王紅航，劉　凱，鄧春健，楊健君，路月月

(電子科技大學　中山學院，廣東　中山　528402)

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提高綜合應用能力的實驗教學方法探討

王紅航，劉凱，鄧春健，楊健君，路月月

(電子科技大學中山學院，廣東中山528402)

摘要根據(jù)電子、通信等專業(yè)應用型人才培養(yǎng)模式要求，分析了傳統(tǒng)數(shù)字邏輯設(shè)計及應用課程實驗教學中存在的問題，應用已建成的數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學科研平臺，從FPGA外圍控制電路的教學入手，探討如何提高學生綜合應用能力。得出一種行之有效，即學生通過不斷實踐、模仿并最終能達到設(shè)計創(chuàng)新的實驗教學方法，從而提高了學生綜合應用能力。

關(guān)鍵詞應用型人才培養(yǎng)；數(shù)字電路設(shè)計；實驗教學方法；教學平臺

數(shù)字邏輯設(shè)計及應用是電子、通信、自動化、計算機等專業(yè)的一門重要學科基礎(chǔ)課程，是中山學院“3+6”核心課程和重點建設(shè)課程，是研究數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的入門課程，在相關(guān)專業(yè)都有重要應用。但目前數(shù)字邏輯設(shè)計及應用實驗仍采用傳統(tǒng)的試驗箱，學生做的實驗大部分依然是驗證性實驗，在實驗課上依然要花很多時間在連線上[1]，實驗的結(jié)果只是看一個現(xiàn)象，其收獲也僅僅是對課堂理論知識的一個實體化過程。隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)字電路課程的教學方法已經(jīng)不能滿足技術(shù)發(fā)展的需要[2]。如何提高學生的應用能力，除了理論課的各種教學手段外[2-7]，實驗教學方法更值得探究。

2013年，學校組織研發(fā)了“數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學科研平臺”。該平臺以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為核心，以綜合性、創(chuàng)新性實驗為導向，具有豐富的外設(shè)接口和豐富的設(shè)計資源，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路實驗設(shè)備的大部分實驗，卻具有傳統(tǒng)實驗設(shè)備無法實現(xiàn)的大部分功能[8]。該平臺能夠?qū)?shù)字電路設(shè)計下載到FPGA內(nèi)，通過外圍電路控制FPGA，從而驗證數(shù)字電路設(shè)計正確與否。借助該平臺，學生得以從繁重的插線工作中解脫出來，得以使用電子設(shè)計自動化(electronic design automatic，EDA)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計，使設(shè)計風格更靈活、設(shè)計效率更高效，更重要的是學生能將課程學習與外圍電路設(shè)計相結(jié)合，從而強化實踐應用能力。據(jù)此，我們探索出一套行之有效的實驗教學方法，學生能夠不斷實踐、模仿并最終達到設(shè)計創(chuàng)新，從而提高學生的應用能力。下面從4個方面說明該教學平臺的使用。

1FPGA輸出端口控制電路設(shè)計

常見的LED控制電路工作原理和連接方法是：LED正極通過限流電阻R1接電源，負極接FPGA控制端管腳PIN_n。當PIN_n為低電平時，LED發(fā)光；為高電平時，LED截止，不發(fā)光。有源蜂鳴器控制電路的工作原理和典型連接方法是：蜂鳴器的正極接電源，負極通過PNP三極管接地，PNP三極管的基極接FPGA控制管腳BUZZ。當BUZZ為低電平時，PNP三極管導通，蜂鳴器的負極等同于接地，使得蜂鳴器發(fā)出聲音；當BUZZ為高電平時，PNP三極管截止，蜂鳴器不響。

通過LED控制電路和蜂鳴器控制電路，讓學生理解FPGA輸出端口的數(shù)值可以由LED的亮與滅或蜂鳴器的響與不響等兩種任意對立的狀態(tài)來判定，也教會學生如何去控制外圍設(shè)備LED和蜂鳴器。更重要的是，學生通過簡單的“驗證輸出高低電平”實驗環(huán)節(jié)，能夠?qū)⑿酒c外圍LED燈、蜂鳴器和三極管的使用相結(jié)合，為電路設(shè)計打下基礎(chǔ)。

上述FPGA輸出端口的兩種控制電路，一種給予視覺信息，一種給予聽覺信息，均可實現(xiàn)高低電平標識，且兩種外設(shè)均可擴展。對視覺信號LED，若單個LED燈擴展為LED點陣，則可實現(xiàn)LED點陣的各種圖形輸出，如圖形、數(shù)字、字母和文字等；對聽覺信號蜂鳴器，若FPGA輸出信號并非單一的高低電平，而是不同頻率的方波信號，則可以實現(xiàn)音頻輸出，如各種動物的叫聲，各種音階和音色等。這些擴展若變換成課程設(shè)計，則只用傳授少量的概念和技巧，學生便能輕松完成設(shè)計任務(wù)。從簡單擴展到復雜，擴展到學生的生活領(lǐng)域，中間僅需幾個知識點，學生的興趣便會大大提高，學生的創(chuàng)新意識將會大大增強。

2FPGA輸入端口控制電路設(shè)計

單個按鍵控制電路的典型連接方法是：按鍵一端接FPGA管腳PIN_n，同時通過電阻接電源；另一端接地。當按下按鍵，F(xiàn)PGA的管腳PIN_n與地相連，按鍵輸出狀態(tài)為低電平；未按下按鍵時，由于上拉電阻的作用，按鍵輸出狀態(tài)為高電平。8位撥碼開關(guān)的一種電路連接方法是：連接線sw1～sw8分別與FPGA的8條管腳相連接，同時通過上拉電阻與電源相連接；撥碼開關(guān)一端與連接線sw1～sw8相連，另一端接地。當撥碼開關(guān)任意鍵n撥至ON側(cè)，sw n與地相接，sw n讀出低電平；反之，sw n通過上拉電阻作用，讀出高電平。

通過單個按鍵控制電路和撥碼開關(guān)控制電路，讓學生理解FPGA輸入端口的數(shù)值可以由按鍵或撥碼的動作給定，也教會學生如何通過外圍電路賦值高低電平于FPGA；更重要的是，學生通過簡單的“給定輸入高低電平”實驗環(huán)節(jié)，能夠?qū)⑿酒c外圍按鍵、撥碼的使用相結(jié)合，為電路設(shè)計打下基礎(chǔ)。

上述FPGA輸入端口的控制電路，均通過手動來實現(xiàn)。除此之外，晶振也可賦值FPGA高低電平，只是晶振給予的高低電平一般是指方波，且需要在使用的時候分頻或者倍頻，方便時序邏輯電路設(shè)計。

3FPGA引腳復用

“數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學科研平臺”不僅僅作為“基于FPGA 的數(shù)字邏輯電路實驗教學平臺”，還要作為“嵌入式系統(tǒng)教學科研平臺”，因此，其中FPGA芯片(cycloneII系列EP2C5Q208C8)208個管腳的使用是彌足珍貴的。試驗箱上共有8個LED燈，需要8個FPGA管腳，這8個管腳若只是用來點亮LED燈，則引腳資源匱乏。為了實現(xiàn)更多的功能，點亮8個LED燈的FPGA管腳需要復用。

如圖1所示，以單個LED的控制電路為例來說明LED的控制方法，PIN_n對應FPGA的n號管腳，DISP_CS為電源控制管腳。當DISP_CS輸出低

圖1　LED管控制電路

圖2　功能底板七段數(shù)碼管、矩陣LED片選控制

圖3　7段數(shù)碼管控制電路

電平時PMOS管導通，此時PIN_n控制LED管有效，實驗平臺功能底板七段數(shù)碼管、矩陣LED被禁用。圖2是功能底板七段數(shù)碼管和矩陣LED片選控制電路，當DISP_CS輸出高電平時NPN管導通，74154芯片使能信號有效，74154芯片正常工作，則7SEG-CS0～7SEG-CS7、DISP-CS0～DISP-CS7輸出低電平。7SEG-CS0～7SEG-CS7輸出低電平使圖3中7段數(shù)碼管控制電路的PNP管導通，實現(xiàn)通過控制7SEG-D0～7SEG-D7從而控制數(shù)碼管工作的情況；DISP-CS0～DISP-CS7輸出低電平使圖4中LED點陣顯示控制的PNP管導通，實現(xiàn)通過控制DISP-D0～DISP-D7從而控制LED點陣的發(fā)光圖形。而DISP-CS0～DISP-CS7正是復用8個LED燈的FPGA管控引腳。

圖4　LED點陣顯示控制

通過外圍電路復用FPGA管腳的生動案例，學生先學會分析，再模仿使用，進而在以后的學習中使用、擴展和創(chuàng)新復用概念，從而提高學生的綜合應用實踐能力。

4FPGA外圍電路參數(shù)設(shè)置在芯片設(shè)計中的應用

圖5為74138芯片功能驗證電路，輸出y[7..0]用LED燈顯示。在電路圖中將DISP_CS設(shè)為低電平，則LED燈正常工作；試驗箱上電后蜂鳴器一直響，影響實驗室的工作學習環(huán)境，可以給蜂鳴器BUZZ一個高電平，達到清除噪聲污染的目的。雖然74138芯片功能驗證電路非常簡單，但是若對“數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學科研平臺”不理解，對DISP_CS沒有設(shè)置，則有可能出現(xiàn)錯誤的結(jié)果。作為顯示輸出的LED燈、蜂鳴器，幾乎在每個實驗都有用到，學生會在做實驗的過程中，不斷分析教學平臺外圍電路搭建，從陌生到熟悉、模仿、設(shè)計，從而達成創(chuàng)新使用。

圖5　74138芯片功能驗證電路

5結(jié)束語

運用“數(shù)字電路/ARM7嵌入式系統(tǒng)多功能教學科研平臺”，不僅讓學生學會分析驗證一般芯片功能，還能通過芯片擴展學會其設(shè)計應用。更重要的是，教學平臺要求學生在使用芯片過程中，真正理解教學平臺外圍電路搭建，學會在實驗中對關(guān)鍵參數(shù)進行設(shè)置。不僅如此，這些實踐體驗也有助于學生設(shè)計FPGA外圍電路(如LED燈、蜂鳴器、按鍵、撥碼、數(shù)碼管、MOS管和三極管等)，嘗試做屬于自己的核心板，真正做到學以致用、靈活變通，達到提高綜合應用能力的目標。

參 考 文 獻

[1]鄧春健，石建國，呂燚，等.第七屆廣東省高等教育成果獎申報——數(shù)字邏輯電路教學改革與實驗平臺建設(shè)[R/OL].[2015-02-14].http:www2.zsc.edu.cn/jxcgj/dcj.

[2]呂燚，鄧春健，黃杰勇.利用EDA技術(shù)全面改進數(shù)字電路課程教學[J].福建電腦，2008(6)：208-209.

[3]雙凱，蔡洪明.基于CPLD/FPGA的數(shù)字電路設(shè)計方法變革必要性研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37(7)：139-142.

[4]陳立靜.EDA技術(shù)在數(shù)字電路教學中的應用[J].中國電力教育，2009(2)：83-84.

[5]黃杰勇，鄧春健.基于Verilog HDL的數(shù)字邏輯電路教學改革與探索[J].計算機教育.2008(16)：59.

[6]黃杰勇，鄧春健.數(shù)字邏輯電路與語言相結(jié)合的教學方法探索[J].現(xiàn)代計算機，2008(11)：56-58.

[7]周文輝，鄧春健，黎萍.電氣信息類課程中課堂游戲的設(shè)計與實踐[J].電氣電子教學學報，2014，36(6)：81-83.

[8]鄧春健，李文生，石建國，等.“數(shù)字邏輯電路”教學改革與實驗平臺建設(shè)[J].計算機教育.2009(24)：139-142.

收稿日期:2015-02-26；修改日期: 2015-03-18

基金項目：全國教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2013年度課題(136240994)；電子科技大學中山學院質(zhì)量工程建設(shè)項目(JXTD201405)。

作者簡介：王紅航(1979-)，女，碩士，講師，主要從事數(shù)字電路設(shè)計相關(guān)的教學和科研工作。

中圖分類號G642.423

文獻標志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.036

Discussion on the Experimental Teaching Method to Improve the Comprehensive Application Ability

WANG Honghang，LIU Kai，DENG Chunjian，YANG Jianjun，LU Yueyue

(Zhongshan Institute，University of Electronic Science and Technology of China，Zhongshan 528402，China)

AbstractAccording to the requests of the application oriented personnel training mode of electronics，communications and other relevant major，combining the teaching experience，the paper first analyzes the problems of existing traditional experimental teaching of "digital logic design and application"，and then the application of the completed，"digital circuit / Advanced RISC Machines 7(ARM7) embedded system multi-function platform for teaching and research" in this school，from field programmable gates array(FPGA) of the peripheral control circuit teaching.One explores how to improve the students’ ability of comprehensive application.Finally,we obtain an effective experimental teaching method，namely students continue to practice，imitate and reaches the innovation design，so as to improve the students’ comprehensive application ability.

Key wordsapplication talents training;digital circuit design;experimental teaching methods;teaching platform