EDA实验室建设的思考

2015-01-13武汉商学院

电子世界 2015年21期

关键词：电路设计实验室实验

武汉商学院陈　皓

EDA实验室建设的思考

武汉商学院陈皓

本文根据我校应用电子技术专业的发展需要，论述了建设EDA实验室的意义，实验室建设的现状，实验室建设目标与成果，以及实验室课堂教学效果。

EDA；实验室建设；应用电子技术

1　实验室建设目的及意义

电子设计自动化（EDA）技术，是为了实现电子系统最底层硬件问题的技术，是电子工程设计的非常重要的手段，也是应用电子技术专业以及其它相近专业的大学生应该掌握的一门基本的技术。作为一个硬件设计的实验平台，EDA实验室可为众多相关专业课程实验提供服务。EDA实验室提供了进行系统设计与仿真的全功能、全方位EDA工具，内容覆盖微机原理与接口技术、单片机与嵌入式系统应用、FPGA／CPLD、EDA/SOPC、Quartus II课程的实验教学等。

EDA技术对传统的电子设计方法进行了改革，将EDA技术引入高等院校的电子类的专业课程是十分必要的。EDA技术的快速发展, 使我国高校电子技术的教学面临很大的挑战, 它对教学思路和实验手段等都提出了新的要求, 因此构建一套适应EDA技术人才培养要求的实验教学体系, 是一个非常重要的课题。我院的建设目标是从培养学生的实践能力出发，考虑实验内容和体系，全面规范EDA实验的教学，提供完备的EDA实验设备和工具，在尽可能的情况下加快软硬件环境的更新换代，为学生的实验提供丰富教学资源。

2　实验室建设的现状

《EDA技术》是机电学院的一门专业基础课，也是应用电子技术专业的主干课程，长期以来没有相关的实验器材来辅助教学，教师只能在讲台上采用纯理论教学，这样理论与实验脱节，教师花了很大功夫，但是不能及时发现学生学习中出现的问题并给予合理的指导。课程学习难度大、实践性强，因此学生在学习过程中很吃力，很难达到人才培养的目的。

3　实验室建设目标

实验室建设目标是掌握以计算机为平台，以EDA软件工具为开发环境，以HDL为设计语言，以可编程器件为载体，以ASIC、SOC芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。掌握硬件描述语言，选择目标器件，在集成开发环境里进行编译，仿真，综合，最后在线下载调试。项目建设完后专业有综合性、设计性实验内容的课程比例为3:1。实验室建设涵盖的实验课程名称包括《EDA技术》《单片机技术》《微机原理与接口技术》。覆盖专业是应用电子技术专业,学生人数200人。开放时间为《EDA技术》实训课时间和电子专业技能实训时间。内容为基础实验项目、综合设计性实验项目和小型系统设计实验项目。对象为应用电子技术专业大二学生和大三学生。

4　实验室建设成果

EDA软件方面，全球许多著名EDA提供商都推出了自己的开发工具软件，如Altera公司的Quartus Ⅱ软件；Xilinx公司的Foundation软件，Lattice公司的ispExpert软件等。这些软件的推出极大地促进了EDA技术的设计于一体的发展。我院实验室选择了Altera公司的Quartus Ⅱ软件。而硬件方面，可编程器件的内部开始集成高速的处理器硬软核、处理器、大量的存储资源。根据学生的要求，我院选择了浙江天煌公司的EDA嵌入式实验/开发系统。该系统学生够用，并且基于不同芯片的实验开发，易于升级，符合当前高校在此方面对人才培养的要求。学生只需编写硬件描述语言代码，然后选择目标器件，在集成开发环境里进行编译，仿真，综合，最后下载调试。

本实验开发系统包括核心板和实验底板两大部分，核心板主芯片使用Altera公司的Cyclone™系列FPGA器件EP1C12Q240（包括12,060Les，相当于30万门左右），集成度高，内部资源可以满足大部分的应用场合。FPGA的大部分IO引脚通过两排插针引出到实验底板上，同时核心板配有外围存储芯片flash、SRAM各一片，其中SRAM(16位)为512K，FLASH(8位)为2M，用于扩展NiosII编程片上系统EDA设计的数据和程序存储空间。其中配置芯片：EPCS4，4Mbit储存量，支持AS和JTAG两种配置模式，用户可根据实际情况利用不同的下载口下载程序。实验底板其他的硬件资源还包括1个PS/2接口、A/D+D/A通用扩展模块、1个双通道音频输入/1个双通道音频输出接口、8个7段数码管、8个LED、八位电平开关、彩屏显示模块、4×4键盘矩阵、USB的扩展模块、8色VGA接口、交通灯模块、下载电缆。EDA底板硬件结构框图参见图1。

图1　 EDA底板硬件结构框图

5　实验室课堂教学效果

在教师的指导下，操作Quartus Ⅱ软件，按照流程做完从新建文件，编译，仿真，分配引脚等软件操作部分的全过程。硬件方面，熟悉实验系统，组成，了解各模块的基本作用，了解主板I/O分布情况，认识液晶屏，JTAG接口，逻辑笔，跳线等器件或组件。

根据学生情况和课时要求，我们在33个实验项目中选择了以下15个学生必做实验。分别为门电路设计与仿真、组合逻辑电路设计与仿真、触发器电路设计与仿真、时序逻辑电路设计与仿真、加法计数器电路设计、译码电路设计、3-8译码器电路设计、优先编码器74LS148设计应用、74LS164控制电路设计、用硬件描述语言进行数字钟设计、BCD码转换电路设计、16进制数转换10进制电路设计、模拟交通灯电路设计、实用电梯控制器设计、NiosⅡ软件设计与运行流程。

为了提高了学生的实践能力，课程考核总成绩改为由平时成绩、理论考核和实验三大部分组成，其中：平时成绩占25%，理论考核占25%，实验占50%。这样以便于更多的考核学生的综合实践能力。

实践证明该系统将理论教学和实践教学融合在一起，提高了实践教学的效果，有效地激发了学生的学习积极性，由于采用模块化的结构，提高了学生的实践能力和解决问题的综合能力。该系统使用后结果发现90%以上的学生认为该系统能帮助学生了解数字电路硬件结构，能通过编程下载更好地理解老师上课时讲解的理论知识，能提高学生的学习兴趣。由于上课地点就设在实验室机房，学生能在理论课结束后立即投入到相关的验证实验当中，学生学习的积极性得到很大的促进。