EDA技术在数字电路课程设计教学改革中的探索与实践
倪德克+师亚莉+朱旭花+王静+戢小亮
[摘 要]数字电路是电子信息类专业的基础课程，其中数字电路课程设计是该课程的重要实践教学环节，具有理论性与工程实践性强的特点。为了改进数字电路课程设计的教学，开展了将现代EDA技术应用于数字电路课程设计的教学改革。可以将数字电路课程设计分成两个阶段进行：基于Multisim的仿真设计、基于FPGA的EDA设计，使学生既掌握扎实的数字电路理论基础，又学习到现代数字系统的EDA设计技术，加强了学生工程实践能力的培养，取得了良好的教学效果。
[关键词]数字电路；教学改革；EDA技术；FPGA；Multisim
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）04-0118-02
一、引言
数字电路是电子信息类专业的基础课程，其中数字电路课程设计是该课程的重要实践教学环节，具有理论性与工程实践性强的特点。数字电路课程设计不但要求学生掌握实用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，培养学生在数字电路领域的设计方法、设计手段、分析经验、故障排查等综合技能，以及跟踪学习现代EDA设计技术。
传统的数字电路课程设计教学是基于固定功能的标准74系列芯片，要求学生综合运用数字电路课程中所学理论知识，独立思考、分析、设计、组装，“自下而上”地构造具有一定功能的小规模数字系统。这种设计方法有利于学生对数字电路基础理论知识的理解与应用，但是设计缺乏灵活性，教学内容多年不变，设计题目单一，设计思路僵化，学生的设计方案雷同，功能难以进行扩展。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；电路可靠性比较差，电路连线复杂，查错、纠错比较困难，学生感到枯燥、乏味、缺乏创新。传统的设计方法在一定程度上制约了学生个性和创新思维的发展，缺乏对学生工程实践和创新能力的培养，课程设计的教学目标不能很好地实现，因此必须进行改革。
针对数字电路传统设计方法中的问题，西安邮电大学数字电路课程教学组采用现代EDA设计技术，兼顾数字电路设计方法的传统性与先进性，进行了“基于Multisim的仿真设计”、“基于FPGA的EDA设计”的教学改革。改革将数字电路课程设计分成两个阶段进行，传统设计与Multisim仿真设计相结合，强化数字电路理论基础，突破标准74系列芯片种类与数量的限制；并在QuartusII设计软件进行FPGA设计，强化现代数字系统的设计方法，通过仿真与实物制作的比较分析，促进学生更好地了解工程设计实际所面临的问题，有效地进行工程素养培养。这种教学改革具有实际教学可行性、教学内容连贯性、设计方法实用性的特点，教学效果良好。
二、基于Multisim的仿真设计
Multisim是美国NI公司推出的以Windows为平台的虚拟仿真平台。它可以对模拟、数字和模拟/数字混合电路进行设计和仿真。它的特点是界面直观、元器件库丰富、虚拟仪器仪表齐全、元件放置及连线简便、电路分析功能及作图功能强大、电路图的创建、测试分析和仿真结果一体化。
数字电路课程设计首先基于Multisim进行仿真设计。教师规定各个设计课题的具体要求，分析一些涉及各个设计课题的关键知识点。学生可以进行自由选题，在理解设计课题的基础上，构建设计思路，使用Multisim进行仿真设计。在Multisim仿真设计阶段，提供基础性与扩展性相结合、仿真性与工程性相结合的设计课题，强化数字电路基础理论知识，注重学生创新与工程能力的培养。
在基本设计课题的基础上，扩展设计功能。要求学生完成基本设计课题电路功能后，完成一定的扩展功能的设计。例如在“抢答器设计”课题中，基础要求为4人抢答器，扩展要求为8人抢答器，抢答时间从递增计数改为递减计数；在“交通灯控制器设计”课题中，基础要求为单路时间显示，扩展要求为两路时间显示，并增加单向交通管控功能；在“多路彩灯控制器设计”课题中，基础要求为三种花型的8路彩灯，扩展要求为五种花型的16路彩灯；在“数字频率计”课题中，基础要求为被测信号频率为1Hz～9999Hz，扩展要求为被测信号频率为1Hz～999999Hz。设计题目的基础性与扩展性，有利于促进学生基本理论知识的强化与实践综合能力的培养。
同时从提高实际工程素养和训练工程应用能力出发，将Multisim仿真教学和工程实践有机结合。Multisim仿真软件容错功能强大，但也存在仿真设计上的一些工程设计细节问题。学生所缺少的工程能力不能完全依靠仿真获得，还需要教师从工程实践角度进行指导。例如在“交通灯控制器设计”中，Multisim仿真还需要注意一些工程细节。
1.对于555多谐振荡器设计模块，电阻、电容的选取应该根据工程实际进行合理参数选取，既需要考虑输出波形的频率、占空比的精度，又需要考虑电阻电容的标称值。
2.对计数器设计模块，中规模集成计数器的种类繁多，例如74161、74163、74393、7493等，应综合考虑各种计数器功能、价格、复杂度等因素，进行设计选型。
3.对于显示译码模块，要根据具体的七段数码管的共阴极和共阳极种类进行选取，使用共阴极数码管可选择7448，使用共阴极数码管可选择7447。
4.对于数码显示模块，根据实际应用场合选取一定型号的七段数码显示管，数码管功率大小决定是否加功率驱动电路，以及合理的限流电阻选取。
三、基于FPGA的现代设计
在课程设计Multisim仿真设计完成的基础上，进入第二阶段的设计：基于FPGA的EDA设计。在该设计阶段，学生对设计课题已经有了充分的认识，可以突破74系列芯片的限制，采用VHDL语言进行高效的EDA设计，这能激发学生学习的兴趣，启发学生的思维和想象，有力地促进学生的电路设计能力、工程实践能力和自主创新能力的培养。
在该设计阶段，要求学生由上而下将设计课题划分为各个功能模块，并在QuartusII软件中，采用VHDL语言编程实现各个模块功能；顶层电路图可以采用语言或者原理图输入方式，之后进行设计的编译、仿真，最后将编译后的文件烧写到实验平台的FPGA目标芯片中，从而完成数字系统的设计。FPGA芯片的I / O接口与输入输出器件采用固定的连接方式，不需要进行复杂的手工连线，学生不再受到芯片种类、连线故障、硬件电路故障等困扰，能将精力主要集中于数字系统功能的实现，这可以激发学生的学习兴趣。通过课程设计中的FPGA设计，使学生学习到现代数字系统的设计方法，跟踪现代数字电路发展的技术潮流，对培养学生创新能力、提高实际工程素养和训练工程应用能力起到重要的促进作用。
针对课程设计的实际教学需求，我校数字电路课程教学组研制了以ALTERA公司EP3C10E144为核心的FPGA实验平台，该实验平台的主要资源有以下几部分。
1.输入接口：包括6位的独立按键、10位的独立开关、多时钟信号（1Hz、10Hz、100Hz、1KHz、100KHz、1MHz、50MHz）、12位AD输入等资源。
2.输出接口：包括16个LED灯、4个独立数码管、8位动态扫描数码管、12位DA输出等资源。
3.下载与供电模块：实验平台中集成了USB BLASTER下载模块，同时通过USB接口从PC中获得+5V的电源，方便学生对实验平台的使用，有效地避免了多次插拔USB BLASTER造成的器件损坏。
实验平台的资源满足了“交通灯控制器设计”、“抢答器设计”、“数字钟设计”、“多路彩灯控制器设计”、“信号发生器设计”、“电子密码锁设计”、“数字频率计”、“数字电压表设计”等多个设计课题的需求。学生通过FPGA设计的实际程序下载，与第一阶段的Multisim仿真结果进行比较分析，能更好地了解仿真与工程设计的区别，掌握现代数字系统的设计方法。
四、结语
西安邮电大学进行的数字电路课程设计教学改革，从课程实际出发，切实实现理论知识和工程实践相统一，以培养学生工程实践能力、自主创新能力为目标，引入现代EDA技术，培养学生的现代数字系统设计方法，这种教学改革收到了良好的教学效果，值得推广。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 李文，黄文，赵全友，尹向东.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）：62-65.
[2] 王玫，王桂珍，田丽鸿.基于EDA改革数电课程设计，培养学生创新能力[J].电气电子教学学报，2006（4）：18-21.
[3] 倪德克.Multisim 10.0在数字电路逻辑设计教学中的应用[J].西安邮电学院学报，2011（16）：90-92.
[4] 薛延侠.“数字电路”实验教学的创新与研究[J].实验室研究与探索，2007（2）：84-86.
[5] 张亚君，陈龙，牛小燕.Multisim在数字电路与逻辑设计实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2008（8）：108-111.
[6] 田东.数字电路课程设计的改革与探讨[J].实验技术与管理，2006（5）：118-119.
[7] 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（1）：168-171.
[8] 宋烈武.EDA技术与数字电路实验教学的有机结合[J].中南民族大学学报，2004（8）：279-280.
[9] 肖慧娟，李勇，张丽娟，等.数字电路与逻辑设计课程实验改革[J].电气电子教学学报，2010（6）：101-102.
[责任编辑：陈 明]
[摘 要]数字电路是电子信息类专业的基础课程，其中数字电路课程设计是该课程的重要实践教学环节，具有理论性与工程实践性强的特点。为了改进数字电路课程设计的教学，开展了将现代EDA技术应用于数字电路课程设计的教学改革。可以将数字电路课程设计分成两个阶段进行：基于Multisim的仿真设计、基于FPGA的EDA设计，使学生既掌握扎实的数字电路理论基础，又学习到现代数字系统的EDA设计技术，加强了学生工程实践能力的培养，取得了良好的教学效果。
[关键词]数字电路；教学改革；EDA技术；FPGA；Multisim
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）04-0118-02
一、引言
数字电路是电子信息类专业的基础课程，其中数字电路课程设计是该课程的重要实践教学环节，具有理论性与工程实践性强的特点。数字电路课程设计不但要求学生掌握实用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，培养学生在数字电路领域的设计方法、设计手段、分析经验、故障排查等综合技能，以及跟踪学习现代EDA设计技术。
传统的数字电路课程设计教学是基于固定功能的标准74系列芯片，要求学生综合运用数字电路课程中所学理论知识，独立思考、分析、设计、组装，“自下而上”地构造具有一定功能的小规模数字系统。这种设计方法有利于学生对数字电路基础理论知识的理解与应用，但是设计缺乏灵活性，教学内容多年不变，设计题目单一，设计思路僵化，学生的设计方案雷同，功能难以进行扩展。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；电路可靠性比较差，电路连线复杂，查错、纠错比较困难，学生感到枯燥、乏味、缺乏创新。传统的设计方法在一定程度上制约了学生个性和创新思维的发展，缺乏对学生工程实践和创新能力的培养，课程设计的教学目标不能很好地实现，因此必须进行改革。
针对数字电路传统设计方法中的问题，西安邮电大学数字电路课程教学组采用现代EDA设计技术，兼顾数字电路设计方法的传统性与先进性，进行了“基于Multisim的仿真设计”、“基于FPGA的EDA设计”的教学改革。改革将数字电路课程设计分成两个阶段进行，传统设计与Multisim仿真设计相结合，强化数字电路理论基础，突破标准74系列芯片种类与数量的限制；并在QuartusII设计软件进行FPGA设计，强化现代数字系统的设计方法，通过仿真与实物制作的比较分析，促进学生更好地了解工程设计实际所面临的问题，有效地进行工程素养培养。这种教学改革具有实际教学可行性、教学内容连贯性、设计方法实用性的特点，教学效果良好。
二、基于Multisim的仿真设计
Multisim是美国NI公司推出的以Windows为平台的虚拟仿真平台。它可以对模拟、数字和模拟/数字混合电路进行设计和仿真。它的特点是界面直观、元器件库丰富、虚拟仪器仪表齐全、元件放置及连线简便、电路分析功能及作图功能强大、电路图的创建、测试分析和仿真结果一体化。
数字电路课程设计首先基于Multisim进行仿真设计。教师规定各个设计课题的具体要求，分析一些涉及各个设计课题的关键知识点。学生可以进行自由选题，在理解设计课题的基础上，构建设计思路，使用Multisim进行仿真设计。在Multisim仿真设计阶段，提供基础性与扩展性相结合、仿真性与工程性相结合的设计课题，强化数字电路基础理论知识，注重学生创新与工程能力的培养。
在基本设计课题的基础上，扩展设计功能。要求学生完成基本设计课题电路功能后，完成一定的扩展功能的设计。例如在“抢答器设计”课题中，基础要求为4人抢答器，扩展要求为8人抢答器，抢答时间从递增计数改为递减计数；在“交通灯控制器设计”课题中，基础要求为单路时间显示，扩展要求为两路时间显示，并增加单向交通管控功能；在“多路彩灯控制器设计”课题中，基础要求为三种花型的8路彩灯，扩展要求为五种花型的16路彩灯；在“数字频率计”课题中，基础要求为被测信号频率为1Hz～9999Hz，扩展要求为被测信号频率为1Hz～999999Hz。设计题目的基础性与扩展性，有利于促进学生基本理论知识的强化与实践综合能力的培养。
同时从提高实际工程素养和训练工程应用能力出发，将Multisim仿真教学和工程实践有机结合。Multisim仿真软件容错功能强大，但也存在仿真设计上的一些工程设计细节问题。学生所缺少的工程能力不能完全依靠仿真获得，还需要教师从工程实践角度进行指导。例如在“交通灯控制器设计”中，Multisim仿真还需要注意一些工程细节。
1.对于555多谐振荡器设计模块，电阻、电容的选取应该根据工程实际进行合理参数选取，既需要考虑输出波形的频率、占空比的精度，又需要考虑电阻电容的标称值。
2.对计数器设计模块，中规模集成计数器的种类繁多，例如74161、74163、74393、7493等，应综合考虑各种计数器功能、价格、复杂度等因素，进行设计选型。
3.对于显示译码模块，要根据具体的七段数码管的共阴极和共阳极种类进行选取，使用共阴极数码管可选择7448，使用共阴极数码管可选择7447。
4.对于数码显示模块，根据实际应用场合选取一定型号的七段数码显示管，数码管功率大小决定是否加功率驱动电路，以及合理的限流电阻选取。
三、基于FPGA的现代设计
在课程设计Multisim仿真设计完成的基础上，进入第二阶段的设计：基于FPGA的EDA设计。在该设计阶段，学生对设计课题已经有了充分的认识，可以突破74系列芯片的限制，采用VHDL语言进行高效的EDA设计，这能激发学生学习的兴趣，启发学生的思维和想象，有力地促进学生的电路设计能力、工程实践能力和自主创新能力的培养。
在该设计阶段，要求学生由上而下将设计课题划分为各个功能模块，并在QuartusII软件中，采用VHDL语言编程实现各个模块功能；顶层电路图可以采用语言或者原理图输入方式，之后进行设计的编译、仿真，最后将编译后的文件烧写到实验平台的FPGA目标芯片中，从而完成数字系统的设计。FPGA芯片的I / O接口与输入输出器件采用固定的连接方式，不需要进行复杂的手工连线，学生不再受到芯片种类、连线故障、硬件电路故障等困扰，能将精力主要集中于数字系统功能的实现，这可以激发学生的学习兴趣。通过课程设计中的FPGA设计，使学生学习到现代数字系统的设计方法，跟踪现代数字电路发展的技术潮流，对培养学生创新能力、提高实际工程素养和训练工程应用能力起到重要的促进作用。
针对课程设计的实际教学需求，我校数字电路课程教学组研制了以ALTERA公司EP3C10E144为核心的FPGA实验平台，该实验平台的主要资源有以下几部分。
1.输入接口：包括6位的独立按键、10位的独立开关、多时钟信号（1Hz、10Hz、100Hz、1KHz、100KHz、1MHz、50MHz）、12位AD输入等资源。
2.输出接口：包括16个LED灯、4个独立数码管、8位动态扫描数码管、12位DA输出等资源。
3.下载与供电模块：实验平台中集成了USB BLASTER下载模块，同时通过USB接口从PC中获得+5V的电源，方便学生对实验平台的使用，有效地避免了多次插拔USB BLASTER造成的器件损坏。
实验平台的资源满足了“交通灯控制器设计”、“抢答器设计”、“数字钟设计”、“多路彩灯控制器设计”、“信号发生器设计”、“电子密码锁设计”、“数字频率计”、“数字电压表设计”等多个设计课题的需求。学生通过FPGA设计的实际程序下载，与第一阶段的Multisim仿真结果进行比较分析，能更好地了解仿真与工程设计的区别，掌握现代数字系统的设计方法。
四、结语
西安邮电大学进行的数字电路课程设计教学改革，从课程实际出发，切实实现理论知识和工程实践相统一，以培养学生工程实践能力、自主创新能力为目标，引入现代EDA技术，培养学生的现代数字系统设计方法，这种教学改革收到了良好的教学效果，值得推广。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 李文，黄文，赵全友，尹向东.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）：62-65.
[2] 王玫，王桂珍，田丽鸿.基于EDA改革数电课程设计，培养学生创新能力[J].电气电子教学学报，2006（4）：18-21.
[3] 倪德克.Multisim 10.0在数字电路逻辑设计教学中的应用[J].西安邮电学院学报，2011（16）：90-92.
[4] 薛延侠.“数字电路”实验教学的创新与研究[J].实验室研究与探索，2007（2）：84-86.
[5] 张亚君，陈龙，牛小燕.Multisim在数字电路与逻辑设计实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2008（8）：108-111.
[6] 田东.数字电路课程设计的改革与探讨[J].实验技术与管理，2006（5）：118-119.
[7] 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（1）：168-171.
[8] 宋烈武.EDA技术与数字电路实验教学的有机结合[J].中南民族大学学报，2004（8）：279-280.
[9] 肖慧娟，李勇，张丽娟，等.数字电路与逻辑设计课程实验改革[J].电气电子教学学报，2010（6）：101-102.
[责任编辑：陈 明]
