可編程器件在電工電子實驗案例教學中的改革與探索

孫科學,郭宇鋒,劉芫健,肖 建,諶 靜

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210023)

可編程器件在電工電子實驗案例教學中的改革與探索

孫科學,郭宇鋒,劉芫健,肖 建,諶 靜

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210023)

針對目前高校電工電子實驗教學中存在的問題，該文從提高學生實踐動手能力出發(fā)，在電工電子實驗課程中引入可編程邏輯器件。把傳統(tǒng)電子電路設計與FPGA設計做了比較，鍛煉了學生基于模塊化設計數字電路的能力以及調測復雜電路的水平。將組合邏輯和時序邏輯結合，通過VHDL語言設計動態(tài)顯示典型案例，該案例可以作為其他單元電路設計的模板，突出了基于硬件描述語言設計硬件電路的靈活性。實踐表明，案例教學法作為一種交互式的教學方法，增強了學生學習的興趣，使學生主動參與學習，提高了學生對實際工程的認知能力和解決問題的綜合能力。

電工電子實驗；現場可編程門陣列；案例教學； 可編程器件

電工電子實驗是一門理論性、工程性、技術性、實踐性和實用性都很強的課程，在南京郵電大學是一門獨立設置的實驗課程，是一門重要的必修學科基礎課，同時也是江蘇省重點建設課程和省級精品課程。本課程被視為工科學生進入電子工程領域的入門課程，是聯系公共基礎課程和專業(yè)課程的重要橋梁。目前數字電路的發(fā)展日新月異，有必要對數字電路部分的實驗進行更新[1-4]。

隨著微電子設計技術和工藝的發(fā)展，數字集成電路從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、大規(guī)模超大規(guī)模集成電路(very large scale integrated circuit，VLSIC)，逐步發(fā)展到今天的專用集成電路(application specific integrated circuit，ASIC)。ASIC的出現降低了電子產品的生產成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，縮小了電子設計的物理尺寸。但ASIC設計周期長，改版投資大等缺陷也制約了其應用范圍。

可編程器件的開發(fā)可以用原理圖輸入的方法或者采用硬件描述語言(HDL)的方法設計。原理圖輸入可控性好，比較直觀，但設計大規(guī)模CPLD/FPGA時顯得很煩瑣，移植性稍差。HDL設計方法開發(fā)可編程器件可移植性好，使用方便，但直觀性不如原理圖。在稍復雜的FPGA/CPLD設計中，通常采用原理圖和硬件描述語言相結合的方法進行電路設計，適合用原理圖的地方就用原理圖，適合用硬件描述語言的地方就用硬件描述語言，并沒有強制的規(guī)范。在較短的時間內，用熟悉的工具設計出穩(wěn)定、高效并符合設計要求的電路才是設計人員的最終目的[5-6]。

在較為完整的實驗訓練中引導學生綜合運用數字電路的相關知識，讓學生了解電子電路實現方法的多樣性及根據工程需求比較選擇技術方案。學習時分復用技術的動態(tài)顯示原理，運用數字電路與邏輯設計理論和相關電子技術，按照分模塊設計與調測的方法[7-13]，完成4位數碼管動態(tài)顯示實驗。同時訓練學生的可編程器件的設計能力，基于硬件描述語言的邏輯設計能力，培養(yǎng)學生的數字電路設計和分析能力，提升學生硬件調測的工程素質。

本文以案例教學的方式體現可編程器件在現代數字電子電路中的應用，突出基于硬件描述語言設計硬件電路的靈活性。

1 電工電子實驗課程案例

本案例以動態(tài)顯示為例研究數字電路的設計方法，對傳統(tǒng)的基于中小規(guī)模集成電路的數字電路設計和基于可編程邏輯的現代數字電路進行對比，體現出現代數字電路設計的優(yōu)勢和特色。

動態(tài)顯示的特點是由位選線控制數碼管的有效顯示。這樣就沒必要每一位數碼管配備一個七段譯碼器，從而可以簡化硬件電路。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數碼管送出字形碼和相應的位選信號，利用發(fā)光管的余暉效應和人眼視覺暫留效果，給人的直觀感覺是多位數碼管同時顯示。

通過學習時分復用技術的動態(tài)顯示原理，運用數字電路與邏輯設計理論和相關電子技術，按照分模塊設計與調測的方法，完成4位數碼管動態(tài)顯示實驗。同時訓練學生的可編程器件的設計能力，基于硬件描述語言的邏輯設計能力以及培養(yǎng)學生的數字電路設計和分析的能力。

圖1 動態(tài)顯示電路系統(tǒng)結構圖

2 實施方案

2.1 基于中小規(guī)模集成電路實現

根據設計原理，將動態(tài)顯示分為計數控制模塊(7474)、位選模塊(74139)、數據選擇模塊(74153)和譯碼顯示模塊(7448，數碼管)4個模塊進行調測?？傮w電路通過Multisim11仿真，電路圖如圖2 所示。

2.2 基于FPGA實現4位動態(tài)顯示電路

2.2.1 基于VHDL硬件描述語言，采用層次化設計方法實現。

系統(tǒng)設計的頂層如圖3所示，其中的mux4(位寬為4 bit的4選1數據選擇器)模塊、Two_Bit_Counter(2位加法計數器)以及decoder(2-4線譯碼器)由VHDL硬件描述語言設計。由于這3個模塊實現起來比較簡單，在此不再列出VHDL語言代碼。將各底層模塊通過Create schematic symbol生成原理圖符號，通過原理圖輸入完成頂層設計。

圖2 基于中小規(guī)模集成電路實現4位動態(tài)顯示整體仿真圖

圖3 基于混合輸入的頂層設計原理圖

2.2.2 通過VHDL語言將該功能作為一個模塊進行設計。

設計由時序邏輯進程、模4計數器進程、2-4線譯碼器電路和數據選擇器構成，具體設計如下：

library IEEE;

use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

Use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity dyn_display is

Port (clk: in STD_LOGIC;

rst: in STD_LOGIC;

D3: in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);

D2: in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);

D1: in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);

D0: in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);

Ena_out : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);

D_out : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0));

end dyn_display;

architecture Behavioral of dyn_display is

signal cnt: std_logic_vector (1 downto 0)；

begin

Count: process (rst,clk) --計數器進程

begin

ifrst= ′0′ then

cnt<= "00";

elsifclk′event andclk= ′1′ then

cnt<=cnt+ ′1′;

end if;

end process;

withcntselect --組合邏輯，譯碼器

Ena_out<= "0111" when "00" ,

"1011" when "01" ,

"1101" when "10" ,

"1110" when others ;

mux_4: process (cnt,D3,D2,D1,D0) --組合邏輯，數據選擇器

begin

ifcnt="00" then

D_out <=D3;

elsifcnt="01" then

D_out<=D2;

elsifcnt="10" then

D_out<=D1;

else

D_out<=D0;

end if;

end process mux_4 ;

end Behavioral;

程序中D3、D2、D1、D0分別對應圖3中BCD3、BCD2、BCD1、BCD0,Ena_out對應圖3中Y0Y1Y2Y3,D_out對應圖3中DCBA。

2.2.3 基于FPGA方案的實驗仿真

激勵信號需給出待測模塊的所有輸入的邏輯關系，包括輸入數據信號D0、D1、D2、D3，時鐘信號clk、清零信號clr。測試仿真圖如圖 4所示。

圖4 4位動態(tài)顯示ISE仿真圖

3 結束語

把傳統(tǒng)的基于中小規(guī)模集成電路的電子電路設計與現代FPGA電路設計做比較，鍛煉了學生基于模塊化設計數字電路的能力以及調測復雜電路的能力。本實驗案例將組合邏輯和時序邏輯結合，通過VHDL語言設計這一典型案例，該案例可以作為其他單元電路設計的模板，突出了基于硬件描述語言設計硬件電路的靈活性。

案例教學法作為一種交互式的教學方法，引入到電工電子實驗課程的教學中，增強了學生學習的興趣，使學生主動參與學習，提高了學生對實際工程的認知能力和解決問題的綜合能力。

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[2]孫科學, 張瑛, 唐珂, 等.Multisim11在電工電子實驗中的應用[J].科技視界, 2014(34): 39-39.

[3]吳戈.新課程理念下改進電工電子實驗教學方法的研究[J].教育與職業(yè), 2011(36): 164-165.

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[5]彭安華.電工電子實驗教學改革探索[J].中國現代教育裝備, 2010(1): 97-99.

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[11]周莉莉, 周淑閣, 井娥林.FPGA課程教學方法的探討與研究[J].實驗室科學, 2013, 16(3): 65-66.

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A Reform and Exploration in the Electrical and Electronic Experimental Course Using FPGA

SUN Kexue, GUO Yufeng, LIU Yuanjian, XIAO Jian, CHEN Jing

(College of Electronics Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

Focus on the problems existing in the electrical and electronic experimental teaching in colleges and universities, in order to improve students’ practice ability, this paper introduces the programmable logic devices in electrical and electronic experimental course.The traditional electronic circuit design is compared with FPGA design, thus it exercises the students’ ability of designing digital circuit based on modular, and the debugging level for complex circuits.Combing the combinatorial logic with temporal logic, we design a typical case with the dynamic display using VHDL language.This case can be used as a template for other unit circuit design, and highlights the flexibility of designing a hardware circuit based on a hardware description language.Practice shows that the case teaching method, as an interactive teaching method, enhances students’ interest in learning and makes students take part in learning actively and improve students’ comprehensive ability of cognition and solving problems.

electrical and electronic experimental; FPGA; case teaching; programmable device

2015-06-05；修改日期:2016-11-25

江蘇省高等教育教改研究課題(2015JSJG226, 2015JSJG227)；電子信息類專業(yè)教學指導委員會研究課題(2016-Y14)；南京郵電大學重點教學改革項目(JG03314JX54, JG03314JX53, JG03315JX07)；南京郵電大學實驗室工作研究課題(2016XSG02)；江蘇高校品牌專業(yè)建設工程資助項目(TAPP)資助。

孫科學(1981-)，男，碩士，副教授，主要從事電子電路設計，嵌入式系統(tǒng)與通信軟件設計方面的研究。

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.025