陳 捷

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

可編程器件的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)

陳 捷

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

根據(jù)大學(xué)本科教學(xué)計(jì)劃和可編程器件實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，開展了基于可編程器件的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)。由于可編程器件綜合實(shí)驗(yàn)題目的設(shè)計(jì)代碼最終要下載至可編程器件硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)效果直觀，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性。學(xué)生通過可編程器件綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)能較好地掌握運(yùn)用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)既定電路或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。通過多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果不斷進(jìn)行改進(jìn)，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

可編程器件；綜合實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué);建設(shè)

1 可編程器件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容

集成系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)是同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)自動(dòng)化、電子與信息類專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。為了配合教學(xué)，開設(shè)了可編程器件實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程?？删幊唐骷?shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要由下述三部分組成。

(1)可編程器件開發(fā)、設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)的學(xué)習(xí)和使用，學(xué)習(xí)掌握開發(fā)平臺(tái)的原理圖設(shè)計(jì)輸入、硬件描述語言設(shè)計(jì)輸入及狀態(tài)圖設(shè)計(jì)及軟件仿真的操作。

(2)基于硬件描述語言的簡(jiǎn)單數(shù)字電路設(shè)計(jì)。通過這部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生能熟練應(yīng)用先前所學(xué)的可編程器件開發(fā)軟件平臺(tái)，并學(xué)習(xí)可編程器件硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的使用。通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能將教材上所學(xué)的用硬件語言描述的分頻器、計(jì)數(shù)器、選擇電路、掃描電路、譯碼電路、邏輯電路、控制電路等基本數(shù)字電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用于具體電路的設(shè)計(jì)[1-2]。通過可編程器件芯片與外圍電路的接口檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的結(jié)果，對(duì)可編程器件的設(shè)計(jì)方法及硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的使用及用硬件描述語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件電路功能的設(shè)計(jì)流程有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)。

(3)綜合實(shí)驗(yàn)部分。要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書所給的綜合設(shè)計(jì)題目，構(gòu)思、設(shè)計(jì)電路框圖及各個(gè)模塊，通過硬件實(shí)驗(yàn)裝置上的可編程器件及外圍設(shè)備：按鍵、按鈕、鍵盤、LED燈、六位七段數(shù)碼顯示器、LCD液晶顯示器、8×8點(diǎn)矩陣LED顯示屏、蜂鳴器等來驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，通過軟件開發(fā)平臺(tái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)邏輯編譯、優(yōu)化、分割、綜合及結(jié)構(gòu)布線、最終將設(shè)計(jì)下載至可編程器件硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置，完成既定電子電路設(shè)計(jì)[3-4]。使學(xué)生通過該部分實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙容^好的掌握運(yùn)用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)既定電路或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2 可編程器件綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置原則

綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)置要根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排學(xué)時(shí)，對(duì)于單獨(dú)設(shè)置可編程器件課程設(shè)計(jì)課程一般要求學(xué)生完成3～4個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；如果實(shí)驗(yàn)課時(shí)只有12學(xué)時(shí)要求完成一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)程由淺入深地安排，能使學(xué)生從設(shè)計(jì)平臺(tái)使用開始，結(jié)合課堂教學(xué)應(yīng)用數(shù)字電路硬件描述語言進(jìn)行電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)所設(shè)計(jì)的電路模塊用軟件仿真來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否與要求相符。對(duì)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能是否達(dá)標(biāo)。要求學(xué)生根據(jù)硬件出現(xiàn)的問題自行分析、調(diào)試、修改和最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。綜合題如果要求完成3～4個(gè)的則其中有一個(gè)是規(guī)定必須完成的，其余可以自己選擇感興趣的題目，給學(xué)生有自己的空間和自由度。實(shí)驗(yàn)要求是完成的質(zhì)量而不是數(shù)量，如果學(xué)生對(duì)題目功能進(jìn)行拓展，思路合理、構(gòu)思有個(gè)性，并能最終實(shí)現(xiàn)，則根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)的工作量可以適當(dāng)減少完成實(shí)驗(yàn)的數(shù)量。

3 可編程器件綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐

綜合實(shí)驗(yàn)會(huì)接觸到一些具體項(xiàng)目的工作原理，例如，音樂發(fā)生器中樂譜的節(jié)拍時(shí)間應(yīng)該如何設(shè)置，如果沒有學(xué)過樂理知識(shí)就會(huì)不明白設(shè)置方法。同樣還有8×8點(diǎn)陣顯示器電路的工作原理、鍵盤輸入和顯示電路的工作原理也必須弄明白才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)綜合題的特點(diǎn)對(duì)各題中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)上課時(shí)先進(jìn)行仔細(xì)講解，并同時(shí)要求學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)題目自己收集相關(guān)資料來弄明白設(shè)計(jì)原理、構(gòu)思設(shè)計(jì)思路完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

在講課過程中，主動(dòng)提問，形成互動(dòng)教學(xué)。對(duì)學(xué)生有新想法、新的設(shè)計(jì)思路予以肯定，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。鼓勵(lì)學(xué)生用自己的想法結(jié)合實(shí)際硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。但對(duì)學(xué)生不理解的部分，以自己實(shí)驗(yàn)教學(xué)的多年經(jīng)驗(yàn)詳細(xì)講解，有時(shí)也用相互討論的方法解答。對(duì)于 “鍵盤輸入及顯示”綜合實(shí)驗(yàn)，為了學(xué)生幫助了解鍵盤的工作原理，而且對(duì)硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的外圍接口電路也有一定的了解。因此在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中給了學(xué)生一個(gè)鍵盤工作原理的圖框，目的是幫助學(xué)生由淺入深學(xué)習(xí)和掌握設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜功能電路的方法和步驟。

由于綜合實(shí)驗(yàn)最終要求將設(shè)計(jì)結(jié)果下載至硬件驗(yàn)證裝置，通過可編程器件芯片的外圍硬件運(yùn)行來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確，因此對(duì)學(xué)生而言有一定的挑戰(zhàn)性。實(shí)驗(yàn)中往往會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的問題，硬件驗(yàn)證結(jié)果與設(shè)計(jì)要求不一致。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的完成需要各個(gè)不同功能的模塊發(fā)揮不同的作用，并且能夠正確地結(jié)合在一起，需要整體構(gòu)思來達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模灰幸粋€(gè)模塊無效或者功能不全，就可能出現(xiàn)偏差以致無法得出正確的結(jié)果。某些微小的差錯(cuò)，很容易被忽視，但可能就是至關(guān)重要的。例如，在課堂上講的電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)，如果在實(shí)際應(yīng)用中選擇錯(cuò)誤，就會(huì)使電路無法正常工作；鍵盤輸入輸出顯示控制電路中的移位寄存器的應(yīng)該設(shè)置成使能信號(hào)邊沿到時(shí)工作，如果沒有這一步，會(huì)導(dǎo)致移位寄存器不能移位，無法得到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；同樣，頻率計(jì)中的控制模塊的數(shù)據(jù)采集刷新信號(hào)如果采用電平控制也會(huì)導(dǎo)致頻率計(jì)工作不正常；還有時(shí)序問題，6個(gè)LED數(shù)碼管的串行掃描時(shí)間設(shè)置頻率太低6個(gè)數(shù)碼管中只有一位輪流點(diǎn)亮，頻率過高數(shù)碼管會(huì)暗淡；鍵盤中的復(fù)用輸出端口作為鍵盤行掃描與控制模塊時(shí)鐘設(shè)置不合理會(huì)產(chǎn)生按鍵與顯示的錯(cuò)位等，這些問題如果沒有硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置是無法觀察到的。因此，有硬件驗(yàn)證對(duì)學(xué)生而言比光通過軟件仿真更與實(shí)際貼近。

剛開始綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)，很多學(xué)生都覺得很難，心里沒底。通過課堂講解后，學(xué)生感覺自己可以完成，再通過編程、調(diào)試、修改硬件驗(yàn)證中存在的錯(cuò)誤最后硬件驗(yàn)證成功后，學(xué)生都非常有成就感。學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性大大提高。當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，要求學(xué)生能自行想法解決，這是培養(yǎng)學(xué)生綜合分析與解決問題的一個(gè)手段，能增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際操作能力。

實(shí)驗(yàn)過程要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)、查找相關(guān)信息資料仔細(xì)分析、研究解決問題，如果還有問題，教師會(huì)給予指導(dǎo)。學(xué)生通過問題自我解決，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的積極性。由于最終要求將設(shè)計(jì)下載至硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置中的可編程器件芯片，通過可編程器件芯片與外圍電路的接口檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過程軟硬結(jié)合，實(shí)驗(yàn)效果直觀，學(xué)生對(duì)可編程器件綜合實(shí)驗(yàn)普遍反映較好。很多學(xué)生為了盡早完成實(shí)驗(yàn)，會(huì)自己下載設(shè)計(jì)軟件，平時(shí)利用課余時(shí)間編程、調(diào)試。在實(shí)驗(yàn)室開放日到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的人數(shù)大大增加。還有不少學(xué)生主動(dòng)在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)時(shí)間來實(shí)驗(yàn)室做一些實(shí)驗(yàn)課要求以外的綜合實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生普遍認(rèn)為綜合實(shí)驗(yàn)中有些題目難度較大，但也很有趣。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軐⑺鶎W(xué)理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際電路的設(shè)計(jì)。通過前面的一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、硬件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)較好掌握了可編程器件開發(fā)軟件的使用和硬件描述語言的應(yīng)用以及硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的使用。而綜合實(shí)驗(yàn)不僅在內(nèi)容上把前面那些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提高到一個(gè)綜合的高度，而且電路的設(shè)計(jì)更有針對(duì)性、實(shí)用性更強(qiáng)。

為了使學(xué)生對(duì)可編程器件的實(shí)際運(yùn)行電路有一個(gè)基本認(rèn)識(shí)，還將可編程器件引腳與外圍硬件連接電路圖發(fā)給學(xué)生，通過圖紙使學(xué)生對(duì)硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置上可編程器件與外圍電路如：N位串行數(shù)碼管顯示的硬件電路、4×3鍵盤的硬件電路、帶指示燈的按鍵硬件電路、蜂鳴器硬件電路等有一個(gè)了解。明白可編程器件實(shí)現(xiàn)的功能不是僅靠可編程器件引腳與對(duì)應(yīng)的輸出、輸入設(shè)備直接連接就可以運(yùn)行的。實(shí)際電路中要根據(jù)不同的輸出硬件電路的功能中間還要設(shè)置其他芯片，例如：8位七段譯碼器要正常運(yùn)行中間還要設(shè)置3～8譯碼電路芯片、施密特觸發(fā)器芯片、總線收發(fā)器芯片、驅(qū)動(dòng)電路芯片。蜂鳴器要正常工作其音頻信號(hào)是可編程器件發(fā)出頻率信號(hào)，通過由場(chǎng)效應(yīng)管芯片、施密特觸發(fā)器芯片、電阻及電容組成的放大電路來驅(qū)動(dòng)的[5-6]。

4 結(jié)束語

可編程邏輯芯片設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)順應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，將新技術(shù)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與可編程器件的技術(shù)發(fā)展保持密切關(guān)聯(lián)。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不斷要補(bǔ)充新的內(nèi)容和采用高版本的開發(fā)軟件平臺(tái)。例如XILINX公司高版本的ISE開發(fā)軟件不再有TEST BENCH WAVEFORM選項(xiàng)，測(cè)試、仿真需要自己編寫測(cè)試代碼。因此，現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)中就增加了用硬件描述語言寫仿真代碼的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。硬件實(shí)驗(yàn)裝置原有的可編程器件芯片在高版本的開發(fā)軟件中型號(hào)已不支持，為了繼續(xù)使用將核心板重新設(shè)計(jì)、制作，新的核心板采用新型號(hào)的可編程器件芯片，使原有硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過更換新的核心板還可以繼續(xù)使用。

作為實(shí)驗(yàn)教師要不斷進(jìn)取和學(xué)習(xí)，才能提高自己的專業(yè)知識(shí)水平和業(yè)務(wù)能力，并充分關(guān)注并了解這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展，只有這樣才能較好的指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使學(xué)生通過可編程邏輯芯片設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，掌握可編程邏輯芯片的設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用，并具備一定的工程意識(shí)，養(yǎng)成善于思考、探索和勇于創(chuàng)新的精神。

[1]Volnei A. Pedrom.《VHDL數(shù)字電路設(shè)計(jì)教程》[M].喬廬峰，王志功，譯北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2]羅勝欽.系統(tǒng)芯片(SOC)設(shè)計(jì)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]唐小華，楊懌菲，張亞婷.數(shù)字電路與EDA實(shí)踐教學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4]孟慶斌，司敏山，EDA實(shí)驗(yàn)教程[M].天津：南開大學(xué)出版社，2011.

[5]何賓.Xilinx可編程邏輯器件設(shè)計(jì)技術(shù)詳解[M].北京：清華大出版社出版，2010.

[6]侯伯亨，劉凱，顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科科技大學(xué)出版社，2009.

Developments of Comprehensive Experimental Projects Based on Programmable Logic Device

CHEN Jie

(School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A series of integrated experiment projects based on programmable logic devices have been proposed according to the teaching requirements of the undergraduate education program and the programmable logic devices experiment outline. Since the final design codes of each integrated experiment should be downloaded to the programmable logic devices for design verification, these projects enhance the visuality of experimentation and improve the learning passion of the students. Students can also have a better grasp of circuit and system design method using hardware description language through these integrated experiment projects. Years of experiment teaching practice have continuously improved and achieved a good experimental effectiveness of teaching through proper arrangement of experiment contents and experimental teaching methods.

programmable logic device; integrated experiment; experiment teaching;development

2014-03-27；修改日期: 2014-05-16

陳 捷(1959-)，女，本科，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

G642.423;G423.07

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.041