孫 進 輝

(中國人民武裝警察部隊學(xué)院 訓(xùn)練部，河北 廊坊 065000)

0　引　言

數(shù)字電子實驗作為高校電子信息專業(yè)一門重要的課程，該課程具有理論性、實踐性較強的特點，其主要任務(wù)是培養(yǎng)應(yīng)用型電子技術(shù)人才。隨著計算機及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，高校數(shù)字電子實驗教學(xué)環(huán)境不斷變化，教育者和學(xué)生面臨新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段，傳統(tǒng)數(shù)字電子實驗教學(xué)無法適應(yīng)現(xiàn)代教育發(fā)展趨勢，制約教育現(xiàn)代化發(fā)展，改革傳統(tǒng)教學(xué)方法和內(nèi)容勢在必行。電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation, EDA)技術(shù)是新興的電子設(shè)計自動化工具，該技術(shù)有利于改變傳統(tǒng)數(shù)字電子實驗教學(xué)模式，能提升數(shù)字電子實驗教學(xué)質(zhì)量、滿足培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的需求，成為數(shù)字電子技術(shù)實驗設(shè)計的重要工具[1-3]。本研究詳細(xì)介紹EDA技術(shù)及設(shè)計流程，探究在數(shù)字電子實驗系統(tǒng)中引入EDA技術(shù)的優(yōu)勢，以期提升教學(xué)效果,培養(yǎng)學(xué)生的實踐操作能力。

1　EDA技術(shù)及設(shè)計流程

1.1　EDA技術(shù)的概念

EDA技術(shù)有狹義和廣義之分，廣義EDA技術(shù)就是現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)，狹義概念下的EDA技術(shù)是指以計算機為平臺，依托大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷柚鶨DA軟件開發(fā)工具和實現(xiàn)系統(tǒng)展開設(shè)計，自動實現(xiàn)硬件設(shè)計過程，最終集成專用芯片ASIC或IES[4]。EDA技術(shù)代表新時期電子設(shè)計技術(shù)新的發(fā)展方向，其主要特征是設(shè)計者以計算機為工具，遵循自頂向下的設(shè)計方法完成整個設(shè)計[5]。同時，借助先進開發(fā)工具自動完成分割、優(yōu)化、仿真等操作，這被稱作數(shù)字邏輯電路高層次設(shè)計方法。這種設(shè)計方案便于設(shè)計者修改相應(yīng)軟件，能夠預(yù)知設(shè)計結(jié)果，大大提升系統(tǒng)設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低系統(tǒng)開發(fā)成本。

1.2　不同EDA軟件的特點

現(xiàn)階段，國內(nèi)廣泛使用的EDA軟件分別為EWB、Protel、Multisim、Matlab等，EWB最早由加拿大NI公司研究的，用于電子線路仿真的軟件，后經(jīng)過發(fā)展升級為Multisim[6]。Multisim為用戶提供種類齊全，符合實際電子設(shè)備和相關(guān)電子產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫仿真系統(tǒng)，它能將電路圖創(chuàng)建、仿真分析及其結(jié)果集成起來，猶如一個真實的實驗平臺，也可直接完成打印實驗數(shù)句、原理圖等操作，是廣泛用于電路設(shè)計優(yōu)秀的EDA軟件[7]。Protel是一種功能強大的電路設(shè)計系統(tǒng)，該軟件在國內(nèi)普及率較高，具有繪制電路原理圖、設(shè)計可編程邏輯器件、生成相應(yīng)圖表等功能。通過使用該軟件學(xué)習(xí)線路布局、焊接工藝等，有利于提升學(xué)生的綜合設(shè)計和實踐操作能力。Matlab作為一種高效的工程計算語言，這種軟件能實現(xiàn)概念設(shè)計、建模仿真等功能。動態(tài)建模仿真工具是基于Matlab環(huán)境的分支產(chǎn)品，它依托Matlab強大的計算功能，結(jié)合交互好用的仿真界面及功能，并運用虛擬設(shè)備直觀展現(xiàn)仿真動態(tài)結(jié)果，成為動態(tài)建模和仿真實驗中廣泛應(yīng)用的軟件包之一。必須注意，上述EDA工具軟件的功能非常接近，但又具有各自的優(yōu)勢。Multisim具有便捷的操作界面，創(chuàng)建電路、挑選元器件等均可直接從屏幕圖形中選取，它不僅能夠彌補元器件短缺、規(guī)格不達標(biāo)等情況，也可借助軟件中的各類分析方法，幫助學(xué)生快速掌握所學(xué)內(nèi)容，加深對所學(xué)概念和原理的理解，進而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[8]。同時，該軟件工具盡可能擴充元件數(shù)據(jù)庫，特別是增加與現(xiàn)實元件相對應(yīng)的元件模型，增強仿真電路的實用性。Matlab作為高級矩陣/陣列語言，具備強大設(shè)計和動態(tài)建模功能。Protel有利于學(xué)生獨立制作電路，鍛煉學(xué)生動手操作能力。因此，學(xué)生可以靈活挑選不同的EDA軟件展開設(shè)計。

1.3　EDA技術(shù)設(shè)計步驟

從設(shè)計方法上分析，EDA技術(shù)把傳統(tǒng)電路設(shè)計硬件、調(diào)試、焊接等步驟在計算機上自動完成，為數(shù)字電子設(shè)計帶來根本性變革，流程見圖1。①輸入：一個實驗項目由單個或多個源文件組合而成，這些文件可以是原理圖文件、混合輸入文件等。②綜合：借助EDA軟件綜合器把VHDL軟件與硬件進行掛鉤，這是軟件轉(zhuǎn)變成硬件電路的關(guān)鍵。綜合器對源文件實施綜合處理，就是針對某個FPGA/CPLD供應(yīng)商的產(chǎn)品。EDA技術(shù)能夠提供良好的優(yōu)化和邏輯綜合功能，它能把設(shè)計者制作的邏輯級電路圖轉(zhuǎn)換成門級電路，并生成相對應(yīng)的時序分析文件或各類報表。③合理布局：綜合處理后，借助FPGA/CPLD布局/布線適配器把網(wǎng)表文件對某個目標(biāo)器件執(zhí)行邏輯映射處理，具體包括邏輯分割、優(yōu)化、布局等。必須注意，處理后的適配對象應(yīng)與器件結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)相互對應(yīng)。④仿真處理：下載編程前，采用EDA工具對適配所得結(jié)果實施模擬測試，即：進行仿真處理。EDA工具能夠完成時序和功能不同級別的仿真測試。其中，時序仿真是依據(jù)適配所得網(wǎng)表文件實施仿真處理，這是最接近真實物體運行特性的仿真操作，整個仿真過程要充分考慮器件硬件特性。因此，采用EDA技術(shù)實施仿真處理其精度高得多。功能仿真是指對涉及描述的邏輯功能開展測試模擬，從而了解其實現(xiàn)功能是否達到原設(shè)計要求。⑤通過仿真實驗確定設(shè)計基本達標(biāo)后，將適配生成的文件采用Byteb laster下載電纜線下載至FPGA/CPLD器件內(nèi)，便于實時硬件調(diào)試、驗證操作。上述環(huán)節(jié)完成后，將包含載入FPGA或CPLD硬件系統(tǒng)實施統(tǒng)一測試，便于檢驗設(shè)計項目在系統(tǒng)上的操作情況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中出現(xiàn)的問題并改進整個實驗[9-11]。

圖1EDA開發(fā)設(shè)計流程

2　EDA技術(shù)的使用優(yōu)勢

2.1　有利于提升教學(xué)效果

實驗教學(xué)中應(yīng)用EDA技術(shù)，其主要依托計算機完成各項操作，即使沒有進行實驗研究工作，也可順利完成相關(guān)設(shè)計，整個實驗所有數(shù)據(jù)和文件在設(shè)計完成后保存下來。在數(shù)字技術(shù)電子實驗中應(yīng)用EDA技術(shù)，有助于教育者解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的問題，不僅可以改善實驗教學(xué)效果，也能提升實驗的可信度。同時，學(xué)生在實驗操作中可針對自己不理解的地方進行提問，或依據(jù)自身的思維展開設(shè)計，無需擔(dān)心設(shè)計失敗損壞儀器等問題，提升實驗教學(xué)效果。

2.2　有利于鍛煉學(xué)生的實踐操作能力

在數(shù)字電子實驗中運用EDA技術(shù)，能夠便捷的進行電路調(diào)試，且開發(fā)時間短，這些優(yōu)勢均能幫助學(xué)生深入了解電子設(shè)計的關(guān)鍵。同時，學(xué)生借助該平臺開展綜合性實驗，能獲得較好的實驗結(jié)果，對于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，幫助學(xué)生掌握實驗方法和知識，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)思維都將產(chǎn)生積極的影響[12-13]。

3　基于EDA技術(shù)設(shè)計虛擬實驗系統(tǒng)

傳統(tǒng)數(shù)字電子實驗采用中小規(guī)模集成電路開展實驗，用導(dǎo)線搭接或?qū)嶒炏渫瓿烧麄€實驗操作，但這種實驗容易出現(xiàn)電接觸性能不佳、損耗大、效率低等問題。同時，在實驗教學(xué)中如果出現(xiàn)問題，老師要耗費大量時間幫助學(xué)生檢查連線錯誤，排除技術(shù)、工藝等障礙，這種情況不僅浪費教學(xué)時間，也會在不同程度上削弱學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[14]。因此，越來越多的高校開始自主研發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)，用來輔助數(shù)字電子實驗教學(xué)。從實驗內(nèi)容角度分析，使實驗課程更靈活、更加便捷的實施教學(xué)任務(wù)。除此以外，該系統(tǒng)允許每位學(xué)生嘗試不同方案進行設(shè)計，有利于拓展學(xué)生的思維空間，進而激發(fā)他們的創(chuàng)造力和想象力。

3.1　系統(tǒng)總體框架

在傳統(tǒng)數(shù)字電子實驗教學(xué)中，一臺儀器分配給某位學(xué)生使用，一般準(zhǔn)備實驗需要花費大量時間，學(xué)生真正使用實驗設(shè)備、進行實驗的時間較少，這會不同程度上浪費實驗資源。由此可知，傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法已無法適應(yīng)高校發(fā)展步伐，改革數(shù)字電子實驗操作成為急需解決的問題。本設(shè)計的數(shù)字電子虛擬實驗系統(tǒng)主要包含學(xué)習(xí)系統(tǒng)和虛擬實驗室兩個部分，借助Quartusll、Matlab等EDA軟件完成開發(fā)和建設(shè)工作。其中，學(xué)習(xí)系統(tǒng)支持學(xué)生開展仿真實驗，開發(fā)者在虛擬實驗室內(nèi)配置信息管理、評價管理和教師管理模式，上述功能組成一個完整的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2基于EDA技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗平臺

3.2　各模塊功能

建立虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)是一項復(fù)雜的工程，為保障系統(tǒng)日后的運行質(zhì)量和效率，系統(tǒng)運行要配備恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)均基于校園網(wǎng)開發(fā)而來的，適用范圍較小，且系統(tǒng)要求具有較強交互性、實時性的特點，針對上述要求，本設(shè)計選用C/S方式，這種模式可在客戶端實現(xiàn)豐富的交互效果。根據(jù)真實實驗教學(xué)流程，考慮到數(shù)字電子實驗的設(shè)計、實施、評價及計算機平臺特點，將整個虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)劃分為實驗仿真、管理與評價等模塊。

(1)平臺信息管理模塊。該模塊是虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)的前臺，也是教學(xué)與管理模塊的具體展現(xiàn)部分，教學(xué)管理是否到位，都會在實驗平臺上展現(xiàn)出來。該模塊具有注冊、登錄、管理實驗信息、故障處理功能，其核心任務(wù)是管理好日常實驗信息，例如：實驗學(xué)生的注冊、登錄操作、下載實驗項目、管理人員維修故障等。用戶必須通過注冊和身份驗證，用戶在注冊操作中，需要準(zhǔn)確填寫用戶注冊信息，通過系統(tǒng)審核注冊信息會自動存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。如果用戶需要進入虛擬實驗系統(tǒng)，只需在登錄界面輸入準(zhǔn)確的賬號和密碼即可。若登錄賬號與密碼輸入錯誤，系統(tǒng)會自動跳轉(zhuǎn)至重新登錄界面，驗證成功才能在虛擬實驗平臺進行多種實驗操作[15]。

(2)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)模塊。該模塊主要由儀器與理論學(xué)習(xí)、EDA工具學(xué)習(xí)、硬件編程學(xué)習(xí)等部分組成，其中EDA學(xué)習(xí)主要學(xué)習(xí)DSP、QuartusII、Protel等優(yōu)秀仿真工具，為數(shù)字電路理論學(xué)習(xí)、數(shù)字電路設(shè)計等提供良好的學(xué)習(xí)和仿真環(huán)節(jié)。通過上述工具的學(xué)習(xí)，能有效提高學(xué)生電路設(shè)計的能力。眾所周知，虛擬實驗系統(tǒng)建立是否成功，主要受教學(xué)資源、新技術(shù)應(yīng)用、案例構(gòu)建等因素的影響。其中，案例構(gòu)建尤為重要，在設(shè)定教學(xué)大綱時，不僅要考慮新的理論和技術(shù)，也應(yīng)考慮不同階段學(xué)生理論水平及接受能力，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。因此，基礎(chǔ)學(xué)習(xí)模塊為學(xué)習(xí)者提供完整的數(shù)字設(shè)計案例，例如：交通燈控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、攝像監(jiān)控系統(tǒng)等，有利于學(xué)生充分掌握數(shù)字電子實驗系統(tǒng)，培養(yǎng)他們的設(shè)計能力[16]。

(3)學(xué)生實驗仿真模塊。該模塊主要劃分為獲取信息、基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、開展或保存虛擬實驗、發(fā)送實驗結(jié)果等子模塊，學(xué)生通過虛擬實驗室獲得本次實驗任務(wù)及相關(guān)信息，在基礎(chǔ)學(xué)習(xí)后挑選所需的EDA工具軟件開始虛擬實驗。實驗完成后，及時保存實驗結(jié)果，例如：原理設(shè)計圖、程序代碼等，并把自己的實驗過程和結(jié)果上傳給老師檢查。該模塊框架見圖3。

(4)教師管理與評價。該模塊的功能有發(fā)布實驗內(nèi)容、獲取實驗項目信息、批閱試驗項目、管理學(xué)生信息等，見圖4。教師先依據(jù)實驗教學(xué)任務(wù)在虛擬實驗平臺上向?qū)W生展示實驗內(nèi)容，便于學(xué)生開展針對性的實驗操作。待學(xué)生完成整個實驗后，教師在獲取上傳的信息并實施修改，把批閱結(jié)果反饋給學(xué)生[17]。

圖3實驗仿真模塊主要功能

圖4教師管理與評估模塊功能結(jié)構(gòu)

4　結(jié)　語

綜上所述，數(shù)字電子虛擬實驗系統(tǒng)是一個新型實驗教學(xué)模式，它能為學(xué)生提供人性化、實踐性、開放性強的實驗教學(xué)環(huán)境，對于改善數(shù)字電子實驗教學(xué)產(chǎn)生積極影響。本研究以EDA技術(shù)為依托，在分析了EDA技術(shù)在數(shù)字電子實驗教學(xué)中優(yōu)越性的基礎(chǔ)上，提出以EDA技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)及其主要功能模塊，以期為數(shù)字電子實驗教學(xué)提供一定借鑒和參考。

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