張保軍，黃 震，劉燕燕，盧啟柱

(1.燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

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基于EDA的數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革

張保軍1，2，黃 震1，2，劉燕燕1，盧啟柱1

(1.燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

數(shù)字電子技術(shù)是電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，EDA技術(shù)作為電子設(shè)計(jì)的技術(shù)潮流已成為高校電類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)的熱點(diǎn)。介紹了燕山大學(xué)光電子系EDA實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展歷程，闡述了EDA課程設(shè)計(jì)這一實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)內(nèi)容與形式和在實(shí)施中存在的問(wèn)題及解決方法。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐運(yùn)行，取得了良好的效果，對(duì)其他課程實(shí)踐教學(xué)也具重要參考價(jià)值。

EDA；電子技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)；課程設(shè)計(jì)

在數(shù)電課程教學(xué)中，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)又重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，而EDA技術(shù)作為世界電子設(shè)計(jì)的最新技術(shù)潮流，已成為高校電類(lèi)課程教學(xué)的熱點(diǎn)[1]。本文針對(duì)燕山大學(xué)近年來(lái)將EDA技術(shù)應(yīng)用到電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中所做的改革和創(chuàng)新做了一些總結(jié)。

如何使學(xué)生將理論知識(shí)消化、吸收并轉(zhuǎn)化為實(shí)際動(dòng)手能力應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中，已經(jīng)成為教學(xué)的主要目的。在整個(gè)數(shù)電教學(xué)體系中，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行理論教學(xué)；課內(nèi)實(shí)驗(yàn)以教師為主導(dǎo)學(xué)生為主體進(jìn)行；課程設(shè)計(jì)(三級(jí)項(xiàng)目)做到以學(xué)生為主，教師為輔。

1 數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)概況

1.1 EDA實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

燕山大學(xué)光電子系EDA(Electronic Design Automation)實(shí)驗(yàn)室始建于2000年，使用面積300 m2，建設(shè)規(guī)模130臺(tái)套，可同時(shí)為4個(gè)教學(xué)班開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目前主要為電子信息、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)和光電信息科學(xué)與工程等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)EDA課程設(shè)計(jì)。

EDA實(shí)驗(yàn)室自建立經(jīng)歷了三次可編程邏輯器件的升級(jí)換代：第一次是ALTERA公司MAX7000系列的EPM7128SLC84-15，第二次是FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4，目前使用的是EP2C35系列的EP2C35F484C7N，包含33216個(gè)邏輯單元，是一款低功耗低成本FPGA芯片。各芯片資源特性對(duì)比見(jiàn)表1。

1.2 EDA課程設(shè)計(jì)概況

數(shù)字電子技術(shù)本科教學(xué)，包括64學(xué)時(shí)的數(shù)字電子技術(shù)，其中含12學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)(由燕山大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)中心承擔(dān))和2周的課程設(shè)計(jì)，即EDA課程設(shè)計(jì)(由燕山大學(xué)光電子系EDA實(shí)驗(yàn)室承擔(dān))，而且課程設(shè)計(jì)成績(jī)單獨(dú)進(jìn)行考核。

EDA課程設(shè)計(jì)以數(shù)字電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化為主，是芯片級(jí)的設(shè)計(jì)，是硬件設(shè)計(jì)的軟件化。這也正是與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異所在。在工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下，以國(guó)際工程教育理念為導(dǎo)向[2]，在學(xué)生學(xué)習(xí)了數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用學(xué)過(guò)的理論知識(shí)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的數(shù)字電路的能力。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握使用EDA工具設(shè)計(jì)數(shù)字電路的方法，具體包括圖形設(shè)計(jì)輸入、編譯、時(shí)序仿真、下載和硬件驗(yàn)證等過(guò)程。讓學(xué)生掌握EDA工具設(shè)計(jì)數(shù)字電路的方法，支撐畢業(yè)要求——“針對(duì)一個(gè)設(shè)定的電子電路或通信系統(tǒng)，具有給出設(shè)計(jì)方案的能力”。

表1 各芯片資源特性對(duì)比表

設(shè)計(jì)用到的軟件早期為MAX+plus II，后期為Quartus II。其均有兩種典型輸入方式：原理圖與硬件描述語(yǔ)言(VHDL、Verilog HDL等)。原理圖輸入方式的特點(diǎn)：比較直觀，易于仿真，便于信號(hào)觀察與電路調(diào)整。要求對(duì)系統(tǒng)及電路非常熟悉，但當(dāng)系統(tǒng)功能復(fù)雜時(shí)，其效率低。硬件描述語(yǔ)言則恰恰相反：系統(tǒng)功能復(fù)雜時(shí)效率高，設(shè)計(jì)周期短。本課程設(shè)計(jì)是與數(shù)字電子技術(shù)理論課對(duì)應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，所以課程設(shè)計(jì)中要求學(xué)生使用原理圖輸入方式，以此來(lái)鞏固學(xué)生數(shù)電知識(shí)，這也是這門(mén)課程設(shè)計(jì)的主要特色。據(jù)了解許多院校該實(shí)踐教學(xué)大多采用硬件描述語(yǔ)言的方式。此外，對(duì)于電子信息工程(卓越試點(diǎn))班的同學(xué)，由于學(xué)時(shí)為3周，我們鼓勵(lì)學(xué)生用多種方案實(shí)現(xiàn)功能，自主擴(kuò)展題目功能，額外使用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)部分模塊功能[3]。

2 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與流程

整個(gè)EDA課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容與流程如圖1所示。

圖1 EDA課設(shè)流程圖Fig.1 Flow chart for the course design of EDA

第一，教師講解。每次EDA課程設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)，指導(dǎo)教師都要用4學(xué)時(shí)來(lái)講授課程設(shè)計(jì)軟件部分(2學(xué)時(shí))和硬件部分(2學(xué)時(shí))。其中軟件部分主要針對(duì)MAX+plus II或Quartus II進(jìn)行講述，硬件部分圍繞教材——參考文獻(xiàn)4的第6章和實(shí)驗(yàn)箱資源等內(nèi)容展開(kāi)，著重講解題目用到的資源及使用過(guò)程中需注意的問(wèn)題[4]。

第二，選題。課程設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)置了諸如智能交通燈、電子琴、密碼鎖等共計(jì)31個(gè)題目供學(xué)生選擇，使一個(gè)教學(xué)班的每個(gè)學(xué)生(基本小于等于30人)的題目都是不一樣的。這樣雖然給指導(dǎo)教師增加了工作量，但對(duì)學(xué)生是有益的，避免了以往互相“參考”的弊病。

第三，資料查閱。早期使用軟件為MAX+plus II功能簡(jiǎn)單易用，學(xué)生經(jīng)過(guò)教師講解后，很快就可以上手進(jìn)行設(shè)計(jì)。后期軟件升級(jí)為Quartus II功能強(qiáng)大，軟件操作復(fù)雜，需要學(xué)生花費(fèi)較多的時(shí)間熟悉此軟件的操作設(shè)計(jì)流程。要求學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)、圖書(shū)館等資源查閱相關(guān)資料，包括軟件使用教程和設(shè)計(jì)題目相關(guān)資料。

第四，方案設(shè)計(jì)。按照題目需求，給出設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)方案可行性進(jìn)行論證。分析設(shè)計(jì)要求，將題目模塊化，功能分解，以便按模塊進(jìn)行元器件級(jí)實(shí)現(xiàn)。這部分由學(xué)生自主設(shè)計(jì)，方案是否合理可行，直接決定設(shè)計(jì)題目能否順利完成。

第五，模塊化實(shí)現(xiàn)(包括仿真)?？傮w設(shè)計(jì)方案確定后，就要進(jìn)行功能分解，模塊化，這對(duì)后期的時(shí)序驗(yàn)證、電路仿真乃至錯(cuò)誤排查至關(guān)重要。系統(tǒng)總體功能的實(shí)現(xiàn)依托各模塊的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)及協(xié)同性，學(xué)生通過(guò)時(shí)序仿真、功能仿真乃至測(cè)試節(jié)點(diǎn)的波形進(jìn)行反復(fù)修改排查，直至達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目的。

第六，下載驗(yàn)證。整個(gè)電路圖及各個(gè)模塊都仿真測(cè)試無(wú)誤后，即可以進(jìn)行下載驗(yàn)證。以往采用并口下載由于不支持熱插拔很容易發(fā)生燒芯片等現(xiàn)象，現(xiàn)在采用USB口下載不僅提高了下載速度而且也極大地減少了燒芯片的概率。每個(gè)班級(jí)配備示波器、邏輯分析儀、萬(wàn)用表等測(cè)試儀器一套，滿足學(xué)生測(cè)試需求。盡管每次進(jìn)行設(shè)計(jì)前都要對(duì)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行檢修，但依然在設(shè)計(jì)中會(huì)發(fā)現(xiàn)個(gè)別實(shí)驗(yàn)箱的硬件故障，一般指引學(xué)生用替換法進(jìn)行排查，很容易就能找到問(wèn)題所在。

第七，答辯驗(yàn)收。成立由8名指導(dǎo)教師組成的答辯委員會(huì)，分2個(gè)答辯組進(jìn)行驗(yàn)收，每組4名指導(dǎo)教師。分別對(duì)如下幾方面進(jìn)行評(píng)定：首先，學(xué)生設(shè)計(jì)方案講解。其次，回答指導(dǎo)教師的提問(wèn)。最后，硬件實(shí)驗(yàn)箱功能演示。

第八，設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)。以往學(xué)生容易忽視設(shè)計(jì)報(bào)告的重要性，為了避免此類(lèi)情況的發(fā)生，我們?cè)谠O(shè)計(jì)之初就反復(fù)強(qiáng)調(diào)文檔在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中的重要性，并適當(dāng)提高設(shè)計(jì)報(bào)告在成績(jī)?cè)u(píng)定中的權(quán)重。

第九，成績(jī)?cè)u(píng)定。根據(jù)《EDA課程設(shè)計(jì)(三級(jí)項(xiàng)目)大綱》及《EDA課程設(shè)計(jì)(三級(jí)項(xiàng)目)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)》將答辯驗(yàn)收及設(shè)計(jì)報(bào)告的成績(jī)進(jìn)行匯評(píng)，最后給出總評(píng)成績(jī)。實(shí)踐表明，超過(guò)25%的學(xué)生能達(dá)到優(yōu)秀(A)，約50%的學(xué)生能達(dá)到良好(B)，約15%的學(xué)生為中(C)，不足10%的學(xué)生為及格(D)。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)16年的改革與發(fā)展，燕山大學(xué)光電子系EDA實(shí)驗(yàn)室無(wú)論是硬件裝備，還是軟件資源都比較完備，EDA課程設(shè)計(jì)這一實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)也得到漸進(jìn)式發(fā)展。為了更好地提高學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)際的能力，指導(dǎo)教師需要在指導(dǎo)答疑時(shí)把握好度——既要答疑解惑，又要激發(fā)出學(xué)生自身的設(shè)計(jì)思維與靈感；設(shè)置大量與日常生活、工程實(shí)際密切相關(guān)的題目，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)闊學(xué)生眼界，為將來(lái)從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。理論和實(shí)踐教學(xué)改革措施經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，獲得了學(xué)生和教師的廣泛好評(píng)。

[1] 林喜榮，董敬峰.基于EDA技術(shù)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革與創(chuàng)新[J].黑龍江教育，2014，(10)：8-9.

[2] 徐衛(wèi)林，彭曉春，岳宏衛(wèi)，等.工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證背景下的微電子專(zhuān)業(yè)教改實(shí)踐研究[J].科技資訊，2016，(22)：81-84.

[3] 李江昊，常丹華，張寶榮，等.“卓越工程師計(jì)劃”試點(diǎn)班課堂教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教學(xué)研究，2012，(01)：46-49.

[4] 張寶榮，黃震，李江昊，等.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第2版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015：242-278.

Based on EDA course design reform of digital electronic technology

ZHANG Bao-jun1,2, HUANG Zhen1,2, LIU Yan-yan1, LU Qi-zhu1

(1.School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2.Hebei Special Optical Fiber and Sensing Laboratory, Qinhuangdao 066004, China)

Digital electronic technology is an important professional foundation course of electric specialty. EDA has become a hotspot and trend of the current electricity curriculum teaching. This paper introduced the development of EDA laboratory of the photoelectron department of yanshan university. It expounded the existing problems and solutions of the practice teaching content and form in EDA course design. Years of practice shows that this teaching system has important reference value to other curriculum reform.

EDA(Electronic Design Automation); Electronic Technology; Practice teaching; Course design

2016-10-18

2016校級(jí)教改項(xiàng)目“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在數(shù)字電子技術(shù)課程中的研究與實(shí)踐”(JG2016GFH19)

張保軍(1980-)，男，實(shí)驗(yàn)師，碩士。

G642.4

B

1674-8646(2017)01-0004-03