電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化課程仿真化教學(xué)初探

奚洋

摘 要：隨著可編程邏輯器件的普及，很多中職、高職學(xué)校中開(kāi)設(shè)了相關(guān)的課程，但是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用也帶來(lái)了一些問(wèn)題，本文分析了使用硬件設(shè)備開(kāi)展EDA課程教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，同時(shí)對(duì)使用仿真軟件開(kāi)展EDA課程的教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和可行性進(jìn)行了探討，可編程邏輯器件（PLD）可以按照設(shè)計(jì)者的需要靈活配置其功能，同時(shí)在先天結(jié)構(gòu)上擁有比其他微控制器更出色的處理速度，非常適合現(xiàn)在任務(wù)復(fù)雜的電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。現(xiàn)在，PLD器件已經(jīng)成為了很多復(fù)雜電子系統(tǒng)中一個(gè)不可或缺的核心部分。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)計(jì)；課程仿真化教學(xué)

中圖分類號(hào)：G482文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2095-9214（2016）11-0157-01

現(xiàn)在很多中職、高職院校都針對(duì)電子技術(shù)的這個(gè)潮流，開(kāi)設(shè)了PLD相關(guān)的課程，一般會(huì)叫做“電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)”（EDA技術(shù)），或者做為“電子CAD”課程一部分來(lái)進(jìn)行講授。主要講授的內(nèi)容是硬件描述語(yǔ)言的使用，如VHDL。

一、基于硬件的EDA課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)上來(lái)講，硬件描述語(yǔ)言程序所描述的功能要需要通過(guò)相關(guān)軟件平臺(tái)適配到PLD上才能看到具體的功能，但是，基于硬件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)會(huì)不可避免的帶來(lái)以下一些問(wèn)題：

（一）產(chǎn)生設(shè)備損耗。電子元件本身有使用壽命，當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備電路上的某個(gè)元件到了壽命或者在實(shí)驗(yàn)操作中被損壞，整個(gè)設(shè)備就可能失去作用。這樣以來(lái)，如果不及時(shí)補(bǔ)充，運(yùn)行正常的實(shí)驗(yàn)設(shè)備就會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而逐漸減少，直到無(wú)法支持正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（二）運(yùn)行情況不穩(wěn)定。實(shí)際上，任何實(shí)驗(yàn)室都不可能保證每臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)備都運(yùn)行良好，如果硬件方面出現(xiàn)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)效果就無(wú)法出現(xiàn)。而當(dāng)堂排除硬件問(wèn)題是幾乎是不可能的，因?yàn)椴粌H檢測(cè)故障麻煩，而且維修也要花費(fèi)大量時(shí)間。一旦出現(xiàn)了這種情況，實(shí)驗(yàn)中的顯示運(yùn)行結(jié)果這重要的一環(huán)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)了，這對(duì)教學(xué)效果會(huì)產(chǎn)生不良的影響。

（三）操作比較繁瑣。在EDA教學(xué)中涉及到很多程序，但是內(nèi)容和功能簡(jiǎn)單的還是居多。如果是在教學(xué)中進(jìn)行演示，那么用專門的設(shè)備來(lái)觀察這些簡(jiǎn)單程序的結(jié)果（如門電路之類）就顯得非常繁瑣，會(huì)把課堂教學(xué)時(shí)間浪費(fèi)在設(shè)備的操作上。

（四）建設(shè)升級(jí)成本高

PLD器件本身就不便宜，基于PLD的EDA教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往比較昂貴，添置可以供一個(gè)教學(xué)班使用的EDA實(shí)驗(yàn)設(shè)備（15臺(tái)）往往需要幾十萬(wàn)，這給學(xué)校帶來(lái)比較大的資金壓力。同時(shí)，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)和PLD器件發(fā)展速度也非?？?，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的升級(jí)換代對(duì)資金不充裕的學(xué)校來(lái)講也是個(gè)很大的問(wèn)題。

二、使用仿真軟件開(kāi)展EDA教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)分析

采用軟件仿真開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)是解決上述問(wèn)題的一個(gè)可行方案。電路仿真軟件從出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有近20年的時(shí)間了，功能已經(jīng)比較成熟，通過(guò)這些仿真軟件，用戶可以使用豐富的虛擬動(dòng)態(tài)顯示設(shè)備、虛擬交互輸入設(shè)備和虛擬測(cè)量?jī)x表，能實(shí)時(shí)的進(jìn)行輸入，并可以觀察到逼真的電路和程序運(yùn)行結(jié)果。

對(duì)于EDA課程的實(shí)驗(yàn)，如果能開(kāi)展基于軟件平臺(tái)的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，那么相比于使用硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的一些問(wèn)題，其擁有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

（一）成本得到控制?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)都已經(jīng)各院校中普及，計(jì)算機(jī)機(jī)房都配置的比較多了，使用仿真軟件開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)不會(huì)帶來(lái)太多額外的成本。

（二）沒(méi)有損耗問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行在電腦上，無(wú)論怎么重復(fù)或者嘗試實(shí)驗(yàn)都不會(huì)產(chǎn)生損耗。

（三）方便開(kāi)展教學(xué)。不管是復(fù)雜的還是簡(jiǎn)單的硬件描述語(yǔ)言程序，都可以很快且非常直觀的看到運(yùn)行的結(jié)果，非常適合在教學(xué)中教師進(jìn)行演示或?qū)W生對(duì)教學(xué)程序的功能進(jìn)行驗(yàn)證。

（四）有效節(jié)省硬件損耗。如果有可以使用的硬件設(shè)備，在使用設(shè)備之前先通過(guò)仿真來(lái)檢驗(yàn)程序的話，可以有效的減少在硬件上調(diào)試的時(shí)間，保證操作的成功，從而減少硬件的使用損耗。

（五）方便學(xué)生自學(xué)。有了可視化的仿真手段，學(xué)生就可以使用自己的計(jì)算機(jī)完成程序功能的驗(yàn)證，在一定程度上可以擺脫對(duì)學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備的依賴，便于開(kāi)展自學(xué)。

三、使用仿真軟件開(kāi)展EDA教學(xué)的可行性分析

能對(duì)EDA教學(xué)中常用的VHDL硬件編程語(yǔ)言進(jìn)行仿真的常見(jiàn)仿真軟件有Multisim和TINA pro。

筆者對(duì)EDA課程典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了分析，并以TINA pro為平臺(tái)，對(duì)使用仿真軟件開(kāi)展EDA教學(xué)（基于VHDL語(yǔ)言）的實(shí)驗(yàn)開(kāi)出率進(jìn)行了分析。

經(jīng)過(guò)對(duì)《EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)》（曹昕燕，清華大學(xué)出版社，2006），《可編程邏輯器件與VHDL語(yǔ)言》（程云長(zhǎng)，科學(xué)技術(shù)出版社，2008），《VHDL電路設(shè)計(jì)》（雷伏容，清華大學(xué)出版社，2007），《電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)》（張永生，機(jī)械工業(yè)出版社，2008）等教材的綜合分析，可以將EDA課程中的典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分4大類，共14個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分別為：

（一）PLD開(kāi)發(fā)軟件操作。1、PLD開(kāi)發(fā)軟件原理圖輸入及綜合仿真；2、PLD開(kāi)發(fā)軟件波形輸入及綜合仿真；3、PLD開(kāi)發(fā)軟件的文本輸入及綜合仿真。

（二）硬件下載。1、PLD器件下載。

（三）硬件描述語(yǔ)言編程實(shí)驗(yàn)。1、譯碼器編程；2、編碼器編程；3、比較器編程；4、選擇器編程；5、加法器編程；6、觸發(fā)器編程；7、多種寄存器編程；8、多種計(jì)數(shù)器編程；9、多種存儲(chǔ)器編程。

（四）課程設(shè)計(jì)或課程實(shí)訓(xùn)。在上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，PLD開(kāi)發(fā)軟件操作中的3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是依靠PLD開(kāi)發(fā)軟件完成，其余11個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，中除了硬件下載操作無(wú)法依靠仿真軟件完成，其余10個(gè)（類）在EDA課程教學(xué)中處于主要地位的硬件描述語(yǔ)言編程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都可以在TINA pro軟件環(huán)境下，依托軟件自帶VHDL仿真功能和自身的模擬電路和數(shù)字電路的仿真功能完成仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)出率可以達(dá)到93%，能夠滿足EDA課程教學(xué)的需要。

四、結(jié)論

通過(guò)上述分析可以看出，使用合適的仿真軟件應(yīng)用在EDA課程的教學(xué)上可以有效的解決使用硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)帶來(lái)的不可避免的設(shè)備損耗、使用成本、和其它的一些問(wèn)題，同時(shí)在課程教學(xué)上，可以滿足課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和教學(xué)演示的需要，保證教學(xué)效果，是值得在EDA課程教學(xué)中進(jìn)行推廣的教學(xué)方法。

（作者單位：咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

基金項(xiàng)目：咸寧市教育局2016年度職業(yè)教育電子技術(shù)類科研課題“電子技術(shù)類課程仿真化教學(xué)研究”（2016sjw05）

參考文獻(xiàn)：

[1]張永生.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

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