创意型数字逻辑设计实验

田淑珍， 杨士强， 董代洁

(清华大学 计算机科学与技术系， 北京 100084)



创意型数字逻辑设计实验

田淑珍， 杨士强， 董代洁

(清华大学 计算机科学与技术系， 北京 100084)

介绍数字逻辑实验教学中探索理论与实践如何更好的结合，并将新的CPLD技术溶于教学中，结合开放、半开放设计方式，充分发挥学生的无限想象力，在近年的数字逻辑实验中取得了新的创新成果。该文介绍了创意型数字逻辑实验的总体思路、列举了一些案例以及教学的总体效果。

数字逻辑设计； 数字逻辑实验； 创意型； 创新性； CPLD

“数字逻辑”是大学计算机及电类专业的专业基础课程，它是其他硬件课程先修课，是硬件设计的基础，理论与实践的容量都较大。数字逻辑实验早期使用分立元件实现简单的逻辑电路，如用74系列的器件实现各种组合逻辑和时序逻辑电路，器件之间使用面包板连线连接，后来采用了简单的可编程逻辑器件PAL和GAL来实现逻辑电路的部分功能，但还是采用面包板连接的方式[1]。随着半导体及可编程技术的发展，出现了CPLD、FPGA等规模较大的可编程器件，在这种情况下，数字逻辑设计引用了EDA技术，整体的逻辑电路可以集成在一个器件内实现，使数字逻辑电路设计上了一个新的台阶。但是设计大体是局限在同一种实验平台上，对于一些极富创意的设计还不能完全满足。在这种情况下我们引入了全开放式数字逻辑实验或半开放式实验，在此我们统称为创意型实验[2-3]。

1 创意型数字逻辑设计实验的思路

创意型数字逻辑实验概念的引入是为了满足学生的创新愿望，鼓励学生将奇思妙想付诸实践，同时在有限的课程时间段内达到预期的教学目标。为此，我们进行了几年的摸索和实践。一开始是吸纳课程中的一小部分学生做一些全开放式的实验，完全脱离于实验室提供的实验平台，从设计电路到PCB的制作都由学生独立完成，达到了非常好的效果。但这种做法不能够在所有学生中实施，只适合一部分动手能力较强的学生。为了让所有的学生都有机会进行一些创意型的工作，除保留一小部分学生选择全开放设计方式外，大部分学生可以选择半开放设计方式，它是用实验室提供的实验平台和学生自己设计的部分内容相结合来完成设计的[4]。实验平台包括可编程器件CPLD、基本的供电、时钟以及简单的接口，同时可编程器件还提供开放的IO端口，这些IO端口可以通过延长线、接插件等扩展为不同的接口功能。学生主要的逻辑设计在CPLD内完成，被控接口由学生自己设计。这种做法既节省了一定的设计工作量，又让学生有发挥想象力的余地，达到好的教学效果[5-7]。

2 创意型数字逻辑设计实验平台介绍

实验平台采用Altera公司的型号为EPM240T100C5的CPLD作为主芯片 ，还包括供电电源、系统时钟、通用逻辑器件区、DIP开关、PUSH按钮、彩灯阵列和数码管等，同时预留了16位的IO端口作为扩展端口。彩灯阵列的管脚已直接连接到EPM240上，数码管、发光二极管、DIP开关、PUSH按钮直接与CPLD的IO相连，通用逻辑器件阵列是由10个接插件组成，支持实验中的通用逻辑器件(主要是74系列的器件)的安装，每个管座的管脚都被引出到一个台阶插座上，可以通过连接线将管脚连接起来形成所需电路，学生自设计部分通过扩展的IO端口与CPLD连接，通过CPLD内部设计对外部的自设计接口进行控制。图1为实验平台的结构图[8]。

图1 实验平台结构图

3 创意型数字逻辑设计案例

3.1 数字调音器的设计(半开放式设计举例)

3.1.1 数字调音器的功能

调音器是一种帮助乐器校准音高的工具，它的主体功能是听到一个音后显示出该音的音高以及该音与它最接近的标准音高的差距。其设计主要功能是：

(1) 接收到一个音，灯阵将显示出一个字母和一个显示条.字母为C、D、E、F、G、A、B，对应音乐标准音中的do、re、mi等音。显示条长短表示实际音与显示的标准音的差值。

(2) 当灯阵上显示某个音高时(如C)，按开关1后蜂鸣器开始发声，声音的频率为显示出的标准音高(如C对应440 Hz)，按遥控器上的键或开关2，可以提高蜂鸣器发出声音的音高，共分7级，分别对应CDEFGAB 7个音高。

(3) 按开关3改变调节状态，调节状态改变后再按遥控器上的键或开关2则降低蜂鸣器发出的声音音高，共分7级，分别对应CDEFGAB 7个音高[9]。

3.1.2 功能模块

如图2所示，数字调音器的功能，在结构上分为主体部分(在实验平台上完成)和扩展部分：

图2 数字调音器的功能模块

(1) 扩展部分为声音输入传感器和蜂鸣器，以及红外遥控接收，这部分的模块负责声音的读入和输出，接收遥控指示，在硬件上采用购置的蜂鸣器和声音读入器，通过接插件与主体实验板连接。

(2) 主体功能在实验平台上的CPLD片内设计，并由实验平台上的输入输出控制开关以及灯阵显示配合完成。CPLD内部设计有以下几个功能组成：

① 声音采集及音高判断模块。设定0.1 s的采样周期，通过检验采样周期内声音传感器模拟量输出信号的正跳变次数计算声音的频率。通过频率大小，产生不同的输出信号。

② 显示模块。根据声音传感模块的输出信号，设置12×8的显示矩阵。通过扫描方式，每次向8×8LED灯阵输入显示矩阵的一行作为显示码，八个时间脉冲为一个周期(5 MHz)进行扫描，显示出相应图案。

③ 发声模块。将声音模块输出信号作为初始频率信号，由遥控模块和开关控制频率信号的上升或下降。根据频率信号和音高-频率表，调整输出序列周期，以改变蜂鸣器声音频率。

④ 遥控模块。接受红外接收器信号，当信号出现一次正跳变后输出一个信号。每次输出信号后有0.25 s的延迟，延迟后接受第二次红外接收器信号。

⑤ 主体控制。集成4个模块，将相应信号进行连接。由开关控制发声模块使能端。

3.2 运动三维显示设备的设计(全开放式设计举例)

3.2.1 运动三维显示设备的功能

运动三维显示设备是通过电机驱动PCB 板高速旋转,在特定角度点亮板上的特定彩灯,实现三维显示的效果。

3.2.2 功能模块

运动三维显示设备的设计采用完全自制的方式设计，总体设计框架包括带有CPLD和彩灯阵列的PCB板、与PCB板接口的电机，如图3所示。PCB板与电机连接，电机转动时带动PCB板旋转，在旋转的PCB 板上设置了一个红外接收器,接收下方固定位置红外发射器的信号,通过两次信号的时间差计算速度，从而计算当前旋转的角度。针对每一个特定角度,从CPLD内的UFM 中读取预先由软件计算出的各帧图形数据,显示在灯阵上。彩灯阵列上不同的灯的显示状况导致不同的三维显示效果。控制代码在CPLD内实现，采用Verilog语言设计。

图3 运动三维显示设备设计框架

4 教学效果

创意型实验概括起来，有如下几个方面的效果：

(1) 加深了对课本知识的理解和掌握。

(2) 通过查阅资料，大大提高了学生自主学习能力。

(3) 很好地实现了学生兴趣与课程内容的结合，将知识与实践相结合的能力，使学生摆脱了对硬件的恐惧。

(4) 在激发学生创新潜质方面，起到了非常好的作用，为以后进一步在学术和工程领域的研究打下了基础。

(5) 这是进入大学以来由学生自己创意、自己设计实现的第一个作品，当成果出来后，学生充满了成就感。在这个过程中也使学生了解到，真正的科技魅力在于它的应用，而所有应用的实现并不总是来自于思考，还来自于真正的动手和融入实际[10-12]。

图4、图5为学生制作的运动三维显示设备显示成果和成品。

图4 运动三维显示设备显示效果

图5 运动三维显示设备成品

5 结束语

数字逻辑实验以实践教学的理念和任务为指导，为达到最好的教学效果，多年来一直在探索创新之路。创意型实验是将理论知识应用到实践中的最好渠道，同时也是检验学生学习能力、应用能力的最好方法，给学生提供了创意的空间、展示的平台，增进了师生之间的沟通、学生之间的交流，锻炼了学生分析和解决问题的能力、宏观把握微观分析的能力，以及把想法付诸实现的能力。

References)

[1] 唐志强. 计算机专业数字逻辑实验的改革与创新[J].实验室研究与探索, 2013, 32(10):182-184.

[2] 徐琼燕. 数字电路及EDA实验系统设计及其应用[D].南昌：南昌大学，2008.

[3] 马晓虹，尹向雷. 数字电子技术实验教学的改革与探索[J].实验技术与管理，2012，29(10)：172-174.

[4] 赵成，李莉，冼立勤，等. 关于数字电路实验教学改革的思考[C]//北京高教学会实验室工作研究会2010年学术研讨会论文集(上册).2010.

[5] 刘胜. 基于Proteus的数字电路虚拟实验室建设[J].电气电子教学学报，2012(6)：85-87.

[6] 熊娟，张晓伏. 谈数字电路实验教学的改革[J].天中学刊, 2008(4)：113-114.

[7] 张咏梅. 基于EDA技术的数字逻辑电路层次化实验教学的研究[J].实验技术与管理，2005，22(7)：74-76.

[8] 全成斌.数字逻辑彩灯实验[EB/OL].百度文库, http://wenku.baidu.com/view/dea3cf3783c4bb4cf7ecd114.html.

[9] 张漫. 基于FPGA的吉他调音器的设计与实现[J].邢台职业技术学院学报, 2013(6)：87-91.

[10] 卢明智，刘晋峰.数字电路创意实验[M].北京：科学出版社，2012.

[11] 宁彬. 基于“211”模式的计算机专业应用型实践教学体系构建[J].计算机教育,2013(6)：101-103.

[12] 薛延侠. “数字电路”实验教学的创新与研究[J].实验室研究与探索，2007,26(2)：84-86.

Creative digital logic design experiment

Tian Shuzhen, Yang Shiqiang, Dong Daijie

(Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

This article in the long-term digital logic experiment teaching theory and practice introduces how to better combine and dissolve the teaching of new technologies, to give full play to the infinite imagination of young students in digital logic recent experiments, and to obtain the fruit of countless innovations. This article describes the general idea of creative digital logic experiments, and cites a number of cases and the overall effect of teaching.

digital logic design; digital logic experiment; creation; innovation; CPLD

2014- 06- 18

田淑珍(1966—)，女，北京，学士，工程师，主要研究方向为计算机和电子技术.

E-mail：tiansz@tsinghua.edu.cn

G642.423

B

1002-4956(2015)2- 0036- 03