基于EDA的數(shù)字電子技術(shù)實驗及其應(yīng)用

鐘曉旭

安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市軌道交通與信息工程系，安徽合肥，230051

數(shù)字電子技術(shù)實驗，一直以來都是高校電類專業(yè)的核心實驗課程之一，具有較強(qiáng)的實踐性。而在實際的實驗過程中，怎樣凸顯其實踐性特征，是一個急需解決的問題[1]。近些年，許多學(xué)者與高校以實驗教學(xué)作為教學(xué)創(chuàng)新的突破點，探索出了與自身特征相適宜的實驗教學(xué)模式[2]。EDA技術(shù)，也就是電子設(shè)計自動化技術(shù)，可以為數(shù)字電子技術(shù)實驗提供合理的、科學(xué)的平臺，將電子設(shè)計自動化技術(shù)引入到數(shù)字電子技術(shù)實驗當(dāng)中，可以大幅度提升學(xué)員的實踐應(yīng)用能力。

1 EDA技術(shù)

EDA技術(shù)，經(jīng)過了三個主要發(fā)展過程[3]：(1)CAD,計算機(jī)輔助設(shè)計階段；(2)CAE,計算機(jī)輔助工程設(shè)計階段；(3)EDA，電子設(shè)計自動化階段。就EDA的概念也有廣義與狹義兩種定義。廣義來講，EDA指的是現(xiàn)代電子自動化設(shè)計技術(shù)；狹義來講，EDA就是簡單地以計算機(jī)為基礎(chǔ)，以可編程元器件為設(shè)計對象，借助于硬件編程語言，以EDA軟件作為系統(tǒng)開發(fā)平臺，以實驗系統(tǒng)作為設(shè)計的工具。采用合適的EDA開發(fā)軟件，自動地完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計，從而得到具有一定功能的IES、集成電子系統(tǒng)或者ASIC等專用芯片。

1.1 常用的EDA軟件

現(xiàn)階段，國內(nèi)流行的、市場占有率高的EDA軟件主要有6種[4]：EWB、Multisim、Max+PlusⅡ、QuartusⅡ、Protel和Matlab。

EWB:是加拿大NI公司開發(fā)出來的，應(yīng)用在電子線路仿真領(lǐng)域，屬于虛擬電子的工作臺開發(fā)工具，后來升級成為“Multisim”。

Multisim:給出了類型相對完善、實用性更強(qiáng)的虛擬電子庫，以及一些名牌電子器件制造商產(chǎn)品的功能仿真。其人機(jī)交互界面合理，操作簡單，可以實現(xiàn)創(chuàng)建電路圖、電路的分析與仿真，并對其結(jié)果進(jìn)行分析輸出的完整功能。已經(jīng)十分接近于實際的實驗系統(tǒng)，可以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的打印輸出、繪制仿真結(jié)果曲線、列舉元器件清單等功能，在電路設(shè)計過程中十分有用，功能強(qiáng)大、實用。

Max+PlusⅡ:是Altera公司開發(fā)出來的，是目前應(yīng)用范圍最廣的EDA工具。其集成了幾種強(qiáng)大的功能：(1)電路的設(shè)計輸入；(2)編譯仿真；(3)編程下載?？梢詰?yīng)用于電路的設(shè)計、功能測試與功能演示場合。其設(shè)計輸入具有多種方式，可實現(xiàn)電路的時序分析，實驗結(jié)果簡單、直觀。

QuartusⅡ:是Altera公司開發(fā)出來的，它繼承了Max+PlusⅡ開發(fā)工具中的所有設(shè)計功能以及電子元件數(shù)據(jù)庫[5]，在此基礎(chǔ)上，新增了多種功能以及FPGA設(shè)備，對很多硬件編程語言兼容，具有很多高級的編程接口，與高級編程語言實現(xiàn)互聯(lián)?？蛇M(jìn)行多層次的仿真實驗，在數(shù)字電子技術(shù)實驗中占有重要地位。

Protel軟件:是目前國內(nèi)最為普及的電路設(shè)計軟件，可以實現(xiàn)這幾種功能：(1)繪制電路原理圖；(2)模擬電路仿真；(3)數(shù)字電路仿真；(4)混合信號仿真；(5)多層電路板的設(shè)計；(6)可編程電子元件設(shè)計；(7)圖標(biāo)生成等，在電路板的設(shè)計過程中應(yīng)用廣泛。通過對電子元器件、電路布局以及焊接技術(shù)的學(xué)習(xí)，可以提升學(xué)習(xí)者的電路設(shè)計能力以及實際的工程應(yīng)用能力。

Matlab：是Math Works公司開發(fā)出來的，屬于高效的工程設(shè)計工具[6]。該軟件集成有概率設(shè)計、電路的建模與仿真、算法設(shè)計等功能。其中的動態(tài)建模仿真工具包Simulink是Mtalab軟件的一大亮點。其借助于Matlab軟件極其強(qiáng)大的計算能力，并開發(fā)了交互仿真功能，可以實現(xiàn)動態(tài)仿真結(jié)果的直觀顯示，在動態(tài)建模、仿真時，是最值得推薦的工具。

1.2 各種EDA軟件工具的特點

目前的EDA軟件，雖然功能比較接近，但是各有各的特色。Multisim十分擅長于組合邏輯電路的設(shè)計;QuartusⅡ在研發(fā)完善的數(shù)字系統(tǒng)時特別有效；Matlab具有極其強(qiáng)大的動態(tài)仿真功能；Protel可以實現(xiàn)電路的自主設(shè)計，實踐意義顯著，具有理論聯(lián)系實際的效果。因而，對于數(shù)字電子技術(shù)中的不同功能需要，可以合理地選取EDA工具。如圖1所示，根據(jù)不同的設(shè)計需要所選取的EDA設(shè)計工具。

圖1 設(shè)計需要與所對應(yīng)的EDA工具

2 基于EDA技術(shù)的實驗構(gòu)架

目前，國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)出了虛擬的實驗平臺以及完整的數(shù)字電子技術(shù)的實驗平臺。就實驗內(nèi)容來說，它使得虛擬實驗內(nèi)容更為豐富、靈活，可以實現(xiàn)一些不具有實際條件的模擬實驗。

圖2 基于EDA的實驗平臺構(gòu)架

2.1 虛擬的數(shù)字電子技術(shù)的實驗構(gòu)架

本文選取幾種常用的EDA開發(fā)工具[7]：Multisim、QuartusⅡ、Protel和 Matlab來建立虛擬的數(shù)字電子技術(shù)的實驗平臺。其中，該虛擬的數(shù)字電子技術(shù)實驗平臺由兩部分構(gòu)成，第一部分：基于EDA的學(xué)習(xí)平臺，其中主要是實驗的仿真功能塊；第二部分：虛擬的實驗平臺，主要是實驗平臺信息的管理功能塊以及實驗的管理與評估功能塊。這兩部分功能塊之間需要進(jìn)行信息的交互，從而構(gòu)建起具有完善功能的、虛擬的、基于EDA技術(shù)的數(shù)字電子技術(shù)實驗平臺。具體的實驗平臺構(gòu)架見圖2所示。

2.2 各模塊框架

基于EDA的實驗平臺，其實驗仿真功能塊主要由4個部分構(gòu)成[8]：(1)獲取項目信息；(2)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)；(3)虛擬實驗的完成；(4)實驗結(jié)果的處理等。實驗參與人員借助于該虛擬實驗平臺得到相關(guān)的實驗內(nèi)容，通過基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，選取合適的EDA工具，完成將要進(jìn)行的實驗內(nèi)容，并將其實驗的數(shù)據(jù)、圖表以及一些原程序代碼、實驗中間圖紙、仿真參數(shù)以及仿真結(jié)果進(jìn)行保存或者紙質(zhì)輸出，并將其上傳至數(shù)據(jù)庫，便于以后查閱使用。如圖3為實驗仿真功能塊的實現(xiàn)路徑圖。

圖3 實驗仿真功能塊的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

其中，基礎(chǔ)學(xué)習(xí)由4個部分構(gòu)成:(1)EDA工具學(xué)習(xí)；(2)學(xué)習(xí)軟件編程語言；(3)熟悉實驗器件；(4)實驗理論知識學(xué)習(xí)等。EDA工具為Multisim、QuartusⅡ、Protel和Matlab。編程語言是現(xiàn)在應(yīng)用最多的匯編語言以及VHDL兩種語言。實驗器件主要是一些常用的數(shù)字芯片等。此外，系統(tǒng)中還可以下載到完善的數(shù)字實驗設(shè)計案例，案例中具有明晰的系統(tǒng)設(shè)計路線，以及系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)介紹等，便于實驗人員對數(shù)字系統(tǒng)的深刻理解，以及設(shè)計能力的提升。

實驗的管理與評估功能塊也是由4個部分構(gòu)成：(1)實驗項目內(nèi)容發(fā)布；(2)獲得實驗項目完成信息；(3)試驗項目的批閱；(4)實驗信息的管理。管理人員第一步需要將實驗內(nèi)容借助于該實驗平臺發(fā)送給相關(guān)的實驗人員。待實驗人員完成實驗項目以后，需要對實驗結(jié)果進(jìn)行拷貝，并將其錄入到數(shù)據(jù)庫中。圖4為管理與評估功能塊的組成結(jié)構(gòu)。

圖4 管理與評估功能塊的組成結(jié)構(gòu)

實驗平臺的信息管理功能塊由4個部分構(gòu)成：(1)注冊模塊；(2)登陸模塊；(3)實驗信息管理；(4)故障處理。其中，平臺信息管理功能塊的核心任務(wù)就是管理日常的實驗信息，比如，實驗人員的登陸與注冊、實驗平臺的資料下載以及實驗平臺的故障維護(hù)等。圖5為實驗平臺信息管理功能塊的組成結(jié)構(gòu)。

圖5 實驗平臺的信息管理功能塊的組成結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 語

虛擬的數(shù)字電子技術(shù)實驗平臺，是一種比較前沿的實驗?zāi)Ｊ健?chuàng)造了一個合理的、公開的、強(qiáng)實踐性的實驗環(huán)境。EDA技術(shù)的應(yīng)用，要針對不同的設(shè)計功能需求，選取合理的設(shè)計工具，才能設(shè)計出好的實驗系統(tǒng)。本文基于EDA技術(shù)設(shè)計了一種全新的實驗構(gòu)架，并給出了每個功能塊的實現(xiàn)路徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾飛，郭漢清.基于EDA技術(shù)的數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)實踐新思路[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2008(3):190-193

[2]王彩鳳，胡波，李衛(wèi)兵，等.EDA技術(shù)在數(shù)字電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2011(3):34-36

[3]文雯，李宏.基于CPLD數(shù)字電子技術(shù)實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].寧波大學(xué)學(xué)報：理工版,2008(4):143-145

[4]高歌，熊潔.重視EDA教學(xué)在數(shù)字電子技術(shù)課程中的作用[J].上海工程技術(shù)大學(xué)教育研究,2008(1):98-100

[5]陶彥輝，樂群，費新元，等.《數(shù)字電子技術(shù)》實驗教學(xué)改革的探索與實踐[C].//武漢(南方九省)電工理論學(xué)會第22屆學(xué)術(shù)年會,暨河南省電工技術(shù)學(xué)會年會論文集.鄭州：2010

[6]王樹昆，趙曉巍，王樹民，等.基于EDA技術(shù)的電路仿真設(shè)計和實驗[J].中國成人教育,2006(4):10-13

[7]顧平.以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革[J].貴州師范學(xué)院學(xué)報,2011(6):43-47

[8]劉文霞.EDA技術(shù)在數(shù)字邏輯實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].宜春學(xué)院學(xué)報,2011(8):90-92