基于FPGA的“数字电子技术”教学改革研究

李宏杰 段德功

摘   要：针对传统“数字电子技术”教学模式，文章探究了一种基于FPGA的“数字电子技术”教学改革。利用Quartus II软件和DB4CE15开发板作为教学工具，使用Verilog-HDL语言分别对传统“数字电子技术”中典型的组合逻辑电路和时序逻辑电路进行逻辑仿真和功能验证。课堂实践表明，基于FPGA的“数字电子技术”教学改革能够帮助学生了解现代中大规模数字集成电路的开发过程和方法，提高学生的学习兴趣和实践动手能力，满足新时代应用型本科院校的人才培养需要。

关键词：FPGA开发环境;数字电子技术;教学改革;创新实践能力

“数字电子技术”是所有工科类电学相关专业的一门重要专业基础课，通过该课程的学习，学生可以掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路以及脉冲波形产生和整形等常用电路，同时，为学生后续学习微机原理、单片机和嵌入式系统开发等专业课程做好理论知识铺垫[1]。然而，传统的“数字电子技术”理论教学采用以布尔代数和逻辑卡诺图作为理论推导工具，以组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析和设计作为课程知识主干，以门电路和触发器作为基本电路单元，这样传统的理论教学方式具有概念空洞、分析方法复杂、缺乏工程实践等缺点，很难适用于现代新理念、新结构、新模式、新质量与新体系的新工科建设发展需要[2]。

电子设计自动化（Electronics Design Automation，EDA）是一种以大规模可编程逻辑器件，如复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）作为验证载体，以硬件描述语言（超高速集成电路硬件描述语言、Verilog-HDL）作为人机交互方式，以专业软件（Quartus II）作为开发环境的新型数字电路设计方式[3]。具有可移植性强、贴合工程实践、节约开发周期等优点，目前已经发展成为现代数字电子系统开发设计的主流方式。

本文针对传统“数字电子技术”教学模式，探究了一种基于FPGA的“数字电子技术”教学改革，利用Quartus II开发软件和DB4CE15开发实验板分别对常用组合逻辑电路和时序逻辑电路进行逻辑仿真和功能验证。课堂实践表明，基于FPGA的“数字电子技术”教学模式提高了学生学习兴趣和实践动手能力，符合新时代应用型本科院校的人才培养方式。

1    传统“数字电子技术”教学模式

1.1  传统“数字电子技术”理论教学模式

传统“数字电子技术”理论教学模式采用以门电路和触发器作为电路基本组成单元，以布尔代数和卡诺图作为理论推导工具，以组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲波形电路和模数转换/数模转换（Analog to Digital/Digital to Analog，AD/DA）转化电路作为课程主干知识体系。这样的教学模式经过实践检验是一种行之有效的教学模式，符合学生的客观认知规律。但是传统“数字电子技术”理论教学具有概念多而且空洞、逻辑推导复杂、工程特点突出等缺点。例如对于常用组合逻辑电路和时序逻辑电路进行设计的传统方法需要按照以下步骤：（1）分析输入、输出变量的逻辑功能。（2）画逻辑卡诺图。（3）写出逻辑表达式。（4）画逻辑电路图。（5）功能和时序验证[4]。传统组合逻辑和时序逻辑电路设计流程如图1所示。

以采用JK触发器设计一个同步五进制加法计数器为例，具体如下。

第1步，根据题意确定输入变量、输出变量及状态数。本例中由于设计对象为计数器，因此，除了时钟信号以外不需要其他输入变量，输出变量为Y，状态数为5个，现次态用Q2，Q1，Q0表示。

第2步，画出状态转化图。该计数器共有5个状态，分别为S0～S4，每计满5个状态输出进位信号1。

第3步，对5个状态进行编码，从000到100。

第4步，利用状态转化卡诺图分别求解Q2n+1，Q1n+1和Q0n+1的状态方程，然后根据JK触发器的特性方程和状态方程求解各触发器的驱动方程。

第5步，画逻辑电路图。

第6步，自启动检查。采用传统数字电子技术方法设计的同步5进制加法计数器电路，如图2所示。

傳统“数字电子技术”理论教学在教学方式上一般采用“板书+PPT”相结合的形式[5]。即教师把课本中的重点和难点板书到黑板上，推导和讲授课本中的公式和定理，同时，利用计算机软件PPT辅助课堂教学的有效开展。但是随着新理论、新技术和新方法的不断发展，传统“数字电子技术”理论教学方式不再适用于现代数字电子技术的发展趋势，尤其是中大规模的数字电路开发。基于FPGA或CPLD复杂可编程逻辑器件的数字电路开发方式已经成为当下“数字电子技术”的主流方式[6]。

1.2  传统“数字电子技术”实验教学模式

传统“数字电子技术”实验教学在教学内容上围绕课堂理论知识，以组合逻辑电路和时序逻辑电路为主线，按照门电路测试、组合逻辑电路设计、常用集成组合逻辑器件设计、计数器以及555触发器的应用先后顺序进行[6]，在学期中期停课两周进行“数字电子技术”课程设计。传统的“数字电子技术”实验教学在教学方式上按照学生课前预习、教师课上讲授、学生动手实验、教师检查打分的顺序进行。实践证明，传统“数字电子技术”实验模式能够加深学生对于课本理论知识的理解，锻炼学生的动手能力。但是传统的“数字电子技术”实验一般采用“数字实验箱”作为教具[7]，由于实验箱上的模块资源限制，学生只能做一些固定的课内实验，这样就极大地限制了学生的发散思维，不利于学生的创新能力提高。另外，由于传统数字实验箱采用“插线孔”方式，这样学生在实验过程中容易造成芯片针脚折断、接触不良等问题，随着实验机箱老化和设备损坏，实验结果往往受到影响，实验教学效果也不太理想。

2    基于FPGA的“數字电子技术”教学模式

2.1  基于FPGA的“数字电子技术”理论教学模式

基于FPGA的“数字电子技术”理论教学模式在教学内容上采用“传统理论教学+FPGA平台验证”的方法，即以传统“数字电子技术”中的组合逻辑电路和时序逻辑电路内容为主线，向学生讲解其工作原理和推导过程，然后通过学习硬件描述语言（Verilog-HDL）进行模块编程，最后，把写好的程序下载到开发板上进行功能验证。以学习常用组合逻辑集成器件中的数据选择器为例，具体如下。

第1步，给学生讲解数据选择器的概念和应用场合，使学生对数据选择器有一个整体的认识。

第2步，通过简单的四选一数据选择器进行选择器的原理推导和理论分析。

第3步，基于FPGA平台进行功能和时序验证。其中，使用FPGA平台验证时按照以下步骤：（1）采用硬件描述语言对电路进行结构或功能描述。（2）逻辑综合和编译。（3）使用Modelsim等仿真工具进行功能时序仿真。（4）下载验证，其流程如图3所示。图4为给学生布置的八选一数据选择器的时序仿真，可以看出当选择地址S[2]，S[1]，S[0]不同时，选择器输出相应频率的信号。图5为八选一数据选择器的寄存器传输级描述图（Register Transport Level，RTL）。

2.2  基于FPGA的“数字电子技术”实验教学模式

基于FPGA的“数字电子技术”实验教学采用“QuartusII编程+开发板验证”的模式，即先通过硬件描述语言把实验芯片模块描述出来，然后对程序进行编译仿真，最后，下载到FPGA开发板上进行功能验证。这样可以有效避免使用传统数字实验箱带来的实验资源模块有限，实验机箱老化、易坏等缺点。同时，由于FPGA平台的核心是功能强大的可编程逻辑器件，因此，学生可以最大限度地发挥主观能动性去设计自己想要的电路，并且可以通过开发板来实现最终的实物验证，这样就实现了“所想即所得”的效果[8]。以设计4个LED组成的流水灯为例，具体如下。

第1步，向学生讲解用Verilog-HDL语言点亮LED灯的原理和实现流水灯所需要的循环结构等知识。

第2步，指导学生在QuartusII上编写流水灯顶层模块和各子模块程序。

第3步，对程序进行编译综合，指导学生修改程序中的错误。

第4步，根据所选FPGA开发板型号进行引脚分配。

第5步，下载程序到开发板上进行实物验证。图6为使用DB4CE15型号的开发板实现的4个LED组成的流水灯实验。

3    结语

本文提出一种基于FPGA平台的“数字电子技术”教学改革探究，分别对传统“数字电子技术”理论教学和实验教学进行改革探究，利用Quartus II软件和DB4CE15开发板作为设计工具，采用Verilog-HDL语言对“数字电子技术”中典型的组合逻辑电路和时序逻辑电路进行逻辑仿真和功能验证。实践表明，基于FPGA平台的“数字电子技术”教学改革符合当前中大规模数字电路的开发模式，能够提高学生的创新能力和拓展发散思维，满足新时代、新工科的发展需要。

[参考文献]

[1]李晓静，刘红月，李晓飞.运用系统方法将EDA融入数字电子技术课程教学[J].实验室研究与探索，2018（1）：211-214.

[2]肖永江，胡庭辉，薛玥婷，等.EDA在“数字电子技术”课程中的应用探讨[J].萍乡学院学报，2018（6）：100-103.

[3]孙进辉.EDA技术在数字电子实验设计汇总的合理应用分析[J].实验室研究与探索，2018（2）：199-202.

[4]陈卫兵，陈曙光，李季.EDA技术与数字电路课程的教学改革[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2016（5）：111-114.

[5]张玉伽.基于EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].数字技术与应用，2017（1）：62-63.

[6]高忠坚，张锐戈.“EDA技术与数字系统设计”课程教学探索与实践[J].萍乡学院学报，2015（6）：96-98.

[7]王志国，赵忠盖.EDA技术课程教学改革探索[J].中国现代教育装备，2014（21）：82-85.

[8]林智慧，何颖，张首军.两种EDA软件在数字电子技术课程中的应用[J].电子制作，2014（20）：10-11.

Research on teaching reform of “Digital Electronic Technology” based on FPGA

Li Hongjie， Duan Degong

（College of Electronic Information and Electrical Engineering， Anyang Institute of Technology， Anyang 455000， China）

Abstract：Aiming at the traditional “Digital Electronic Technology” teaching model， this paper probes into a teaching reform of “Digital Electronic Technology” based on FPGA. Using Quartus II software and DB4CE15 development board as teaching tools， using Verilog-HDL language to simulate and verify the typical combinational logic circuit and sequential logic circuit in traditional “Digital Electronic Technology”. The practice shows that the teaching reform of “Digital Electronic Technology” based on FPGA can help students understand the development process and methods of modern large-scale digital integrated circuits. At the same time improving students learning interest and practical ability， meeting the talent training objectives of application-oriented universities in the new age.

Key words：FPGA development environment; Digital Electronics Technology; teaching reform; innovation and practice ability