EDA技術(shù)在數(shù)字電路課程設(shè)計教學改革中的探索與實踐

倪德克+師亞莉+朱旭花+王靜+戢小亮

[摘 要]數(shù)字電路是電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其中數(shù)字電路課程設(shè)計是該課程的重要實踐教學環(huán)節(jié)，具有理論性與工程實踐性強的特點。為了改進數(shù)字電路課程設(shè)計的教學，開展了將現(xiàn)代EDA技術(shù)應用于數(shù)字電路課程設(shè)計的教學改革?？梢詫?shù)字電路課程設(shè)計分成兩個階段進行：基于Multisim的仿真設(shè)計、基于FPGA的EDA設(shè)計，使學生既掌握扎實的數(shù)字電路理論基礎(chǔ)，又學習到現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的EDA設(shè)計技術(shù)，加強了學生工程實踐能力的培養(yǎng)，取得了良好的教學效果。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字電路；教學改革；EDA技術(shù)；FPGA；Multisim

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）04-0118-02

一、引言

數(shù)字電路是電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其中數(shù)字電路課程設(shè)計是該課程的重要實踐教學環(huán)節(jié)，具有理論性與工程實踐性強的特點。數(shù)字電路課程設(shè)計不但要求學生掌握實用數(shù)字電路的基本原理和設(shè)計方法，更重要的是培養(yǎng)學生對數(shù)字電路的分析、設(shè)計及實際應用的工程能力，培養(yǎng)學生在數(shù)字電路領(lǐng)域的設(shè)計方法、設(shè)計手段、分析經(jīng)驗、故障排查等綜合技能，以及跟蹤學習現(xiàn)代EDA設(shè)計技術(shù)。

傳統(tǒng)的數(shù)字電路課程設(shè)計教學是基于固定功能的標準74系列芯片，要求學生綜合運用數(shù)字電路課程中所學理論知識，獨立思考、分析、設(shè)計、組裝，“自下而上”地構(gòu)造具有一定功能的小規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)。這種設(shè)計方法有利于學生對數(shù)字電路基礎(chǔ)理論知識的理解與應用，但是設(shè)計缺乏靈活性，教學內(nèi)容多年不變，設(shè)計題目單一，設(shè)計思路僵化，學生的設(shè)計方案雷同，功能難以進行擴展。這種設(shè)計方法需要的芯片品種多、數(shù)量大，電路設(shè)計復雜，設(shè)計效率低；電路可靠性比較差，電路連線復雜，查錯、糾錯比較困難，學生感到枯燥、乏味、缺乏創(chuàng)新。傳統(tǒng)的設(shè)計方法在一定程度上制約了學生個性和創(chuàng)新思維的發(fā)展，缺乏對學生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，課程設(shè)計的教學目標不能很好地實現(xiàn)，因此必須進行改革。

針對數(shù)字電路傳統(tǒng)設(shè)計方法中的問題，西安郵電大學數(shù)字電路課程教學組采用現(xiàn)代EDA設(shè)計技術(shù)，兼顧數(shù)字電路設(shè)計方法的傳統(tǒng)性與先進性，進行了“基于Multisim的仿真設(shè)計”、“基于FPGA的EDA設(shè)計”的教學改革。改革將數(shù)字電路課程設(shè)計分成兩個階段進行，傳統(tǒng)設(shè)計與Multisim仿真設(shè)計相結(jié)合，強化數(shù)字電路理論基礎(chǔ)，突破標準74系列芯片種類與數(shù)量的限制；并在QuartusII設(shè)計軟件進行FPGA設(shè)計，強化現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法，通過仿真與實物制作的比較分析，促進學生更好地了解工程設(shè)計實際所面臨的問題，有效地進行工程素養(yǎng)培養(yǎng)。這種教學改革具有實際教學可行性、教學內(nèi)容連貫性、設(shè)計方法實用性的特點，教學效果良好。

二、基于Multisim的仿真設(shè)計

Multisim是美國NI公司推出的以Windows為平臺的虛擬仿真平臺。它可以對模擬、數(shù)字和模擬/數(shù)字混合電路進行設(shè)計和仿真。它的特點是界面直觀、元器件庫豐富、虛擬儀器儀表齊全、元件放置及連線簡便、電路分析功能及作圖功能強大、電路圖的創(chuàng)建、測試分析和仿真結(jié)果一體化。

數(shù)字電路課程設(shè)計首先基于Multisim進行仿真設(shè)計。教師規(guī)定各個設(shè)計課題的具體要求，分析一些涉及各個設(shè)計課題的關(guān)鍵知識點。學生可以進行自由選題，在理解設(shè)計課題的基礎(chǔ)上，構(gòu)建設(shè)計思路，使用Multisim進行仿真設(shè)計。在Multisim仿真設(shè)計階段，提供基礎(chǔ)性與擴展性相結(jié)合、仿真性與工程性相結(jié)合的設(shè)計課題，強化數(shù)字電路基礎(chǔ)理論知識，注重學生創(chuàng)新與工程能力的培養(yǎng)。

在基本設(shè)計課題的基礎(chǔ)上，擴展設(shè)計功能。要求學生完成基本設(shè)計課題電路功能后，完成一定的擴展功能的設(shè)計。例如在“搶答器設(shè)計”課題中，基礎(chǔ)要求為4人搶答器，擴展要求為8人搶答器，搶答時間從遞增計數(shù)改為遞減計數(shù)；在“交通燈控制器設(shè)計”課題中，基礎(chǔ)要求為單路時間顯示，擴展要求為兩路時間顯示，并增加單向交通管控功能；在“多路彩燈控制器設(shè)計”課題中，基礎(chǔ)要求為三種花型的8路彩燈，擴展要求為五種花型的16路彩燈；在“數(shù)字頻率計”課題中，基礎(chǔ)要求為被測信號頻率為1Hz～9999Hz，擴展要求為被測信號頻率為1Hz～999999Hz。設(shè)計題目的基礎(chǔ)性與擴展性，有利于促進學生基本理論知識的強化與實踐綜合能力的培養(yǎng)。

同時從提高實際工程素養(yǎng)和訓練工程應用能力出發(fā)，將Multisim仿真教學和工程實踐有機結(jié)合。Multisim仿真軟件容錯功能強大，但也存在仿真設(shè)計上的一些工程設(shè)計細節(jié)問題。學生所缺少的工程能力不能完全依靠仿真獲得，還需要教師從工程實踐角度進行指導。例如在“交通燈控制器設(shè)計”中，Multisim仿真還需要注意一些工程細節(jié)。

1.對于555多諧振蕩器設(shè)計模塊，電阻、電容的選取應該根據(jù)工程實際進行合理參數(shù)選取，既需要考慮輸出波形的頻率、占空比的精度，又需要考慮電阻電容的標稱值。

2.對計數(shù)器設(shè)計模塊，中規(guī)模集成計數(shù)器的種類繁多，例如74161、74163、74393、7493等，應綜合考慮各種計數(shù)器功能、價格、復雜度等因素，進行設(shè)計選型。

3.對于顯示譯碼模塊，要根據(jù)具體的七段數(shù)碼管的共陰極和共陽極種類進行選取，使用共陰極數(shù)碼管可選擇7448，使用共陰極數(shù)碼管可選擇7447。

4.對于數(shù)碼顯示模塊，根據(jù)實際應用場合選取一定型號的七段數(shù)碼顯示管，數(shù)碼管功率大小決定是否加功率驅(qū)動電路，以及合理的限流電阻選取。

三、基于FPGA的現(xiàn)代設(shè)計

在課程設(shè)計Multisim仿真設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，進入第二階段的設(shè)計：基于FPGA的EDA設(shè)計。在該設(shè)計階段，學生對設(shè)計課題已經(jīng)有了充分的認識，可以突破74系列芯片的限制，采用VHDL語言進行高效的EDA設(shè)計，這能激發(fā)學生學習的興趣，啟發(fā)學生的思維和想象，有力地促進學生的電路設(shè)計能力、工程實踐能力和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在該設(shè)計階段，要求學生由上而下將設(shè)計課題劃分為各個功能模塊，并在QuartusII軟件中，采用VHDL語言編程實現(xiàn)各個模塊功能；頂層電路圖可以采用語言或者原理圖輸入方式，之后進行設(shè)計的編譯、仿真，最后將編譯后的文件燒寫到實驗平臺的FPGA目標芯片中，從而完成數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計。FPGA芯片的I / O接口與輸入輸出器件采用固定的連接方式，不需要進行復雜的手工連線，學生不再受到芯片種類、連線故障、硬件電路故障等困擾，能將精力主要集中于數(shù)字系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，這可以激發(fā)學生的學習興趣。通過課程設(shè)計中的FPGA設(shè)計，使學生學習到現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法，跟蹤現(xiàn)代數(shù)字電路發(fā)展的技術(shù)潮流，對培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、提高實際工程素養(yǎng)和訓練工程應用能力起到重要的促進作用。

針對課程設(shè)計的實際教學需求，我校數(shù)字電路課程教學組研制了以ALTERA公司EP3C10E144為核心的FPGA實驗平臺，該實驗平臺的主要資源有以下幾部分。

1.輸入接口：包括6位的獨立按鍵、10位的獨立開關(guān)、多時鐘信號（1Hz、10Hz、100Hz、1KHz、100KHz、1MHz、50MHz）、12位AD輸入等資源。

2.輸出接口：包括16個LED燈、4個獨立數(shù)碼管、8位動態(tài)掃描數(shù)碼管、12位DA輸出等資源。

3.下載與供電模塊：實驗平臺中集成了USB BLASTER下載模塊，同時通過USB接口從PC中獲得+5V的電源，方便學生對實驗平臺的使用，有效地避免了多次插拔USB BLASTER造成的器件損壞。

實驗平臺的資源滿足了“交通燈控制器設(shè)計”、“搶答器設(shè)計”、“數(shù)字鐘設(shè)計”、“多路彩燈控制器設(shè)計”、“信號發(fā)生器設(shè)計”、“電子密碼鎖設(shè)計”、“數(shù)字頻率計”、“數(shù)字電壓表設(shè)計”等多個設(shè)計課題的需求。學生通過FPGA設(shè)計的實際程序下載，與第一階段的Multisim仿真結(jié)果進行比較分析，能更好地了解仿真與工程設(shè)計的區(qū)別，掌握現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法。

四、結(jié)語

西安郵電大學進行的數(shù)字電路課程設(shè)計教學改革，從課程實際出發(fā)，切實實現(xiàn)理論知識和工程實踐相統(tǒng)一，以培養(yǎng)學生工程實踐能力、自主創(chuàng)新能力為目標，引入現(xiàn)代EDA技術(shù)，培養(yǎng)學生的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法，這種教學改革收到了良好的教學效果，值得推廣。

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[責任編輯：陳 明]