引入新技術(shù)與新器件的電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)

張 熠,張?jiān)サ?楊英強(qiáng)

(南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210003)

當(dāng)前,改革實(shí)踐教學(xué)體系,引入新技術(shù)與新器件來豐富傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容已成為電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革的一個(gè)重要發(fā)展趨勢,多所高校在這一領(lǐng)域進(jìn)行了富有成效的改革,積累了豐富經(jīng)驗(yàn)[1,2］。我院電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)省級示范中心依據(jù)本校情況,實(shí)施了開放性專題實(shí)驗(yàn)教學(xué),已取得了良好效果。本文即以“存儲(chǔ)器應(yīng)用”開放性專題實(shí)驗(yàn)為例,就該專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)、內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)資源建設(shè)等內(nèi)容進(jìn)行探討。

1 存儲(chǔ)器專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

存儲(chǔ)器的相關(guān)知識在“數(shù)字電路與系統(tǒng)”、“單片機(jī)”、“微機(jī)原理”和“電工電子實(shí)驗(yàn)”等課程中有所涉及,但僅限于工藝、存儲(chǔ)原理以及少量的應(yīng)用介紹。鑒于此,存儲(chǔ)器專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)主要定位于四個(gè)方面:①了解主要半導(dǎo)體廠商的存儲(chǔ)器產(chǎn)品,在進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)能根據(jù)系統(tǒng)要求合理選擇存儲(chǔ)器型號;②掌握常用存儲(chǔ)器的操作方法,能夠熟練給出接口電路設(shè)計(jì)與讀寫程序,這是本專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn);③加深對各種接口時(shí)序與協(xié)議的理解,提高單片機(jī)與可編程器件應(yīng)用開發(fā)能力;④通過閱讀半導(dǎo)體廠商提供的技術(shù)文檔學(xué)習(xí)存儲(chǔ)器操作方法和應(yīng)用技術(shù),提高外文資料閱讀能力以及解決問題的能力,培養(yǎng)工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

2 存儲(chǔ)器專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

2.1 存儲(chǔ)器的選擇

目前在各類電子系統(tǒng)中,SRAM、EEPROM、Flash和SDRAM等類型的存儲(chǔ)器應(yīng)用非常廣泛。本專題針對這幾種類型的存儲(chǔ)器,介紹主要廠商的存儲(chǔ)器產(chǎn)品線,使學(xué)生對存儲(chǔ)器產(chǎn)品有總體了解;并在其中選擇若干型號,按照存儲(chǔ)器的操作復(fù)雜程度,安排基本型、提高型和設(shè)計(jì)型三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)?；拘秃吞岣咝蛯?shí)驗(yàn)主要是存儲(chǔ)器讀寫操作訓(xùn)練,設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)主要為應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1)基本型實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)器的選擇

基本型實(shí)驗(yàn)所用的存儲(chǔ)器為小容量、并行接口和讀寫操作簡單的存儲(chǔ)器?？蛇x擇型號如AT28C64(8k×8 bits EEPROM)、KM62256(32k×8 bits SRAM)、IDT7202(FIFO)、IDT7024(雙口RAM)以及AT29C040(512k×8 bits Flash)等。

2)提高型實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)器的選擇

提高型實(shí)驗(yàn)所用的存儲(chǔ)器包括I2C、Microwire、SPI等串行接口EEPROM和大容量Flash存儲(chǔ)器,可選型號如 AT24C16(16k bits I2C EEPROM)、X5045(512 Bytes SPI EEPROM)、93C46B(1k bits Microwire EEPROM)以及K9F1208U0C等。串行接口存儲(chǔ)器接口電路簡單,封裝尺寸較小,其讀寫須按照嚴(yán)格的串行協(xié)議,配合串行時(shí)鐘信號將數(shù)據(jù)逐位存入或取出。

K9F1208U0C是512M bits容量的Nand Flash存儲(chǔ)器,其地址線和數(shù)據(jù)線為復(fù)用的I/O線,以頁為單位讀寫數(shù)據(jù),以塊為單位擦除數(shù)據(jù)。地址和命令在I/O線上分次傳遞,數(shù)據(jù)寬度是8位。除此之外,在讀寫的時(shí)候,要根據(jù)Nand Flash管理規(guī)范檢測壞塊,對壞塊進(jìn)行標(biāo)志,操作較為復(fù)雜[3］。

3)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)存儲(chǔ)器的選擇

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在涵蓋前兩種實(shí)驗(yàn)所用存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)上,增加1-Wire EEPROM 和SDRAM,前者采用Maxim公司EEPROM DS2430A或iBitton DS1991,器件接口基于 1-Wire串行協(xié)議,該協(xié)議能夠通過一根信號線實(shí)現(xiàn)器件供電并雙向傳輸數(shù)據(jù)。

SDRAM 可選 Hynix公司 μ HY57V641620HG(4 Banks×1M×16bits)。SDRAM將存儲(chǔ)器分成很多獨(dú)立的小塊(Bank),由Bank地址線控制Bank間的選擇,每個(gè)Bank的數(shù)據(jù)的寬度和整個(gè)存儲(chǔ)器的寬度相同。SDRAM的行地址線和列地址線時(shí)分復(fù)用,尋址過程復(fù)雜;另外SDRAM 的刷新機(jī)制的控制過程也較為復(fù)雜[4］。SDRAM數(shù)據(jù)傳輸速率較高,對數(shù)據(jù)總線布局比較敏感,甚至關(guān)系到設(shè)計(jì)的成敗。

2.2 存儲(chǔ)器專題實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目按類型分為基本操作訓(xùn)練和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩類。

基本操作訓(xùn)練主要采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的讀寫,即能夠?qū)?shù)據(jù)寫入并讀出即可。

應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源或自主設(shè)計(jì)電路,實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng),將存儲(chǔ)器應(yīng)用技術(shù)體現(xiàn)在系統(tǒng)開發(fā)中,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目諸如點(diǎn)陣式LED顯示器的圖案與字符顯示、單片機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器擴(kuò)展、數(shù)字錄音與播放器、溫度記錄儀、基于iButton的巡更閱讀器和交換機(jī)計(jì)費(fèi)信息緩存器等;項(xiàng)目只提出系統(tǒng)要求,不指定存儲(chǔ)器型號,需要學(xué)生依據(jù)功能、電氣指標(biāo)和系統(tǒng)成本等因素,合理選擇存儲(chǔ)器型號;其中多個(gè)項(xiàng)目具有產(chǎn)品研制性質(zhì),這有利于激發(fā)學(xué)生興趣,培養(yǎng)工程素質(zhì)與創(chuàng)新精神。

3 教學(xué)資源與教學(xué)方法

3.1 教學(xué)資源

專題實(shí)驗(yàn)資源主要包含硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái),輔助、測試軟件,實(shí)驗(yàn)課題講義和芯片數(shù)據(jù)表等。實(shí)驗(yàn)主要基于單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除了單片機(jī)外,也支持 CPLD/FPGA、ARM嵌入式處理器,可供學(xué)有余力的學(xué)生選擇使用。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

平臺(tái)上設(shè)有多種類型存儲(chǔ)器,并具有A/D、LCD顯示、通信模塊等外圍資源,利于開展完整系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課題和驗(yàn)證,如利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的iButton DS1991、串行EEPROM 、時(shí)鐘/日歷芯片DS1302和串行口等部件可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)巡更閱讀器,對1-Wire等串行EEPROM的讀寫便體現(xiàn)在這一產(chǎn)品開發(fā)中。相關(guān)模塊(如LCD顯示和串行通信)的使用可視學(xué)生情況提供源程序支持,促進(jìn)學(xué)生完成存儲(chǔ)器應(yīng)用訓(xùn)練。測試軟件包含串口調(diào)試助手和溫度監(jiān)控上位機(jī)軟件等,用于對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測試,以便于快速準(zhǔn)確地判斷結(jié)果的正確性,給出成績評價(jià)。

3.2 教學(xué)方法

為了切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力,培養(yǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在教學(xué)方法上應(yīng)注意以下幾方面:①強(qiáng)調(diào)學(xué)生主體的原則,避免教師過多參與[5］;②充分開放實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)資源,便于學(xué)生查閱參考資料,有充足的時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)任務(wù),也可以對難度較大的項(xiàng)目進(jìn)行深入研究;③引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用仿真軟件如Proteus輔助設(shè)計(jì)調(diào)試,提高效率;④重視素質(zhì)訓(xùn)練,從分析協(xié)議時(shí)序、編程調(diào)試至報(bào)告撰寫,均給出要求。

[1］俞松坤,席潔.深化實(shí)踐教學(xué)改革 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J］.北京:中國大學(xué)教學(xué),2009,8:68-70

[2］李香萍,嚴(yán)明.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐[J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,10:117-119

[3］SAMSUNG.K9F1208X0C Data Sheet.http://www.Samsung.com

[4］段然,樊曉椏,張盛兵.基于狀態(tài)機(jī)的SDRAM控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J］.北京:計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005,41(17):110-113

[5］張智鈞.工科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的問題分析與改革探討[J］.北京:中國高教研究,2005,6:81-82