引入新技術與新器件的電子技術實踐教學

張 熠,張豫滇,楊英強

(南京郵電大學電子科學與工程學院,江蘇 南京 210003)

當前,改革實踐教學體系,引入新技術與新器件來豐富傳統實踐教學內容已成為電子技術實踐教學改革的一個重要發展趨勢,多所高校在這一領域進行了富有成效的改革,積累了豐富經驗[1,2］。我院電工電子實驗教學省級示范中心依據本校情況,實施了開放性專題實驗教學,已取得了良好效果。本文即以“存儲器應用”開放性專題實驗為例,就該專題實驗教學的目標、內容、教學方法以及教學資源建設等內容進行探討。

1 存儲器專題實驗教學目標

存儲器的相關知識在“數字電路與系統”、“單片機”、“微機原理”和“電工電子實驗”等課程中有所涉及,但僅限于工藝、存儲原理以及少量的應用介紹。鑒于此,存儲器專題實驗教學的目標主要定位于四個方面:①了解主要半導體廠商的存儲器產品,在進行電子系統設計時能根據系統要求合理選擇存儲器型號;②掌握常用存儲器的操作方法,能夠熟練給出接口電路設計與讀寫程序,這是本專題實驗教學的重點;③加深對各種接口時序與協議的理解,提高單片機與可編程器件應用開發能力;④通過閱讀半導體廠商提供的技術文檔學習存儲器操作方法和應用技術,提高外文資料閱讀能力以及解決問題的能力,培養工程素質和創新能力。

2 存儲器專題實驗教學內容

2.1 存儲器的選擇

目前在各類電子系統中,SRAM、EEPROM、Flash和SDRAM等類型的存儲器應用非常廣泛。本專題針對這幾種類型的存儲器,介紹主要廠商的存儲器產品線,使學生對存儲器產品有總體了解;并在其中選擇若干型號,按照存儲器的操作復雜程度,安排基本型、提高型和設計型三個層次的實驗。基本型和提高型實驗主要是存儲器讀寫操作訓練,設計型實驗主要為應用系統設計。

1)基本型實驗存儲器的選擇

基本型實驗所用的存儲器為小容量、并行接口和讀寫操作簡單的存儲器?？蛇x擇型號如AT28C64(8k×8 bits EEPROM)、KM62256(32k×8 bits SRAM)、IDT7202(FIFO)、IDT7024(雙口RAM)以及AT29C040(512k×8 bits Flash)等。

2)提高型實驗存儲器的選擇

提高型實驗所用的存儲器包括I2C、Microwire、SPI等串行接口EEPROM和大容量Flash存儲器,可選型號如 AT24C16(16k bits I2C EEPROM)、X5045(512 Bytes SPI EEPROM)、93C46B(1k bits Microwire EEPROM)以及K9F1208U0C等。串行接口存儲器接口電路簡單,封裝尺寸較小,其讀寫須按照嚴格的串行協議,配合串行時鐘信號將數據逐位存入或取出。

K9F1208U0C是512M bits容量的Nand Flash存儲器,其地址線和數據線為復用的I/O線,以頁為單位讀寫數據,以塊為單位擦除數據。地址和命令在I/O線上分次傳遞,數據寬度是8位。除此之外,在讀寫的時候,要根據Nand Flash管理規范檢測壞塊,對壞塊進行標志,操作較為復雜[3］。

3)設計型實驗存儲器的選擇

設計型實驗項目在涵蓋前兩種實驗所用存儲器的基礎上,增加1-Wire EEPROM 和SDRAM,前者采用Maxim公司EEPROM DS2430A或iBitton DS1991,器件接口基于 1-Wire串行協議,該協議能夠通過一根信號線實現器件供電并雙向傳輸數據。

SDRAM 可選 Hynix公司 μ HY57V641620HG(4 Banks×1M×16bits)。SDRAM將存儲器分成很多獨立的小塊(Bank),由Bank地址線控制Bank間的選擇,每個Bank的數據的寬度和整個存儲器的寬度相同。SDRAM的行地址線和列地址線時分復用,尋址過程復雜;另外SDRAM 的刷新機制的控制過程也較為復雜[4］。SDRAM數據傳輸速率較高,對數據總線布局比較敏感,甚至關系到設計的成敗。

2.2 存儲器專題實驗項目設計

存儲器實驗的項目按類型分為基本操作訓練和應用系統設計兩類。

基本操作訓練主要采用單片機實現存儲器的讀寫,即能夠將數據寫入并讀出即可。

應用系統設計要求借助實驗平臺資源或自主設計電路,實現一個完整的應用系統,將存儲器應用技術體現在系統開發中,實驗項目諸如點陣式LED顯示器的圖案與字符顯示、單片機系統的存儲器擴展、數字錄音與播放器、溫度記錄儀、基于iButton的巡更閱讀器和交換機計費信息緩存器等;項目只提出系統要求,不指定存儲器型號,需要學生依據功能、電氣指標和系統成本等因素,合理選擇存儲器型號;其中多個項目具有產品研制性質,這有利于激發學生興趣,培養工程素質與創新精神。

3 教學資源與教學方法

3.1 教學資源

專題實驗資源主要包含硬件實驗平臺,輔助、測試軟件,實驗課題講義和芯片數據表等。實驗主要基于單片機系統進行,實驗平臺結構如圖1所示。實驗平臺除了單片機外,也支持 CPLD/FPGA、ARM嵌入式處理器,可供學有余力的學生選擇使用。

圖1 實驗平臺硬件結構示意圖

平臺上設有多種類型存儲器,并具有A/D、LCD顯示、通信模塊等外圍資源,利于開展完整系統的實驗課題和驗證,如利用實驗平臺上的iButton DS1991、串行EEPROM 、時鐘/日歷芯片DS1302和串行口等部件可以設計實現巡更閱讀器,對1-Wire等串行EEPROM的讀寫便體現在這一產品開發中。相關模塊(如LCD顯示和串行通信)的使用可視學生情況提供源程序支持,促進學生完成存儲器應用訓練。測試軟件包含串口調試助手和溫度監控上位機軟件等,用于對學生的實驗結果進行測試,以便于快速準確地判斷結果的正確性,給出成績評價。

3.2 教學方法

為了切實提高學生的動手能力,培養實踐經驗,在教學方法上應注意以下幾方面:①強調學生主體的原則,避免教師過多參與[5］;②充分開放實驗室和實驗資源,便于學生查閱參考資料,有充足的時間完成實驗任務,也可以對難度較大的項目進行深入研究;③引導學生運用仿真軟件如Proteus輔助設計調試,提高效率;④重視素質訓練,從分析協議時序、編程調試至報告撰寫,均給出要求。

[1］俞松坤,席潔.深化實踐教學改革 培養學生創新能力[J］.北京:中國大學教學,2009,8:68-70

[2］李香萍,嚴明.電子技術實驗教學的改革與實踐[J］.上海:實驗室研究與探索,2009,10:117-119

[3］SAMSUNG.K9F1208X0C Data Sheet.http://www.Samsung.com

[4］段然,樊曉椏,張盛兵.基于狀態機的SDRAM控制器的設計與實現[J］.北京:計算機工程與應用,2005,41(17):110-113

[5］張智鈞.工科專業實踐教學的問題分析與改革探討[J］.北京:中國高教研究,2005,6:81-82