EDA技術(shù)在數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革中的探索與實(shí)踐

[摘 要]數(shù)字電路是電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其中數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)是該課程的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，具有理論性與工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。為了改進(jìn)數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)的教學(xué)，開展了將現(xiàn)代EDA技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革?？梢詫?shù)字電路課程設(shè)計(jì)分成兩個(gè)階段進(jìn)行：基于Multisim的仿真設(shè)計(jì)、基于FPGA的EDA設(shè)計(jì)，使學(xué)生既掌握扎實(shí)的數(shù)字電路理論基礎(chǔ)，又學(xué)習(xí)到現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的EDA設(shè)計(jì)技術(shù)，加強(qiáng)了學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字電路；教學(xué)改革；EDA技術(shù)；FPGA；Multisim

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）04-0118-02

一、引言

數(shù)字電路是電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其中數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)是該課程的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，具有理論性與工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)不但要求學(xué)生掌握實(shí)用數(shù)字電路的基本原理和設(shè)計(jì)方法，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字電路的分析、設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用的工程能力，培養(yǎng)學(xué)生在數(shù)字電路領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)手段、分析經(jīng)驗(yàn)、故障排查等綜合技能，以及跟蹤學(xué)習(xí)現(xiàn)代EDA設(shè)計(jì)技術(shù)。

傳統(tǒng)的數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)教學(xué)是基于固定功能的標(biāo)準(zhǔn)74系列芯片，要求學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)字電路課程中所學(xué)理論知識，獨(dú)立思考、分析、設(shè)計(jì)、組裝，“自下而上”地構(gòu)造具有一定功能的小規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方法有利于學(xué)生對數(shù)字電路基礎(chǔ)理論知識的理解與應(yīng)用，但是設(shè)計(jì)缺乏靈活性，教學(xué)內(nèi)容多年不變，設(shè)計(jì)題目單一，設(shè)計(jì)思路僵化，學(xué)生的設(shè)計(jì)方案雷同，功能難以進(jìn)行擴(kuò)展。這種設(shè)計(jì)方法需要的芯片品種多、數(shù)量大，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)效率低；電路可靠性比較差，電路連線復(fù)雜，查錯(cuò)、糾錯(cuò)比較困難，學(xué)生感到枯燥、乏味、缺乏創(chuàng)新。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在一定程度上制約了學(xué)生個(gè)性和創(chuàng)新思維的發(fā)展，缺乏對學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，課程設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)不能很好地實(shí)現(xiàn)，因此必須進(jìn)行改革。

針對數(shù)字電路傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的問題，西安郵電大學(xué)數(shù)字電路課程教學(xué)組采用現(xiàn)代EDA設(shè)計(jì)技術(shù)，兼顧數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法的傳統(tǒng)性與先進(jìn)性，進(jìn)行了“基于Multisim的仿真設(shè)計(jì)”、“基于FPGA的EDA設(shè)計(jì)”的教學(xué)改革。改革將數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)分成兩個(gè)階段進(jìn)行，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與Multisim仿真設(shè)計(jì)相結(jié)合，強(qiáng)化數(shù)字電路理論基礎(chǔ)，突破標(biāo)準(zhǔn)74系列芯片種類與數(shù)量的限制；并在QuartusII設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)，強(qiáng)化現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過仿真與實(shí)物制作的比較分析，促進(jìn)學(xué)生更好地了解工程設(shè)計(jì)實(shí)際所面臨的問題，有效地進(jìn)行工程素養(yǎng)培養(yǎng)。這種教學(xué)改革具有實(shí)際教學(xué)可行性、教學(xué)內(nèi)容連貫性、設(shè)計(jì)方法實(shí)用性的特點(diǎn)，教學(xué)效果良好。

二、基于Multisim的仿真設(shè)計(jì)

Multisim是美國NI公司推出的以Windows為平臺的虛擬仿真平臺。它可以對模擬、數(shù)字和模擬/數(shù)字混合電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。它的特點(diǎn)是界面直觀、元器件庫豐富、虛擬儀器儀表齊全、元件放置及連線簡便、電路分析功能及作圖功能強(qiáng)大、電路圖的創(chuàng)建、測試分析和仿真結(jié)果一體化。

數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)首先基于Multisim進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。教師規(guī)定各個(gè)設(shè)計(jì)課題的具體要求，分析一些涉及各個(gè)設(shè)計(jì)課題的關(guān)鍵知識點(diǎn)。學(xué)生可以進(jìn)行自由選題，在理解設(shè)計(jì)課題的基礎(chǔ)上，構(gòu)建設(shè)計(jì)思路，使用Multisim進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。在Multisim仿真設(shè)計(jì)階段，提供基礎(chǔ)性與擴(kuò)展性相結(jié)合、仿真性與工程性相結(jié)合的設(shè)計(jì)課題，強(qiáng)化數(shù)字電路基礎(chǔ)理論知識，注重學(xué)生創(chuàng)新與工程能力的培養(yǎng)。

在基本設(shè)計(jì)課題的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展設(shè)計(jì)功能。要求學(xué)生完成基本設(shè)計(jì)課題電路功能后，完成一定的擴(kuò)展功能的設(shè)計(jì)。例如在“搶答器設(shè)計(jì)”課題中，基礎(chǔ)要求為4人搶答器，擴(kuò)展要求為8人搶答器，搶答時(shí)間從遞增計(jì)數(shù)改為遞減計(jì)數(shù)；在“交通燈控制器設(shè)計(jì)”課題中，基礎(chǔ)要求為單路時(shí)間顯示，擴(kuò)展要求為兩路時(shí)間顯示，并增加單向交通管控功能；在“多路彩燈控制器設(shè)計(jì)”課題中，基礎(chǔ)要求為三種花型的8路彩燈，擴(kuò)展要求為五種花型的16路彩燈；在“數(shù)字頻率計(jì)”課題中，基礎(chǔ)要求為被測信號頻率為1Hz～9999Hz，擴(kuò)展要求為被測信號頻率為1Hz～999999Hz。設(shè)計(jì)題目的基礎(chǔ)性與擴(kuò)展性，有利于促進(jìn)學(xué)生基本理論知識的強(qiáng)化與實(shí)踐綜合能力的培養(yǎng)。

同時(shí)從提高實(shí)際工程素養(yǎng)和訓(xùn)練工程應(yīng)用能力出發(fā)，將Multisim仿真教學(xué)和工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。Multisim仿真軟件容錯(cuò)功能強(qiáng)大，但也存在仿真設(shè)計(jì)上的一些工程設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)問題。學(xué)生所缺少的工程能力不能完全依靠仿真獲得，還需要教師從工程實(shí)踐角度進(jìn)行指導(dǎo)。例如在“交通燈控制器設(shè)計(jì)”中，Multisim仿真還需要注意一些工程細(xì)節(jié)。

1.對于555多諧振蕩器設(shè)計(jì)模塊，電阻、電容的選取應(yīng)該根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行合理參數(shù)選取，既需要考慮輸出波形的頻率、占空比的精度，又需要考慮電阻電容的標(biāo)稱值。

2.對計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)模塊，中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器的種類繁多，例如74161、74163、74393、7493等，應(yīng)綜合考慮各種計(jì)數(shù)器功能、價(jià)格、復(fù)雜度等因素，進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

3.對于顯示譯碼模塊，要根據(jù)具體的七段數(shù)碼管的共陰極和共陽極種類進(jìn)行選取，使用共陰極數(shù)碼管可選擇7448，使用共陰極數(shù)碼管可選擇7447。

4.對于數(shù)碼顯示模塊，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合選取一定型號的七段數(shù)碼顯示管，數(shù)碼管功率大小決定是否加功率驅(qū)動(dòng)電路，以及合理的限流電阻選取。

三、基于FPGA的現(xiàn)代設(shè)計(jì)

在課程設(shè)計(jì)Multisim仿真設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，進(jìn)入第二階段的設(shè)計(jì)：基于FPGA的EDA設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)階段，學(xué)生對設(shè)計(jì)課題已經(jīng)有了充分的認(rèn)識，可以突破74系列芯片的限制，采用VHDL語言進(jìn)行高效的EDA設(shè)計(jì)，這能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，啟發(fā)學(xué)生的思維和想象，有力地促進(jìn)學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐能力和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在該設(shè)計(jì)階段，要求學(xué)生由上而下將設(shè)計(jì)課題劃分為各個(gè)功能模塊，并在QuartusII軟件中，采用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊功能；頂層電路圖可以采用語言或者原理圖輸入方式，之后進(jìn)行設(shè)計(jì)的編譯、仿真，最后將編譯后的文件燒寫到實(shí)驗(yàn)平臺的FPGA目標(biāo)芯片中，從而完成數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。FPGA芯片的I / O接口與輸入輸出器件采用固定的連接方式，不需要進(jìn)行復(fù)雜的手工連線，學(xué)生不再受到芯片種類、連線故障、硬件電路故障等困擾，能將精力主要集中于數(shù)字系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，這可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過課程設(shè)計(jì)中的FPGA設(shè)計(jì)，使學(xué)生學(xué)習(xí)到現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，跟蹤現(xiàn)代數(shù)字電路發(fā)展的技術(shù)潮流，對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、提高實(shí)際工程素養(yǎng)和訓(xùn)練工程應(yīng)用能力起到重要的促進(jìn)作用。

針對課程設(shè)計(jì)的實(shí)際教學(xué)需求，我校數(shù)字電路課程教學(xué)組研制了以ALTERA公司EP3C10E144為核心的FPGA實(shí)驗(yàn)平臺，該實(shí)驗(yàn)平臺的主要資源有以下幾部分。

1.輸入接口：包括6位的獨(dú)立按鍵、10位的獨(dú)立開關(guān)、多時(shí)鐘信號（1Hz、10Hz、100Hz、1KHz、100KHz、1MHz、50MHz）、12位AD輸入等資源。

2.輸出接口：包括16個(gè)LED燈、4個(gè)獨(dú)立數(shù)碼管、8位動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管、12位DA輸出等資源。

3.下載與供電模塊：實(shí)驗(yàn)平臺中集成了USB BLASTER下載模塊，同時(shí)通過USB接口從PC中獲得+5V的電源，方便學(xué)生對實(shí)驗(yàn)平臺的使用，有效地避免了多次插拔USB BLASTER造成的器件損壞。

實(shí)驗(yàn)平臺的資源滿足了“交通燈控制器設(shè)計(jì)”、“搶答器設(shè)計(jì)”、“數(shù)字鐘設(shè)計(jì)”、“多路彩燈控制器設(shè)計(jì)”、“信號發(fā)生器設(shè)計(jì)”、“電子密碼鎖設(shè)計(jì)”、“數(shù)字頻率計(jì)”、“數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)”等多個(gè)設(shè)計(jì)課題的需求。學(xué)生通過FPGA設(shè)計(jì)的實(shí)際程序下載，與第一階段的Multisim仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，能更好地了解仿真與工程設(shè)計(jì)的區(qū)別，掌握現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

四、結(jié)語

西安郵電大學(xué)進(jìn)行的數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革，從課程實(shí)際出發(fā)，切實(shí)實(shí)現(xiàn)理論知識和工程實(shí)踐相統(tǒng)一，以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、自主創(chuàng)新能力為目標(biāo)，引入現(xiàn)代EDA技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，這種教學(xué)改革收到了良好的教學(xué)效果，值得推廣。

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[責(zé)任編輯：陳 明]