现代电子设计技术课件-2014年春.pptx

现代电子设计技术课程 ——2012级第一次课,2015-03-04,第一次课：课程介绍,课程形式（学生主体-创新经历-团队合作） 创新性实验项目：学生自由组队，每组4-5人，自主选题，激发创新思维 以小组形式完成设计创作：自主学习与探索，培养 题目应注重创新性 创新过程： 思路：背景-问题-需求 方案：功能需求-技术需求 设计：系统划分-分工 实现：开发-进度控制-问题解决 调试：联调-测试-展示,第一次课：课程介绍,课程目的 “学以致用”，通过自主设计，培养创新思维、能力。 “温故而知新”，通过电子设计，巩固基础课知识。 （数模电子电路、数字系统等） “Unity is strength ”，通过组队与分工，培养团队精神。 （“团结就是力量” ） 建立信心 激发热情 发展规划,第一次课：课程介绍,主要安排（完成者：课题成员） 上课引导(第2、3周) 课题论证(各组同学需要用PPT展示课题选题，提交立项申请书) 信3（第4周）信4（第5周）（地点：课室） 中期审核(各组同学需要用PPT展示课题进展) 信3（第9周）信4 （第10周）（地点：北三创新实验室） 期末审核(第14周,各组同学需要用PPT展示课题结果，提交结题报告) 信3（第14周）信4 （第15周）（地点：北三创新实验室）,第一次课：课程介绍,资源 Zed开发板 20套 无线电子琴 2套 3D虚拟演示系统 1套 智能车 4套,第一次课：课程介绍,资源 Zed开发板 20套 HDMI设计 OpenCV移植 基于OpenCV的树叶识别系统 基于OpenCV的人脸识别系统 嵌入式Web服务器的移植和搭建 电机控制系统 智能家庭健康平台 高性能视频处理系统设计,第一次课：课程介绍,选题范围 可穿戴设备 移动互联网 选题范围不限于上面的资源，可以自由选择，甚至软件系统都行。所涉及的费用据说可以报销，额度应该不超过200，需要院长批 选题(现有研究基础,自己的基础和长处) 建立团队 完成设想,第一次课：课程介绍,联系方式 李韬 ：litao@scut.edu.cn 王前：qwang@scut.edu.cn,第二次课：课题论证,课题论证 课题搜集 上课前，各组将含有背景、目标、方案、计划的PPT统一发给班长，并由班长COPY到课室电脑上（命名格式：第N组 课程题目）。 题目评估 各组讲解题目，并用PPT展示。老师对题目评估，提出相关建议；若有不合格者，则重新拟定题目。 提交项目申报书,第二次课：课题论证,题目整理 第二次课结束后，班长将各组信息发给老师，注意表格内容需包含：课题名称，成员，队长，队长联系方式（含手机和邮箱）等。 题目变动 如果题目改变，则在课后一周内发邮件给老师，重新进行课题与预算的确认。 此论证需要同学主动联系老师，并确认老师收到邮件等信息。,第三次课：中期审核,该分数占最终成绩的40%。,第四次课：期末审核,作品展示 各组同学应用PPT展示项目成果，有实物的小组应展示实物 项目报告 第四次课后，各组同学撰写项目报告，并在指定时间内发给班长，由班长将本班报告统一提交给老师。,以往课程设计方向,智能家居方向 商务应用 无线通信 人机交互 … … … …,以往课程设计方向,智能家居方向 “虚拟试衣” “多功能镜子” “基于IPV6的云相框” “吃药管家” “怡人床垫” “呼噜枕头” … … … … …,以往课程设计方向,商务应用 “网络试衣” “3D试衣系统” “指纹识别支付系统” “智能点菜系统” “多功能自动迎宾系统” … … … … …,以往课程设计方向,人机交互 “微表情识别系统” “解读我的唇形密码” “空中鼠标” “激光笔辅助教学系统” “手机语音识别声控系统” … … … … …,以往课程设计方向,无线通信 “带GSM 通信模块的排队叫号系统” “基于ZigBee的无线抄表系统” “基于近距离无线通讯技术的 移动社交” “基于无线传感的虚拟植物” “基于无线通信的掌上游戏机” “协作通信” … … … … …,吃药管家,——智能吃药提醒器 队长：王聃 组员：梁竹 周敏 阮文敏 日期：2010.04.11,智能家居,设计背景,很多人工作学习繁忙，一些老年人记性不好，忘记吃药，或者吃药不规律，导致病情恢复慢甚至恶化，所以希望有个简易的装置能够在一定的时间内自动提醒病人吃药，同时免去重复设置闹钟的烦恼,设计背景,这些是市面上已有的提醒器：,设计背景,虽然这些提醒器造型美观，操作方面，但是它们只能拘泥于闹铃或LED闪灯提醒，当使用时提醒器必须随身携带。如果忘记携带，或者用户处在比较重要的场合，这将带来很多不便，所以我们想到了短信提醒。无论用户在哪，在什么样的场合，都能及时提醒，而且不会给用户带来不便。,设计目标,能实现如下功能： 1、 本装置可附在任意药盒上，病人吃药时手摸触发启动，记录本次吃药时间 2、设定吃药间隔；以上次吃药时间为准，计算本次吃药时间；吃药的同时自动清除以前数据重新计时。 3、在规定吃药时间前后半个小时内吃药，均按准时吃药处理；超过半个小时，系统将发送短信提醒吃药；若提前超过半个小时，将发声提醒吃药太早,设计方案,本系统主要通过三个模块来实现： 1、AVR单片机——用于设定时间，按键计时以及过早吃药发出警告 2、液晶显示器——用于菜单操作 3、GSM模块——用于实现短信功能，发短信提醒吃药,设计计划,1、组员分工，按照三大模块分配任务 2、集齐元件器材 3、各个成员展开工作： 4、各模块合并实现整体功能,设计计划,5、扩展功能； 可同时记录、提醒多个吃药时间,设计预算,需要的器件： SMTC35/TC35I/MC35I短信开发模块学习板开发板 USB转232 电源适配器 总共预计：200元,备注,老师给我们提的建议是做成手机软件，但是我们经仔细思考和商量，觉得做软件有违了我们最初的设想。我们的特点就是要把硬件放在药瓶上，使患者在每次吃药时不经意间就能设置好下次吃药时间，这和用手机软件是两个概念。而且考虑到本组都是女生，技术有限，软件开发可能超出我们能力范围，固决定还是用硬件实现。,组员：李健 刘雅婷 彭绚 阮文婕,3D试衣系统,商务应用,3D试衣系统,3D试衣系统,背景,目标,方案,预算,项目背景,想出去逛街却没时间？ 想网购却不知衣服是否合身？ 图片上模特穿着好看的衣服买回来自己却穿着好丑？ 经过项目成员在08信工3班做的不完全调查，86%的人有以上的感受，这给他们参与网购带来很大的障碍。 在网购日益暴涨的时代，以上的问题困扰着大家，因此我们小组选择3D试衣系统这个项目，旨在帮助大家更方便的网购，拥有更便利的生活。,项目背景,商场购物——衣服鞋帽款式多、数量大，不方便一一试穿 网上购物——衣服图片很美，买回来却不好看 大众渴望更加快速便捷的试衣方式！,目前，市面流行的三维试衣系统只有国外的Mvm、Cme等，国内只有C2pop软件，而网络上的“试衣间”都是通过Flash技术，其中服装和人体大多是平面的。即使是立体的，也是多个平面照片的粘合而已。,项目背景,3D试衣技术的难度 1、搭建三维人体模型时，人体调节除了各个部位围度的调节之外，还要有整体的调节； 2、三维服装穿在三维人体上，由于人体的凹凸、服装的材质等不同条件约束而产生形变; 3、无法判断服装的舒适程度。,项目目标,1、用户手动输入自己的身体数据，如三围、身高、体重等，或使用摄像头拍照采集身体数据，生成用户自己的3D人体模型； 2、根据所选衣物的平面图片及相关数据生成3D衣物； 3、将生成的3D衣物“穿”在3D人体模型上，达到试穿效果； 4、可将商家提供的衣物生成数据库，用户可在数据库中选择衣物，查看试衣效果，选择适合自己的商品。 可应用于： 商场购物：店家使用3D试衣系统，用户可模拟试衣，不用现场试衣； 网上购物：用户使用3D试衣系统，可试穿网上的衣物，“身临其境”。,,搭建人体三维模型 采用基于人体测量参数的个性化人体模型的生成方法。通过对21个人体测量学参数进行交互式修改，在表面模型的编辑同时获得新的骨架模型，且时刻保持骨架和表面模型之间的匹配关系，是人体模型能驱动，更为细致、丰富。采用摄像头取数据，则通过人体取坐标点，建立坐标系。,项目方案,与3D服装模型结合 “ChinaDream”是一套三维立体服装设计系统，提供各种空间造型工具，用户能够方便 的进行三维立体设计,该系统是目前功能最完善的服装设计系统。我们将通过此软件获得三维化的织物。 人体与服装的结合 通过三维仿真软件，如JAVA 3D，实现试穿过程,项目方案,,,项目预算,课题名称：解读我的唇形密码队 长：郑彩平组 员：佘燕玲日 期：2011.4.10,人机交互,关于“唇读”及发展,唇读(lip一reading/speech一reading)，是指通过观察说话者的口型变化，"读出”或“部分读出”其所说的内容。研究唇读目的是利用视觉信道信息补充听觉信道的信息，提高计算机系统的理解力。 唇读的思想起源很早，但唇读的第一个系统于1984年才由Petajan 在文献中详细给出。上世纪80代后，唇读的研究才在世界范围内兴起，伴随着语音识别技术的不断成熟而逐渐显露出它的重要性的它是新一代人机交互技术的重要组成部分。,“唇读”的意义,对计算机唇读的研究，在语音识别、 人机智能接口、 身份验证、 多媒 体系统和人脸数据压缩等领域具有重要的理论意义和实用价值，亦可用于特 定场合的信息获取(如情报等)。利用视觉信息来提高语音感知，尤其在噪音 环境下。,身份验证,语音识别,情报获取,解密齐达内“最后一撞”,具体方案,一、视频采集-图像转换 二、建立数据库 三、唇部检测与定位 四、唇读特征提取及识别 五、文字，音频输出,视频采集-图像转换,OpenCV是一个基于C/C++语言的开源图像处理函库， 可用于实时处理图像可以进行图像/视频载入、保存和采集 的常规操作。,建立数据库,在单纯的语音识别领域，国内自建了自己的汉语双模态语料库，但是可共享 的标准汉语双模态语料库还未出现。 中科院声学所的徐彦君曾建立了一个包括所有声韵母的语料库CAVSR，语 料为78个汉字，帧速率为25f/s，采样率为22.05Hz，16bits量化。 哈工大也建立了自己的语料库CAVDatabase，帧速率25f/s，图像的分辨率 为256x256。声音的采集速率为11.025kHz，8bit量化。 每个音素所对应的口形都要受到其前后所 连接的音素影响．本课题将利用已采集的唇形 图像，考虑不同音素在不同音节中的发音口形 的帧间相关性．采用二阶HMM来对唇形特征参 数序列进行记录。,唇部检测与定位,唇部的检测与定位是唇读识别的首要条件，它从视 频图像序列中找到唇部的大致位置。基于人脸图像进行 唇部定位的方法更为高效。,,搜索脸,眼睛的检测,嘴的检测,,,※在输入图像中搜索肤色，肤色的最大连通区域 即可能是脸. ※眼睛与周围面部比较，灰度差别大，容易定位 ※寻找一个合适的彩色坐标系，将肤色和唇 色两类不同色度的聚类信号分离出来,唇读特征提取及识别,唇读特征提取模块是整个系统的重点， 该模 块对唇部区域进行增强处理，提、取唇读的灰度 特征和几何特征，并将其融合后输入到识别模块。 实现口型定位之后， 唇动 跟踪相对较容易实现。由于相 邻帧口型运动变化不大，前一 帧定位结果作为初始参数进行 新的模板匹配即可实现当前帧 的匹配，如果某一帧没有成功 匹配，则开始一个新的定位过 程。,口型模板图:,增强图像与原图像处理结果比较,汉语口型[ a] 的定位与跟踪结果,文字，音频输出,其中CPU为唇读系统的嵌入式处理器，待处理的图像数据存于高速ram中， 它通过存储器控制器(MEMC)连于AHB总线，本结构的核心就是唇部图像处理单 元，它分为接口，阐值处理，算法判别式运算核三个主要部分。,唇部检测系统的硬件架构,计划,,建立数据库,视频采集,唇部检测与定位,口形特征提取,唇读识别,文字，音频输出,8-10周：,11-15周：,阅读文献，熟悉matlab编程,图像转化,调试（视前期完成情况待定）,15-16周：,预算,摄像头：自备 单片机：可以去实验室或者向同学借用 购买书籍：《OpenCV教程:基础篇(附光盘) 》 卓越价: ￥ 45.60 《二维及三维人脸识别技术 [平装] 》 定价: ￥ 20.00 总共：65.60元,哎呀，我的耳机 坏了啊！！,不用担心，你说吧， 我照听不误！！,现在电子设计,,带GSM通信模块的 排队叫号机系统,队长：黎章宇,队员：陈晓伟、黄宏辉、李家就,无线通信,相信大家还记得以前在银行排队等候的场景吧，那个时候我们的各大银行总是门庭若市，排着长长的队伍。逢年过节更是如此。,叫号机的出现改变了这一切：首先，它减少了因排队而引起不必要的纠纷；其次，它保护了住户的私密性信息；再次，它有利于窗口分类管理，最后它改善了柜员的工作环境。,现状,,想当年……,而今……,①添加GSM模块：让叫号机能够自动发短信提醒顾客，让顾客省去了机械地在银行、酒楼…等待的时间，可以自由的掌握时间，同时也大大缩小了银行所需的经营场地。,可行性分析,,给顾客的自由空间不够，虽说顾客可以在等候的时间内做自己的事情，但是还是存在着由于顾客外出，导致叫不到号的情况,要求经营场地较大，且具有相当数量的椅子。否则就容不下那么多的顾客。,缺陷,改进方案,②添加RFID输入模块：将RFID卡上面的信息与客户手机号码进行绑定，取号时刷卡即可启动GSM通信模块，省去把手机号码输入到取号机的步骤。,主控,音箱,叫号器 （业务区）,触摸屏 取号机,通讯模块,主显示屏 （等候区）,RFID输入,整体框图,,❶,❷,❸,❹,❺,❺,❺,分部分简述,,触摸屏部分 硬件：采用电阻屏； 应用：设计一个操作界面实现触摸取号&拨号；,主显示屏部分 一块LED显示屏（利用串口传输）,分部分简述,,主控 硬件：嵌入式开发板（ARM） 应用：实验各模块间的连接；,叫号器 硬件：按键 应用：点击触发产生+1信号；,分部分简述,,通讯模块 硬件：GSM模块（串口传输） 应用：当达到预定值，主控模块控制GSM发送设定的信息给用户；,ID输入 硬件：id读写卡器 应用：刷卡取号，并与个人手机号绑定；,9周：进行原件购买及初步的设计 9-11周：具体进行设计（分组进行软硬件的设计） 12-13周：各人对自己所进行的部分进行汇总，最终模块的设计 14周：中期汇报 15-17周：对前面的工作进行总结，并对不足之处进行改进，并适当进行功能优化 18周：最终汇报,周期表,,预算分析,,案例一：简易虹膜识别电子门禁系统设计,虹膜识别？,早期科幻电影？,生物学？,实际应用,设计概要,背景（idea来源与启发） 设计目标 基本方案 结构模块 主要内容,背景,日常生活网络化、信息化程度加快。 身份识别信息化、智能化趋势。 依赖生物特征的身份识别（身份证？密码口令？短信验证？）。,,,,,加拿大海关,伦敦机场,背景,其他生物特征识别技术：指纹、人脸、语音（准确率、应用方便性）。 指纹识别，特征自由度少，可操作性相对较差。 人脸识别随着年龄、健康状况、表情和环境等因素的改变，识别难度提高，识别准确率降低。 语音识别，环境要求高，易伪造。 虹膜识别准确度最高。,设计目标,一款简易的虹膜识别门禁系统（寝室、家居） 自动虹膜图像采集/扫描 具备虹膜分析与识别功能 红外感应（目前判定，是否进行识别） 语音提示（用户指导、识别结果） 液晶显示（信息反馈） 交互界面，用户添加、删除。 键盘等附加人机接口 最终，实现简易的虹膜门禁,基本方案,原理：采集人眼虹膜图像，通过虹膜特征分析（特征提取、特征匹配），结合已知的人眼虹膜数据库（已注册的虹膜信息），对目标对象虹膜特征进行识别，通过识别结果。,结构模块,门禁主控器：图像处理、特征提取、分析与比对等算法操作。 图像采集模块：虹膜图像定位与采集。 自动调焦模块：门禁感应区，人眼虹膜图像自动调焦。,结构模块,红外感应模块：目标位置感知，启动调焦与图像采集。 语音输出模块：提示目标定位与识别结果 液晶显示模块：显示虹膜识别结果及位置等相关数据。,（续）,结构模块,门禁锁控模块：根据识别结果，驱动门锁。 ROM模块/SDARM：系统程序、虹膜图像、语音等数据的存储。 UART接口模块：与PC机通信。,（续）,结构模块,键盘模块：人机接口，故障、意外等情况下附加信息输入。 其他模块：增加功能模块或数据通信。,（续）,主要内容,虹膜识别算法 完成图像分割、图像预处理、虹膜特征分析、特征提取与比对判定。 图像采集模块 摄像头、CCD图像传感器、模数转换芯片、输出接口。 自动调焦系统 光源模块（包括控制电路）、变焦镜头、驱动电机、电机控制电路或芯片。,主要内容,红外感应模块 LED红外发射源、红外传感器、光电转换、感应电流处理模块。 语音输出模块 扬声器、扬声器驱动电路。 液晶显示模块 LCD显示器、显示驱动电路,主要内容,门禁锁控模块 继电器电控锁、驱动接口与开关电路。 ROM模块/SDARM 存储芯片、接口电路。 UART接口模块 总线、开发板与相关接口。 键盘模块 键盘阵列、键盘驱动程序。,主要参考文献,http://www.shutterstock.com/pic-25478026/stock-photo-iris-scan-for-security-or-identification-eye-with-scanner-and-computer-interface.html http://airport-world.com/news-articles/item/1106-gatwick-airport-installs-iris-recognition-system http://www.cbsa-asfc.gc.ca/media/imgal-galimg/menu-eng.html 孙尚帮，嵌入式虹膜识别系统的研究，硕士学位论文，中国科学技术大学，2011年8月。 WANG Yuanbo, HE Yuqing, Design method of ARM based embedded iris recognition system[C], Proceedings of SPIE. Xin Zhao, Mei Xie, A practical Design of Iris Recognition System Based on DSP, 2009 International Conference on Intelligent Human-Machine System and Cybernetics.,案例二：用于发展中国家的固态照明,概要,项目背景 项目目标 改进设计流程 充分发挥技术的潜力 了解测试工具 结论,发达国家的照明,发达国家占世界人口的少数 使用了大部分的能源 照明充足并认为理所当然,Earth at night. Where are the developed nations?,能源系统导致了污染问题,发展中国家的照明,发展中国家占世界人口的多数 20亿人口无法享受现代照明 目前解决方案 没有 煤油灯 蜡烛 危险 火灾 一氧化碳 二氧化硫,Voting by candlelight in Haiti,现代照明在发展中国家碰到的挑战,有限的电力供应 通常煤油电力网 小型能源 (柴油，太阳能，水电) 艰难的操作条件 温度范围 高湿度 灰尘 有限的配件 有限的基础设施分布 可持续性: 要求本地化,项目目标,场景 一个500人的遥远小山村 夜晚没有照明条件 白天太阳能充电 目标 设计一个手持LED灯 容易充电 使用两个小时 用于工作和阅读,Bas-Ravine, Haiti,项目目标,这些目标容易达到吗？ 你的项目是成功的？还是失败的？ 目前你有足够的信息回答这些问题了吗？你已经在寻求解决方案的路上了，但你还有很多工作去做。 你们中的大部分人会发现还有很多目标未定义。例如，充电怎么完成？作为一个光源项目，还要做哪些工作？ 设计和评价通常要求项目小组工作在“灰色地带”。,提高设计流程,在“灰色地带”寻求解决方案，你迷失了吗？ 在真实世界中寻求一个好的解决方案要求： 理解问题－全方位（例如用户，制造商） 了解哪些技术是可以得到的（总是变化） 了解使用技术的工作原理,提高设计流程,在以下三则中找出一则作为解决方案，会有很大的挑战性. 但如果有经验，这一切将变得简单 （如这个项目）！ 可以用得上的工具和协议: 多学科的设计团队 关键设计审核 采用测试测验新项目的性能,设计流程: 多学科的设计团队,几乎所有的实际工程都会包含不止一项技术。 具有更多丰富经验以及宽广视角可供选择的队伍，通常是更容易成功的。 通常需要的技能包括：电子，机械，制造，工业产品设计，科技写作，财务，资源管理。,设计流程: 关键设计审核,在实际中，不可能总可以组起一个囊括所有技能的团队。 一个关键设计审核（CDR）是一个标准阶段的项目设计，可以帮助抵消这些不足。 一旦一个(通常纸质)设计完成，它将由各行各业的人,包括专家所审核。 反馈是用来提高设计，甚至在某些情况下,终止它：即决定做与不做。,设计流程: 测试,测试一种新产品是一个复杂的过程。 有专门的学科性以及技术性课程和书本专门讲解测试。 甚至还存在除了这方面的研究以外什么都不做的公司。 确保最终用户有机会使用候选产品！,充分发挥技术的潜力,在设计时，了解能供你使用的选择是非常重要的：通过阅读行业出版物，杂志等得到的“产品知识”。 你的教育为了解特定技术的工作原理奠定基础。 器件的数据手册对于了解器件的性能至关重要。,技术：器件手册,引自建兴电子 LTL-10223W器件手册， BNS-OD-C131/A4文件，建兴电子有限公司。,技术: 器件手册,这份器件手册显示，虽然这个LED只能承受30mA的持续电流，但是他能在每1ms之中的0.1ms内承受120mA的大电流。 这和我们问题相关吗？当然：它提供了一种在相对低能耗下产生更高强度光的技术路径。,技术: 选择,我们能以短时间内的120mA电流激励LED发出很亮的光，然后利用视觉停留效应去消除闪烁。,产生随时间而有序变化的电压波形需要新的知识——但是这是切实可行的。,技术: 选择,这需要电池电压能高得足够电量两盏LED。,在晶体管中，电能是以热能形式散发出去的，因此导致了低发电效率的设计。 我们能采用一个不同的电路设计来将能耗缩减到最小的程度。,技术: 选择,希望你已经发现了利用AA电池而可以工作远远超过两个小时的操作方法。 这也意味着采用非电池的其他方式去驱动LED是可能的，如超级电容器。,技术: 选择,来源: http://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor, accessed 29 March 2008.,技术: 选择,希望以上已经向您详细阐述了： 明白器件有什么用 了解这些器件是如何工作的 这些都将在设计中发挥重要作用。,了解测量工具,了解测量过程以及设备的性能和极限通常是很重要的。 你是否发现我们采用硫化镉元件的这种测量光产量的方法，至多是一种近似的结果呢？ 对齐敏感 波长敏感 温度敏感 了解到这些限制的同时，要不断的问自己 “i我们所知晓的和我们观测的真的一样吗？” 在每一个具体的步骤中，这都是非常重要的。,总结,随着人口的增加，传统的，有限的资源压力巨大。 因此绿色的节能的设计现在之光重要 上述你所学习的方法致力于教会你一些新兴技术是如何运作的。,总结,你已经学习了一些设计的步骤，希望你在今后实践中能一帆风顺。 若能成功地完成这个项目，就能借此不仅给这些弱势群体提供一个安全的照明系统，而且也能通过带动生产力和文化程度的提高来给予他们改变命运的机会。,