EDA實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思考

武漢商學(xué)院 陳　 皓

EDA實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思考

武漢商學(xué)院 陳 皓

本文根據(jù)我校應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的發(fā)展需要，論述了建設(shè)EDA實(shí)驗(yàn)室的意義，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的現(xiàn)狀，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)與成果，以及實(shí)驗(yàn)室課堂教學(xué)效果。

EDA；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；應(yīng)用電子技術(shù)

1　 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目的及意義

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)，是為了實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)最底層硬件問題的技術(shù)，是電子工程設(shè)計(jì)的非常重要的手段， 也是應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)以及其它相近專業(yè)的大學(xué)生應(yīng)該掌握的一門基本的技術(shù)。作為一個(gè)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，EDA實(shí)驗(yàn)室可為眾多相關(guān)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)提供服務(wù)。EDA實(shí)驗(yàn)室提供了進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的全功能、全方位EDA工具，內(nèi)容覆蓋微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、FPGA／CPLD、EDA/SOPC、Quartus II課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)等。

EDA技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改革，將EDA技術(shù)引入高等院校的電子類的專業(yè)課程是十分必要的。EDA技術(shù)的快速發(fā)展, 使我國高校電子技術(shù)的教學(xué)面臨很大的挑戰(zhàn), 它對(duì)教學(xué)思路和實(shí)驗(yàn)手段等都提出了新的要求, 因此構(gòu)建一套適應(yīng)EDA技術(shù)人才培養(yǎng)要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系, 是一個(gè)非常重要的課題。我院的建設(shè)目標(biāo)是從培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力出發(fā)，考慮實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和體系，全面規(guī)范EDA實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，提供完備的EDA實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工具，在盡可能的情況下加快軟硬件環(huán)境的更新?lián)Q代，為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)提供豐富教學(xué)資源。

2　 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的現(xiàn)狀

《EDA技術(shù)》是機(jī)電學(xué)院的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的主干課程，長期以來沒有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)器材來輔助教學(xué)，教師只能在講臺(tái)上采用純理論教學(xué)，這樣理論與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)，教師花了很大功夫，但是不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的問題并給予合理的指導(dǎo)。課程學(xué)習(xí)難度大、實(shí)踐性強(qiáng)，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很吃力，很難達(dá)到人才培養(yǎng)的目的。

3　 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)

實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)是掌握以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，以EDA軟件工具為開發(fā)環(huán)境，以HDL為設(shè)計(jì)語言，以可編程器件為載體，以ASIC、SOC芯片為目標(biāo)器件，以電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)為應(yīng)用方向的電子產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)過程。掌握硬件描述語言，選擇目標(biāo)器件，在集成開發(fā)環(huán)境里進(jìn)行編譯，仿真，綜合，最后在線下載調(diào)試。項(xiàng)目建設(shè)完后專業(yè)有綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的課程比例為3:1。實(shí)驗(yàn)室建設(shè)涵蓋的實(shí)驗(yàn)課程名稱包括《EDA技術(shù)》《單片機(jī)技術(shù)》《微機(jī)原理與接口技術(shù)》。覆蓋專業(yè)是應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè),學(xué)生人數(shù)200人。開放時(shí)間為《EDA技術(shù)》實(shí)訓(xùn)課時(shí)間和電子專業(yè)技能實(shí)訓(xùn)時(shí)間。內(nèi)容為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和小型系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)象為應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)大二學(xué)生和大三學(xué)生。

4　 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成果

EDA軟件方面，全球許多著名EDA提供商都推出了自己的開發(fā)工具軟件，如Altera公司的Quartus Ⅱ軟件；Xilinx公司的Foundation軟件，Lattice公司的ispExpert軟件等。這些軟件的推出極大地促進(jìn)了EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)于一體的發(fā)展。我院實(shí)驗(yàn)室選擇了Altera公司的Quartus Ⅱ軟件。而硬件方面，可編程器件的內(nèi)部開始集成高速的處理器硬軟核、處理器、大量的存儲(chǔ)資源。根據(jù)學(xué)生的要求，我院選擇了浙江天煌公司的EDA嵌入式實(shí)驗(yàn)/開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)學(xué)生夠用，并且基于不同芯片的實(shí)驗(yàn)開發(fā)，易于升級(jí)，符合當(dāng)前高校在此方面對(duì)人才培養(yǎng)的要求。學(xué)生只需編寫硬件描述語言代碼，然后選擇目標(biāo)器件，在集成開發(fā)環(huán)境里進(jìn)行編譯，仿真，綜合，最后下載調(diào)試。

本實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)包括核心板和實(shí)驗(yàn)底板兩大部分，核心板主芯片使用Altera公司的Cyclone?系列FPGA器件EP1C12Q240（包括12,060Les，相當(dāng)于30萬門左右），集成度高，內(nèi)部資源可以滿足大部分的應(yīng)用場(chǎng)合。FPGA的大部分IO引腳通過兩排插針引出到實(shí)驗(yàn)底板上，同時(shí)核心板配有外圍存儲(chǔ)芯片flash、SRAM各一片，其中SRAM(16位)為512K，F(xiàn)LASH(8位)為2M，用于擴(kuò)展NiosII編程片上系統(tǒng)EDA設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)空間。其中配置芯片：EPCS4，4Mbit儲(chǔ)存量，支持AS和JTAG兩種配置模式，用戶可根據(jù)實(shí)際情況利用不同的下載口下載程序。實(shí)驗(yàn)底板其他的硬件資源還包括1個(gè)PS/2接口、A/D+D/A通用擴(kuò)展模塊、1個(gè)雙通道音頻輸入/1個(gè)雙通道音頻輸出接口、8個(gè)7段數(shù)碼管、8個(gè)LED、八位電平開關(guān)、彩屏顯示模塊、4×4鍵盤矩陣、USB的擴(kuò)展模塊 、8色VGA接口、交通燈模塊、下載電纜。EDA底板硬件結(jié)構(gòu)框圖參見圖1。

圖1　 EDA底板硬件結(jié)構(gòu)框圖

5　 實(shí)驗(yàn)室課堂教學(xué)效果

在教師的指導(dǎo)下，操作Quartus Ⅱ軟件，按照流程做完從新建文件，編譯，仿真，分配引腳等軟件操作部分的全過程。硬件方面，熟悉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，組成，了解各模塊的基本作用，了解主板I/O分布情況，認(rèn)識(shí)液晶屏，JTAG接口，邏輯筆，跳線等器件或組件。

根據(jù)學(xué)生情況和課時(shí)要求，我們?cè)?3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中選擇了以下15個(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。分別為門電路設(shè)計(jì)與仿真、組合邏輯電路設(shè)計(jì)與仿真、觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)與仿真、時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)與仿真、加法計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)、譯碼電路設(shè)計(jì)、3-8譯碼器電路設(shè)計(jì)、優(yōu)先編碼器74LS148設(shè)計(jì)應(yīng)用、74LS164控制電路設(shè)計(jì)、用硬件描述語言進(jìn)行數(shù)字鐘設(shè)計(jì)、BCD碼轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換10進(jìn)制電路設(shè)計(jì)、模擬交通燈電路設(shè)計(jì)、實(shí)用電梯控制器設(shè)計(jì)、NiosⅡ軟件設(shè)計(jì)與運(yùn)行流程。

為了提高了學(xué)生的實(shí)踐能力，課程考核總成績改為由平時(shí)成績、理論考核和實(shí)驗(yàn)三大部分組成，其中：平時(shí)成績占25%，理論考核占25%，實(shí)驗(yàn)占50%。這樣以便于更多的考核學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

實(shí)踐證明該系統(tǒng)將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)融合在一起，提高了實(shí)踐教學(xué)的效果，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，由于采用模塊化的結(jié)構(gòu)，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問題的綜合能力。該系統(tǒng)使用后結(jié)果發(fā)現(xiàn)90%以上的學(xué)生認(rèn)為該系統(tǒng)能幫助學(xué)生了解數(shù)字電路硬件結(jié)構(gòu)，能通過編程下載更好地理解老師上課時(shí)講解的理論知識(shí)，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于上課地點(diǎn)就設(shè)在實(shí)驗(yàn)室機(jī)房，學(xué)生能在理論課結(jié)束后立即投入到相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性得到很大的促進(jìn)。

6　 結(jié)束語

EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)室引入教學(xué)，強(qiáng)化了學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的主體地位，有利于學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為理論教學(xué)提供了強(qiáng)有力的輔助手段。建立EDA技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)極大地推進(jìn)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式的改革，在我院應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)中已初建成效。

[1]唐龍．EDA與傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)方法的比較[J]．常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,21(2):68-70．

[2]王艷春．EDA技術(shù)融入電子技術(shù)課程的探索[J]．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2009,7(6):89-101．

[3]孔龍．EDA技術(shù)與電子技術(shù)教學(xué)的整合[J]．科技教育創(chuàng)新,2010,14:319-322．

[4]辛修芳,李媛．EDA技術(shù)與數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的整合[J]．重慶電子工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,19(2) :155-157．

[5]張世德．EDA與電子技術(shù)實(shí)踐課程體系建設(shè)[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(4):89-90．

陳皓（1979—），男，武漢商學(xué)院講師，主要從事EDA技術(shù)、電子信號(hào)分析研究。