數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計的教學改革

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摘要:數(shù)字電子技術(shù)是電類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，EDA技術(shù)作為電子設(shè)計的技術(shù)潮流已成為高校電類專業(yè)教學的熱點。介紹了燕山大學光電子系EDA實驗室的發(fā)展歷程，闡述了EDA課程設(shè)計這一實踐教學活動內(nèi)容與形式和在實施中存在的問題及解決方法。經(jīng)過多年的實踐運行，取得了良好的效果，對其他課程實踐教學也具重要參考價值。

關(guān)鍵詞:EDA;電子技術(shù);實踐教學;課程設(shè)計

在數(shù)電課程教學中，課內(nèi)實驗及課程設(shè)計是基礎(chǔ)又重要的實踐環(huán)節(jié)，而EDA技術(shù)作為世界電子設(shè)計的最新技術(shù)潮流，已成為高校電類課程教學的熱點［1］。本文針對燕山大學近年來將EDA技術(shù)應(yīng)用到電子技術(shù)實踐教學中所做的改革和創(chuàng)新做了一些總結(jié)。如何使學生將理論知識消化、吸收并轉(zhuǎn)化為實際動手能力應(yīng)用于工程實踐當中，已經(jīng)成為教學的主要目的。在整個數(shù)電教學體系中，采用項目驅(qū)動法進行理論教學;課內(nèi)實驗以教師為主導(dǎo)學生為主體進行;課程設(shè)計(三級項目)做到以學生為主，教師為輔。

1數(shù)字電子技術(shù)實踐教學概況

1.1EDA實驗室簡介

燕山大學光電子系EDA(ElectronicDesignAuto-mation)實驗室始建于2000年，使用面積300m2，建設(shè)規(guī)模130臺套，可同時為4個教學班開設(shè)實驗項目。目前主要為電子信息、通信工程、計算機科學與技術(shù)、電子科學與技術(shù)和光電信息科學與工程等專業(yè)開設(shè)EDA課程設(shè)計。EDA實驗室自建立經(jīng)歷了三次可編程邏輯器件的升級換代: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個邏輯單元，是一款低功耗低成本FPGA芯片。各芯片資源特性對比見表1。

1.2EDA課程設(shè)計概況

數(shù)字電子技術(shù)本科教學，包括64學時的數(shù)字電子技術(shù)，其中含12學時的課內(nèi)實驗(由燕山大學電子實驗中心承擔)和2周的課程設(shè)計，即EDA課程設(shè)計(由燕山大學光電子系EDA實驗室承擔)，而且課程設(shè)計成績單獨進行考核。EDA課程設(shè)計以數(shù)字電路設(shè)計自動化為主，是芯片級的設(shè)計，是硬件設(shè)計的軟件化。這也正是與傳統(tǒng)設(shè)計的差異所在。在工程教育專業(yè)認證背景下，以國際工程教育理念為導(dǎo)向［2］，在學生學習了數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，訓練學生綜合應(yīng)用學過的理論知識設(shè)計比較復(fù)雜的數(shù)字電路的能力。通過本課程設(shè)計，使學生掌握使用EDA工具設(shè)計數(shù)字電路的方法，具體包括圖形設(shè)計輸入、編譯、時序仿真、下載和硬件驗證等過程。讓學生掌握EDA工具設(shè)計數(shù)字電路的方法，支撐畢業(yè)要求———“針對一個設(shè)定的電子電路或通信系統(tǒng)，具有給出設(shè)計方案的能力”.設(shè)計用到的軟件早期為MAX+plusII，后期為QuartusII。其均有兩種典型輸入方式:原理圖與硬件描述語言(VHDL、VerilogHDL等)。原理圖輸入方式的特點:比較直觀，易于仿真，便于信號觀察與電路調(diào)整。要求對系統(tǒng)及電路非常熟悉，但當系統(tǒng)功能復(fù)雜時，其效率低。硬件描述語言則恰恰相反:系統(tǒng)功能復(fù)雜時效率高，設(shè)計周期短。本課程設(shè)計是與數(shù)字電子技術(shù)理論課對應(yīng)的實踐環(huán)節(jié)，所以課程設(shè)計中要求學生使用原理圖輸入方式，以此來鞏固學生數(shù)電知識，這也是這門課程設(shè)計的主要特色。據(jù)了解許多院校該實踐教學大多采用硬件描述語言的方式。此外，對于電子信息工程(卓越試點)班的同學，由于學時為3周，我們鼓勵學生用多種方案實現(xiàn)功能，自主擴展題目功能，額外使用VHDL語言實現(xiàn)部分模塊功能［3］。

2課程設(shè)計內(nèi)容與流程

整個EDA課程設(shè)計的內(nèi)容與流程如圖1所示。第一，教師講解。每次EDA課程設(shè)計開始時，指導(dǎo)教師都要用4學時來講授課程設(shè)計軟件部分(2學時)和硬件部分(2學時)。其中軟件部分主要針對MAX+plusII或QuartusII進行講述，硬件部分圍繞教材———參考文獻4的第6章和實驗箱資源等內(nèi)容展開，著重講解題目用到的資源及使用過程中需注意的問題［4］。第二，選題。課程設(shè)計我們設(shè)置了諸如智能交通燈、電子琴、密碼鎖等共計31個題目供學生選擇，使一個教學班的每個學生(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，但對學生是有益的，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+plusII功能簡單易用，學生經(jīng)過教師講解后，很快就可以上手進行設(shè)計。后期軟件升級為QuartusII功能強大，軟件操作復(fù)雜，需要學生花費較多的時間熟悉此軟件的操作設(shè)計流程。要求學生借助網(wǎng)絡(luò)、圖書館等資源查閱相關(guān)資料，包括軟件使用教程和設(shè)計題目相關(guān)資料。第四，方案設(shè)計。按照題目需求，給出設(shè)計方案，并對設(shè)計方案可行性進行論證。分析設(shè)計要求，將題目模塊化，功能分解，以便按模塊進行元器件級實現(xiàn)。這部分由學生自主設(shè)計，方案是否合理可行，直接決定設(shè)計題目能否順利完成。第五，模塊化實現(xiàn)(包括仿真)。總體設(shè)計方案確定后，就要進行功能分解，模塊化，這對后期的時序驗證、電路仿真乃至錯誤排查至關(guān)重要。系統(tǒng)總體功能的實現(xiàn)依托各模塊的準確設(shè)計及協(xié)同性，學生通過時序仿真、功能仿真乃至測試節(jié)點的波形進行反復(fù)修改排查，直至達到設(shè)計預(yù)期目的。第六，下載驗證。整個電路圖及各個模塊都仿真測試無誤后，即可以進行下載驗證。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。每個班級配備示波器、邏輯分析儀、萬用表等測試儀器一套，滿足學生測試需求。盡管每次進行設(shè)計前都要對實驗箱進行檢修，但依然在設(shè)計中會發(fā)現(xiàn)個別實驗箱的硬件故障，一般指引學生用替換法進行排查，很容易就能找到問題所在。第七，答辯驗收。成立由8名指導(dǎo)教師組成的答辯委員會，分2個答辯組進行驗收，每組4名指導(dǎo)教師。分別對如下幾方面進行評定:首先，學生設(shè)計方案講解。其次，回答指導(dǎo)教師的提問。最后，硬件實驗箱功能演示。第八，設(shè)計報告撰寫。以往學生容易忽視設(shè)計報告的重要性，為了避免此類情況的發(fā)生，我們在設(shè)計之初就反復(fù)強調(diào)文檔在整個課程設(shè)計中的重要性，并適當提高設(shè)計報告在成績評定中的權(quán)重。第九，成績評定。根據(jù)《EDA課程設(shè)計(三級項目)大綱》及《EDA課程設(shè)計(三級項目)評分標準》將答辯驗收及設(shè)計報告的成績進行匯評，最后給出總評成績。實踐表明，超過25%的學生能達到優(yōu)秀(A)，約50%的學生能達到良好(B)，約15%的學生為中(C)，不足10%的學生為及格(D)。

3結(jié)語

經(jīng)過16年的改革與發(fā)展，燕山大學光電子系EDA實驗室無論是硬件裝備，還是軟件資源都比較完備，EDA課程設(shè)計這一實踐教學活動也得到漸進式發(fā)展。為了更好地提高學生將理論知識應(yīng)用于工程實際的能力，指導(dǎo)教師需要在指導(dǎo)答疑時把握好度———既要答疑解惑，又要激發(fā)出學生自身的設(shè)計思維與靈感;設(shè)置大量與日常生活、工程實際密切相關(guān)的題目，激發(fā)學生的學習興趣，開闊學生眼界，為將來從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。理論和實踐教學改革措施經(jīng)過多年的運行，獲得了學生和教師的廣泛好評。

參考文獻:

［1］林喜榮，董敬峰.基于EDA技術(shù)的電子技術(shù)實驗改革與創(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.工程教育專業(yè)認證背景下的微電子專業(yè)教改實踐研究［J］．科技資訊，2016，(22):81－84.

［3］李江昊，常丹華，張寶榮，等.“卓越工程師計劃”試點班課堂教學改革與實踐［J］．教學研究，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.

作者：張保軍 黃震 劉燕燕 盧啟柱 單位：燕山大學信息科學與工程學院 河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室