数字电路硬件及仿真实验室的并行建设及互补教学应用

2019-07-01冯学妮宋喜佳郝亚茹邓招奇

计算机教育 2019年6期

冯学妮，宋喜佳，郝亚茹，邓招奇

（1.电子科技大学中山学院计算机学院，广东中山 528402；2.中山市启航技工学校电梯教研组，广东中山 528402）

0 引言

数字电路与逻辑设计是计算机、电子信息等专业的一门重要专业基础课，其特点是既有非常抽象的逻辑代数知识，又有较具体的工程实践应用。不但要求学生掌握数字电路的基本原理和设计方法，更重要的是培养学生对数字电路的分析、设计及实际应用的工程能力，因此数字电路课程的实验课和理论课同等重要。建设覆盖范围广、灵活性好、使用效率高、接近实战的“立体化”数字电路实验室，对巩固数字电路的基础知识、提高学生的动手实践能力有显著的促进作用[1-3]。

目前高校建设的数字电路实验室建设方案主要分为两类，分别是传统的基于物理实验箱的硬件实验室和基于Multisim等仿真软件的虚拟实验室。而传统硬件实验室的物理实验箱或者由面包板和若干不同类型的74系列MSI芯片组成，或者由现代可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）配合电子设计自动化（EDA）软件组成[4]。由于FPGA+EDA软件的物理实验箱实现方案能摆脱繁琐的物理连线和手工查错过程，使学生能够把主要精力集中在逻辑的设计及实现上，因此我校数字电路硬件实验室的实验箱采用该建设方案。虚拟实验室建设根据所用仿真软件的不同，可基于 Multisim、Protues、MATLAB或 Labview 等软件，并结合互联网技术进行建设[3，5-6]。鉴于我校在模拟电子电路的课程中已采用Multisim软件进行仿真教学，学生较熟悉该软件，不需要投入更多的软件学习成本，故主要基于Multisim软件建设虚拟仿真实验室。常见建设方案分类及采用的双轨建设方案见图1。

1 双轨建设方案的优势分析

在数字电路的理论和实验教学中，基于传统物理实验箱的硬件实验和基于Multisim等仿真软件的虚拟实验各有优缺点。传统硬件实验的主要优点是更贴近项目实际、学生通过自己动手做实验，可以接触并掌握各种实际工程项目的细节，能够有效地培养学生的动手能力和解决问题的能力，建立敢于尝试、挑战实际工程项目的信心。然而在传统硬件实验室做实验也有如下缺点。

图1 数电实验室常见建设方案分类及双轨建设方案

学生只能根据给定的硬件电路连接进行逻辑设计，无法修改已固化的电路连接，灵活性不够，学生思维受到这些硬件条件的约束，限制了学生的想象力和创造力，教师和学生的很多精力耗费在繁琐细微的硬件检错过程中（如检查器件连线关系是否正确、连接点是否稳固牢靠、硬件芯片选型是否正确、下载线或下载器是否损坏等）。

与学生的人数相比，实验箱的数量不足，主要原因为：①全国各高校近些年普遍扩招，学生人数增长较快；②实验室面积有限，难以容纳足量的实验箱；③学生没有工程常识，经常出现不规范操作，导致实验箱的损坏速度快，远超过实验箱的维修速度，这也会导致传统硬件实验室的建设和维修成本非常高。

硬件实验箱没有配套的软件支持，或者配套的软件操作不便、不够人性化，学生的学习成本高，熟悉和掌握硬件实验资源耗时长。

学生学习的时空受限，通常只能在上实验课时在实验室进行数字电路实验，无法将物理实验箱带离硬件实验室，无法在宿舍或者普通教室进行实战练习。学习时间的不足会影响学生的学习效率，也会极大打击学生持续学习的积极性。

虚拟仿真实验室很好地解决了传统硬件实验室的上述问题，具有灵活性高、操作方便、支持修改仿真电路设计，使用不受学生人数、学习时空的限制，能够大幅降低实验室建设和维护经费等优点。缺点是由于仿真软件普遍具有容错性设计，通常会忽略许多实际工程项目在实现过程中遇到的细节问题，导致学生无法学习和体会这些繁琐细微的工程常识，如短路问题、共地问题、各电学元件（如电压源、电阻、电容等）的数值匹配问题等。与此同时，在虚拟仿真实验室学习，学生还很难学习到快速分析、定位并修复实际硬件问题的技术和技巧。

因此，对传统硬件实验室和虚拟仿真实验室进行双轨并行建设，让二者相互配合、取长补短，才能充分发挥各自优势，形成更强大的合力，达到更有效地服务广大师生的目的，见表1。

2 实验室双轨建设方案的具体实施

双轨建设的重点是硬件实验室和虚拟实验室的主要功能模块、电路设计等方面保持一致性和互补性。

学校硬件实验室主要采用FPGA+EDA的建设方案，FPGA的型号选择需要综合考虑成本、产量、国内购买难易程度、技术熟悉度等多个维度，由于长期使用Altera公司生产的Cyclone II系列FPGA，故自主研制的硬件实验箱本次选型为较熟悉的FPGA芯片EP2C5Q208C8。该实验箱的俯视图和简化的结构框图见图2。

图2 我校硬件实验箱的俯视图和简化的结构框图

从图2可见，硬件试验箱采用底板+核心板的分离设计，其中LED显示模块、晶体起振电路、FPGA处于核心板，其他功能模块则主要分布在底板上。

2.1 数码管显示模块

硬件实验箱的数码显示模块设计选用4线-16线译码器74154的8个输出Y0N-Y7N作为8个数码管的位选信号，LED与数码管模块的Toggle控制信号DISP_CS、74154的4个译码输入信号DISP-SEL0至DISP-SEL4、数码管的段选信号DISP-D0至DISP-D7分别连接在FPGA不同的输出引脚上，见图3。

与硬件实验箱的电路设计相配合，虚拟仿真实验中提供了两个数码管的静态显示电路和动态扫描电路供学生参考、并进行仿真学习，见图4。

2.2 矩阵按键输入模块

物理实验箱的矩阵按键模块共3行4列。与硬件实验箱的电路设计相配合，虚拟仿真实验中提供了3×4矩阵的仿真电路，见图5。当然，实际教学过程中可根据学生的接受能力将矩阵按键的维度进行灵活修改（如修改成2×3的矩阵）。

图3 传统硬件实验室中实验箱数码管的驱动电路

图4 仿真实验中数码管静态显示和动态扫描电路的对比

3 基于传统硬件实验室与虚拟仿真实验室的互补教学举例

3.1 虚拟仿真实验可进行渐进、迭代式的原理讲解

以数码管的动态显示为例（如在硬件实验箱上用8个数码管显示“76543210”），其实现过程涉及大量的专业知识（如七段数码管的基本结构和数字显示原理、共阴极和共阳极的区别、显示译码器7448或7447的工作原理、位码和段码的动态配合过程等）。因此，很多学生在第一次接触数码管动态显示时难以理解其实现原理和工作过程。利用仿真软件可以灵活修改电路设计的特点，对数码管的动态显示过程进行渐进、迭代式的讲解。

（1）讲解单个数码管的显示原理。以共阳极数码管为例，在数码管阳极获得正电位（位码）以后，为数码管的a-g各段码控制位提供不同的高低电平组合（段码），观察数码管的显示结果。

（2）增加显示译码器（如7447），将7447的译码输出结果作为数码管的段码，观察和总结7447的输入和数码管显示数字的对应关系和工作原理。

（3）再增加一个数码管，让这两个数码管采用静态显示的方法显示不同的数字，如“10”，见图4（a）。

（4）增加译码器（如74138，或者74154）和PNP型晶体管（见图4（b）），用译码器不同的两个输出管脚（如Y0N和Y1N）产生控制数码管亮灭的控制信号（如01：数码管1亮；10：数码管0亮；11：两个数码管都灭）。

（5）缓慢改变译码器译码输入端的数值，观察两个数码管的亮灭变化和各自显示的数字。

（6）令第2步中的显示译码器（如7447）的译码输入数值与第5步中74154译码输入数值以相同频率进行周期性的切换。

（7）逐渐加速改变74154和7447译码输入端的数值，观察两个数码管的显示效果。

（8）增加数码管的个数，重复前述3～7步过程。

经过渐进、迭代式的现象显示和原理讲解，可以让大部分学生在限定的学习时间内理解和掌握数码管的动态显示原理和应用。

3.2 虚拟仿真实验可对集成芯片进行“开箱”讲解和演示

图5 硬件实验箱和虚拟仿真实验的矩阵按键电路对比

传统硬件实验箱经常采用集成芯片完成特定实验（如在DA转换实验中，学校采用DAC0832芯片完成数模转换），当使用集成芯片进行DA转换时，通常是将该集成芯片当做一个“黑箱”，学生只需掌握该“黑箱”的控制时序即可完成实验，很难和理论课讲解的原理（如DAC0832芯片是基于R-2R倒T型网络实现的DA转换）联系在一起。

利用仿真软件可以直接构建R-2R倒T型网络，利用虚拟仪器动态演示电路内部各电学信号的变化过程，对DAC0832芯片进行“开箱”讲解，见图6，这会有效帮助学生从底层理解原理，并更加自信地将各种集成芯片运用到工程实际中。

3.3 传统硬件实验比虚拟仿真实验更贴近工程实际

虚拟仿真实验由于具备极大的灵活性，给理论课、实验课的讲法和学法提供了更多的可能性。然而，由于仿真软件的容错性设计、对硬件芯片软件建模的准确性、对实际项目中成熟经验欠缺考量等因素，虚拟仿真实验并不能完全替代传统硬件实验，最后应该回归实际硬件，在具体、真实的硬件环境中完成所有实验和项目要求，才能达到理论联系实际、学以致用的目的。

（1）以数码管显示为例，由于动态扫描与静态显示相比，可以更有效节省FPGA芯片的管脚资源，且更加节能，实际工程应用中数码管通常采用动态扫描的方法显示字符。由图3可知，我校的硬件实验箱的连接方式已强制学生必须使用动态扫描的方法使用数码管，但是单纯使用仿真软件的学生则很难理解这样设计的原因。

（2）以LED驱动控制电路为例，有如图7所示的两种不同接法：驱动LED负极（如LED1）或者驱动LED正极（如LED2）。单纯使用软件仿真的学生会认为驱动LED2正极的方法更直观、更符合逻辑，但实际上更多硬件电路采用的是驱动负极的方法。这是因为集成芯片吸收电流的能力通常好于它输出电流的能力（对于TTL工艺芯片尤其明显），所以经验丰富的工程师通常都采用设计上更加稳健、适应性更好的驱动方法（即驱动LED1负极）。

图6 利用Multisim直接构造R-2R倒T型网络实现DAC

图7 两种不同的驱动LED发光的电路对比

（3）以矩阵按键的使用为例，单纯使用软件仿真的学生会集中精力区分和总结按下按键KEY_n时，矩阵按键模块各行列信号KEYC1-KEYC4、KEYL1-KEYL3对应该按键输出的电平状态组合，将这些对应关系确定下来以后，学生就可以根据真值表建立函数表达式，进而正常使用矩阵按键了。然而，实际的物理按键由于金属接触点存在弹性，每次按键按下时产生的信号会带有许多尖峰信号（又称“按键抖动”），因此为了确保每个按键KEY_n按下时产生“干净”的信号，需要对按键“按下”或者“抬起”操作进行消抖处理，才可以正常使用这些按键。