以Altium Designer為平臺的EDA實(shí)踐教學(xué)探討

蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系 王 鵬

以Altium Designer為平臺的EDA實(shí)踐教學(xué)探討

蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系 王 鵬

本文先對高校的EDA技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，針對EDA教學(xué)實(shí)踐相關(guān)軟件的彼此獨(dú)立，之間的相互關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)的問題提出了解決方案—以Altium Designer作為EDA實(shí)踐教學(xué)的平臺，并列具了以Altium Designer為平臺的優(yōu)點(diǎn)。

EDA；Altium Designer；實(shí)踐教學(xué)

1.高校開設(shè)EDA技術(shù)課程的現(xiàn)狀

EDA是英文“Electronic Design Automation（電子設(shè)計(jì)自動化）”的縮寫，EDA技術(shù)是90年代迅速發(fā)展起來的，是綜合現(xiàn)代電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新研究成果。經(jīng)過多年的發(fā)展，EDA技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，功能越來越強(qiáng)大，并已成為電子設(shè)計(jì)開發(fā)人員必需掌握的一門技術(shù)。為了適應(yīng)電子設(shè)計(jì)的發(fā)展潮流，培養(yǎng)出更為優(yōu)秀的人才，大多高校中都已開設(shè)了EDA的相關(guān)課程。

EDA技術(shù)概括而言主要包括了電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和仿真及印刷線路板的設(shè)計(jì)三個(gè)方面的內(nèi)容。因此很多高校對EDA技術(shù)的教學(xué)課程也分為了三個(gè)階段，即電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)課程（如“面向CPLD/FPGA的VHDL設(shè)計(jì)”、“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)”）、電子線路仿真相關(guān)課程（如“Electronics Workbench（EWB）”、“MutilSim”）和電子CAD相關(guān)課程（如“Protel 99 SE原理圖與PCB設(shè)計(jì)”）。這樣的課程安排雖然使學(xué)生學(xué)習(xí)到了EDA技術(shù)，但是常常由于教學(xué)安排上的種種限制和缺乏一個(gè)系統(tǒng)完整的實(shí)踐教學(xué)平臺，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對EDA技術(shù)的學(xué)習(xí)不系統(tǒng)或是對整個(gè)EDA技術(shù)的認(rèn)識產(chǎn)生脫節(jié)。因此為了使學(xué)生更好的學(xué)習(xí)和掌握到EDA技術(shù)，在此本文中提出了以Altium Designer為EDA技術(shù)實(shí)踐教學(xué)平臺的新的教學(xué)方式。

2.以Altium Designer為EDA技術(shù)實(shí)踐的教學(xué)平臺

Altium Designer是由Altium公司于近年推出的Protel的新版本，它秉承了Protel軟件一貫地易學(xué)、易用特性，同時(shí)新增了對高速/高密電路板的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證功能以適應(yīng)電子自動化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢，而且還在傳統(tǒng)的板級電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，提供了面向可編程邏輯器件設(shè)計(jì)和嵌入式軟件開發(fā)功能。Altium Designer將設(shè)計(jì)流程、集成化PCB設(shè)計(jì)、可編程器件（如CPLDFPGA）設(shè)計(jì)和基于處理器設(shè)計(jì)的嵌入式軟件開發(fā)功能整合在一個(gè)產(chǎn)品中，使得可同時(shí)進(jìn)行可編程器件和嵌入式以及PCB的設(shè)計(jì)，并具有將設(shè)計(jì)方案從概念轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K成品所需的全部功能。Altium De-signer這些特點(diǎn)能將整個(gè)EDA技術(shù)融合起來，對Altium Designer的學(xué)習(xí)能從根本上解決以往EDA技術(shù)教學(xué)中的不系統(tǒng)的，易產(chǎn)生脫節(jié)的缺陷。

高校內(nèi)對EDA技術(shù)的教學(xué)過程大體上都是開設(shè)《數(shù)字電路》、《模擬電路》、《可編程邏輯器件》、《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》或《EDA技術(shù)》等相關(guān)課程，在開設(shè)上述課程的過程中為了讓學(xué)生能更好地掌握這些課程，還會開設(shè)一些相關(guān)的EDA軟件應(yīng)用課程，如《數(shù)字電路》和《模擬電路》的相關(guān)軟件為“EWB”或“Pspice”；《可編程邏輯器件》和《EDA技術(shù)》的相關(guān)軟件為Altera公司提供的“Max-Plus II”或“Qustar II”以及Xinlix公司提供“ISE”等。這些相關(guān)軟件雖然都能很好地解決某一門課程的應(yīng)用實(shí)踐問題，但是它們都是彼此獨(dú)立，之間的相互關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，對于學(xué)生整體EDA技術(shù)上的理解學(xué)習(xí)意義不太。若以Altium Designer為EDA的教學(xué)平臺，則可在一個(gè)軟件平臺上學(xué)習(xí)原理圖、PCB設(shè)計(jì)、可編程硬件設(shè)計(jì)和嵌入式的設(shè)計(jì)，同時(shí)還能對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真（包括模擬、數(shù)字、可編程器件和混合信號的仿真）、以及電路板設(shè)計(jì)過程中的信號完整性分析，最終支持CAM的輸出。

3.以Altium Designer為EDA技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)平臺的優(yōu)勢

由于Altium Designer是Protel的升級，所以對早期的Protel電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)完全兼容，因此原有的教學(xué)案例可以直接被調(diào)用，保證了電子電路設(shè)計(jì)課程中教學(xué)任務(wù)的連續(xù)性。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，元件的放置及屬性設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，以往在Protel中放置元件，元件的封裝和仿真模型庫和屬性需要使用者各自添加和設(shè)置，這給學(xué)生造成很大的不方便，經(jīng)常有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中由于不熟悉元器件屬性而造成錯(cuò)誤。Altium Designer對元件的管理采用的是集成化元器件庫，即元器件的圖形符號、PCB封裝模型、電路仿真模型（Spice和IBIS）及元器件三維（3D）模型都封裝在同一元器件名稱中，當(dāng)在Altium Designer環(huán)境中只需要加載集成元件庫，設(shè)計(jì)電路時(shí)，放置集成元件庫中的一個(gè)元器件的圖形符號，它的PCB封裝模型、電路仿真模型（Spice和IBIS）及元器件三維（3D）模型等屬性就已設(shè)置好了，這樣即可減少錯(cuò)誤又能讓學(xué)生很方便的熟悉元件屬性。從而，在實(shí)際教學(xué)中，配合Altium Designer新增了混合電路仿真和PCB布線后的信號完整性分析功能，當(dāng)原理圖設(shè)計(jì)完成后，可以在完成電路原理圖設(shè)計(jì)后從容地開展電路仿真和PCB設(shè)計(jì)，確保了實(shí)驗(yàn)的連貫性。

Altium Designer的可編程數(shù)字電路設(shè)計(jì)也具有優(yōu)勢，其完全獨(dú)立于芯片器件原廠商的解決方案，使得任何設(shè)計(jì)（只要在目標(biāo)芯片資源許可的條件下）在不需要改動原型設(shè)計(jì)的前提下，完成不同目標(biāo)器件的方案實(shí)現(xiàn)。可編程數(shù)字電路設(shè)計(jì)主要是可編程邏輯器件、單片機(jī)和嵌入式的設(shè)計(jì)。其中可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)存在的問題是：雖然可編程邏輯器件開發(fā)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)輸入方式是一致的，但是由于芯片不同的廠商采用各自的軟件開發(fā)環(huán)境，從而造成學(xué)生在軟件環(huán)境學(xué)習(xí)上的混亂。Altium Designer對絕大多數(shù)種類/型號FPGA/CPLD器件的開發(fā)支持，使用其作為EDA學(xué)習(xí)的平臺在教學(xué)中就避免了由于選擇不同廠商芯片而被迫使用不同的軟件開發(fā)環(huán)境所帶來的不便。對于《單片機(jī)原理及應(yīng)用》和《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教學(xué)，Altium Designer不僅能滿足傳統(tǒng)課程設(shè)置中對51系列和Zilog Z80系列等8位單片機(jī)的教學(xué)需要；同時(shí)也提供了包括ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列以及Altera NoisII和Xilinx MicroBlaze等眾多時(shí)下最流行的32位分離式和軟內(nèi)核處理器的軟件開發(fā)和調(diào)試。使用Altium Designer中可廣泛支持各種DSP和8位，16位及32位微處理器和微控制器的TASKING工具集，將先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)集成進(jìn)嵌入式通信領(lǐng)域，滿足各種領(lǐng)域的嵌入式開發(fā)需求，讓學(xué)生學(xué)習(xí)完相關(guān)課程后能方便快捷地完成開發(fā)設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。另外，SoPC（可編程片上系統(tǒng)）設(shè)計(jì)是EDA技術(shù)的最新發(fā)展方向。SoPC設(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋了《嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》技術(shù)的全部內(nèi)容，除了以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、以PCB和信號完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)以外，SOPC還涉及目前已經(jīng)引起廣泛關(guān)注的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。Altium Designer支持SoPC設(shè)計(jì)，其具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級，并具備軟硬件在線的系統(tǒng)可編程功能，這有助于對學(xué)生后繼更高能力的培養(yǎng)。

以Altium Designer為EDA技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)平臺可實(shí)現(xiàn)EDA相關(guān)技術(shù)教學(xué)工作和教學(xué)軟件工具的一致性和連貫性，同時(shí)也使電子技術(shù)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生能及早熟悉和掌握EDA技術(shù)發(fā)展的最新趨勢，幫助學(xué)生更快地掌握業(yè)內(nèi)主流電子設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用，綜合運(yùn)用最新的電子設(shè)計(jì)技術(shù)，充分發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新意識和提升學(xué)生的實(shí)踐動手能力，確保學(xué)生在校期間就能靈活地將原先不同學(xué)科的電子設(shè)計(jì)知識融會貫通，從而為學(xué)生提供更多對課本知識感性認(rèn)識的機(jī)會。

4.總結(jié)

總之Altium Designer提供了一種在單一開發(fā)環(huán)境中完成原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、電路仿真、可編程電路和嵌入式開發(fā)等相關(guān)EDA技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐平臺。如果再配合Altium的利用大容量、低成本的可編程器件，以進(jìn)行設(shè)計(jì)快速交互的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試的可重構(gòu)的開發(fā)平臺NanoBoard，可使得EDA技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)更系統(tǒng)化、完整化。

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王鵬（1976—），男，大學(xué)本科，蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系講師，研究方向：EDA。