劉艷霞+劉泉+張雪姣

摘要：針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程的培養(yǎng)目標(biāo)，在進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)中引入現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)FPGA 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法進(jìn)行更新，強(qiáng)調(diào)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用性、工程性，增強(qiáng)學(xué)生的綜合實(shí)力。有效的培養(yǎng)具有實(shí)際工程應(yīng)用能力的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)人才，推動(dòng)應(yīng)用型大學(xué)的內(nèi)涵建設(shè)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子技術(shù)；FPGA；工程實(shí)踐；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）01-0140-02

Abstract：Aiming at the current situation and existing problems in digital electronic technology course， this article introduces the modern electronic design FPGA experimental platform in course teaching， the experiment contents and methods are updated with the teaching， the applicability and engineering quality of the course teaching are emphasized. Consequently， the students' electronic circuit design ability is cultivated，the students' engineering practice ability and independent innovation ability are improved，which make it better for them to meet the needs of future electronic technology and industrial development。

Key words： Digital Electronic Technology； FPGA； Engineering Practice； Teaching Reform

在電子信息類專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，數(shù)字電子技術(shù)是專業(yè)基礎(chǔ)課程，起著承上啟下的作用[1]。教學(xué)中不僅培養(yǎng)學(xué)生掌握邏輯代數(shù)的基本知識(shí)、基本原理，邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生在數(shù)字電子技術(shù)領(lǐng)域的工程思維方法、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)手段、分析經(jīng)驗(yàn)、故障排查等綜合技能[2]。

1 數(shù)字電子技術(shù)課程現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

數(shù)字電子技術(shù)主要研究各類邏輯門電路、集成芯片的功能及其應(yīng)用、組合和時(shí)序電路的分析和設(shè)計(jì)方法、存儲(chǔ)器等。傳統(tǒng)的教學(xué)方法主要是老師講解一些基本的原理、特點(diǎn)和推理過(guò)程[3]。學(xué)生只需上課認(rèn)真聽(tīng)講，課后做一些練習(xí)。這種教學(xué)方法注重經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)的傳授，偏重課程理論知識(shí)的完整性、系統(tǒng)性，忽視了理論知識(shí)的工程實(shí)踐性。學(xué)生只能被動(dòng)的接受，學(xué)習(xí)的興趣得不到激發(fā)，實(shí)踐應(yīng)用能力得不到充分的培養(yǎng)[4]。在應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)下，數(shù)字電子技術(shù)課程的這種教學(xué)方法已不在適用。

數(shù)字電子技術(shù)主要采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)箱進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，利用分立的74系列芯片對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)驗(yàn)箱上的發(fā)光二級(jí)管或數(shù)碼管顯示。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求，綜合運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)課程中所學(xué)理論知識(shí)，獨(dú)立思考、分析問(wèn)題，獨(dú)立對(duì)器件選型、組裝，“自下而上”地設(shè)計(jì)具有一定功能的小規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)[5]。這種設(shè)計(jì)方法有助于學(xué)生理解數(shù)字電路知識(shí)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用，但缺乏設(shè)計(jì)靈活性，設(shè)計(jì)內(nèi)容單一多年不變，設(shè)計(jì)功能難以進(jìn)行擴(kuò)展；設(shè)計(jì)思路僵化，學(xué)生的設(shè)計(jì)方案容易產(chǎn)生雷同。另外這種設(shè)計(jì)方法需要的芯片品種多、數(shù)量大，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)效率低；設(shè)計(jì)的電路連線復(fù)雜，可靠性比較差，電路查錯(cuò)、糾錯(cuò)也比較困難，學(xué)生感到單調(diào)、枯燥、乏味，缺乏創(chuàng)新。

傳統(tǒng)的課程教學(xué)在一定程度上限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維和個(gè)性的發(fā)展，忽視了數(shù)字電子技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用與工程實(shí)際的聯(lián)系，缺乏對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生往往與實(shí)際社會(huì)應(yīng)用脫節(jié)，與工作崗位需要相脫節(jié)，因此必須進(jìn)行改革[6]。

2 數(shù)字電子技術(shù)課程改革措施

2.1 優(yōu)化課程內(nèi)容

針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字電路教學(xué)中教師按照課本編排順序組織教學(xué)，講授內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目的不能有效配合，學(xué)生不能真正理解工程實(shí)際與理論知識(shí)之間的關(guān)系，教學(xué)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際需要對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行了精選，壓縮傳統(tǒng)卡諾圖、多項(xiàng)式化簡(jiǎn)的課時(shí)；對(duì)TTL 邏輯電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行刪減，簡(jiǎn)單介紹工作原理，重點(diǎn)補(bǔ)充集成器件的實(shí)際應(yīng)用案例。在課程講述中引入硬件描述Verilog語(yǔ)言、Vivado軟件和FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本知識(shí)。講述硬件描述Verilog語(yǔ)言的特點(diǎn)和進(jìn)行系統(tǒng)描述的方式，通過(guò)實(shí)例講述該語(yǔ)言結(jié)構(gòu)以及并行語(yǔ)句、順序語(yǔ)句、循環(huán)語(yǔ)句、分支語(yǔ)句等知識(shí)，學(xué)會(huì)使用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的組合、時(shí)序邏輯電路。介紹Vivado軟件的設(shè)計(jì)流程：創(chuàng)建工程項(xiàng)目，使用Vivado內(nèi)建仿真器對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能仿真，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合并分析綜合結(jié)果，添加約束I/O，使用Vivado工具對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)并觀察實(shí)現(xiàn)結(jié)果，使用Vivado內(nèi)建仿真器對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行時(shí)序仿真，生成比特流文件及功能驗(yàn)證。強(qiáng)化當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)先進(jìn)的仿真軟件和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使得教學(xué)更加貼近技術(shù)發(fā)展的前沿，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握；學(xué)生從學(xué)習(xí)開(kāi)始就與工程實(shí)際聯(lián)系在一起，分析、解決實(shí)際問(wèn)題，有效地進(jìn)行工程素養(yǎng)培養(yǎng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

EDA技術(shù)的基本特征是采用高級(jí)語(yǔ)言描述，集設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試于一體，擁有開(kāi)放式的設(shè)計(jì)環(huán)境，配置了豐富的元件模型庫(kù)，配置了高性能的邏輯綜合、優(yōu)化和仿真測(cè)試工具。這種設(shè)計(jì)方法首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，設(shè)計(jì)人員按照“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路采用專用集成電路實(shí)現(xiàn)，擺脫了電路細(xì)節(jié)的束縛，采用硬件描述語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)的行為級(jí)進(jìn)行描述，最后通過(guò)綜合器和適配器生成最終的目標(biāo)器件。同時(shí)，由于是在高層次上完成設(shè)計(jì)的主要仿真和調(diào)試過(guò)程，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤容易盡早發(fā)現(xiàn)，提高了設(shè)計(jì)的成功率，大大的縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。endprint

目前FPGA結(jié)合了硬件和軟件的優(yōu)勢(shì)，打破了順序執(zhí)行的模式，因其較短的開(kāi)發(fā)周期，完善的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)被廣泛用于高性能的大數(shù)據(jù)處理、大型運(yùn)算等場(chǎng)合。在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中引入FPGA 平臺(tái)，對(duì)數(shù)字邏輯電路的基本理論進(jìn)行驗(yàn)證，不僅加深學(xué)生常用的組合、時(shí)序邏輯電路的理解，還可使數(shù)字電子技術(shù)課程的教學(xué)和工程實(shí)際相聯(lián)系，有著廣泛的應(yīng)用及較大的靈活性。數(shù)字電子技術(shù)開(kāi)設(shè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的不同類型，采取不同的教學(xué)方式。

1） 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要是理論驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)，根據(jù)敘述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、提供原理電路，要求學(xué)生采用硬件描述語(yǔ)言（Verilog）完成硬件的設(shè)計(jì)描述，利用FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證電路的功能。例如“流水燈設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生完成16 個(gè)燈能夠依次的從右到左點(diǎn)亮，撥下?lián)艽a開(kāi)關(guān) SW0后，流水燈便從左到右依次點(diǎn)亮。要求學(xué)生掌握基本的模塊化的設(shè)計(jì)方法，讓多數(shù)學(xué)生熟練掌握EDA技術(shù)，系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)及軟硬件系統(tǒng)調(diào)試。同時(shí)，鍛煉學(xué)生基本的工程應(yīng)用能力，以適應(yīng)社會(huì)的需求。

2） 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)性試驗(yàn)是對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)的綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論的能力和解決較復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題的能力。為了兼顧不同層次學(xué)生的需要，設(shè)置不同難度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)供學(xué)生選擇。學(xué)生根據(jù)題目設(shè)計(jì)要求，自己獨(dú)立查找相關(guān)工程案例及經(jīng)典設(shè)計(jì)，須掌握盡可能多的文獻(xiàn)信息資料，根據(jù)自己的興趣及能力選定題目、制定設(shè)計(jì)方案。例如“藍(lán)牙通信”實(shí)驗(yàn)，使用藍(lán)牙鏈接手機(jī)與開(kāi)發(fā)板，自行設(shè)計(jì)控制指令，使手機(jī)通過(guò) APP 發(fā)送命令，控制 FPGA 板卡上或擴(kuò)展的硬件外設(shè)，可擴(kuò)展鏈接傳感器模塊采集環(huán)境信息，并于手機(jī)APP進(jìn)行交互。在這個(gè)過(guò)程中，教師通過(guò)答疑形式解決學(xué)生設(shè)計(jì)中遇到的各種問(wèn)題。學(xué)生可在原有設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行自我發(fā)揮，自行設(shè)計(jì)電路對(duì)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行擴(kuò)展。在這一過(guò)程中培養(yǎng)了學(xué)生調(diào)試、分析、排除故障的工程應(yīng)用能力，學(xué)生主觀能動(dòng)性得到充分發(fā)揮。

3） 撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)報(bào)告是用文字形式描述、記錄某個(gè)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一種書(shū)面材料，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告是學(xué)生實(shí)驗(yàn)工作不可缺少的重要環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)中的觀察、分析、綜合、判斷，如實(shí)地把實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果用文字形式記錄下來(lái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析并簡(jiǎn)明扼要結(jié)論，說(shuō)明排除故障的過(guò)程和方法。嚴(yán)格的要求有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度和實(shí)事求是的工作作風(fēng)，為今后的學(xué)習(xí)、工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4） 完善實(shí)驗(yàn)考核制度

實(shí)驗(yàn)考核方式是實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)成績(jī)不僅反映了學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的真實(shí)水平，還能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲望。公平、合理、準(zhǔn)確的給出成績(jī)是培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的動(dòng)力?？己朔绞讲捎没A(chǔ)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分開(kāi)考核，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)成績(jī)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)成績(jī)各占實(shí)驗(yàn)課程總成績(jī)的50%。對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)成績(jī)的給定由平時(shí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)2部分組成：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)總成績(jī)=平時(shí)成績(jī)（50%）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)（50%）。對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)采用小組答辯的形式，同樣題型的學(xué)生組成一個(gè)答辯小組，學(xué)生先介紹設(shè)計(jì)的過(guò)程、方案和特色，并現(xiàn)場(chǎng)展示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。教師和其他學(xué)生依據(jù)設(shè)計(jì)方案、仿真過(guò)程、設(shè)計(jì)結(jié)果、創(chuàng)新性及撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)述，給出綜合成績(jī)，并在同一題型中選出最佳方案。通過(guò)這種互動(dòng)交流的考核過(guò)程，增強(qiáng)了師生間的感情，開(kāi)闊了學(xué)生的眼界和思路。

3 結(jié)束語(yǔ)

電子行業(yè)成為目前求職競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的行業(yè)之一，不但要求學(xué)生有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且要有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力及實(shí)踐動(dòng)手能力。通過(guò)數(shù)字電子技術(shù)課程的改革提高了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力，為后續(xù)專業(yè)課程及參加全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽打下了良好的基礎(chǔ)。通過(guò)使用先進(jìn)的FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生們跟上現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的步伐，開(kāi)闊了設(shè)計(jì)思路，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了電路設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐能力和自主創(chuàng)新能力，使之能更好地適應(yīng)未來(lái)電子技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的需要。

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