“数字电子技术课程设计”实验平台的研制

李 林

（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东 东营 257061）

0 前言

“数字电子技术”课程是高等院校电子信息类各专业的重要技术基础课，我校将2周的“数字电子技术课程设计”单独设课。随着EDA技术的普及，我校开展了基于EDA技术的“数字电子技术课程设计”新模式的教学研究与实践，在培养学生综合能力和工程设计能力方面作了一些探索和尝试［1］。在实施过程中我们发现，由于多种因素的制约，还没有一个完善的硬件平台为学生提供实际的验证与硬件测试，这使得在大多数情况下我们的课程设计只能进行仿真，学生缺乏对实际电路直观与形象的认识。可见，开发一套适应“数字电子技术课程设计”内容的实验开发和验证平台显得尤为必要。

1 方案设计与实验平台介绍

我们研制的基于FPGA的“数字电子技术课程设计”实验平台，包括FPGA核心开发板和与各个课程设计内容相关的外部扩展电路模块，各个模块之间采用标准的SCSI扩展接口连接，可以针对不同的实验采用不同的扩展板，从而实现多种功能的验证。扩展模块包括多种数字电路功能模块。

1）方案论证

我们采用了Xinlix公司的EXCD－1开发板，基于Xilinx Spartan 3EFPGA器件的应用并结合一种Xilinx的集成开发工具ISE和嵌入式开发工具EDK，设计成一个低成本、高精度的电路瞬态特性测试系统，应用于典型二阶电路特性测试［2］。本方案采用SOPC技术，其核心部件为MicroBlaze软核（CPU）、IP核、按键和液晶显示屏。按键主要负责输入命令和数值，如单位阶跃信号电压值调节、系统复位控制和D／A波形输出控制等。液晶主要负责波形和测量参数的选择。IP核是核心外设部件，IP核分为两部分。第一部分负责信号的产生，如阶跃信号，三角信号和单脉冲信号等；第二部分负责对经过被测集成电路的信号进行A／D采集存储并送入CPU进行处理。系统的另一核心部件是MicroB－laze软核（CPU），由它对系统进行总体的控制和数据处理。其控制功能主要包括根据键盘的输入命令执行相应的操作，如进行阶跃信号电压的调节、复位调节和液晶屏显示等。其数据处理功能主要是计算二阶系统的超调量和调节时间等。系统总体组成框图如图1所示。

图1 系统总框图

2）A／D部分

利用ADS828制作电路设计实现A／D转换，芯片的10位输出可满足精度的要求，并且具有标准电路供参考，省去测试的负担。并且设计好的电路作为外接电路，拆卸更改方便，轻便易移动。

3）D／A部分

由于电路设计过程中所用到的平台是Xilinx FPGA，因此我们选择外接D／A转换芯片AD7945达到数模转换的目的。芯片的输入数据端口为十二位，涵盖数据范围大，功耗低。

4）调理电路方案选择

为了保护A／D转换器ADS828（输入电压范围：－1V～＋1V）在二阶系统输出端接入调理电路。它由电压保护和两级反相比例电路，可将电压幅值控制在1V～－1V。

2 理论分析与计算

二阶系统的电路如图2所示。二阶系统峰值时间和超调量等参数定义如图3所示［3］。

图2 二阶系统电路

图3 二阶系统参数定义图

通过理论计算可以得到系统的参数如下：

传递函数：W（S）＝R／（S2＋10S＋R）其中，R为kΩ。

3 程序设计

1）开发软件简介

EXCD－1是一款易于使用的开发板，它能够实现大量基于FPGA的数字系统。此板有5个扩展接口，可灵活的扩展各种功能模块，如数模转换模块，模数转换模块和LCD显示模块等［4］。开发工具ISE的主要功能包括设计输入、综合、仿真、实现和下载，涵盖了可编程逻辑器件开发的全过程（图4）。从功能上讲，完成CPLD／FPGA的设计流程无需借助任何第三方EDA软件。

2）软件程序流程

根据分析与设计，可将软件程序部分的流程设计如图5所示。从图中可以看出，系统启动后先进行初始化，初始化完成后，软件流程的控制由按键实现。当按下按键时，触发中断，软件检测所按下的按键并根据按键类型进行相应的操作［5］。

图4 ISE模块设计的流程

图5 软件流程图

4 实验项目和功能特点

目前以实验平台为硬件基础，开发的实验项目中基本实验有八位寄存器实验、计数器设计实验、动态扫描显示实验和抢答器实验等30余项，涉及可编程模拟电子技术、数字电子技术、硬件描述语言VHDL和CPLD／FPGA设计等课程的基本实践。开发的综合性课程设计实验有数字时钟实验、出租车计费器、格雷码变换电路、液晶屏显示驱动实验、电子琴电路设计和步进电机驱动电路等。通过该实验平台也可完成智能数字频率计实验、波形发生器实验、简易逻辑分析仪实验和低频数字式相位测量仪实验等电子大赛培训实验。

由于本实验平台给出了合理的接口，因而可自行开发各种合适的外扩模块。比如准备设计开发的USB接口、485通信、以太网接口和相位差产生等模块。ISP在线下载线方便实用，不用仿真器，只需一根并口电缆就能完成CPLD／FPGA的实验以及电子大赛的训练项目的调试。CPLD下载线为通用下载线.便于教师和学生自制的CPLD／FPGA的下载实验。

我院依托实验平台进行开放式实验的改革，以加强基础、开拓思维、培养能力为改革指导思想，建立了一套“基本实验技能培养—综合设计能力培养—创新设计与研究能力培养”三个培养层次的开放式实教学体系。实验平台为开展电子创新设计性实验提供资源，引导学生将学习的过程延伸到课外，内容具有较高的综合性和知识的渗透性。实验过程与解决实际科研问题具有较强的模拟性。学生是实验过程的体，学生自由组合、自已选题、自己设计实验方案、自已搭建关验系统、自己分析结果。在模拟科研的氛围中，启发学生的创新意识，培养创新思维、洞察力及想象力。

5 结语

我校开设数字电子技术课程的专业有自动化，测控、电子和电气等8个专业30余个班级，实验平台的应用充分调动了学生参与实验的积极性与主动性，每年参加大学生电子技术科技创新活动和电子设计竞赛的学生人数达到1000多人。在学校举办的各种科技创新活动中，在全国及山东省的大学生电子设计竞赛中，我校大学生均取得了优异成绩，获得全国的大学生电子设计竞赛一等奖2项，二等奖1项，山东省的大学生电子设计竞赛一等奖十多项。基于FPGA的数字电子技术课程设计实验平台的应用使学生的工程实践能力和创新实践能力得到明显提高。

［1］王枚，王桂珍，田丽鸿.基于EDA技术改革数电课程设计，培养学生创新能力［J］.南京：电气电子教学学报，2006（4）：18－21

［2］何 宾.Xilinx可编程逻辑器件设计技术详解［M］.北京：清华大学出版社，2010

［3］胡寿松.自动控制原理《第五版》［M］.北京：科学出版社，2007

［4］全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编［M］.北京：北京理工大学出版社

［5］EXCD－1开发板参考手册［M］.北京：北京中教仪装备技术有限公司.2010