基于FPGA的数字电路基础实验教学改革与实践研究

摘 要 如今数字电路实验课程的课时逐步缩短的同时课程内容也在不断更新，教学任务也随之变得沉重。为了应对数字电路实验课程教学方式在当下教学任务中的不足，学校引进FPGA实验平台，从平台和实验两方面着手进行教学变革，合理地进行实验规划，让实验内容更加丰富。学生同时也可以在这样连环相扣的实验中充分地对新技术进行学习、了解并熟练地运用新技术，并在此过程中对数字电路构建正确的认知。

关键词 数字电路实验 FPGA 教学改革

中图分类号：G642文献标识码：A

0引言

近几十年来，随着时代的发展，数字技术的应用遍及各行各业，数字逻辑电路从小型集成电路这一传统的标准化产业向着大规模可编程器件飞速转化。电路器件的工作频率也随之提高，并且器件的组合方式、逻辑顺序也开始为数字逻辑、数据处理、应用算法以及针对特定功能而服务。

数字电路实验是以《数字逻辑设计及应用》这一电子类专业基础核心专业课程为理论基础。这门专业课程在学习过程中要求学生能够掌握数字逻辑电路的分析，并能进一步地使用，对于实践的要求相对较高。因此在整个教学任务中，学生在掌握基础电路知识后，数字电路实验肩负着培养专业应用能力的任务，所以在整体教学中具有不可或缺的地位。

1现行数字电路基础实验教学的研究

从数字电路实验开展以来，都是以74系列的芯片为主，基于该系列芯片进行实验研究。但是，随着现代工业基础的发展，数字逻辑电路的应用目的、载体、实验方式也在改变，随之而来的便是学校在教导这门课程的教学方式和内容上发生了变化。在逐渐缩短的课时下提高实验的多样性，创新性尤为重要。传统的教学是学生进行手工布线，这种方式较为繁琐，时间成本高，减少了学生的学习量。随之进行变革而产生的是应用EDA仿真软件进行教学，在这种教学方式中，低年级的学生不仅要学习电路知识，同时还要学习软件的操作，为学校的教学和学生的学习增加了负担。仿真软件本质上只是提供了一个模拟平台，学生只能通过软件进行虚拟构建电路，这使得学生可能会对实际操作产生认知偏差，忽视了设计电路后的验证。数字电路实验和理论课程知识的整体性也是不可忽视的，不同学校不同专业因其自身的局限性，可能会忽视理论与实践的结合。同时，现如今数字电路实验教学中各个实验的连接，实验内容，在简单实验上进行扩展等等问题还是有待商榷的。

2基于FPGA的电路實验教学改革与实践

根据对数字电路课程培养方案的总结，对于学生的培养主要是分三步进行，分别是基础实验、设计实验、扩展实验。这三步从基础知识的学习及应用到整合知识进行综合设计再到根据已有知识进行探索设计，难度依次增加，教学要求也是逐步提高。基于此，设计了FPGA为依托的实验平台。该平台主要含有：逻辑开关、可编辑器件、验证器件、支撑部件等模块。学生可以自行设计电路，然后将设计好的电路下载到板上进行实际操作，并可以通过仪器检验调试自己设计的电路。

该平台可以很好地兼顾了从低年级学生的基础实验到高年级学生的综合性电路设计，不仅是基础的教学要求，还兼顾了课程设计和探索实验的需求。这种方式能使学生从单纯的EDA软件教学中的虚拟操作中走向实际操作，并且也减少了传统手工操作的复杂性。使得学生在相对简洁的操作下对于电路的认知更加深刻，并且培养了学生观察电路、检查电路的能力。该实验不仅能提高教学的效率，而且新颖性，复杂性上有了提高，更优化了在不同学习阶段的实验操作。避免了不同教学阶段所学的新的知识点以及硬件转化带给学生的困扰，使得学生可以由简入深地学习电路知识，逐步掌握理论知识和实践技能。

（1）实验平台改革与实践。基于FPGA的实验平台主要由逻辑开关、可编程逻辑器件、芯片功能验证模块、支撑部件等组成。

逻辑开关可以进行简单的电路教学，因为有LED小灯作为指示，让学生可以直接观察到数字信号变化。可编程逻辑器件则进一步满足了实验教学的要求，学生可以自行设计，培养对电路的认知。支撑器件等其他模块预留的数模接口则可以满足扩展实验，提供更高层次的教学，并且也方便了设计电路后的验证与调试。

总之，在该平台的基础上，从软件的使用到硬件的检测调试，可以使学生获得更好的培养。第一步，学生可以从QuartusⅡ软件上进行初期的电路构建，相对于传统的人工排线操作，计算机软件的使用无疑是减少了时间的花费，降低了因为操作失误而带来的麻烦。第二步，在软件构建电路完成后，学生可以通过仿真软件提前进行虚拟测试。第三步，虚拟测试后，学生可以把电路文件写入FPGA下板运行。在整个实验过程中，可以根据已有资源对电路进行任意设计，从而引发学生的兴趣，调动学生的积极性，提高实验的教学效率。

（2）实验规划和实验内容的改革与实践。电子类专业的课时一般都会多于其他专业学习数字电路实验的课时，并且学习深度也是不尽相同。针对不同学校、不同专业，实验教学要考虑课程知识对于实验的支撑程度，避免理论与实践的脱离。因此，如今的数字电路实验内容与规划要更加灵活可变。数字电路实验内容主要分为3个层次，分别是基础实验、设计实验和探究扩展实验。电子类专业可以在完成前两个层次的基础上进行探究扩展实验，使得学生可以对所学知识进行整合与延伸。对于非电子类专业的学生可以只完成前两个层次，巩固学生所学知识与实验操作技能。

（1）基础实验。基础实验主要是对所学知识进行验证，通过实物操作加深学生对知识的理解，学生也可以通过动手操作，对电路有了基础认知。在FPGA平台下，学生可以通过Quartus自带的器件库模拟简单的门电路等，减少了传统手工布线的繁琐操作。

（2）设计实验。设计实验是在基础实验上进一步加深，从简单的逻辑电路学习走向电路的设计，使学生可以对课程知识更好地理解与运用。学生可以先通过EDA仿真软件进行布线学习，随后再通过平台进行验证调试。相较于传统教学，学生可以完成从电路设计、仿真教学到硬件验证调试的整个实验流程。并且可以提高自身的逻辑能力、分析能力与调试能力。

（3）扩展实验。对于高年级学生和有余力的低年级学生，扩展实验可以进一步加深学生的逻辑能力、分析能力与调试能力。并且扩展实验也可以满足学生动手的需求，使得学生对于专业课程有更加全面的认识。在该平台下，可以从基础的电路开始构建，然后进行整合形成一个简单的CPU系统。再通过下板验证，实现数据存取和处理等功能，让学生得到语言逻辑、动手能力、调试能力的提升。总之，研究扩展实验能培养学生的专业兴趣，体现教学成果。

3结语

本文从实验平台到实验内容考虑了现阶段常用教学方式的不足，提出了一些改革措施。从EDA等仿真软件到基于FPGA的实验平台，不仅从硬件上进行了改变，而且弥补了教学中理论知识与实验操作内容不能很好地结合的不足，弥补了教学任务与现代科技中间的缝隙。通过FPGA实现完整的现代数字电路实验，在让学校更方便教学的同时，也让学生可以从简入深地学习电路知识，能够充分地培养学生的专业综合素养。

作者简介：杨祖芳（1981-），女，汉族，湖北荆州人，硕士，武汉工商学院副教授，研究方向：电子线路与嵌入式系统。

参考文献

[1] 刘彦飞，代永红，周立青等.面向基础教学的数字电路实验平台研制[J].实验室研究与探索，2019，38（01）：170-174.

[2] 郭翌，孔庆生，王勇.模拟与数字电路基础实验教学改革与探索[J].实验科学与技术，2016，14（06）：142-144.

[3] 马学条，陈龙，程知群等.手势识别车载人机交互系统虚实结合实验教学项目研究与实践[J].实验技术与管理，2019，36（10）：183-186+210.

[4] 闫龙，张鑫，张顺堂等.教学-实验-实训三位一体的单片机教学改革探讨[J].实验室研究与探索，2019，38（08）：220-223.

[5] 张翠翠，张世娇，张鹏辉等.积木式多层级数字电路实验箱[J].实验技术与管理，2019，36（03）：98-102.