基于EDA的数字电子技术课程设计的教学改革

张保军，黄 震，刘燕燕，卢启柱

(1.燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004；2.河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北 秦皇岛 066004)



基于EDA的数字电子技术课程设计的教学改革

张保军1，2，黄 震1，2，刘燕燕1，卢启柱1

(1.燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004；2.河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北 秦皇岛 066004)

数字电子技术是电类专业的重要专业基础课程，EDA技术作为电子设计的技术潮流已成为高校电类专业教学的热点。介绍了燕山大学光电子系EDA实验室的发展历程，阐述了EDA课程设计这一实践教学活动内容与形式和在实施中存在的问题及解决方法。经过多年的实践运行，取得了良好的效果，对其他课程实践教学也具重要参考价值。

EDA；电子技术；实践教学；课程设计

在数电课程教学中，课内实验及课程设计是基础又重要的实践环节，而EDA技术作为世界电子设计的最新技术潮流，已成为高校电类课程教学的热点[1]。本文针对燕山大学近年来将EDA技术应用到电子技术实践教学中所做的改革和创新做了一些总结。

如何使学生将理论知识消化、吸收并转化为实际动手能力应用于工程实践当中，已经成为教学的主要目的。在整个数电教学体系中，采用项目驱动法进行理论教学；课内实验以教师为主导学生为主体进行；课程设计(三级项目)做到以学生为主，教师为辅。

1 数字电子技术实践教学概况

1.1 EDA实验室简介

燕山大学光电子系EDA(Electronic Design Automation)实验室始建于2000年，使用面积300 m2，建设规模130台套，可同时为4个教学班开设实验项目。目前主要为电子信息、通信工程、计算机科学与技术、电子科学与技术和光电信息科学与工程等专业开设EDA课程设计。

EDA实验室自建立经历了三次可编程逻辑器件的升级换代：第一次是ALTERA公司MAX7000系列的EPM7128SLC84-15，第二次是FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4，目前使用的是EP2C35系列的EP2C35F484C7N，包含33216个逻辑单元，是一款低功耗低成本FPGA芯片。各芯片资源特性对比见表1。

1.2 EDA课程设计概况

数字电子技术本科教学，包括64学时的数字电子技术，其中含12学时的课内实验(由燕山大学电子实验中心承担)和2周的课程设计，即EDA课程设计(由燕山大学光电子系EDA实验室承担)，而且课程设计成绩单独进行考核。

EDA课程设计以数字电路设计自动化为主，是芯片级的设计，是硬件设计的软件化。这也正是与传统设计的差异所在。在工程教育专业认证背景下，以国际工程教育理念为导向[2]，在学生学习了数字电子技术的基础上，训练学生综合应用学过的理论知识设计比较复杂的数字电路的能力。通过本课程设计，使学生掌握使用EDA工具设计数字电路的方法，具体包括图形设计输入、编译、时序仿真、下载和硬件验证等过程。让学生掌握EDA工具设计数字电路的方法，支撑毕业要求——“针对一个设定的电子电路或通信系统，具有给出设计方案的能力”。

表1 各芯片资源特性对比表

设计用到的软件早期为MAX+plus II，后期为Quartus II。其均有两种典型输入方式：原理图与硬件描述语言(VHDL、Verilog HDL等)。原理图输入方式的特点：比较直观，易于仿真，便于信号观察与电路调整。要求对系统及电路非常熟悉，但当系统功能复杂时，其效率低。硬件描述语言则恰恰相反：系统功能复杂时效率高，设计周期短。本课程设计是与数字电子技术理论课对应的实践环节，所以课程设计中要求学生使用原理图输入方式，以此来巩固学生数电知识，这也是这门课程设计的主要特色。据了解许多院校该实践教学大多采用硬件描述语言的方式。此外，对于电子信息工程(卓越试点)班的同学，由于学时为3周，我们鼓励学生用多种方案实现功能，自主扩展题目功能，额外使用VHDL语言实现部分模块功能[3]。

2 课程设计内容与流程

整个EDA课程设计的内容与流程如图1所示。

图1 EDA课设流程图Fig.1 Flow chart for the course design of EDA

第一，教师讲解。每次EDA课程设计开始时，指导教师都要用4学时来讲授课程设计软件部分(2学时)和硬件部分(2学时)。其中软件部分主要针对MAX+plus II或Quartus II进行讲述，硬件部分围绕教材——参考文献4的第6章和实验箱资源等内容展开，着重讲解题目用到的资源及使用过程中需注意的问题[4]。

第二，选题。课程设计我们设置了诸如智能交通灯、电子琴、密码锁等共计31个题目供学生选择，使一个教学班的每个学生(基本小于等于30人)的题目都是不一样的。这样虽然给指导教师增加了工作量，但对学生是有益的，避免了以往互相“参考”的弊病。

第三，资料查阅。早期使用软件为MAX+plus II功能简单易用，学生经过教师讲解后，很快就可以上手进行设计。后期软件升级为Quartus II功能强大，软件操作复杂，需要学生花费较多的时间熟悉此软件的操作设计流程。要求学生借助网络、图书馆等资源查阅相关资料，包括软件使用教程和设计题目相关资料。

第四，方案设计。按照题目需求，给出设计方案，并对设计方案可行性进行论证。分析设计要求，将题目模块化，功能分解，以便按模块进行元器件级实现。这部分由学生自主设计，方案是否合理可行，直接决定设计题目能否顺利完成。

第五，模块化实现(包括仿真)。总体设计方案确定后，就要进行功能分解，模块化，这对后期的时序验证、电路仿真乃至错误排查至关重要。系统总体功能的实现依托各模块的准确设计及协同性，学生通过时序仿真、功能仿真乃至测试节点的波形进行反复修改排查，直至达到设计预期目的。

第六，下载验证。整个电路图及各个模块都仿真测试无误后，即可以进行下载验证。以往采用并口下载由于不支持热插拔很容易发生烧芯片等现象，现在采用USB口下载不仅提高了下载速度而且也极大地减少了烧芯片的概率。每个班级配备示波器、逻辑分析仪、万用表等测试仪器一套，满足学生测试需求。尽管每次进行设计前都要对实验箱进行检修，但依然在设计中会发现个别实验箱的硬件故障，一般指引学生用替换法进行排查，很容易就能找到问题所在。

第七，答辩验收。成立由8名指导教师组成的答辩委员会，分2个答辩组进行验收，每组4名指导教师。分别对如下几方面进行评定：首先，学生设计方案讲解。其次，回答指导教师的提问。最后，硬件实验箱功能演示。

第八，设计报告撰写。以往学生容易忽视设计报告的重要性，为了避免此类情况的发生，我们在设计之初就反复强调文档在整个课程设计中的重要性，并适当提高设计报告在成绩评定中的权重。

第九，成绩评定。根据《EDA课程设计(三级项目)大纲》及《EDA课程设计(三级项目)评分标准》将答辩验收及设计报告的成绩进行汇评，最后给出总评成绩。实践表明，超过25%的学生能达到优秀(A)，约50%的学生能达到良好(B)，约15%的学生为中(C)，不足10%的学生为及格(D)。

3 结语

经过16年的改革与发展，燕山大学光电子系EDA实验室无论是硬件装备，还是软件资源都比较完备，EDA课程设计这一实践教学活动也得到渐进式发展。为了更好地提高学生将理论知识应用于工程实际的能力，指导教师需要在指导答疑时把握好度——既要答疑解惑，又要激发出学生自身的设计思维与灵感；设置大量与日常生活、工程实际密切相关的题目，激发学生的学习兴趣，开阔学生眼界，为将来从事相关工作打下基础。理论和实践教学改革措施经过多年的运行，获得了学生和教师的广泛好评。

[1] 林喜荣，董敬峰.基于EDA技术的电子技术实验改革与创新[J].黑龙江教育，2014，(10)：8-9.

[2] 徐卫林，彭晓春，岳宏卫，等.工程教育专业认证背景下的微电子专业教改实践研究[J].科技资讯，2016，(22)：81-84.

[3] 李江昊，常丹华，张宝荣，等.“卓越工程师计划”试点班课堂教学改革与实践[J].教学研究，2012，(01)：46-49.

[4] 张宝荣，黄震，李江昊，等.数字电子技术基础(第2版)[M].北京：电子工业出版社，2015：242-278.

Based on EDA course design reform of digital electronic technology

ZHANG Bao-jun1,2, HUANG Zhen1,2, LIU Yan-yan1, LU Qi-zhu1

(1.School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2.Hebei Special Optical Fiber and Sensing Laboratory, Qinhuangdao 066004, China)

Digital electronic technology is an important professional foundation course of electric specialty. EDA has become a hotspot and trend of the current electricity curriculum teaching. This paper introduced the development of EDA laboratory of the photoelectron department of yanshan university. It expounded the existing problems and solutions of the practice teaching content and form in EDA course design. Years of practice shows that this teaching system has important reference value to other curriculum reform.

EDA(Electronic Design Automation); Electronic Technology; Practice teaching; Course design

2016-10-18

2016校级教改项目“项目驱动教学法在数字电子技术课程中的研究与实践”(JG2016GFH19)

张保军(1980-)，男，实验师，硕士。

G642.4

B

1674-8646(2017)01-0004-03