軟件為設計工程師提供了一種功能強大的混合信號行為仿真器。由于混合信號硬件描述語言——MAST的支持，SABER軟件實現了單一內核混合信號及混合技術的仿真，完全改變了模擬電路仿真的現狀。SABER軟件在混合技術領域具有多個仿真引擎，可以分別處理不同領域的設計單元，且遵循相應的守恒定律，支持電力系統、機電一體化、機械系統、電子系統、光電控制系統、液壓系統等系統單元。現在，SABER軟件在汽車和飛機制造領域已得到廣泛的應用。尤其是在汽車制造領域，許多歐美公司已將它定為行業標準，并投資SABER軟件的發展以不斷滿足新的設計需要。
SABER軟件具有明顯的優勢：分析從SOC到大型系統之間的設計，包括模擬電路、數字電路及混合電路；通過單一的混合信號仿真內核就可以提供精確有效的仿真結果；通過對穩態、時域、頻域、統計、可靠性及控制等方面的分析來檢驗系統性能。
SABER仿真器能夠讓設計人員對從汽車的最初設計方案（方框圖）到由實際電路和機械實現的完整系統進行仿真。這種能力對于復雜運動控制系統的設計（如ABS系統、安全氣囊系統、發動機控制系統、車身控制系統等）尤為重要。
2汽車電子仿真技術的應用
汽車在投產之前要經過大量的測試試驗，對原設計不斷地進行修正往往會耗費大量的物力和時間。在設計階段，對各種狀況進行模擬仿真、修正、完善設計，能夠提高效率、縮短開發周期。使用SABER軟件進行仿真，主要分為3個階段：建立數學模型、對系統原理進行仿真和對仿真模型進行修改檢驗。
2.1建立數學模型
所謂計算機仿真就是將實際系統的運行規律用數學形式表達出來，它們通常是一組微分方程或差分方程，然后通過計算機采用數值求解法求解這些方程。
在仿真之前，首先對系統原理圖中的所有零部件進行抽象化，建立數學模型，繪制系統的數學模型。為了對電路或系統進行計算機仿真，經常需要開發一個或一組模型。要研究電路的詳細特性，可能要求對物理器件建模，有時還需要對大型電路或系統建模。系統模型可能無需和器件模型一樣詳盡，但作為大系統仿真的一部分，系統模型仍然非常有用。零部件數學模型的質量直接關系到仿真結果的準確性。通過對數學模型各種參數屬性的設置來模擬零部件的功能，同時，經過大量計算和試驗，不斷修正、完善數模。對于同一類零部件可以共用一個（或一類）模型，通過調整數模參數值來實現零部件的更迭。這對于縮短開發周期、節省開發成本，起著至關重要的作用。
在一定外界條件（即輸人或激勵，包括外加控制與外加干擾）的作用下，從系統的一定初始狀態出發，所經歷的由其內部的固有特性（即由系統的結構與參數所決定的特性）決定了整個動態過程。研究系統及其輸人、輸出三者之間的動態關系，即可確定其性能的屬性。圖1是汽車音響系統中揚聲器的物理模型，其中In_pfUIn_m作為輸人信號、由電磁學可知，可以進一步將其簡化為力f（t）輸人。
于是可將其進一步簡化為質量-阻尼-彈簧系統，如圖2所示，圖2中m、c、k分別表示質量、粘性阻尼系數、彈簧剛度。對系統而言，質量受外力f（t）的作用，質量位移為y（t）（實際揚聲器銜鐵的振幅），系統的動力學方程為my"（t）cy''''''''（t）ky（t）=f（t），y（o）=yo，y''''''''（o）=y''''''''。
其中，y（0）與y''''''''（0）分別為質量的初位移與初速度，這就是在輸人作用于系統之前系統的初始狀態。顯然，此系統在任何瞬間的狀態完全可以由質量的,y（t）與y''''''''（t）這兩個變動著的狀態（即狀態變量）在此瞬間的取值來刻畫。因為y（t）在此瞬間的取值代表了位移的情況，y''''''''（t）在此瞬間的取值代表了y（t）在此瞬間的變化趨勢（速度）的情況。
還有一種更直接的建立數學模型的方法，就是模擬硬件描述語言（AHDL）的含義。MAST就是一種AHDL,Saber仿真器可以仿真用MASTAHDL描述的網表。
零部件的模型是建立在大量計算和試驗基礎上的，SABER軟件提供了大量的零部件庫文件，對于類似的零件只需修改其屬性參數值即可。
2.2對系統原理進行仿真
在仿真過程中，將數學模型轉變成為計算機上運行的仿真模型，是由SABER軟件系統來完成的，并同時根據仿真模型編制出仿真程序。通過對系統的仿真，可以隨時得出各個子系統或零部件的瞬時工作狀態及性能參數變化，如電壓、電流、功率、轉矩等各參數的波形。通過對這些波形與實際試驗的結果進行對比分析，找出兩者的差別，從而修正原設計。
如先前所提及的，安全性和舒適性的需求導致了新的、高能耗的負載。這些負載可能隨著汽車產品的進一步電子化，汽車電子控制裝置得到更多的應用，所消耗的電能也將大幅度地增加。現有的12V動力電源已滿足不了汽車上所有電氣系統的需要，今后將采用集成的42V起動機-發電機供電系統，發電機最大輸出功率將由目前的1.4kW提高到8kw左右，發電效率將會達到80以上。伺時，電壓等級的提升還將同時帶來許多新的問題。12V/42V汽車雙電壓系統原理圖如圖3所示。
在雙電壓系統中，把用電設備分成兩部分：中小功率負載由14V電壓供電，如室內燈、中控鎖、收音機、儀表、車載導航系統等主要為車身電子設備；大功率負載，如電控機械制動裝置、電控機械氣門正時裝置、三元催化轉換加熱器、電控懸架等，主要為發動機、底盤系統電子設備，由42V電壓供電。此雙電壓供電系統有兩個關鍵器件，一個是DC/DC變換器，它能把交流發電機輸出的42V高電壓轉變為14V的電壓。另一個，是裝在發動機和變速器之間的起動-發電機，借助一個半導體整流-逆變功率變換器，它不僅充當交流發電機，發出42V的高電壓，而且在發動機起動時還作為起動機用。由于它是直接起動發動機，起動時間僅為0.5s，所以噪聲很小。
2.2.2起動機／發電機系統
大功率起動機與發電機（IntegratedStarter/Alternator，ISA）的轉矩特性一致，因此，集成兩種設備于一體在技術上是可行的，在經濟上的效益也顯而易見。如圖4所示的輸出功率與內燃機曲軸轉速的關系曲線，ISA讓內燃機的速度達到600v/min的起動速度，然后切換到發電模式。由于42V系統能夠提供足夠的電能，發動機在極短的時間內起動且在點火前達到更高的轉速，這樣可以降低低轉速下的排放，換句話說，使得汽車重起動變得更加容易。
2.2.3雙電壓系統中42V供電系統
在運行中，雙電壓系統的電壓隨著轉速變化而變化，電壓峰值對電器元件的影響是非常明顯的。圖5所示的是雙電莊系統中42V供電系統的變化曲線，非常清晰地顯示了在轉速急劇變化時電壓的瞬時值，此脈沖電壓峰值在電氣系統設計和選擇電子電器元件時有著非常重要的參考價值。
在仿真過程中，主要分兩種類型進行。為了描述簡單，這里將42V與14V分開進行討論。第一種方法，全部打開所有的電子設備，可以觀察到整個系統及各個電子器件的電壓、電流波形，以及各個電子電器設備互相切換或同時打開時的電壓、電流波形。同時，很方便地觀察到在拋載狀況時的峰值電壓波形，局部拋載或全部拋載對系統的影響。
2.2.414V供電系統
14V電壓系統主要用于各控制單元，對波形要求甚高。若峰值電壓及電流產生嚴重的脈動，使蓄電池兩端電壓產生脈動干擾，控制單元搭鐵（蓄電池負極）電位也將隨之產生脈動干擾。如果這個干擾脈沖幅值過大，就會造成原有信號的丟失，引起控制失靈。觀察峰值電壓的波形，判定是否符合系統要求。14V線路上的電壓波形如圖6所示。
2.3對仿真模型進行修改、檢驗
通過對系統的仿真，得出的初步結果往往不能與理想的目標相一致，還需要通過分析研究，以及與試驗進行對比，對系統原理或數學模型進行修改。SABER提供多種仿真分析，如：直流工作點分析、交流小信號分析、順態分析、蒙特卡羅分析（在模型參數值浮動范圍內隨機取樣，對所取的參數進行分析，檢驗器件參數在一定范圍內浮動對輸出的影響）、零極點分析等。結合多種分析，加以對仿真模型的完善。
1.1確定賽事和參賽項目全國大學生電子設計大賽是教育部倡導的四大學科競賽之一，權威性不言而喻。只有在這種211和985高校都參加的比賽中取得好成績，才能真正說明我校的人才培養質量，才能真正做到與這些重點高校一起同臺競技。
1.2對學生的選拔與培養我院的賽前準備工作分為基礎培訓、模塊訓練、真題訓練三個階段。在組織管理、賽前指導、正式競賽等方面做了大量的工作。整個電子設計競賽的培訓包含三個內容。首先是選拔與基礎培訓，時間是2012年10月中旬到2013年5月。主要工作內容是挑選有興趣的同學參加培訓，學生的熱情很高，共有70個多名學生報名，我們利用學生課余時間，給學生講解Multisim,proteus軟件仿真，MSP430單片機，模擬電子電路和數字電子電路知識、各種常用的傳感器介紹等基礎知識；并布置學習任務，讓學生相互學習，相互促進。第二個內容是電路常用模塊訓練。暑假集中訓練。挑選出6組共18名較優秀的學生，每組選好方向，分為控制組，高頻組，電源組等；利用暑期進行嚴格的訓練。電源模塊，單片機最小系統，D/A與A/D，鍵盤與顯示，各種放大器模塊，傳感器模塊等進行設計與制作。第三個內容是真題訓練。對第二階段挑選出來的4組共12名秀學生，要求每組根據自己的方向做一兩個往屆的題目，邊做邊發現問題、解決問題。漸漸熟悉大賽流程和一些應對方法策略。在競賽的四天三夜里，學生廢寢忘食，承受了常人難以想象的壓力。所有的困難都必須是三人小組共同去面對、解決。他們靠的是扎實的理論基礎和集體的力量，分工協作，相互支持，相互激勵，攻克一個個技術難關，完成作品。
1.3參賽的組織與管理獨立學院對學科競賽的重視程度，將直接影響到對學科競賽的管理及最后的比賽成績。學科競賽其實也是一項科研項目，需要必要的硬件經費來制作參賽作品，因此如果學校、系部領導如果充分重視學科競賽，那么在參賽經費上提供較充分的保障。目前獨立學院基本形成學科競賽項目負責人制，由學院領導任項目負責人，由院領導組織教師具體執行學科競賽的日常組織工作。從前述的學科競賽組織中，我們可以看到，完成一項學科比賽的整個工作是一個系統工程，指導教師的實際工作量是非常大的。
2電子設計競賽方面的經驗與問題
我院此次參加競賽的學生，均是基礎相對較好，熱愛電子技術、喜歡動手的學生，盡管如此也反映出了我院學生動手能力較弱，理論基礎較差，綜合運用知識（特別是獨立設計電路）的能力差的弱點；同時也反映出我院教師實踐經驗的不足。由于目前荊州無專業的電子元器件市場，購買元器件只能到武漢購買，并且元器件要在多個門市才能購置齊，從荊州到武漢乘班車當天往返難度很大，而且器件每次都要向實驗中心和教務部門申請，才能購買，機動性不夠，很不方便，對競賽造成很大的影響。通過參加競賽我們總結和積累了一些經驗：
2.1加強基礎工作在平時的教學中，加強學生創新設計思想的培養，廣泛利用課內外時間培養學生的動手能力，加大綜合設計性實驗開設，調整電子信息課程體系，注重各主干課程間的關聯，特別加強電子技能與工藝的訓練。加大經費和實踐條件的投入，擴大開放實驗室。
2.2強化相關實踐科目的學習電子設計競賽以應用設計為主要內容，涉及電子工藝、模擬電路、數字電路、單片機應用、可編程邏輯器件、EDA工具軟件和PCB制作等相關科目。雖然參加電子設計競賽往往以大三、大四學生為主力軍，但是相關課程的學習從大二就已開始，所以應指導學生有的放矢地強化相關科目的學習，夯實理論基礎，積淀科技文化底蘊。
(1)電子設計實踐能力提高班的課程系列化、模塊化、層次化。(2)以實踐教學為主，突出實踐，實現“玩中學，學中玩”“做中學，學中做”。(3)拓展學生的知識面，補充實踐學時，豐富課余生活，形成學生的特長和個性。(4)培養學生的學習能力，促進學生創新、創業、就業能力的提高。(5)全面培養學生的實踐能力，培養企業需要的電氣信息類拔尖人才。
2教學計劃和內容
電子設計實踐能力提高班的教學計劃分為三個階段，課內總學時數108課時，全年安排36周，每學期18周，周學時數為3課時，教務處教學計劃單列組班。第一階段：電工電子認知階段，完成12學時教學計劃內容(見表1)。第二階段：集中實驗能力訓練階段，完成42學時教學計劃內容。集中實驗能力訓練以AVR單片機為載體，通過編程實現單片機的各種功能。AVR單片機是目前最新的單片機系列之一，擁有豐富的片內硬件資源，功能強大，可靠性高，功耗低，在業界得到迅猛發展和廣泛應用。集中訓練環節以ATMEGA128A芯片構成實驗系統，完成21個實驗項目的訓練(見表2)。第三階段：分組分項目綜合訓練階段，完成54學時教學計劃內容。學生分組，每組2～3人，自由組合，自由選擇項目類別，采用命題作文的形式完成一個典型電子產品的設計、組裝、實驗和調試(見表3)。
3組織方式
學校教務處每年下達單列教學計劃，電子設計實踐能力提高班招生名額為30人，招生工作在大一下學期進行，全校理工類專業一年級本科生各科成績合格者均可報名參加考試。電工電子實驗中心負責組織初試和復試，初試主要考查學生的基本實驗技能，初試通過后，在網上公示名單；對初試合格學生進行復試，復試采用面試形式，主要考查學生的非智力因素及合作溝通能力，確定最終錄取名單并在網上公示。電子設計實踐能力提高班的教學安排在大二上、下兩個學期，上學期完成基礎能力訓練，下學期完成綜合能力培養，總學時數為432課時，其中課內108課時，課外324課時，由電工電子實驗教學團隊分階段分梯度完成。
4運行管理機制
電子設計實踐能力提高班的學生來自學校不同學院、不同專業，為方便教學，同時不影響學生的正常學習，提高班教學時間一般安排在18:00～21:00。要求教師具有良好的敬業態度和較強的奉獻精神；要求學生既有濃厚的電工電子實驗興趣，又有強烈的責任心和擔當力；為了不影響常規教學，提高班的實驗教學設備、實驗元器件、材料需單獨購置和準備，不宜與常規教學設備共用；要求教師深入開展實驗教學改革，采用自主研究式、探索式實驗模式，培養學生玩中學、做中學的能力；引入退出機制，允許不適應這種教學模式的學生退出，學生退出后不能獲得相應的學分；引入新的評價機制，學生的成績由綜合實驗報告和電子作品綜合評定，所得學分與其他選修課學分價值相同。
5實踐效果
2013年5月，經過報名、初試和復試，我們在全校范圍內選拔了40名學生進入電子設計實踐能力提高班。在培養過程中，有4名學生不適應提高班的教學模式和教學方法，申請退出，其余36名學生經過近一年的培養和訓練，從不適應到適應，從被動學習到主動學習，從孤立學習到相互啟發式學習，學生發生了明顯的變化：(1)主動學習意識明顯增強，綜合實踐能力得到提高。(2)團隊合作意識明顯增強，文獻檢索和應用能力得到訓練。(3)學生自主參與、自主選擇、自主設計、自主實踐能力得到充分施展。(4)現代電子產品設計、組裝、調試、綜合實驗能力增強，作品不斷增加。(5)學生參加電子科技創新活動的熱情高漲，對自己的學習提出了更高的目標。
6結束語
創新開放實驗室的建設目的就是為學生提供一個平臺，讓學生在理論學習的同時，還能得到實踐能力的鍛煉，同時，通過將課堂所學知識運用到實際之中，使學生能更好的理解書本所傳頌的理論知識，可以避免傳統填鴨式教學而造成的“高分低能”現象。創新開放實驗室絕不僅僅是課堂教學的輔助或從屬，而是理論學習的開拓和升華，是現代化教育培養高素質人才的至關重要的一環。電子設計創新開放實驗室主要針對電子技術、信息工程技術、自動化技術和數字控制技術等實踐性和應用性較強的專業，面向企業需求提供滿足行業實際需要的技術型和專業型人才，其特點就是理論知識和實踐能力結合緊密，在教學、管理、實踐的過程中，重視學生的動手能力，培養學生的創新意識。近幾年，有部分高校開始探索新的教育方法。廣泛開展各種創新科技活動和電子設計比賽，不僅充分利用實驗室資源，發揮了電子設計創新實驗室的重要作用，還加強了學校與學生、學校與企業、企業與學生之間的交流，讓學生得到了更好的鍛煉，真正體現了素質教育的理念。
2創新開放實驗室存在的主要問題
2.1實驗設備落后
電子設計實驗室對培養學生動手能力、應用知識能力、開發設計能力和實際操作能力具有非常重要的作用，而實驗設備是發揮實驗室教學功能的基本保障。然而，有部分高校對實驗設備的重視不足，導致實驗室中儀器設備沒能得到及時的更換，儀器陳舊、落后，部分甚至損壞卻沒有專人來維修。落后的儀器設備根本無法滿足教學的需要，延誤實驗進程，大大影響了實驗室發揮其本來價值。此外，電子設計的有關實驗存在一定危險性，陳舊落后的實驗設備也是安全隱患之一，可能會威脅到教師和學生的人身安全。
2.2缺乏有效的管理
目前，創新開放實驗室正處在邊探索邊建設的階段，很多高校都存在著實驗室管理不到位的問題。根據調查，有部分高校的實驗室平均使用率不足60%，而大型電子儀器設備的利用率更低。這就說明我們的實驗室資源沒有得到有效的利用。究其根本，儀器設備的購置計劃不合理、教學和科研實驗的安排脫節、及其儀器設備的管理模式與方法落后是主要原因。此外，實驗室和相應院系之間的工作不連貫也是常見問題之一。不到位的管理工作會導致各實驗室不能進行有效的動態化管理，工作缺乏條理，還會出現人員編制混亂，資金周轉出現紕漏等一系列失誤，最終將影響實驗室發揮其的本來功能。
3有效的建設措施
3.1加強硬件建設
要想學生能夠快速提升實踐能力，除了學生努力學習之外，實驗室的硬件條件也是必須配備齊全的。為了讓學生能夠有更好的學習環境，應專門劃分出一處建筑作為實驗室，室內學習用具齊全，網絡等多媒體設備完整。同時，根據電子設計的專業要求，應購置常用電子儀器等專業設備。另外，為了保證各實驗室能夠正常運行，實驗設備要有專人定期維護和管理，從而保證各儀器設備能夠正常的運行，提高其有效利用率。在實際的工作中，為了有效的開展對電子儀器設備的維修工作，并避免在維修中造成不必要的損失和時間的浪費，要求維修人員要熟悉相關電子儀器設備的基本工作原理，并掌握一定的維修技巧。教師在教學過程中也應該要求學生仔細了解、分析儀器設備發生故障時的現象和使用情況。只有這樣，才能保證實驗室能夠充分發揮其價值，為學生提供鍛煉的平臺，也減少因實驗操作錯誤而造成的人身傷害。
3.2嚴格管理制度
為了實現實驗室制度的有效落實與監督，必須組建創新實驗室管理隊伍，保障創新實驗室的開放時間及學生日常管理。為了讓學生得到充分的鍛煉，可以在開放創新實驗室的學生中選拔具有優秀組織能力和領導能力的高年級學生作為實驗室主管，低年級學生作為助管，共同對實驗室進行日常管理。不僅避免了實驗室和相應院系之間的工作脫節，還提高了學生的綜合水平。
4建設創新開放實驗室的重要意義
電子設計創新開放實驗室是電子信息專業重要的教學內容和學生組織，對于培養學生的實踐能力和創新能力具有重大作用，設立實驗室的核心環節是實踐教學，致力于培養具有較強社會適應能力和競爭能力的高端技術技能型人才，是探索新的教育方法，真正實現素質教育的重要一步。
5結語
