可編程器件的綜合實驗項目建設

陳 捷

(同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)

可編程器件的綜合實驗項目建設

陳 捷

(同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)

根據(jù)大學本科教學計劃和可編程器件實驗教學要求，開展了基于可編程器件的綜合實驗項目的建設。由于可編程器件綜合實驗題目的設計代碼最終要下載至可編程器件硬件驗證實驗裝置來檢驗設計結果，實驗效果直觀，提高了學生實驗的積極性。學生通過可編程器件綜合實驗教學能較好地掌握運用硬件描述語言實現(xiàn)既定電路或系統(tǒng)的設計方法。通過多年實驗教學實踐，在實驗內(nèi)容安排，實驗教學方法上根據(jù)實驗效果不斷進行改進，取得了較好的實驗教學效果。

可編程器件；綜合實驗；實驗教學;建設

1 可編程器件實驗教學的內(nèi)容

集成系統(tǒng)芯片設計是同濟大學電子與信息工程學自動化、電子與信息類專業(yè)開設的一門專業(yè)基礎課程。為了配合教學，開設了可編程器件實驗教學課程?？删幊唐骷嶒灲虒W內(nèi)容主要由下述三部分組成。

(1)可編程器件開發(fā)、設計軟件平臺的學習和使用，學習掌握開發(fā)平臺的原理圖設計輸入、硬件描述語言設計輸入及狀態(tài)圖設計及軟件仿真的操作。

(2)基于硬件描述語言的簡單數(shù)字電路設計。通過這部分實驗教學要求學生能熟練應用先前所學的可編程器件開發(fā)軟件平臺，并學習可編程器件硬件驗證實驗裝置的使用。通過該實驗，使學生能將教材上所學的用硬件語言描述的分頻器、計數(shù)器、選擇電路、掃描電路、譯碼電路、邏輯電路、控制電路等基本數(shù)字電路的設計應用于具體電路的設計[1-2]。通過可編程器件芯片與外圍電路的接口檢驗所設計的結果，對可編程器件的設計方法及硬件驗證實驗裝置的使用及用硬件描述語言設計實現(xiàn)硬件電路功能的設計流程有一個初步認識。

(3)綜合實驗部分。要求學生根據(jù)實驗指導書所給的綜合設計題目，構思、設計電路框圖及各個模塊，通過硬件實驗裝置上的可編程器件及外圍設備：按鍵、按鈕、鍵盤、LED燈、六位七段數(shù)碼顯示器、LCD液晶顯示器、8×8點矩陣LED顯示屏、蜂鳴器等來驗證設計結果，通過軟件開發(fā)平臺自動實現(xiàn)邏輯編譯、優(yōu)化、分割、綜合及結構布線、最終將設計下載至可編程器件硬件驗證實驗裝置，完成既定電子電路設計[3-4]。使學生通過該部分實驗能比較好的掌握運用硬件描述語言實現(xiàn)既定電路或系統(tǒng)的設計方法。

2 可編程器件綜合實驗項目的設置原則

綜合實驗的設置要根據(jù)學生的實驗課時安排學時，對于單獨設置可編程器件課程設計課程一般要求學生完成3～4個綜合實驗項目；如果實驗課時只有12學時要求完成一個綜合實驗項目。實驗教學進程由淺入深地安排，能使學生從設計平臺使用開始，結合課堂教學應用數(shù)字電路硬件描述語言進行電路與系統(tǒng)設計，對所設計的電路模塊用軟件仿真來檢驗設計是否與要求相符。對綜合實驗設計通過硬件驗證實驗裝置檢驗所設計的系統(tǒng)功能是否達標。要求學生根據(jù)硬件出現(xiàn)的問題自行分析、調(diào)試、修改和最終實現(xiàn)設計目標。綜合題如果要求完成3～4個的則其中有一個是規(guī)定必須完成的，其余可以自己選擇感興趣的題目，給學生有自己的空間和自由度。實驗要求是完成的質(zhì)量而不是數(shù)量，如果學生對題目功能進行拓展，思路合理、構思有個性，并能最終實現(xiàn)，則根據(jù)具體實驗的工作量可以適當減少完成實驗的數(shù)量。

3 可編程器件綜合實驗項目教學實踐

綜合實驗會接觸到一些具體項目的工作原理，例如，音樂發(fā)生器中樂譜的節(jié)拍時間應該如何設置，如果沒有學過樂理知識就會不明白設置方法。同樣還有8×8點陣顯示器電路的工作原理、鍵盤輸入和顯示電路的工作原理也必須弄明白才能進行設計。根據(jù)綜合題的特點對各題中的設計要點上課時先進行仔細講解，并同時要求學生根據(jù)設計題目自己收集相關資料來弄明白設計原理、構思設計思路完成設計任務。

在講課過程中，主動提問，形成互動教學。對學生有新想法、新的設計思路予以肯定，充分發(fā)揮學生的學習主動性。鼓勵學生用自己的想法結合實際硬件電路進行設計。但對學生不理解的部分，以自己實驗教學的多年經(jīng)驗詳細講解，有時也用相互討論的方法解答。對于 “鍵盤輸入及顯示”綜合實驗，為了學生幫助了解鍵盤的工作原理，而且對硬件驗證實驗裝置的外圍接口電路也有一定的了解。因此在實驗指導書中給了學生一個鍵盤工作原理的圖框，目的是幫助學生由淺入深學習和掌握設計一個復雜功能電路的方法和步驟。

由于綜合實驗最終要求將設計結果下載至硬件驗證裝置，通過可編程器件芯片的外圍硬件運行來驗證實驗結果是否正確，因此對學生而言有一定的挑戰(zhàn)性。實驗中往往會出現(xiàn)一些意想不到的問題，硬件驗證結果與設計要求不一致。整個實驗的完成需要各個不同功能的模塊發(fā)揮不同的作用，并且能夠正確地結合在一起，需要整體構思來達到實驗目的，只要有一個模塊無效或者功能不全，就可能出現(xiàn)偏差以致無法得出正確的結果。某些微小的差錯，很容易被忽視，但可能就是至關重要的。例如，在課堂上講的電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)，如果在實際應用中選擇錯誤，就會使電路無法正常工作；鍵盤輸入輸出顯示控制電路中的移位寄存器的應該設置成使能信號邊沿到時工作，如果沒有這一步，會導致移位寄存器不能移位，無法得到預期的實驗目的；同樣，頻率計中的控制模塊的數(shù)據(jù)采集刷新信號如果采用電平控制也會導致頻率計工作不正常；還有時序問題，6個LED數(shù)碼管的串行掃描時間設置頻率太低6個數(shù)碼管中只有一位輪流點亮，頻率過高數(shù)碼管會暗淡；鍵盤中的復用輸出端口作為鍵盤行掃描與控制模塊時鐘設置不合理會產(chǎn)生按鍵與顯示的錯位等，這些問題如果沒有硬件驗證實驗裝置是無法觀察到的。因此，有硬件驗證對學生而言比光通過軟件仿真更與實際貼近。

剛開始綜合實驗時，很多學生都覺得很難，心里沒底。通過課堂講解后，學生感覺自己可以完成，再通過編程、調(diào)試、修改硬件驗證中存在的錯誤最后硬件驗證成功后，學生都非常有成就感。學習興趣和主動性大大提高。當出現(xiàn)問題時，要求學生能自行想法解決，這是培養(yǎng)學生綜合分析與解決問題的一個手段，能增強學生的實際操作能力。

實驗過程要求學生根據(jù)所學知識、查找相關信息資料仔細分析、研究解決問題，如果還有問題，教師會給予指導。學生通過問題自我解決，提高了學生學習、實驗的積極性。由于最終要求將設計下載至硬件驗證實驗裝置中的可編程器件芯片，通過可編程器件芯片與外圍電路的接口檢驗設計結果，實驗過程軟硬結合，實驗效果直觀，學生對可編程器件綜合實驗普遍反映較好。很多學生為了盡早完成實驗，會自己下載設計軟件，平時利用課余時間編程、調(diào)試。在實驗室開放日到實驗室做實驗的人數(shù)大大增加。還有不少學生主動在實驗室開發(fā)時間來實驗室做一些實驗課要求以外的綜合實驗。

學生普遍認為綜合實驗中有些題目難度較大，但也很有趣。通過實驗能將所學理論知識運用于實際電路的設計。通過前面的一些基礎實驗、硬件應用實驗，學生已經(jīng)較好掌握了可編程器件開發(fā)軟件的使用和硬件描述語言的應用以及硬件驗證實驗裝置的使用。而綜合實驗不僅在內(nèi)容上把前面那些實驗內(nèi)容提高到一個綜合的高度，而且電路的設計更有針對性、實用性更強。

為了使學生對可編程器件的實際運行電路有一個基本認識，還將可編程器件引腳與外圍硬件連接電路圖發(fā)給學生，通過圖紙使學生對硬件驗證實驗裝置上可編程器件與外圍電路如：N位串行數(shù)碼管顯示的硬件電路、4×3鍵盤的硬件電路、帶指示燈的按鍵硬件電路、蜂鳴器硬件電路等有一個了解。明白可編程器件實現(xiàn)的功能不是僅靠可編程器件引腳與對應的輸出、輸入設備直接連接就可以運行的。實際電路中要根據(jù)不同的輸出硬件電路的功能中間還要設置其他芯片，例如：8位七段譯碼器要正常運行中間還要設置3～8譯碼電路芯片、施密特觸發(fā)器芯片、總線收發(fā)器芯片、驅(qū)動電路芯片。蜂鳴器要正常工作其音頻信號是可編程器件發(fā)出頻率信號，通過由場效應管芯片、施密特觸發(fā)器芯片、電阻及電容組成的放大電路來驅(qū)動的[5-6]。

4 結束語

可編程邏輯芯片設計實驗教學順應現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，將新技術應用在實驗教學中，使實驗教學與可編程器件的技術發(fā)展保持密切關聯(lián)。因此，實驗教學不斷要補充新的內(nèi)容和采用高版本的開發(fā)軟件平臺。例如XILINX公司高版本的ISE開發(fā)軟件不再有TEST BENCH WAVEFORM選項，測試、仿真需要自己編寫測試代碼。因此，現(xiàn)在的實驗中就增加了用硬件描述語言寫仿真代碼的實驗教學內(nèi)容。硬件實驗裝置原有的可編程器件芯片在高版本的開發(fā)軟件中型號已不支持，為了繼續(xù)使用將核心板重新設計、制作，新的核心板采用新型號的可編程器件芯片，使原有硬件驗證實驗設備通過更換新的核心板還可以繼續(xù)使用。

作為實驗教師要不斷進取和學習，才能提高自己的專業(yè)知識水平和業(yè)務能力，并充分關注并了解這一領域的最新進展，只有這樣才能較好的指導學生進行實驗。使學生通過可編程邏輯芯片設計實驗教學，掌握可編程邏輯芯片的設計方法及其應用，并具備一定的工程意識，養(yǎng)成善于思考、探索和勇于創(chuàng)新的精神。

[1]Volnei A. Pedrom.《VHDL數(shù)字電路設計教程》[M].喬廬峰，王志功，譯北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2]羅勝欽.系統(tǒng)芯片(SOC)設計原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3]唐小華，楊懌菲，張亞婷.數(shù)字電路與EDA實踐教學[M].北京：科學出版社，2010.

[4]孟慶斌，司敏山，EDA實驗教程[M].天津：南開大學出版社，2011.

[5]何賓.Xilinx可編程邏輯器件設計技術詳解[M].北京：清華大出版社出版，2010.

[6]侯伯亨，劉凱，顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設計[M].西安：西安電子科科技大學出版社，2009.

Developments of Comprehensive Experimental Projects Based on Programmable Logic Device

CHEN Jie

(School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A series of integrated experiment projects based on programmable logic devices have been proposed according to the teaching requirements of the undergraduate education program and the programmable logic devices experiment outline. Since the final design codes of each integrated experiment should be downloaded to the programmable logic devices for design verification, these projects enhance the visuality of experimentation and improve the learning passion of the students. Students can also have a better grasp of circuit and system design method using hardware description language through these integrated experiment projects. Years of experiment teaching practice have continuously improved and achieved a good experimental effectiveness of teaching through proper arrangement of experiment contents and experimental teaching methods.

programmable logic device; integrated experiment; experiment teaching;development

2014-03-27；修改日期: 2014-05-16

陳 捷(1959-)，女，本科，高級實驗師，主要從事電工電子實驗教學工作。

G642.423;G423.07

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.041