淺談EDA工具軟件在電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

潘遠(yuǎn)翠達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處，四川達(dá)州 635001

淺談EDA工具軟件在電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

潘遠(yuǎn)翠達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處，四川達(dá)州 635001

電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)主要任務(wù)是培養(yǎng)電子類專業(yè)學(xué)生電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程，訓(xùn)練工程實(shí)踐能力。本文探討了以EDA工具軟件為教學(xué)工具，在綜合實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的電子電路設(shè)計(jì)能力，具體以數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)作為實(shí)例加以闡述。

EDA工具軟件；電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)；教學(xué)應(yīng)用

EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation）的縮寫，在20世紀(jì)60年代中期從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助測試（CAT）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的概念發(fā)展而來的。電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)主要任務(wù)是培養(yǎng)電子類專業(yè)學(xué)生的電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程，訓(xùn)練工程實(shí)踐能力。前承基礎(chǔ)模塊的實(shí)驗(yàn)，從具有單一功能的實(shí)驗(yàn)電路轉(zhuǎn)為完整的系統(tǒng)電路；后啟創(chuàng)新實(shí)踐模塊，為學(xué)習(xí)獨(dú)立設(shè)計(jì)系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。

1 EDA工具軟件

20世紀(jì)90年代，國際上電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)較先進(jìn)的國家，一直在積極探索新的電子電路設(shè)計(jì)方法，并在設(shè)計(jì)方法、工具等方面進(jìn)行了徹底的變革，取得了巨大成功。在電子技術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可編程邏輯器件（如CPLD、FPGA）的應(yīng)用，已得到廣泛的普及，這些器件為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了極大的靈活性。這些器件可以通過軟件編程而對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，從而使得硬件的設(shè)計(jì)可以如同軟件設(shè)計(jì)那樣方便快捷。這一切極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)觀念，促進(jìn)了EDA技術(shù)的迅速發(fā)展。

EDA技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具，設(shè)計(jì)者在EDA軟件平臺(tái)上，用硬件描述語言HDL完成設(shè)計(jì)文件，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)計(jì)的效率和可操作性，減輕了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

利用EDA工具，電子設(shè)計(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計(jì)算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出IC版圖或PCB版圖的整個(gè)過程的計(jì)算機(jī)上自動(dòng)處理完成。

現(xiàn)在對(duì)EDA的概念或范疇用得很寬。包括在機(jī)械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，都有EDA的應(yīng)用。目前，EDA技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學(xué)部門廣泛使用。例如，在飛機(jī)制造過程中，從設(shè)計(jì)、性能測試及特性分析直到飛行模擬，都可能涉及到EDA技術(shù)。

EDA工具軟件可大致可分為芯片設(shè)計(jì)輔助軟件、可編程芯片輔助設(shè)計(jì)軟件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助軟件等3類。

目前，進(jìn)入我國并具有廣泛影響的EDA軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件輔助類和可編程芯片輔助設(shè)計(jì)軟件：Protel、PSPICE、multiSIM10(原EWB的最新版本)、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等等。這些工具都有較強(qiáng)的功能，一般可用于幾個(gè)方面，例如很多軟件都可以進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真，同進(jìn)還可以進(jìn)行PCB自動(dòng)布局布線，可輸出多種網(wǎng)表文件與第三方軟件接口。

2 EDA技術(shù)是綜臺(tái)實(shí)驗(yàn)的重要教學(xué)工具

從教學(xué)角度思考，綜合實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)的是學(xué)生電子設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，進(jìn)入這一層次學(xué)習(xí)的學(xué)生還沒有什么設(shè)計(jì)電路、搭建電路的經(jīng)驗(yàn)，如果直接要求他們根據(jù)設(shè)計(jì)需求制作電路，由于學(xué)生的水平不一，部分學(xué)生難免會(huì)出現(xiàn)學(xué)習(xí)的惰性，等待抄襲其他同學(xué)的設(shè)計(jì)成果，或者等待教師在看不下去的情況下給出電路，失去本層次數(shù)學(xué)的意義，這種弊端是我們?cè)诮虒W(xué)中要盡量避免的。我們采取的教學(xué)方法是以點(diǎn)帶面，將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分為幾個(gè)必須的步驟，每一步都有重要知識(shí)點(diǎn)，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握則是通過完成一定的任務(wù)而達(dá)成的，實(shí)現(xiàn)的重要手段之一便是采用EDA仿真技術(shù)。通過課堂教學(xué)、督導(dǎo)，“逼迫”學(xué)生進(jìn)入電路設(shè)計(jì)狀態(tài)，完成相關(guān)設(shè)計(jì)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

本層次的實(shí)驗(yàn)涉及了模擬電路、數(shù)字電路及單片機(jī)技術(shù)等課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有的偏重模擬系統(tǒng)，有的偏重?cái)?shù)字系統(tǒng)，有的以單片機(jī)為核心，均是具備一定功能的完整電子系統(tǒng)。

教學(xué)模式則根據(jù)所選題目的不同而略有不同。總體上采用的是，首先建立電子系統(tǒng)的概念，作系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；其次按模塊分別設(shè)計(jì)并作系統(tǒng)仿真；最后完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)數(shù)字系統(tǒng)來說，主要是基于CPLD和FPGA的，因此綜合設(shè)計(jì)的過程主要在針對(duì)性較強(qiáng)的數(shù)字邏輯系統(tǒng)的EDA軟件中完成硬件描述語言的編寫及仿真調(diào)試，最后下載到芯片上進(jìn)行實(shí)際的測試。對(duì)模擬系統(tǒng)而言，先作系統(tǒng)設(shè)計(jì)并在Orcad或EWB上作電路仿真，然后進(jìn)行硬件電路的搭建、調(diào)測。對(duì)單片機(jī)類電路，同樣是先作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后作一些外圍硬件電路的仿真，再編寫程序并作仿真調(diào)試，最后是硬件和軟件的聯(lián)調(diào)。

3 EDA技術(shù)在數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

考慮到進(jìn)入本層次學(xué)習(xí)的學(xué)生是初次接觸到系統(tǒng)的概念，為了與他們前面的單元式功能模塊的實(shí)驗(yàn)相銜接，系統(tǒng)模塊都是給出的。

以數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)為例，主要分為如下幾個(gè)主要教學(xué)步驟，并配合仿真軟件的使用：

繪制系統(tǒng)電路圖→電路功能的仿真→系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)、編寫及仿真執(zhí)行→編寫程序，并在實(shí)驗(yàn)板上驗(yàn)證

3.1 繪制系統(tǒng)電路圖

此步驟看似與設(shè)計(jì)要求不相關(guān)，但是結(jié)合指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)缺少了這一環(huán)節(jié)的培養(yǎng)，大量做硬件課題的學(xué)生到了畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，從頭開始學(xué)習(xí)繪制電路原理圖及PCB板的設(shè)計(jì)，占用了非常多的時(shí)間，使得關(guān)注于課題設(shè)計(jì)的時(shí)間被占用，影響設(shè)計(jì)效果。繪制原理圖及PCB又是實(shí)踐性極強(qiáng)的，單獨(dú)設(shè)課的教學(xué)效果不好，結(jié)合以上情況及參照本校實(shí)踐類課程教學(xué)計(jì)劃，我們?cè)诰C合實(shí)驗(yàn)中用幾個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間對(duì)學(xué)生進(jìn)行初步的培養(yǎng)，深入的學(xué)習(xí)研究留給他們課后去做。另一個(gè)目的是讓學(xué)生熟悉系統(tǒng)電路，這比單純的對(duì)著課件講述一遍留下的印象要深一些。采用的繪圖工且是protel99SE（主要是實(shí)驗(yàn)空條件所限），基本任務(wù)是繪制電路原理圖，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)表，應(yīng)用自動(dòng)布局、布線來完成PCB圖，學(xué)一些基本技巧。

3.2 用EWB進(jìn)行部分原理電路的仿真

這一步通過對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)外圍電路的仿真，訓(xùn)練學(xué)生正確選擇器件，完成電路的設(shè)計(jì)、搭建，并進(jìn)行仿真調(diào)試。實(shí)驗(yàn)要求完成555多諧振蕩器（振蕩頻率＞400kHz）的設(shè)計(jì)（該電路是ADC的時(shí)鐘源）和8位ADC的工作仿真。自擬電路，計(jì)算出正確的參數(shù)。

我們選擇multisim2001電路仿真軟件完成這部分的教學(xué)。multisim2001在保留了EWB以往版本形象直觀等諸多優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，大大增強(qiáng)了軟件的仿真測試和分析功能，同時(shí)還大大擴(kuò)充了元件庫中傷真元件的數(shù)量，特別是增加了若干個(gè)與實(shí)際元件相對(duì)應(yīng)的建模精確的真實(shí)仿真元件模型，使得仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果更精確、更可靠。

任務(wù)雖然簡單，但是我們?cè)诮虒W(xué)中始終貫徹工程訓(xùn)練與實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系的教學(xué)思想，要求學(xué)生選用multisim8中提供的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)值器件。比如：multisim中提供的555電路有兩種，一種是頻帶較窄的器件，一種是帶寬較寬的，如果選擇不當(dāng)，則在系統(tǒng)要求的頻段范圍內(nèi)輸出失真的脈沖波。仿真8位ADC時(shí)，模擬電壓輸入端接一個(gè)可變電位器，改變輸入電壓的值，記錄輸出的數(shù)字值，驗(yàn)證轉(zhuǎn)換結(jié)果，并改變參考電壓，觀測不同的輸入電壓對(duì)應(yīng)的輸出結(jié)果，理解在ADc轉(zhuǎn)換精度固定的情況下，提高分辨率的方法。

3.3 程序的設(shè)計(jì)及仿真執(zhí)行

我們采用的是wave6000作為系統(tǒng)程序的編譯環(huán)境。該程序界面清晰，匯編代碼調(diào)試方便。此環(huán)節(jié)，我們采取的教學(xué)模式是：以模塊程序入手，根據(jù)系統(tǒng)功能，添加連綴語句，完成系統(tǒng)程序。

為了讓學(xué)生熟悉單片機(jī)的編程環(huán)境，先編寫幾個(gè)本系統(tǒng)會(huì)用到的子程序，如延時(shí)、數(shù)據(jù)傳輸、BCD碼的轉(zhuǎn)換、查表等。通過這個(gè)環(huán)節(jié)，掌握程序調(diào)試的基本步驟，如編譯、跟蹤執(zhí)行、從數(shù)據(jù)入口送數(shù)、在數(shù)據(jù)出口讀數(shù)、差錯(cuò)修改等。

進(jìn)一步按照系統(tǒng)工作的原理，利用幾個(gè)已有的子程序，添加單片機(jī)的初始化、ADC的控制語句及所需的中斷服務(wù)和必要的連接語句，形成完整的系統(tǒng)程序。

在這個(gè)環(huán)節(jié)，在軟件調(diào)試環(huán)境中，完成編譯、調(diào)試，重點(diǎn)放在觀察程序運(yùn)行的順序是否正確，即確保數(shù)據(jù)采集是定時(shí)循環(huán)進(jìn)行的。調(diào)試通過后，將程序饒寫到單片機(jī)中在實(shí)驗(yàn)板上運(yùn)行，并用儀器觀測控制脈沖等信號(hào)。因?yàn)檐浖{(diào)試環(huán)境中未必能對(duì)所有硬件操作進(jìn)行調(diào)試，這時(shí)也可看到電路中不能進(jìn)行軟件仿真的部分，其工作是否正常。往往軟件調(diào)試完全正確的程序，撓寫到芯片上運(yùn)行卻不完全正確，就需要在程序的某些地方作些調(diào)整。

綜上所述，經(jīng)過3個(gè)步驟循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過程，利用EDA工具軟件重要的教學(xué)輔助作用，引導(dǎo)學(xué)生建立起了電子電路設(shè)計(jì)的概念。從分析、理解電路性能，到模塊電路的設(shè)計(jì)，并結(jié)合硬件工作原理來設(shè)計(jì)軟件，提高了工程實(shí)踐能力，在電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)中完成了電路設(shè)計(jì)知識(shí)的基礎(chǔ)培養(yǎng)，為學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)打下了良好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

[1]王軍.電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)[M].成都：電子科技大學(xué)出版杜，200l.

[2]段玉生，王艷丹，何麗靜.電工電子技術(shù)與EDA基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

TP31

A

1674-6708（2010）32-0246-02

潘遠(yuǎn)翠，講師，主要從事電子信息教學(xué)與研究