積木式多層級數(shù)字電路實驗箱

張翠翠, 張世嬌, 張鵬輝, 符 均

(西安交通大學 電子與信息工程學院, 陜西 西安 710049)

數(shù)字電路實驗課程是電類學生的必修課,是電類學生的實驗教學的基礎和核心,是可編程邏輯器件、DSP原理及應用、微機原理接口技術等應用類課程的基礎先修課。

電子技術的變化主要體現(xiàn)在以下幾個方面：電路設計高度復雜化、集成化、智能化,對運算速度的要求越來越高；設計工具的集成度和復雜度越來越高；設計方法發(fā)生了變革,電路設計軟件化、電路描述語言化；同時相關的儀器設備的復雜度提升。隨之,數(shù)字電路設計的教學開始由偏重電路向偏重邏輯發(fā)展,由中小規(guī)模數(shù)字電路向超大規(guī)模數(shù)字電路發(fā)展,由手工設計向自動化設計發(fā)展[1-3],向業(yè)界主流工程技術看齊。 同時,考慮到信息多元化時代下當代大學生的個性化及自我意識增強等特點,我校數(shù)字電路實驗課程從實驗內(nèi)容、教學方法、實驗設備上探索新的改革[4-6]。實驗內(nèi)容方面,設計一套重基礎、靠近工程、富含活力的教學內(nèi)容體系,讓學生親自動手實現(xiàn)循序漸進地從基本動手能力的培養(yǎng)達到工程實踐能力培養(yǎng)的過渡；教學方法方面,結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂、微課視頻、線上線下的新型教學模式[7-9],設計針對性的教學方法,使教和學更有效；實驗設備方面[10-12],力求研制契合的教學設備,緊跟業(yè)界主流技術,激發(fā)學習興趣、調(diào)動學生的積極性、挖掘?qū)W生的潛力。為此,研制了積木式多層級數(shù)字電路實驗箱。

1 實驗箱設計

1.1 設計思想

在設計實驗箱時有兩個方面的考慮：一是便攜性,二是功能豐富性。隨著線上線下教學模式的發(fā)展,實驗設備需要方便攜帶,以其使用不受時間和空間的限制,這就要求實驗設備要小巧靈活且安全方便使用。但是小的設備很難保證其功能的豐富性,而本文設計的實驗箱必須是功能豐富的系統(tǒng)才能支撐起數(shù)字電路實驗教學、才能擔起學生電子技術工程能力的培養(yǎng)任務。便攜性和功能豐富性,兩者都不能丟棄。

經(jīng)過長時間的探索、試錯和選擇,實驗箱最終確定為積木式的設計架構。整個實驗箱設計多個積木塊,充實其功能,而在實際應用時針對特定的應用背景選取其中必要的積木塊搭建系統(tǒng),避免系統(tǒng)過于龐大。實驗箱的積木塊主要劃分為底板、基礎主控板、提高主控板、外設模塊?；A主控板和提高主控板自身是一個完備的系統(tǒng),可以帶出實驗室使用,也可以和外設模塊選擇性地插接到底板上,構成更豐富的系統(tǒng)?；A主控板體積小、復雜度低,可以完成數(shù)字電路實驗的基本實驗任務；提高主控板,體積較大復雜度高,可以實現(xiàn)較大規(guī)模的數(shù)字電路。底板是一塊插接板,負責各積木塊的插接以組成各式各樣的電路系統(tǒng)。外設模塊作為豐富實驗箱功能的主力軍,完成電路調(diào)理、傳感器接入等任務,隨應用即時添加擴展。

1.2 底板

底板主要負責各積木塊的插接,大小同A4紙,如圖1所示。

圖1 底板

特點如下：

(1) 板上含有電源模塊,5 V接入,提供5 V、3.3 V、2.5 V 3種電源輸出,供給其他積木塊使用；

(2) 板上有基礎主控板、提高主控板以及外設模塊的插接口；

(3) 板上有LED燈和7段數(shù)碼管、按鍵和撥位開關等輸入輸出部件,方便電路設計的結(jié)果驗證；

(4) 板上含有面包板,可手動搭建電路,提高電路設計的靈活性和完備性。

1.3 基礎主控板

基礎主控板定位為口袋實驗板,設計時主要考慮易用、好用、便攜,特設計為銀行卡般大小,可支撐基礎的實驗任務,如圖2所示。主要特點如下：

(1) 使用MAX V 系列中體積最小芯片類中資源最多的5M160ZE64,64個管腳,160個邏輯單元,程序掉電不丟失,不用外加配置芯片,減少板子體積；

(2) 板上設計有USB-Blaster下載調(diào)試器,無需外配下載器,方便程序下載調(diào)試；

(3) 板上含有LED燈、撥位開關、按鍵等基本輸入輸出部件,方便電路設計的結(jié)果驗證；

(4) 板載USB-UART串行通信,實現(xiàn)板與PC之間、板與板之間的通信互聯(lián)；

(5) 板上引出主控芯片的40個IO到插針上,方便與其他積木塊的連接。

圖2 基礎主控板

基礎主控板是一個獨立完備的系統(tǒng),鼓勵學生人手一個,帶出實驗室,也可插接到底板上與其他積木塊組成更豐富的電路系統(tǒng)。

1.4 提高主控板

提高主控板作為基礎主控板的補充,用于支撐較大規(guī)模電路設計和高速信號處理的實驗任務。較基礎主控板大,如移動硬盤大小,如圖3所示。

圖3 提高主控板

主要特點如下：

(1) 選用CYCLONE IV E系列的EP4C15F17C8芯片,資源豐富,可實現(xiàn)較大規(guī)模數(shù)字電路；

(2) 板上設計了高速ADC鏈路,125 MHz采樣率,可處理50 MHz帶寬的信號調(diào)理；

(3) 板上設計了高速DAC鏈路,250 MHz數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率,可輸出50 MHz帶寬的信號；

(4) 板上引出主控芯片的40個IO到插針上,方便與其他積木塊連接。

提高主控板的FPGA芯片是BGA封裝,該板子設計目標為高速信號處理,所以在設計時要充分考慮信號的完整性,板子使用4層板設計,嚴格按照高速信號設計的要求和規(guī)則來布局布線。提高主控板是一個完備的系統(tǒng),可獨立使用(鼓勵部分能力強的學生借出實驗室做電路設計和開發(fā)),也可以插接到底板上構成更豐富的系統(tǒng)。

1.5 外設模塊

為進一步擴展實驗箱的功能,增設外設模塊。外設模塊根據(jù)實際的應用按需即時添加。目前已有模塊如圖4所示。圖4中從左至右依次為跟隨比較模塊、高精度ADC、DAC模塊,旋轉(zhuǎn)編碼器輸入模塊、并行液晶顯示模塊。

圖4 外設模塊

外設模塊協(xié)同基礎主控板或提高主控板,完成更豐富的電路系統(tǒng)。圖5是外設模塊和基礎主控板插接到底板上的實物圖。

圖5 外設模塊和基礎主控板插接到底板上

2 積木式多層級實驗教學方案

不同積木塊的組合使用,可實現(xiàn)不同層級的實驗內(nèi)容,實現(xiàn)不同層級的實踐教學,如表1所示。

2.1 實驗箱的多層級設計

基礎主控板支撐中小規(guī)模和中低速度的電路設計,提高主控板支撐較大規(guī)模和高速電路設計；主控板配合外設模塊實現(xiàn)多種應用電路的設計；主控板配合外設模塊配合模擬調(diào)理電路實現(xiàn)模數(shù)混合應用電路的設計。

表1 多層級實驗教學方案

2.2 實驗內(nèi)容的多層級設計

實驗內(nèi)容分為驗證性、設計性、綜合性實驗?；A驗證性實驗是針對數(shù)字邏輯電路中的基礎知識設計的驗證性實驗,幫助學生通過實驗更直觀地認知和學習,屬于工程認知的范疇。設計性實驗是在掌握基礎理論知識的前提下,學生通過舉一反三進行自主的電路設計,屬于工程設計的范疇。綜合應用性實驗在前兩者的基礎上,結(jié)合各學科的知識,使用數(shù)字電路的知識解決實際的問題,屬于工程應用的范疇。

2.3 多層級的實踐教學

使用不同層級的積木版塊,搭建不同層級的電路系統(tǒng),完成不同層級的實驗任務,從工程認知、到工程設計、到工程應用,逐層培養(yǎng)學生的電子技術工程能力。依托積木式的多層級實驗箱,精心設計富含趣味性、探索性、挑戰(zhàn)性的實驗項目引發(fā)學生自主學習,為學生搭建工程學習階梯。

3 作品展示

實驗箱自2016年投入實踐教學以來,主要用于實驗教學、學生競賽、科技創(chuàng)新、教師競賽等。依托該實驗箱,產(chǎn)生了不少優(yōu)秀的實驗案例,并獲得了不少獎項。圖6是依托該實驗箱實現(xiàn)的數(shù)字鐘結(jié)果展示。該數(shù)字鐘使用基礎主控板或提高主控板配合底板完成,使用底板上的動態(tài)掃描數(shù)碼管做顯示。如果僅是實現(xiàn)一個數(shù)字鐘,基礎主控板的資源就足夠。若要為數(shù)字鐘加上多點鬧鈴、倒計時等豐富的功能,則需要提高主控板配合底板才能完成。該項實驗案例讓學生直觀感受功能實現(xiàn)與電路設計和資源占用三者之間的關系。該項實驗案例獲得2018年全國電工電子實驗教學案例競賽一等獎。

圖6 數(shù)字鐘

圖7是學生作品——電子稱。該作品使用面包板、高精度ADC模塊和基礎主控板完成。在面包板上搭建儀表放大器電路,對壓力傳感器的輸出信號進行去噪和放大,放大后的信號由ADC模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,得到的數(shù)字信號送給基礎主控板進行進一步的去噪和顯示處理,同時基礎主控板還完成去皮、單價設置等操作。圖7中示波器顯示的波形是壓力信號經(jīng)儀表放大器后的輸出信號,也是ADC模塊的輸入信號。

圖7 電子秤

圖8是學生作品——心率計。使用面包板和基礎主控板完成。使用紅外發(fā)光管和紅外接收管自制傳感器。將手指放在紅外對管之間,由于脈搏的跳動導致手指血液流動變化,接收管得到隨之變化的電壓信號。電壓信號經(jīng)過濾波、去噪、放大、遲滯比較后得到方波信號。方波信號交由基礎主控板進行頻率測量就可得到待測者的心率。圖8示波器波形中藍色線是去噪放大后的心率信號,黃色線是經(jīng)過比較器后得到的方波信號。

此外,該實驗箱中的提高主控板在陜西高校中青年教師實驗技能競賽中發(fā)揮了重要作用。比賽中,使用提高主控板完成了寬帶信號生成[11]和寬帶信號采集測量,達到了題目要求,最終獲得二等獎的成績。學生依托該實驗箱參加全國高校物聯(lián)網(wǎng)應用創(chuàng)新大賽、騰飛杯課外學術科技作品競賽、全國大學生電子設計競賽、大學生信息新蕾計劃、大學生創(chuàng)新訓練項目等多項競賽和科研活動,取得了不少成果。

圖8 心率計

4 總結(jié)

該實驗箱采用積木的設計思想,有效解決了便攜性和功能豐富性之間的矛盾,為線上線下、翻轉(zhuǎn)課堂等新型實踐教學模式提供了設備支撐,提高了實踐教學的教和學的有效性。

該實驗箱底板、基礎主控板、提高主控板均采用5 V/2 A直流供電,可以方便地使用電源適配器或移動電源供電。自研制開始,基礎主控板經(jīng)過5版的改良、提高板經(jīng)過3版的改進后,整個實驗箱開始投入實驗教學2年，總計400人次,學生反響良好。

同時該實驗箱在學生科技創(chuàng)新活動、學生競賽、教師競賽中積累了多項實驗案例,有多項成果,為實驗教學和科技創(chuàng)新的設備支撐,切實培養(yǎng)和提高了學生的創(chuàng)新精神和工程實踐能力。