CPLD在電子技術課程設計中的應用

摘要：實驗課、課程設計和畢業設計是大學階段既相互聯系又相互區別的三大實踐性教育環節，課程設計是其中承上啟下的關鍵教學環節。針對目前工程實際需求，本文將CPLD應用于本科學生的電子技術課程設計中，在指導學生掌握MAX+PLUS II基本設計方法的基礎上，要求學生查閱資料并運用電子技術基本理論完成了簡易電子琴設計和仿真。通過實踐表明將CPLD應用于課程設計，有助于培養學生將理論知識與實踐相結合的能力，提高獨特思考問題、解決問題的素質，為畢業設計和今后的工作打下堅實的基礎。

關鍵詞：復雜可編程邏輯器件（CPLD）；電子技術；課程設計

中圖分類號：G642.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2012）07-0200-02

一、引言

數字電路已廣泛的應用于工業和生活中，數字電路的設計方法也發生了改變。因此對數字電路課程的基本要求、教學的組織方式等有必要進行研究與探討。基于復雜可編程邏輯器件（CPLD）的設計已經成為現代數字電子系統設計的主流。復雜可編程邏輯器件數字系統的設計是一種以計算機為工作平臺，在EDA軟件開發環境下，用硬件描述語言和數字電路圖形對系統功能進行編程設計、仿真分析并下載到可編程邏輯器件中的高效電子設計方法。該方法實現的數字系統具有高集成度、高速度、高可靠性、設計周期短、成本低、容易升級和移植等顯著優點，從而在工程中得到廣泛應用。對電氣信息類本科生，有的學校開設了有關CPLD設計方法的選修課程，有些學校還沒有在本科階段開設相關課程，對于沒有開設這門課程的學生，如果在數字電路課程設計中給學生簡單介紹相關EDA軟件的使用方法，并指導學生查閱資料完成基于CPLD的課程設計任務，將是對培養學生自學能力、實踐能力和創新能力的有力探索。因此本文通過將CPLD應用于學生的電子技術課程設計，在指導學生掌握MAX+PLUS II基本設計方法的基礎上，要求學生查閱資料并應用數字電子技術基本理論完成了簡易電子琴設計和仿真。

二、CPLD在本科課程設計中的應用

在數字電子技術課程設計中，選擇難度適中的設計任務——簡易電子琴的設計，要求學生在對音階發生的原理、音調及節拍控制方法等研究的基礎上，完成了基于CPLD的簡易電子琴設計，達到本科畢業設計的目的。課程設計開始時，由于學生不了解CPLD的設計方法，先給學生講解MAX+PLUS II的安裝及使用方法，然后如何應用MAX+PLUS II來進行簡單的數字電路設計、仿真分析。基于CPLD數字系統的設計實質是編寫一系列描述系統行為或結構的設計文件。設計文件常用兩種格式：圖形（xxx.gdf）和文本（xxx.vhd）格式。特殊單元功能模塊一般用文本描述（VHDL語言）。單元模塊設計并調試后可打包生成圖形模塊供系統設計調用。而系統總體電路設計采用圖形描述，向下調用生成特殊圖形模塊或設計庫中圖形模塊，這樣電路結構清晰直觀，利于仿真調試。在整個課程設計的過程中要求學生以自學為主，通過查閱資料熟練掌握CPLD的設計方法并完成課程設計任務。設計原理圖如圖1所顯示，即通過鍵盤的彈奏，將輸入鍵盤信號轉換成含有音符信號的代碼以及產生分頻預置數，采用數控分頻的方法輸出不同音符的頻率，最后通過揚聲器發出聲音，同時用LED顯示正在演奏的音符。原理圖中的各功能模塊均采用文本輸入方式，CLK-GEN，KEYSCN，KEYDECODER-DEB三個功能模塊采用VHDL語言設計，分別對這三個功能模塊編輯、仿真后生成特殊的功能模塊，三個功能模塊一起實現按鍵掃描電路功能，體現CPLD中自底向上的設計思想。TONE_ROM為音符查表以及對應簡譜頻率產生電路，完成音符查表和簡譜碼產生，SPEAKER為揚聲器驅動電路，DISPLAY顯示控制及驅動電路，這三個模塊也采用文本輸入方式進行設計、編輯并進行仿真。而在整體電路設計中采用圖形描述，向下調用生成的功能模塊，體現了自頂向下的設計思想。

三、經驗與體會

通過一個具體的設計課題，指導學生在學習的過程中掌握了CPLD的設計方法以及進行課題研究的一般方法，調動學生的積極主動性，加深了學生對設計方法的理解。有以下幾點體會：（1）通過結合實際設計任務的學習方式有利于學生對知識的理解和掌握，比如自底向上和自頂向下的設計方法，如果采用課堂授課方式，學生一般很難理解，即使理解了也不會有太深的印象，而通過這樣一個簡單的例子，指導學生在設計的過程中分別應用這兩種設計方法來完成任務，學生接受起來不僅自然而且有體會，這是課堂教學無法收到的效果。（2）通過查閱手冊和參考書籍、文獻等資料，培養了學生自學能力獨立分析和解決實際問題的能力。（3）在指導學生撰寫規范設計報告過程中，培養嚴肅認真的工作作風和嚴謹的科學態度。（4）整個設計課題雖然簡單，但設計過程涉及到了工程課題研究的各個方面，通過完成設計任務為今后畢業設計和從事產品的開發研制奠定了基礎。

CPLD是一門實踐性很強的課程，已經應用到各種電類產品中，電氣信息類學生應通過不同的渠道掌握這門技術。而高校要培養出高素質的工程應用型人才，應在學生課程設計、工程實踐等方面進行改革與嘗試。采用靈活多變的教學方式，培養學生的學習興趣、激發學生的求知欲，從而達到啟迪思維、拓展視野的目的，培養學生自學能力、獨立解決問題的能力、嚴肅認真的工作作風和嚴謹的科學態度，為社會培養出具有工程創新能力的卓越工程師。

參考文獻：

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作者簡介：石巖（1971-），男，博士，講師，主要從事高電壓絕緣技術、電子設計自動化及應用等的教學和科研工作。