張玉葉

（咸陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，陜西 咸陽712000）

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA，Eleetronies Design Automation）課程是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的電子信息類專業(yè)的課程，它強(qiáng)烈地沖擊了傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)方法，是當(dāng)今電子技術(shù)設(shè)計(jì)的趨勢(shì).EDA技術(shù)課程教學(xué)思路側(cè)重點(diǎn)不同，所取得的教學(xué)成果會(huì)有很大的區(qū)別，本文從EDA技術(shù)的課程理解入手，從多年從事EDA教學(xué)效果反饋切入，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量為目的進(jìn)行了課程的反思與探索.

1 課堂教學(xué)

1.1 課程理解

EDA是計(jì)算機(jī)在工程技術(shù)上的一項(xiàng)重要應(yīng)用.然而，很多教師在《EDA技術(shù)》課程的講授中，忽略了課程實(shí)質(zhì)的傳達(dá)，使得學(xué)生誤以為EDA就是掌握幾種常用電路設(shè)計(jì)軟件，例如Multisium，Max＋plusⅡ，Protel等，使學(xué)生誤解這門課程的真正意義.課堂教學(xué)中引入仿真軟件，目的之一通過虛擬仿真，使抽象的電路理論直觀地演示、開放性地展開探究，以達(dá)到激起學(xué)習(xí)興趣、提高課堂效率的目的；目的之二是這些虛擬的仿真對(duì)于實(shí)際的電路制作可以起到有效的指導(dǎo)作用，讓學(xué)生在動(dòng)手設(shè)計(jì)制作電路時(shí)，能夠心中有數(shù).但是EDA技術(shù)卻并不是表面上理解的那樣簡(jiǎn)單，EDA技術(shù)涉及內(nèi)容很多，既包括可編程模擬器件PAC的模擬電路設(shè)計(jì)，又包括可編程邏輯器件PLD的數(shù)字電路設(shè)計(jì)內(nèi)容.EDA涉及的前沿課程也很多，比如《電路分析》、《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》等電子技術(shù)系列基礎(chǔ)課程.筆者認(rèn)為，從第一節(jié)課開始，就應(yīng)該讓學(xué)生知道本門課程的學(xué)習(xí)思路，按集成電路設(shè)計(jì)全流程進(jìn)行課程教學(xué)內(nèi)容安排是最理想的教學(xué)模式[1－2].

1.2 課堂教學(xué)

課堂教學(xué)既要重點(diǎn)突出，又要讓學(xué)生有熱情、肯主動(dòng)思考.然而，《EDA技術(shù)》這門專業(yè)課信息量大，教學(xué)課時(shí)偏偏很少，對(duì)于電子類的專業(yè)課教師來說，這不能不說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn).

硬件電路設(shè)計(jì)的軟件化是EDA設(shè)計(jì)方法學(xué)的基本思想，也是電路設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，用硬件描述語言來描述模擬數(shù)字電路系統(tǒng)是這一趨勢(shì)的重要組成部分.傳統(tǒng)的EDA技術(shù)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容陳舊，只編寫Verilog HDL和功能仿真，學(xué)生覺得所學(xué)內(nèi)容枯燥.所以在授課時(shí)，讓學(xué)生掌握了Verilog HDL語言的基本規(guī)則后，如果選用與科研、生產(chǎn)和生活相聯(lián)系的課題，將所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一些能應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)的通用模塊，將會(huì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)EDA的興趣.

例如設(shè)計(jì)一個(gè)具有4種信號(hào)燈的交通燈控制器設(shè)計(jì)，要求由一條主干道和一條支干道匯合成十字路口，在每個(gè)入口處設(shè)置紅、綠、黃、左拐4盞信號(hào)燈.紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行，黃燈亮則給行駛中的車輛有時(shí)間停在禁行線外，左拐燈亮允許車輛向左拐彎.信號(hào)燈變換次序?yàn)?主支干道交替允許通行，主干道每次放行40s，亮5s紅燈讓行駛中的車輛有時(shí)間停到禁行線外，左拐放行15s，亮5s紅燈；支干道放行30s，亮5s黃燈，左拐放行15s，亮5s黃燈….各計(jì)時(shí)電路為倒計(jì)時(shí)顯示，如圖1所示[3].

圖1 交通燈控制器

設(shè)計(jì)若用單片機(jī)方案來實(shí)現(xiàn)的話，模型可以由電源電路、單片機(jī)主控電路、無線收發(fā)控制電路和顯示電路四部分組成.在電源電路中，需要用到＋5V的直流穩(wěn)壓電源，無線收發(fā)控制電路和顯示電路應(yīng)由編碼芯片和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊兩部分組成，主控電路的主要元件為AT89C51.硬件設(shè)計(jì)完成后還要利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行軟件部分的設(shè)計(jì)才夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能.從這一課題出發(fā)，學(xué)生在學(xué)習(xí)了高級(jí)語言單片機(jī)之后，加上授課教師講授的基于FPGA的設(shè)計(jì)思路，學(xué)生肯定會(huì)提出以下問題:

1）既然單片機(jī)可以解決的問題，為什么要費(fèi)工夫重新學(xué)習(xí)EDA的設(shè)計(jì)思路？在一些系統(tǒng)中MCU與CPLD／FPGA的功能是可以互補(bǔ)的.雖然利用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的交通燈控制器相對(duì)來說較穩(wěn)定，能夠完成較多功能的實(shí)現(xiàn)，但這些控制方法的功能修改及調(diào)試都需要硬件電路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的困難.相反，使用基于FPGA的設(shè)計(jì)方法具有周期短、設(shè)計(jì)靈活、易于修改等明顯的優(yōu)點(diǎn).而且，隨著FPGA器件、設(shè)計(jì)語言和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的發(fā)展和改進(jìn)，越來越多的電子系統(tǒng)采用FPGA來設(shè)計(jì)，而且使用FPGA器件設(shè)計(jì)的產(chǎn)品將出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域里.

2）老師課堂上所講授的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如何在實(shí)驗(yàn)室里具體實(shí)現(xiàn)？按集成電路設(shè)計(jì)全流程，對(duì)于軟件使用操作，以及硬件描述語言設(shè)計(jì)輸入不需占用太多時(shí)間，學(xué)生們學(xué)過高級(jí)編程語言C語言，其開發(fā)系統(tǒng)以及編程比較熟悉.對(duì)于PLD軟件開發(fā)系統(tǒng)、硬件描述語言編程類似于高級(jí)編程語言，而且比較簡(jiǎn)單.只要通過幾次實(shí)驗(yàn)便可掌握.教師只要對(duì)軟件操作要領(lǐng)、描述語句的硬件特性強(qiáng)調(diào)一下，學(xué)生通過自學(xué)很快就會(huì)掌握.因此，在這方面不需多講甚至不講.對(duì)于設(shè)計(jì)流程應(yīng)強(qiáng)調(diào)主要步驟:設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)編譯查錯(cuò)、功能軟件仿真、時(shí)序仿真、引腳設(shè)定和程序下載等設(shè)計(jì)步驟.每一步的目的、注意的環(huán)節(jié)等都要詳細(xì)講解.

2 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行

2.1 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行方式

傳統(tǒng)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)是分開的，《EDA技術(shù)》這門課程筆者的教學(xué)思路是理論和實(shí)踐絕不分開，理論教學(xué)的階段已經(jīng)給學(xué)生提供了一套按照集成電路設(shè)計(jì)流程講授的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，接下來要在實(shí)驗(yàn)室里完成設(shè)計(jì)，針對(duì)大量學(xué)生學(xué)習(xí)程度參差不齊與實(shí)驗(yàn)室配備有限的矛盾，實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方式分為3個(gè)層次[4]:

1）基礎(chǔ)層次實(shí)驗(yàn)，通過該層次訓(xùn)練，使學(xué)生練習(xí)EDA實(shí)驗(yàn)室預(yù)先安裝的幾種優(yōu)秀EDA軟件，包括:MUTISIM 2001模擬與數(shù)字電路仿真軟件、OrCAD／Pspice9通用電路仿真軟件、MAX＋plusⅡ10.0PLD開發(fā)軟件、QuartusⅡPLD開發(fā)軟件、modelsim VHDL／Verilog HDL仿真軟件.旨在培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代化EDA軟件完成各種電子電路及系統(tǒng)的仿真功能.適合該層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括諸如半加器、全加器、分頻器、編碼譯碼器、乘法器、計(jì)數(shù)器等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn).

2）應(yīng)用層次實(shí)驗(yàn)，該層次實(shí)踐訓(xùn)練重點(diǎn)在于提高學(xué)生工程實(shí)踐能力.實(shí)踐訓(xùn)練過程中，采用了虛實(shí)結(jié)合的方法，把虛擬的實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)際的器件結(jié)合起來，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣以及動(dòng)手能力.該層次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐的結(jié)合，要用到實(shí)驗(yàn)室的綜合試驗(yàn)箱，大致會(huì)包括諸如直流電機(jī)的PWM控制實(shí)驗(yàn)、DDS設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn).這類實(shí)驗(yàn)綜合性強(qiáng)，要求學(xué)生有一定的設(shè)計(jì)程序思路，通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生更清楚了解VHDL語言的編寫和調(diào)試，提高學(xué)生的動(dòng)腦動(dòng)手能力.

3）設(shè)計(jì)層次實(shí)驗(yàn)，該層次的重點(diǎn)是對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合性訓(xùn)練.比如交通燈控制實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)PGA與單片機(jī)的通訊，時(shí)分秒可校定時(shí)器，步進(jìn)電機(jī)控制等，綜合性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生對(duì)教師要求都較高，這類實(shí)驗(yàn)適合開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué).

2.2 電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新方向

一般而言，依據(jù)實(shí)驗(yàn)箱的EDA實(shí)驗(yàn)步驟:首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求寫好程序進(jìn)行仿真，然后選擇實(shí)驗(yàn)箱上電路連接模式，鎖定管腳，下載程序進(jìn)行驗(yàn)證.這樣做可以省略硬件制作過程和調(diào)試工作，學(xué)生每次做完實(shí)驗(yàn)只能體驗(yàn)到軟件的調(diào)試過程，對(duì)FPGA電路部分設(shè)計(jì)和調(diào)試一無所知.所以電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新的方向應(yīng)該是指導(dǎo)學(xué)生從器件的選型→電路原理圖的設(shè)計(jì)→PCB設(shè)計(jì)→電路板的制作→元件的焊接→程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試→整機(jī)調(diào)試，這樣的流程來做.通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠了解FPGA最小系統(tǒng)的構(gòu)成原理，電路設(shè)計(jì)方法和調(diào)試技巧，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和探索精神[5].

針對(duì)電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新方向，建立EDA創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，主要針對(duì)對(duì)EDA技術(shù)特別感興趣的學(xué)生，在校期間積極參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的吃苦耐勞、堅(jiān)持創(chuàng)新的精神.一般而言，能夠堅(jiān)持不懈在電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室努力工作的大學(xué)生，創(chuàng)新能力都會(huì)有很大地提高.

3 結(jié)語

模擬電路設(shè)計(jì)、數(shù)字電路設(shè)計(jì)以及數(shù)?；旌想娐废到y(tǒng)設(shè)計(jì)的全流程工作中，EDA技術(shù)都參與其中.無論在課堂教學(xué)還是在實(shí)踐教學(xué)中，若想要激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生主動(dòng)動(dòng)腦，必須設(shè)計(jì)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的電路系統(tǒng)，讓學(xué)生自己參與其中，體會(huì)自己動(dòng)手過程的結(jié)果.電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新教育不但強(qiáng)調(diào)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全流程思路，更強(qiáng)調(diào)實(shí)踐階段的全流程動(dòng)手過程.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方向促使教師對(duì)教學(xué)研究的深入探索，促使學(xué)生對(duì)工科知識(shí)的質(zhì)的提高.

[1]徐武雄.從全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽看教學(xué)改革[J].科技資訊，2006，10:45－46

[2]劉興華.電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)電子信息專業(yè)實(shí)驗(yàn)課改革的啟示[J].攀枝花學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，27（10）:1 373

[3]全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì)編.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品匯編[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2004

[4]孫 航.Xilinx可編程邏輯器件的高級(jí)應(yīng)用及設(shè)計(jì)技巧[M].北京:北京電子工業(yè)出版社，2004

[5]趙 升，吳初桂.電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的研究與實(shí)踐探究[J].溫州師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，28（3）:613