基于EDA技术的数字电子技术课程改革探索

刘艳霞+刘泉+张雪姣

摘要：针对数字电子技术课程的培养目标，在进行数字电子技术课程教学中引入现代电子设计FPGA 实验平台，对数字电子技术课程的教学、实验内容和方法进行更新，强调课程实验教学的应用性、工程性，增强学生的综合实力。有效的培养具有实际工程应用能力的数字系统设计人才，推动应用型大学的内涵建设。

关键词：数字电子技术；FPGA；工程实践；教学改革

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）01-0140-02

Abstract：Aiming at the current situation and existing problems in digital electronic technology course， this article introduces the modern electronic design FPGA experimental platform in course teaching， the experiment contents and methods are updated with the teaching， the applicability and engineering quality of the course teaching are emphasized. Consequently， the students' electronic circuit design ability is cultivated，the students' engineering practice ability and independent innovation ability are improved，which make it better for them to meet the needs of future electronic technology and industrial development。

Key words： Digital Electronic Technology； FPGA； Engineering Practice； Teaching Reform

在电子信息类专业的人才培养方案中，数字电子技术是专业基础课程，起着承上启下的作用[1]。教学中不仅培养学生掌握逻辑代数的基本知识、基本原理，逻辑电路的分析和设计方法，更重要的是培养学生在数字电子技术领域的工程思维方法、设计方法、设计手段、分析经验、故障排查等综合技能[2]。

1 数字电子技术课程现状及存在的问题

数字电子技术主要研究各类逻辑门电路、集成芯片的功能及其应用、组合和时序电路的分析和设计方法、存储器等。传统的教学方法主要是老师讲解一些基本的原理、特点和推理过程[3]。学生只需上课认真听讲，课后做一些练习。这种教学方法注重经验、知识的传授，偏重课程理论知识的完整性、系统性，忽视了理论知识的工程实践性。学生只能被动的接受，学习的兴趣得不到激发，实践应用能力得不到充分的培养[4]。在应用型人才培养目标下，数字电子技术课程的这种教学方法已不在适用。

数字电子技术主要采用传统的试验箱进行基础实验，利用分立的74系列芯片对实验内容进行验证，实验简单，實验结果在实验箱上的发光二级管或数码管显示。设计实验要求学生根据设计内容及要求，综合运用数字电子技术课程中所学理论知识，独立思考、分析问题，独立对器件选型、组装，“自下而上”地设计具有一定功能的小规模数字系统[5]。这种设计方法有助于学生理解数字电路知识的基础理论和应用，但缺乏设计灵活性，设计内容单一多年不变，设计功能难以进行扩展；设计思路僵化，学生的设计方案容易产生雷同。另外这种设计方法需要的芯片品种多、数量大，电路设计复杂，设计效率低；设计的电路连线复杂，可靠性比较差，电路查错、纠错也比较困难，学生感到单调、枯燥、乏味，缺乏创新。

传统的课程教学在一定程度上限制了学生的创新思维和个性的发展，忽视了数字电子技术的设计应用与工程实际的联系，缺乏对学生进行工程实践和创新能力的培养。学生往往与实际社会应用脱节，与工作岗位需要相脱节，因此必须进行改革[6]。

2 数字电子技术课程改革措施

2.1 优化课程内容

针对传统数字电路教学中教师按照课本编排顺序组织教学，讲授内容与实际应用项目的不能有效配合，学生不能真正理解工程实际与理论知识之间的关系，教学目标难以实现的问题。根据实际需要对教材内容进行了精选，压缩传统卡诺图、多项式化简的课时；对TTL 逻辑电路内部结构的教学内容进行删减，简单介绍工作原理，重点补充集成器件的实际应用案例。在课程讲述中引入硬件描述Verilog语言、Vivado软件和FPGA实验平台的基本知识。讲述硬件描述Verilog语言的特点和进行系统描述的方式，通过实例讲述该语言结构以及并行语句、顺序语句、循环语句、分支语句等知识，学会使用Verilog语言设计简单的组合、时序逻辑电路。介绍Vivado软件的设计流程：创建工程项目，使用Vivado内建仿真器对设计进行功能仿真，对设计进行综合并分析综合结果，添加约束I/O，使用Vivado工具对设计进行实现并观察实现结果，使用Vivado内建仿真器对设计结果进行时序仿真，生成比特流文件及功能验证。强化当今数字系统的设计方法，通过先进的仿真软件和实验平台使得教学更加贴近技术发展的前沿，加深学生对理论知识的理解和掌握；学生从学习开始就与工程实际联系在一起，分析、解决实际问题，有效地进行工程素养培养。

2.2 实验内容设计

EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，集设计、仿真、测试于一体，拥有开放式的设计环境，配置了丰富的元件模型库，配置了高性能的逻辑综合、优化和仿真测试工具。这种设计方法首先从系统设计入手，设计人员按照“自顶向下”的设计方法，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，系统的关键电路采用专用集成电路实现，摆脱了电路细节的束缚，采用硬件描述语言对系统的行为级进行描述，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。同时，由于是在高层次上完成设计的主要仿真和调试过程，结构设计上的错误容易尽早发现，提高了设计的成功率，大大的缩短了产品的设计周期。endprint

目前FPGA结合了硬件和软件的优势，打破了顺序执行的模式，因其较短的开发周期，完善的系统开发平台被广泛用于高性能的大数据处理、大型运算等场合。在数字电路实验中引入FPGA 平台，对数字逻辑电路的基本理论进行验证，不仅加深学生常用的组合、时序逻辑电路的理解，还可使数字电子技术课程的教学和工程实际相联系，有着广泛的应用及较大的灵活性。数字电子技术开设验证性实验和设计性实验，根据实验的不同类型，采取不同的教学方式。

1） 验证性实验

验证性实验主要是理论验证和实验技能的培养，根据叙述实验内容、提供原理电路，要求学生采用硬件描述语言（Verilog）完成硬件的设计描述，利用FPGA实验平台验证电路的功能。例如“流水灯设计”实验，要求学生完成16 个灯能够依次的从右到左点亮，拨下拨码开关 SW0后，流水灯便从左到右依次點亮。要求学生掌握基本的模块化的设计方法，让多数学生熟练掌握EDA技术，系统仿真设计及软硬件系统调试。同时，锻炼学生基本的工程应用能力，以适应社会的需求。

2） 设计性实验

设计性试验是对所学的理论知识的综合应用，培养学生综合运用所学理论的能力和解决较复杂的实际问题的能力。为了兼顾不同层次学生的需要，设置不同难度的设计性实验供学生选择。学生根据题目设计要求，自己独立查找相关工程案例及经典设计，须掌握尽可能多的文献信息资料，根据自己的兴趣及能力选定题目、制定设计方案。例如“蓝牙通信”实验，使用蓝牙链接手机与开发板，自行设计控制指令，使手机通过 APP 发送命令，控制 FPGA 板卡上或扩展的硬件外设，可扩展链接传感器模块采集环境信息，并于手机APP进行交互。在这个过程中，教师通过答疑形式解决学生设计中遇到的各种问题。学生可在原有设计要求的基础上进行自我发挥，自行设计电路对实现的功能进行扩展。在这一过程中培养了学生调试、分析、排除故障的工程应用能力，学生主观能动性得到充分发挥。

3） 撰写实验报告

实验报告是用文字形式描述、记录某个实验的全过程和实验结果的一种书面材料，撰写实验报告是学生实验工作不可缺少的重要环节。实验报告要求学生通过实验中的观察、分析、综合、判断，如实地把实验的全过程、实验数据和结果用文字形式记录下来，对实验结果进行理论分析并简明扼要结论，说明排除故障的过程和方法。严格的要求有利于培养学生严肃认真的工作态度和实事求是的工作作风，为今后的学习、工作打下了坚实的基础。

4） 完善实验考核制度

实验考核方式是实验的一个重要环节，实验成绩不仅反映了学生对知识掌握的真实水平，还能调动学生的学习热情和求知欲望。公平、合理、准确的给出成绩是培养学生工程应用能力的动力。考核方式采用基础实验和设计实验分开考核，基础实验成绩和设计实验成绩各占实验课程总成绩的50%。对基础实验成绩的给定由平时实验成绩和实验报告成绩2部分组成：基础实验总成绩=平时成绩（50%）+实验报告成绩（50%）。对设计实验采用小组答辩的形式，同样题型的学生组成一个答辩小组，学生先介绍设计的过程、方案和特色，并现场展示实验的结果。教师和其他学生依据设计方案、仿真过程、设计结果、创新性及撰写设计报告的质量进行评述，给出综合成绩，并在同一题型中选出最佳方案。通过这种互动交流的考核过程，增强了师生间的感情，开阔了学生的眼界和思路。

3 结束语

电子行业成为目前求职竞争最为激烈的行业之一，不但要求学生有扎实的理论基础，而且要有较强的学习能力及实践动手能力。通过数字电子技术课程的改革提高了学生的综合设计能力，为后续专业课程及参加全国电子设计大赛打下了良好的基础。通过使用先进的FPGA实验平台，学生们跟上现代电子技术发展的步伐，开阔了设计思路，激发了学习热情，培养了电路设计、工程实践能力和自主创新能力，使之能更好地适应未来电子技术和工业发展的需要。

参考文献：

[1] 张惠国，钱斌，潘启勇，等.应用型人才培养中数字电路和EDA技术教学思考[J].常熟理工学院学报（教育科学），2015（6）：93-94.

[2] 李文，黄文，赵全友，等.Multisim仿真的数字逻辑工程素养培养[J].实验室研究与探索，2014（12）：62-63.

[3] 倪德克，师亚莉，朱旭花，等.EDA技术在数字电路课程设计教学改革中的探索与实践[J].大学教育，2016（4）：118-119.

[4] 李旭，张为公.基于科研项目的数字电路创新型实验教学改革[J].实验室研究与探索，2015，34（1）：168-169.

[5] 莫琳.数字电路课程设计实验教学改革的探索与实践[J].中国电力教育，2013（5）：128-129.

[6] 王艳玲，全宏瑞，桂明辉.基于EDA技术的数字电路课程设计[J].桂林师范高等专科学校学报，2009，32（2）：177-178.

[7] 叶佳卓，卢斌，程栋.基于EDA技术的数字电路实践教学探讨[J].实验技术与管理，2010，27（11）：249-250.endprint