可编程器件的综合实验项目建设

陈 捷

(同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804)

可编程器件的综合实验项目建设

陈 捷

(同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804)

根据大学本科教学计划和可编程器件实验教学要求，开展了基于可编程器件的综合实验项目的建设。由于可编程器件综合实验题目的设计代码最终要下载至可编程器件硬件验证实验装置来检验设计结果，实验效果直观，提高了学生实验的积极性。学生通过可编程器件综合实验教学能较好地掌握运用硬件描述语言实现既定电路或系统的设计方法。通过多年实验教学实践，在实验内容安排，实验教学方法上根据实验效果不断进行改进，取得了较好的实验教学效果。

可编程器件；综合实验；实验教学;建设

1 可编程器件实验教学的内容

集成系统芯片设计是同济大学电子与信息工程学自动化、电子与信息类专业开设的一门专业基础课程。为了配合教学，开设了可编程器件实验教学课程。可编程器件实验教学内容主要由下述三部分组成。

(1)可编程器件开发、设计软件平台的学习和使用，学习掌握开发平台的原理图设计输入、硬件描述语言设计输入及状态图设计及软件仿真的操作。

(2)基于硬件描述语言的简单数字电路设计。通过这部分实验教学要求学生能熟练应用先前所学的可编程器件开发软件平台，并学习可编程器件硬件验证实验装置的使用。通过该实验，使学生能将教材上所学的用硬件语言描述的分频器、计数器、选择电路、扫描电路、译码电路、逻辑电路、控制电路等基本数字电路的设计应用于具体电路的设计[1-2]。通过可编程器件芯片与外围电路的接口检验所设计的结果，对可编程器件的设计方法及硬件验证实验装置的使用及用硬件描述语言设计实现硬件电路功能的设计流程有一个初步认识。

(3)综合实验部分。要求学生根据实验指导书所给的综合设计题目，构思、设计电路框图及各个模块，通过硬件实验装置上的可编程器件及外围设备：按键、按钮、键盘、LED灯、六位七段数码显示器、LCD液晶显示器、8×8点矩阵LED显示屏、蜂鸣器等来验证设计结果，通过软件开发平台自动实现逻辑编译、优化、分割、综合及结构布线、最终将设计下载至可编程器件硬件验证实验装置，完成既定电子电路设计[3-4]。使学生通过该部分实验能比较好的掌握运用硬件描述语言实现既定电路或系统的设计方法。

2 可编程器件综合实验项目的设置原则

综合实验的设置要根据学生的实验课时安排学时，对于单独设置可编程器件课程设计课程一般要求学生完成3～4个综合实验项目；如果实验课时只有12学时要求完成一个综合实验项目。实验教学进程由浅入深地安排，能使学生从设计平台使用开始，结合课堂教学应用数字电路硬件描述语言进行电路与系统设计，对所设计的电路模块用软件仿真来检验设计是否与要求相符。对综合实验设计通过硬件验证实验装置检验所设计的系统功能是否达标。要求学生根据硬件出现的问题自行分析、调试、修改和最终实现设计目标。综合题如果要求完成3～4个的则其中有一个是规定必须完成的，其余可以自己选择感兴趣的题目，给学生有自己的空间和自由度。实验要求是完成的质量而不是数量，如果学生对题目功能进行拓展，思路合理、构思有个性，并能最终实现，则根据具体实验的工作量可以适当减少完成实验的数量。

3 可编程器件综合实验项目教学实践

综合实验会接触到一些具体项目的工作原理，例如，音乐发生器中乐谱的节拍时间应该如何设置，如果没有学过乐理知识就会不明白设置方法。同样还有8×8点阵显示器电路的工作原理、键盘输入和显示电路的工作原理也必须弄明白才能进行设计。根据综合题的特点对各题中的设计要点上课时先进行仔细讲解，并同时要求学生根据设计题目自己收集相关资料来弄明白设计原理、构思设计思路完成设计任务。

在讲课过程中，主动提问，形成互动教学。对学生有新想法、新的设计思路予以肯定，充分发挥学生的学习主动性。鼓励学生用自己的想法结合实际硬件电路进行设计。但对学生不理解的部分，以自己实验教学的多年经验详细讲解，有时也用相互讨论的方法解答。对于 “键盘输入及显示”综合实验，为了学生帮助了解键盘的工作原理，而且对硬件验证实验装置的外围接口电路也有一定的了解。因此在实验指导书中给了学生一个键盘工作原理的图框，目的是帮助学生由浅入深学习和掌握设计一个复杂功能电路的方法和步骤。

由于综合实验最终要求将设计结果下载至硬件验证装置，通过可编程器件芯片的外围硬件运行来验证实验结果是否正确，因此对学生而言有一定的挑战性。实验中往往会出现一些意想不到的问题，硬件验证结果与设计要求不一致。整个实验的完成需要各个不同功能的模块发挥不同的作用，并且能够正确地结合在一起，需要整体构思来达到实验目的，只要有一个模块无效或者功能不全，就可能出现偏差以致无法得出正确的结果。某些微小的差错，很容易被忽视，但可能就是至关重要的。例如，在课堂上讲的电平触发和边沿触发，如果在实际应用中选择错误，就会使电路无法正常工作；键盘输入输出显示控制电路中的移位寄存器的应该设置成使能信号边沿到时工作，如果没有这一步，会导致移位寄存器不能移位，无法得到预期的实验目的；同样，频率计中的控制模块的数据采集刷新信号如果采用电平控制也会导致频率计工作不正常；还有时序问题，6个LED数码管的串行扫描时间设置频率太低6个数码管中只有一位轮流点亮，频率过高数码管会暗淡；键盘中的复用输出端口作为键盘行扫描与控制模块时钟设置不合理会产生按键与显示的错位等，这些问题如果没有硬件验证实验装置是无法观察到的。因此，有硬件验证对学生而言比光通过软件仿真更与实际贴近。

刚开始综合实验时，很多学生都觉得很难，心里没底。通过课堂讲解后，学生感觉自己可以完成，再通过编程、调试、修改硬件验证中存在的错误最后硬件验证成功后，学生都非常有成就感。学习兴趣和主动性大大提高。当出现问题时，要求学生能自行想法解决，这是培养学生综合分析与解决问题的一个手段，能增强学生的实际操作能力。

实验过程要求学生根据所学知识、查找相关信息资料仔细分析、研究解决问题，如果还有问题，教师会给予指导。学生通过问题自我解决，提高了学生学习、实验的积极性。由于最终要求将设计下载至硬件验证实验装置中的可编程器件芯片，通过可编程器件芯片与外围电路的接口检验设计结果，实验过程软硬结合，实验效果直观，学生对可编程器件综合实验普遍反映较好。很多学生为了尽早完成实验，会自己下载设计软件，平时利用课余时间编程、调试。在实验室开放日到实验室做实验的人数大大增加。还有不少学生主动在实验室开发时间来实验室做一些实验课要求以外的综合实验。

学生普遍认为综合实验中有些题目难度较大，但也很有趣。通过实验能将所学理论知识运用于实际电路的设计。通过前面的一些基础实验、硬件应用实验，学生已经较好掌握了可编程器件开发软件的使用和硬件描述语言的应用以及硬件验证实验装置的使用。而综合实验不仅在内容上把前面那些实验内容提高到一个综合的高度，而且电路的设计更有针对性、实用性更强。

为了使学生对可编程器件的实际运行电路有一个基本认识，还将可编程器件引脚与外围硬件连接电路图发给学生，通过图纸使学生对硬件验证实验装置上可编程器件与外围电路如：N位串行数码管显示的硬件电路、4×3键盘的硬件电路、带指示灯的按键硬件电路、蜂鸣器硬件电路等有一个了解。明白可编程器件实现的功能不是仅靠可编程器件引脚与对应的输出、输入设备直接连接就可以运行的。实际电路中要根据不同的输出硬件电路的功能中间还要设置其他芯片，例如：8位七段译码器要正常运行中间还要设置3～8译码电路芯片、施密特触发器芯片、总线收发器芯片、驱动电路芯片。蜂鸣器要正常工作其音频信号是可编程器件发出频率信号，通过由场效应管芯片、施密特触发器芯片、电阻及电容组成的放大电路来驱动的[5-6]。

4 结束语

可编程逻辑芯片设计实验教学顺应现代电子技术的发展，将新技术应用在实验教学中，使实验教学与可编程器件的技术发展保持密切关联。因此，实验教学不断要补充新的内容和采用高版本的开发软件平台。例如XILINX公司高版本的ISE开发软件不再有TEST BENCH WAVEFORM选项，测试、仿真需要自己编写测试代码。因此，现在的实验中就增加了用硬件描述语言写仿真代码的实验教学内容。硬件实验装置原有的可编程器件芯片在高版本的开发软件中型号已不支持，为了继续使用将核心板重新设计、制作，新的核心板采用新型号的可编程器件芯片，使原有硬件验证实验设备通过更换新的核心板还可以继续使用。

作为实验教师要不断进取和学习，才能提高自己的专业知识水平和业务能力，并充分关注并了解这一领域的最新进展，只有这样才能较好的指导学生进行实验。使学生通过可编程逻辑芯片设计实验教学，掌握可编程逻辑芯片的设计方法及其应用，并具备一定的工程意识，养成善于思考、探索和勇于创新的精神。

[1]Volnei A. Pedrom.《VHDL数字电路设计教程》[M].乔庐峰，王志功，译北京：电子工业出版社，2013.

[2]罗胜钦.系统芯片(SOC)设计原理[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]唐小华，杨怿菲，张亚婷.数字电路与EDA实践教学[M].北京：科学出版社，2010.

[4]孟庆斌，司敏山，EDA实验教程[M].天津：南开大学出版社，2011.

[5]何宾.Xilinx可编程逻辑器件设计技术详解[M].北京：清华大出版社出版，2010.

[6]侯伯亨，刘凯，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安：西安电子科科技大学出版社，2009.

Developments of Comprehensive Experimental Projects Based on Programmable Logic Device

CHEN Jie

(School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A series of integrated experiment projects based on programmable logic devices have been proposed according to the teaching requirements of the undergraduate education program and the programmable logic devices experiment outline. Since the final design codes of each integrated experiment should be downloaded to the programmable logic devices for design verification, these projects enhance the visuality of experimentation and improve the learning passion of the students. Students can also have a better grasp of circuit and system design method using hardware description language through these integrated experiment projects. Years of experiment teaching practice have continuously improved and achieved a good experimental effectiveness of teaching through proper arrangement of experiment contents and experimental teaching methods.

programmable logic device; integrated experiment; experiment teaching;development

2014-03-27；修改日期: 2014-05-16

陈 捷(1959-)，女，本科，高级实验师，主要从事电工电子实验教学工作。

G642.423;G423.07

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.041