“數(shù)字邏輯電路”教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

鄧春健 李文生 石建國(guó) 楊 亮 呂 燚 劉 偉

摘要:本文首先分析傳統(tǒng)“數(shù)字邏輯電路”教學(xué)存在的問題,然后從理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面內(nèi)容來探討教學(xué)改革方法。在理論教學(xué)部分,提出對(duì)傳統(tǒng)理論教材大膽改革并適當(dāng)取舍,研究本課程與工程實(shí)踐的切入點(diǎn),大量引入工程實(shí)例和新的教學(xué)內(nèi)容;在實(shí)驗(yàn)手段上,提出摒棄傳統(tǒng)的以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為目的的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備,設(shè)計(jì)以綜合性實(shí)驗(yàn)為目的的基于FPGA的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞:EDA技術(shù);現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件;教學(xué)改革

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

“數(shù)字邏輯電路”課程在高等院校電氣信息類學(xué)科各專業(yè)教育中的作用舉足輕重,一方面,它是電氣信息類學(xué)科最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一,是學(xué)生鞏固理論知識(shí),學(xué)好眾多專業(yè)課程的基礎(chǔ),將影響學(xué)生對(duì)以后專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣;另一方面,它具有極強(qiáng)的邏輯性和實(shí)用性,通過這門課程的學(xué)習(xí),可以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。目前,懂?dāng)?shù)字電路設(shè)計(jì)、FPGA的專業(yè)人才備受用人單位青睞,這賦予了“數(shù)字邏輯電路”課程教學(xué)更加重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而,高等院校“數(shù)字邏輯電路”教學(xué)存在教學(xué)效果不明顯,學(xué)生收獲甚小等問題。理論課的學(xué)習(xí)最終是為培養(yǎng)和提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。但不少學(xué)生反映,他們?cè)谶@門課程上花費(fèi)了很多時(shí)間,認(rèn)為“學(xué)得不錯(cuò)”,課本中較難的題目也都能很快作答,只是到了實(shí)踐環(huán)節(jié),特別遇到實(shí)際工程,就感覺束手無策。

教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)給學(xué)生留有足夠的想象空間,引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)邏輯思維能力和創(chuàng)新應(yīng)用、開發(fā)數(shù)字邏輯電路器件的能力。通過課程的教學(xué),使學(xué)生掌握邏輯代數(shù)和邏輯設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論,掌握數(shù)字邏輯電路分析和數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)的基本方法,為他們今后在信息技術(shù)天地中馳騁奠定堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)。為此,我們以“實(shí)用、有趣、建立學(xué)生自信”為指導(dǎo)思想,探索數(shù)字邏輯電路理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法。從理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面對(duì)“數(shù)字邏輯電路”教學(xué)進(jìn)行大膽改革,摒棄陳舊的教學(xué)內(nèi)容和落后的教學(xué)手段,在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),以活潑的實(shí)驗(yàn)來促進(jìn)理論教學(xué),調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)性。

1傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路教學(xué)存在問題分析

我們?cè)?jīng)設(shè)計(jì)了一些數(shù)字邏輯電路工程應(yīng)用中較為基礎(chǔ)的例子,通過多種形式向多所院校相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生做過一次非正式調(diào)查,要求被調(diào)查者使用數(shù)字電路邏輯模塊,實(shí)現(xiàn)如下設(shè)計(jì):

(1) 設(shè)計(jì)電子開關(guān),當(dāng)鍵盤按下,LED燈亮,再次按下LED燈滅,再按下亮。要求采用3種以上方式,需要考慮消除按鍵信號(hào)中的毛刺。

(2) 用8路撥碼開關(guān)和一個(gè)按鍵設(shè)計(jì)一個(gè)密碼鎖,通過撥碼開關(guān)設(shè)置密碼,按下按鍵作為確認(rèn),如果密碼輸入3次錯(cuò)誤,密碼鎖失效。

(3) 實(shí)現(xiàn)一個(gè)秒表,已知:6個(gè)共陽極七段碼的a,b,c,d,e,f,g分別相連,其中各七段碼的共陽端分別引出。

(4) 給定一段樂譜,用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)樂譜的播放。

(5) 設(shè)計(jì)一個(gè)串行通信模塊,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到PC的傳輸,要求9600波特率,無校驗(yàn)位。

(6) 以555電路為基礎(chǔ),用手指作為啟動(dòng)源,當(dāng)手觸摸電路后,LED燈亮10秒后熄滅。

(7) 一塊8x8的點(diǎn)陣LED,設(shè)行為x,列為y,(0≤x≤7,0≤y≤7),當(dāng)y0為高,x0為低,坐標(biāo)為(x0,y0)對(duì)應(yīng)的LED燈亮,請(qǐng)實(shí)現(xiàn)不斷變化的英文字母和阿拉伯?dāng)?shù)字的顯示。

(8) 控制DAC0832實(shí)現(xiàn)一個(gè)鋸齒波、三角波,要求信號(hào)周期可調(diào)。

調(diào)查結(jié)果顯示,只有少數(shù)可以使用數(shù)字邏輯模塊實(shí)現(xiàn)其中的個(gè)別設(shè)計(jì);多數(shù)學(xué)生對(duì)上述工程實(shí)例束手無策;部分學(xué)生表示如果借助“硬件描述語言”可以實(shí)現(xiàn)。基礎(chǔ)的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)尚且如此,可以想象實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的數(shù)字邏輯電路工程的情況。經(jīng)過分析,我們認(rèn)為原因在于“數(shù)字邏輯電路”教學(xué)存在如下問題:

(1) 理論課內(nèi)容充斥以技巧性解題為目標(biāo)的題型,學(xué)生很難把抽象知識(shí)和實(shí)踐結(jié)合應(yīng)用;

(2) 現(xiàn)有教材的內(nèi)容多與其它課程孤立,很少注重和其它課程的聯(lián)系和延伸;

(3) 教材內(nèi)容滯后于科學(xué)技術(shù)發(fā)展,和實(shí)際工作嚴(yán)重脫節(jié);

(4) 以舊式實(shí)驗(yàn)箱、接線板實(shí)驗(yàn)設(shè)備為代表的傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備仍舊廣泛地在高校使用,實(shí)驗(yàn)手段落后。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備是采用固定數(shù)字邏輯電路芯片搭建的實(shí)驗(yàn),學(xué)生只能按教科書設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按固定的套路做驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn),無法支持綜合性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn),學(xué)生把大部分時(shí)間都花在接線連線上,實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象而已,很難真正提高數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)能力。

針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字電路的不足,我們從優(yōu)化理論教學(xué)手段和內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和建設(shè)兩方面著手,對(duì)數(shù)字電路理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)大膽改革。

2優(yōu)化理論教學(xué)手段和內(nèi)容

傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路理論教學(xué)最明顯的特征是和實(shí)踐脫鉤,內(nèi)容生硬,學(xué)生很難把抽象的知識(shí)和實(shí)踐結(jié)合并具體應(yīng)用,為解決這一問題,我們拋棄傳統(tǒng)的教科書主要或純粹考學(xué)生做題能力為目的的教學(xué)思路,大量引入活潑生動(dòng)的教學(xué)實(shí)例和相關(guān)的工程應(yīng)用。

同時(shí),項(xiàng)目組從工程實(shí)踐中總結(jié)大量素材,設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容力求接近工程實(shí)踐,又帶有一定的趣味性和啟發(fā)性,讓學(xué)生知道如何將學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用到工程實(shí)踐中,這是本項(xiàng)目與傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路理論教學(xué)的不同之處,具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

2.1內(nèi)容活潑,摒棄呆板的教學(xué)描述

案例1:教材講述74138和計(jì)數(shù)器的應(yīng)用時(shí)引用的是“8路脈沖分配器電路”的例子,“脈沖分配器”名稱描述過于抽象和呆板。如果把這個(gè)電路稍微改造一下,把圖1中74138的輸出端都接入LED燈,那么這個(gè)電路就是一個(gè)很形象直觀的“跑馬燈”控制電路,學(xué)生理解起來會(huì)更容易,同時(shí)也能明確“脈沖分配”概念。

案例2:教材講述74151以及計(jì)數(shù)器的應(yīng)用時(shí),引用的是“11100100序列產(chǎn)生器”的例子,如圖2所示。“11100100序列產(chǎn)生器”本身就是一個(gè)古板的名詞,如果把這個(gè)電路稍微改造一下,74151的輸出接蜂鳴器,74151的八路數(shù)據(jù)輸入端接樂音頻率,那么這個(gè)電路就可以播放一段音樂,如果結(jié)合存儲(chǔ)樂譜的ROM就成了一個(gè)能播放音樂的音樂盒,學(xué)生對(duì)這樣的例子往往表現(xiàn)出濃厚的興趣和“動(dòng)手”實(shí)現(xiàn)的欲望。

2.2突出實(shí)踐意義,注重聯(lián)系實(shí)際,并通過展開引導(dǎo)來啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新

案例3:教材在說明555電路的作用時(shí),其中有一個(gè)555構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的實(shí)例,如圖3所示,學(xué)生學(xué)后經(jīng)常反映印象不深刻,不知如何應(yīng)用。

在授課時(shí),為幫助學(xué)生理解,我們是這樣提示學(xué)生的:

(1) 如果你的手指摸一下VI處會(huì)有什么情況發(fā)生?

——因?yàn)槿耸值撵o電,會(huì)導(dǎo)致Vo產(chǎn)生一個(gè)高電平寬度為Tw的信號(hào)。

(2)Tw這個(gè)信號(hào)如果接一個(gè)LED燈呢,可以應(yīng)用在什么地方?

——原來可以手一摸VI,就可以讓一個(gè)LED燈亮Tw秒,這正是觸摸開關(guān)啊。

(3) 我們知道Tw=RCln3,假設(shè)我們不知道電容C的值,那么這個(gè)電路可否用于測(cè)量電容容值的方法呢?

——通過公式可以說明,如果知道R以及Tw,電容值就確定下來,這個(gè)電路可以用于某些電容式傳感器的測(cè)量中。

2.3注重與其它課程的聯(lián)系

案例4:在講授移位寄存器的時(shí)候,傳統(tǒng)教材一般都只說明移位寄存器的級(jí)聯(lián)方法,并沒有通過聯(lián)系其它課程突出移位寄存器的應(yīng)用價(jià)值。

在授課時(shí),通過74198級(jí)聯(lián)構(gòu)成的16位左移寄存器,如圖4所示,如果結(jié)合計(jì)算機(jī)通信原理的異步串行通信協(xié)議對(duì)這個(gè)電路稍微修改一下,那么這個(gè)電路就是一個(gè)和PC機(jī)串口通信接口的電路。學(xué)生原本覺得玄奧的與PC機(jī)通信以及異步通信協(xié)議原來這么容易實(shí)現(xiàn)。

2.4聯(lián)系PC機(jī)的軟件開發(fā)語言鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)軟硬件結(jié)合作品

在教學(xué)過程,鼓勵(lì)學(xué)生制作軟硬件結(jié)合的作品,如讓學(xué)生學(xué)習(xí)Delphi、C++builder等軟件開發(fā)工具設(shè)計(jì)軟件,并把軟件和數(shù)字電路平臺(tái)結(jié)合起來。例如把電位器作為游戲中飛機(jī)的方向盤,其AD值通過串口傳輸?shù)絇C機(jī)的游戲軟件中,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)飛行的控制;撥碼開關(guān)值傳輸?shù)絇C軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)圖片的選擇播放。

2.5改善課堂教學(xué)手段,關(guān)注新技術(shù)發(fā)展,引入新的設(shè)計(jì)手段

在理論教學(xué)初期,設(shè)計(jì)了很多模擬數(shù)字電路功能的“軟件芯片”,通過在課堂PC機(jī)演示“芯片”功能,幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和課程入門;隨后逐漸通過EDA工具仿真,來幫助學(xué)生加深對(duì)課程的印象。與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系不大且難于理解的內(nèi)容,我們適當(dāng)取舍,甚至略棄,減少學(xué)生學(xué)習(xí)課程時(shí)的挫折感。

現(xiàn)代數(shù)字邏輯電路的發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)模式影響深遠(yuǎn),很多傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被淘汰甚至被徹底顛覆。在教學(xué)中,我們適當(dāng)加大硬件描述語言的學(xué)習(xí)比重,鼓勵(lì)學(xué)生采用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì),并要求學(xué)生掌握EDA工具QuartusII軟件,讓學(xué)生體會(huì)現(xiàn)代的數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)方法。

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)改革和建設(shè)

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn),大部分院校采用各類實(shí)驗(yàn)箱(或面包版),實(shí)驗(yàn)過程學(xué)生要完成電路搭建、結(jié)果驗(yàn)證,可擴(kuò)展性差,實(shí)驗(yàn)種類是固定的、功能也十分有限。對(duì)于一些小型電路,各類實(shí)驗(yàn)箱還能完成實(shí)驗(yàn),但對(duì)于稍微復(fù)雜一些的電路就難以支持了,往往由于芯片短缺、實(shí)驗(yàn)箱長(zhǎng)期使用導(dǎo)致接觸不良,加上電路連接過于復(fù)雜,使得故障難以查找。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生往往把大部分時(shí)間浪費(fèi)在接線上,看到的卻是單一枯燥的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,學(xué)生難以發(fā)揮主動(dòng)性,開展綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),而且電路搭建成功率低,導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣下降,影響實(shí)際教學(xué)效果。因此如果沒有良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備支撐,學(xué)生無法真正掌握理論知識(shí),更談不上規(guī)模較大的工程實(shí)例。

針對(duì)這一情況,我們以教材為依據(jù),開發(fā)以綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為目的的基于FPGA的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備的大部分實(shí)驗(yàn),卻具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)的大部分功能,如圖5所示,該平臺(tái)具有如下特點(diǎn):

(1) 該平臺(tái)以FPGA為核心,以綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為導(dǎo)向,具有豐富的外設(shè)接口、豐富的設(shè)計(jì)資源,可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)設(shè)備的大多功能,卻有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備所不具備的大部分功能,不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),另外我們?cè)谠撈脚_(tái)的基礎(chǔ)上做了很多特色的開發(fā),供學(xué)生學(xué)習(xí)和提高。該平臺(tái)可以支持如AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn),555電路等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn);提供了豐富的外設(shè)接口,如串口、

VGA顯示器接口、PS2接口;借助該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以做出很多活潑的功能實(shí)驗(yàn),如音樂播放功能、紅外報(bào)警功能、觸摸燈等。

(2) 該平臺(tái)借助EDA工具,學(xué)生得以從繁重的插線工作解脫出來,具有靈活的設(shè)計(jì)風(fēng)格、高效的設(shè)計(jì)效率,這是傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)箱無法比擬的。

(3) 該平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)置是專門針對(duì)高校數(shù)字邏輯電路課程和大學(xué)生心理設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生可以借助EDA工具直接通過仿真實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì),并下載到平臺(tái)運(yùn)行,脫離傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)過程中的硬件的干擾,把學(xué)生從繁重的插線中解脫出來。另外各種豐富的數(shù)字邏輯模塊以及表達(dá)豐富的硬件描述語言給了學(xué)生良好的發(fā)揮空間,配合理論教學(xué)方法,學(xué)生很快就能夠進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用開發(fā)。

4結(jié)語

“數(shù)字邏輯電路”教學(xué)改革進(jìn)行以來,我院數(shù)字電路教學(xué)收效明顯,在我院受訓(xùn)班級(jí)中起到了意想不到的效果,學(xué)生的動(dòng)手能力明顯增強(qiáng),許多本科學(xué)生能夠作出讓研究生都汗顏的作品來。另外基于FPGA的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)批量生產(chǎn),在該平臺(tái)接受訓(xùn)練的班級(jí)、學(xué)生人數(shù)不斷增多,許多兄弟院校使用了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后,也取得了不錯(cuò)的效果。

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Reform of the Digital Logic Circuit Teaching and Construction of Experiment Platform

DENG Chun-jian, LI Wen-sheng, SHI Jian-guo, YANG Liang, LV Yi, LIU Wei

(University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan Institute, Zhongshan 528402, China)

Abstract: The paper analyzes existing problem of conventional digital logic circuit course, then discusses the theoretical and experimental teaching methods of digital logic circuit. In theoretical teaching, traditional theory of teaching materials are reformed boldly and selected appropriately, besides, many project examples and new teaching materials are introduced. In experimental teaching, the digital logic circuit traditional experiment equipment at the purpose of verification experiment is abandoned, and digital logic circuit experiment platform based on FPGA which aimed at comprehensive experiment is designed.

Key words: EDA technology; FPGA; reform of teaching