电子设计自动化课程仿真化教学初探

奚洋

摘 要：随着可编程逻辑器件的普及，很多中职、高职学校中开设了相关的课程，但是实验设备的使用也带来了一些问题，本文分析了使用硬件设备开展EDA课程教学中存在的一些问题，同时对使用仿真软件开展EDA课程的教学的优点和可行性进行了探讨，可编程逻辑器件（PLD）可以按照设计者的需要灵活配置其功能，同时在先天结构上拥有比其他微控制器更出色的处理速度，非常适合现在任务复杂的电子系统的设计需要。现在，PLD器件已经成为了很多复杂电子系统中一个不可或缺的核心部分。

关键词：电子设计；课程仿真化教学

中图分类号：G482文献标志码：A文章编号：2095-9214（2016）11-0157-01

现在很多中职、高职院校都针对电子技术的这个潮流，开设了PLD相关的课程，一般会叫做“电子设计自动化技术”（EDA技术），或者做为“电子CAD”课程一部分来进行讲授。主要讲授的内容是硬件描述语言的使用，如VHDL。

一、基于硬件的EDA课程教学中存在的问题

传统上来讲，硬件描述语言程序所描述的功能要需要通过相关软件平台适配到PLD上才能看到具体的功能，但是，基于硬件的实验教学会不可避免的带来以下一些问题：

（一）产生设备损耗。电子元件本身有使用寿命，当实验设备电路上的某个元件到了寿命或者在实验操作中被损坏，整个设备就可能失去作用。这样以来，如果不及时补充，运行正常的实验设备就会随着使用时间的增加而逐渐减少，直到无法支持正常实验教学。

（二）运行情况不稳定。实际上，任何实验室都不可能保证每台进行实验的设备都运行良好，如果硬件方面出现问题，实验效果就无法出现。而当堂排除硬件问题是几乎是不可能的，因为不仅检测故障麻烦，而且维修也要花费大量时间。一旦出现了这种情况，实验中的显示运行结果这重要的一环就无法实现了，这对教学效果会产生不良的影响。

（三）操作比较繁琐。在EDA教学中涉及到很多程序，但是内容和功能简单的还是居多。如果是在教学中进行演示，那么用专门的设备来观察这些简单程序的结果（如门电路之类）就显得非常繁琐，会把课堂教学时间浪费在设备的操作上。

（四）建设升级成本高

PLD器件本身就不便宜，基于PLD的EDA教学实验设备往往比较昂贵，添置可以供一个教学班使用的EDA实验设备（15台）往往需要几十万，这给学校带来比较大的资金压力。同时，电子设计自动化技术和PLD器件发展速度也非常快，实验设备的升级换代对资金不充裕的学校来讲也是个很大的问题。

二、使用仿真软件开展EDA教学的优点分析

采用软件仿真开展实验教学是解决上述问题的一个可行方案。电路仿真软件从出现到现在已经有近20年的时间了，功能已经比较成熟，通过这些仿真软件，用户可以使用丰富的虚拟动态显示设备、虚拟交互输入设备和虚拟测量仪表，能实时的进行输入，并可以观察到逼真的电路和程序运行结果。

对于EDA课程的实验，如果能开展基于软件平台的仿真实验教学，那么相比于使用硬件平台进行实验带来的一些问题，其拥有以下一些优点：

（一）成本得到控制。现在计算机都已经各院校中普及，计算机机房都配置的比较多了，使用仿真软件开展实验教学不会带来太多额外的成本。

（二）没有损耗问题。实验运行在电脑上，无论怎么重复或者尝试实验都不会产生损耗。

（三）方便开展教学。不管是复杂的还是简单的硬件描述语言程序，都可以很快且非常直观的看到运行的结果，非常适合在教学中教师进行演示或学生对教学程序的功能进行验证。

（四）有效节省硬件损耗。如果有可以使用的硬件设备，在使用设备之前先通过仿真来检验程序的话，可以有效的减少在硬件上调试的时间，保证操作的成功，从而减少硬件的使用损耗。

（五）方便学生自学。有了可视化的仿真手段，学生就可以使用自己的计算机完成程序功能的验证，在一定程度上可以摆脱对学校实验设备的依赖，便于开展自学。

三、使用仿真软件开展EDA教学的可行性分析

能对EDA教学中常用的VHDL硬件编程语言进行仿真的常见仿真软件有Multisim和TINA pro。

笔者对EDA课程典型实验项目进行了分析，并以TINA pro为平台，对使用仿真软件开展EDA教学（基于VHDL语言）的实验开出率进行了分析。

经过对《EDA技术实验与课程设计》（曹昕燕，清华大学出版社，2006），《可编程逻辑器件与VHDL语言》（程云长，科学技术出版社，2008），《VHDL电路设计》（雷伏容，清华大学出版社，2007），《电子设计自动化技术》（张永生，机械工业出版社，2008）等教材的综合分析，可以将EDA课程中的典型实验项目分4大类，共14个实验项目，分别为：

（一）PLD开发软件操作。1、PLD开发软件原理图输入及综合仿真；2、PLD开发软件波形输入及综合仿真；3、PLD开发软件的文本输入及综合仿真。

（二）硬件下载。1、PLD器件下载。

（三）硬件描述语言编程实验。1、译码器编程；2、编码器编程；3、比较器编程；4、选择器编程；5、加法器编程；6、触发器编程；7、多种寄存器编程；8、多种计数器编程；9、多种存储器编程。

（四）课程设计或课程实训。在上述实验项目中，PLD开发软件操作中的3个实验项目是依靠PLD开发软件完成，其余11个实验项目，中除了硬件下载操作无法依靠仿真软件完成，其余10个（类）在EDA课程教学中处于主要地位的硬件描述语言编程实验项目都可以在TINA pro软件环境下，依托软件自带VHDL仿真功能和自身的模拟电路和数字电路的仿真功能完成仿真实验，实验项目的开出率可以达到93%，能够满足EDA课程教学的需要。

四、结论

通过上述分析可以看出，使用合适的仿真软件应用在EDA课程的教学上可以有效的解决使用硬件实验设备时带来的不可避免的设备损耗、使用成本、和其它的一些问题，同时在课程教学上，可以满足课程实验教学和教学演示的需要，保证教学效果，是值得在EDA课程教学中进行推广的教学方法。

（作者单位：咸宁职业技术学院）

基金项目：咸宁市教育局2016年度职业教育电子技术类科研课题“电子技术类课程仿真化教学研究”（2016sjw05）

参考文献：

[1]张永生.电子设计自动化技术[M].机械工业出版社，2008.

[2]龚兰芳.VHDL硬件描述语言教学探讨[J].广东水利电力职业技术学院学报，2009.12.

[3]杨莎，李良荣.基于Tina Pro的地方高校电子设计教学研究[J].遵义师范学院学报，2010.8.