引入新技术与新器件的电子技术实践教学

张 熠,张豫滇,杨英强

(南京邮电大学电子科学与工程学院,江苏 南京 210003)

当前,改革实践教学体系,引入新技术与新器件来丰富传统实践教学内容已成为电子技术实践教学改革的一个重要发展趋势,多所高校在这一领域进行了富有成效的改革,积累了丰富经验[1,2］。我院电工电子实验教学省级示范中心依据本校情况,实施了开放性专题实验教学,已取得了良好效果。本文即以“存储器应用”开放性专题实验为例,就该专题实验教学的目标、内容、教学方法以及教学资源建设等内容进行探讨。

1 存储器专题实验教学目标

存储器的相关知识在“数字电路与系统”、“单片机”、“微机原理”和“电工电子实验”等课程中有所涉及,但仅限于工艺、存储原理以及少量的应用介绍。鉴于此,存储器专题实验教学的目标主要定位于四个方面:①了解主要半导体厂商的存储器产品,在进行电子系统设计时能根据系统要求合理选择存储器型号;②掌握常用存储器的操作方法,能够熟练给出接口电路设计与读写程序,这是本专题实验教学的重点;③加深对各种接口时序与协议的理解,提高单片机与可编程器件应用开发能力;④通过阅读半导体厂商提供的技术文档学习存储器操作方法和应用技术,提高外文资料阅读能力以及解决问题的能力,培养工程素质和创新能力。

2 存储器专题实验教学内容

2.1 存储器的选择

目前在各类电子系统中,SRAM、EEPROM、Flash和SDRAM等类型的存储器应用非常广泛。本专题针对这几种类型的存储器,介绍主要厂商的存储器产品线,使学生对存储器产品有总体了解;并在其中选择若干型号,按照存储器的操作复杂程度,安排基本型、提高型和设计型三个层次的实验。基本型和提高型实验主要是存储器读写操作训练,设计型实验主要为应用系统设计。

1)基本型实验存储器的选择

基本型实验所用的存储器为小容量、并行接口和读写操作简单的存储器。可选择型号如AT28C64(8k×8 bits EEPROM)、KM62256(32k×8 bits SRAM)、IDT7202(FIFO)、IDT7024(双口RAM)以及AT29C040(512k×8 bits Flash)等。

2)提高型实验存储器的选择

提高型实验所用的存储器包括I2C、Microwire、SPI等串行接口EEPROM和大容量Flash存储器,可选型号如 AT24C16(16k bits I2C EEPROM)、X5045(512 Bytes SPI EEPROM)、93C46B(1k bits Microwire EEPROM)以及K9F1208U0C等。串行接口存储器接口电路简单,封装尺寸较小,其读写须按照严格的串行协议,配合串行时钟信号将数据逐位存入或取出。

K9F1208U0C是512M bits容量的Nand Flash存储器,其地址线和数据线为复用的I/O线,以页为单位读写数据,以块为单位擦除数据。地址和命令在I/O线上分次传递,数据宽度是8位。除此之外,在读写的时候,要根据Nand Flash管理规范检测坏块,对坏块进行标志,操作较为复杂[3］。

3)设计型实验存储器的选择

设计型实验项目在涵盖前两种实验所用存储器的基础上,增加1-Wire EEPROM 和SDRAM,前者采用Maxim公司EEPROM DS2430A或iBitton DS1991,器件接口基于 1-Wire串行协议,该协议能够通过一根信号线实现器件供电并双向传输数据。

SDRAM 可选 Hynix公司 μ HY57V641620HG(4 Banks×1M×16bits)。SDRAM将存储器分成很多独立的小块(Bank),由Bank地址线控制Bank间的选择,每个Bank的数据的宽度和整个存储器的宽度相同。SDRAM的行地址线和列地址线时分复用,寻址过程复杂;另外SDRAM 的刷新机制的控制过程也较为复杂[4］。SDRAM数据传输速率较高,对数据总线布局比较敏感,甚至关系到设计的成败。

2.2 存储器专题实验项目设计

存储器实验的项目按类型分为基本操作训练和应用系统设计两类。

基本操作训练主要采用单片机实现存储器的读写,即能够将数据写入并读出即可。

应用系统设计要求借助实验平台资源或自主设计电路,实现一个完整的应用系统,将存储器应用技术体现在系统开发中,实验项目诸如点阵式LED显示器的图案与字符显示、单片机系统的存储器扩展、数字录音与播放器、温度记录仪、基于iButton的巡更阅读器和交换机计费信息缓存器等;项目只提出系统要求,不指定存储器型号,需要学生依据功能、电气指标和系统成本等因素,合理选择存储器型号;其中多个项目具有产品研制性质,这有利于激发学生兴趣,培养工程素质与创新精神。

3 教学资源与教学方法

3.1 教学资源

专题实验资源主要包含硬件实验平台,辅助、测试软件,实验课题讲义和芯片数据表等。实验主要基于单片机系统进行,实验平台结构如图1所示。实验平台除了单片机外,也支持 CPLD/FPGA、ARM嵌入式处理器,可供学有余力的学生选择使用。

图1 实验平台硬件结构示意图

平台上设有多种类型存储器,并具有A/D、LCD显示、通信模块等外围资源,利于开展完整系统的实验课题和验证,如利用实验平台上的iButton DS1991、串行EEPROM 、时钟/日历芯片DS1302和串行口等部件可以设计实现巡更阅读器,对1-Wire等串行EEPROM的读写便体现在这一产品开发中。相关模块(如LCD显示和串行通信)的使用可视学生情况提供源程序支持,促进学生完成存储器应用训练。测试软件包含串口调试助手和温度监控上位机软件等,用于对学生的实验结果进行测试,以便于快速准确地判断结果的正确性,给出成绩评价。

3.2 教学方法

为了切实提高学生的动手能力,培养实践经验,在教学方法上应注意以下几方面:①强调学生主体的原则,避免教师过多参与[5］;②充分开放实验室和实验资源,便于学生查阅参考资料,有充足的时间完成实验任务,也可以对难度较大的项目进行深入研究;③引导学生运用仿真软件如Proteus辅助设计调试,提高效率;④重视素质训练,从分析协议时序、编程调试至报告撰写,均给出要求。

[1］俞松坤,席洁.深化实践教学改革 培养学生创新能力[J］.北京:中国大学教学,2009,8:68-70

[2］李香萍,严明.电子技术实验教学的改革与实践[J］.上海:实验室研究与探索,2009,10:117-119

[3］SAMSUNG.K9F1208X0C Data Sheet.http://www.Samsung.com

[4］段然,樊晓桠,张盛兵.基于状态机的SDRAM控制器的设计与实现[J］.北京:计算机工程与应用,2005,41(17):110-113

[5］张智钧.工科专业实践教学的问题分析与改革探讨[J］.北京:中国高教研究,2005,6:81-82