張玉葉

（咸陽師范學院 物理與電子工程學院，陜西 咸陽712000）

電子設計自動化（EDA，Eleetronies Design Automation）課程是一門理論性和實踐性都很強的電子信息類專業(yè)的課程，它強烈地沖擊了傳統(tǒng)的電子設計方法，是當今電子技術(shù)設計的趨勢.EDA技術(shù)課程教學思路側(cè)重點不同，所取得的教學成果會有很大的區(qū)別，本文從EDA技術(shù)的課程理解入手，從多年從事EDA教學效果反饋切入，以激發(fā)學生學習興趣，提高教學質(zhì)量為目的進行了課程的反思與探索.

1 課堂教學

1.1 課程理解

EDA是計算機在工程技術(shù)上的一項重要應用.然而，很多教師在《EDA技術(shù)》課程的講授中，忽略了課程實質(zhì)的傳達，使得學生誤以為EDA就是掌握幾種常用電路設計軟件，例如Multisium，Max＋plusⅡ，Protel等，使學生誤解這門課程的真正意義.課堂教學中引入仿真軟件，目的之一通過虛擬仿真，使抽象的電路理論直觀地演示、開放性地展開探究，以達到激起學習興趣、提高課堂效率的目的；目的之二是這些虛擬的仿真對于實際的電路制作可以起到有效的指導作用，讓學生在動手設計制作電路時，能夠心中有數(shù).但是EDA技術(shù)卻并不是表面上理解的那樣簡單，EDA技術(shù)涉及內(nèi)容很多，既包括可編程模擬器件PAC的模擬電路設計，又包括可編程邏輯器件PLD的數(shù)字電路設計內(nèi)容.EDA涉及的前沿課程也很多，比如《電路分析》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》等電子技術(shù)系列基礎課程.筆者認為，從第一節(jié)課開始，就應該讓學生知道本門課程的學習思路，按集成電路設計全流程進行課程教學內(nèi)容安排是最理想的教學模式[1－2].

1.2 課堂教學

課堂教學既要重點突出，又要讓學生有熱情、肯主動思考.然而，《EDA技術(shù)》這門專業(yè)課信息量大，教學課時偏偏很少，對于電子類的專業(yè)課教師來說，這不能不說是一個巨大的挑戰(zhàn).

硬件電路設計的軟件化是EDA設計方法學的基本思想，也是電路設計的發(fā)展趨勢，用硬件描述語言來描述模擬數(shù)字電路系統(tǒng)是這一趨勢的重要組成部分.傳統(tǒng)的EDA技術(shù)課程設計內(nèi)容陳舊，只編寫Verilog HDL和功能仿真，學生覺得所學內(nèi)容枯燥.所以在授課時，讓學生掌握了Verilog HDL語言的基本規(guī)則后，如果選用與科研、生產(chǎn)和生活相聯(lián)系的課題，將所學知識設計一些能應用到實際生產(chǎn)的通用模塊，將會激發(fā)學生學習EDA的興趣.

例如設計一個具有4種信號燈的交通燈控制器設計，要求由一條主干道和一條支干道匯合成十字路口，在每個入口處設置紅、綠、黃、左拐4盞信號燈.紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮則給行駛中的車輛有時間停在禁行線外，左拐燈亮允許車輛向左拐彎.信號燈變換次序為:主支干道交替允許通行，主干道每次放行40s，亮5s紅燈讓行駛中的車輛有時間停到禁行線外，左拐放行15s，亮5s紅燈；支干道放行30s，亮5s黃燈，左拐放行15s，亮5s黃燈….各計時電路為倒計時顯示，如圖1所示[3].

圖1 交通燈控制器

設計若用單片機方案來實現(xiàn)的話，模型可以由電源電路、單片機主控電路、無線收發(fā)控制電路和顯示電路四部分組成.在電源電路中，需要用到＋5V的直流穩(wěn)壓電源，無線收發(fā)控制電路和顯示電路應由編碼芯片和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊兩部分組成，主控電路的主要元件為AT89C51.硬件設計完成后還要利用計算機軟件進行軟件部分的設計才夠?qū)崿F(xiàn)相應的功能.從這一課題出發(fā)，學生在學習了高級語言單片機之后，加上授課教師講授的基于FPGA的設計思路，學生肯定會提出以下問題:

1）既然單片機可以解決的問題，為什么要費工夫重新學習EDA的設計思路？在一些系統(tǒng)中MCU與CPLD／FPGA的功能是可以互補的.雖然利用單片機系統(tǒng)設計的交通燈控制器相對來說較穩(wěn)定，能夠完成較多功能的實現(xiàn)，但這些控制方法的功能修改及調(diào)試都需要硬件電路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系統(tǒng)設計與調(diào)試的困難.相反，使用基于FPGA的設計方法具有周期短、設計靈活、易于修改等明顯的優(yōu)點.而且，隨著FPGA器件、設計語言和電子設計自動化工具的發(fā)展和改進，越來越多的電子系統(tǒng)采用FPGA來設計，而且使用FPGA器件設計的產(chǎn)品將出現(xiàn)在各個領(lǐng)域里.

2）老師課堂上所講授的設計要點如何在實驗室里具體實現(xiàn)？按集成電路設計全流程，對于軟件使用操作，以及硬件描述語言設計輸入不需占用太多時間，學生們學過高級編程語言C語言，其開發(fā)系統(tǒng)以及編程比較熟悉.對于PLD軟件開發(fā)系統(tǒng)、硬件描述語言編程類似于高級編程語言，而且比較簡單.只要通過幾次實驗便可掌握.教師只要對軟件操作要領(lǐng)、描述語句的硬件特性強調(diào)一下，學生通過自學很快就會掌握.因此，在這方面不需多講甚至不講.對于設計流程應強調(diào)主要步驟:設計輸入、設計編譯查錯、功能軟件仿真、時序仿真、引腳設定和程序下載等設計步驟.每一步的目的、注意的環(huán)節(jié)等都要詳細講解.

2 實驗室運行

2.1 實驗室運行方式

傳統(tǒng)教學中，實驗教學和理論教學是分開的，《EDA技術(shù)》這門課程筆者的教學思路是理論和實踐絕不分開，理論教學的階段已經(jīng)給學生提供了一套按照集成電路設計流程講授的設計要點，接下來要在實驗室里完成設計，針對大量學生學習程度參差不齊與實驗室配備有限的矛盾，實驗室教學方式分為3個層次[4]:

1）基礎層次實驗，通過該層次訓練，使學生練習EDA實驗室預先安裝的幾種優(yōu)秀EDA軟件，包括:MUTISIM 2001模擬與數(shù)字電路仿真軟件、OrCAD／Pspice9通用電路仿真軟件、MAX＋plusⅡ10.0PLD開發(fā)軟件、QuartusⅡPLD開發(fā)軟件、modelsim VHDL／Verilog HDL仿真軟件.旨在培養(yǎng)學生運用現(xiàn)代化EDA軟件完成各種電子電路及系統(tǒng)的仿真功能.適合該層次實驗項目包括諸如半加器、全加器、分頻器、編碼譯碼器、乘法器、計數(shù)器等驗證性實驗.

2）應用層次實驗，該層次實踐訓練重點在于提高學生工程實踐能力.實踐訓練過程中，采用了虛實結(jié)合的方法，把虛擬的實驗電路和實際的器件結(jié)合起來，提高學生的實驗興趣以及動手能力.該層次的實驗設計理論和實踐的結(jié)合，要用到實驗室的綜合試驗箱，大致會包括諸如直流電機的PWM控制實驗、DDS設計實驗等實驗.這類實驗綜合性強，要求學生有一定的設計程序思路，通過實驗讓學生更清楚了解VHDL語言的編寫和調(diào)試，提高學生的動腦動手能力.

3）設計層次實驗，該層次的重點是對學生進行綜合性訓練.比如交通燈控制實驗，F(xiàn)PGA與單片機的通訊，時分秒可校定時器，步進電機控制等，綜合性強，對學生對教師要求都較高，這類實驗適合開放性實驗教學.

2.2 電子設計創(chuàng)新方向

一般而言，依據(jù)實驗箱的EDA實驗步驟:首先根據(jù)實驗要求寫好程序進行仿真，然后選擇實驗箱上電路連接模式，鎖定管腳，下載程序進行驗證.這樣做可以省略硬件制作過程和調(diào)試工作，學生每次做完實驗只能體驗到軟件的調(diào)試過程，對FPGA電路部分設計和調(diào)試一無所知.所以電子設計創(chuàng)新的方向應該是指導學生從器件的選型→電路原理圖的設計→PCB設計→電路板的制作→元件的焊接→程序的設計和調(diào)試→整機調(diào)試，這樣的流程來做.通過實驗，讓學生能夠了解FPGA最小系統(tǒng)的構(gòu)成原理，電路設計方法和調(diào)試技巧，培養(yǎng)學生的學習積極性和探索精神[5].

針對電子設計創(chuàng)新方向，建立EDA創(chuàng)新實驗室，主要針對對EDA技術(shù)特別感興趣的學生，在校期間積極參加大學生電子設計競賽的學生，培養(yǎng)學生的吃苦耐勞、堅持創(chuàng)新的精神.一般而言，能夠堅持不懈在電子設計創(chuàng)新實驗室努力工作的大學生，創(chuàng)新能力都會有很大地提高.

3 結(jié)語

模擬電路設計、數(shù)字電路設計以及數(shù)模混合電路系統(tǒng)設計的全流程工作中，EDA技術(shù)都參與其中.無論在課堂教學還是在實踐教學中，若想要激發(fā)學生的興趣，讓學生主動動腦，必須設計由簡單到復雜的電路系統(tǒng)，讓學生自己參與其中，體會自己動手過程的結(jié)果.電子設計創(chuàng)新教育不但強調(diào)電子系統(tǒng)設計的全流程思路，更強調(diào)實踐階段的全流程動手過程.電子系統(tǒng)設計的創(chuàng)新方向促使教師對教學研究的深入探索，促使學生對工科知識的質(zhì)的提高.

[1]徐武雄.從全國大學生電子設計競賽看教學改革[J].科技資訊，2006，10:45－46

[2]劉興華.電子設計競賽對電子信息專業(yè)實驗課改革的啟示[J].攀枝花學院學報，2006，27（10）:1 373

[3]全國大學生電子設計競賽組委會編.全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編[M].北京:北京理工大學出版社，2004

[4]孫 航.Xilinx可編程邏輯器件的高級應用及設計技巧[M].北京:北京電子工業(yè)出版社，2004

[5]趙 升，吳初桂.電子設計競賽的研究與實踐探究[J].溫州師范學院學報（自然科學版），2006，28（3）:613