電子設(shè)計自動化課程仿真化教學(xué)初探

奚洋

摘 要：隨著可編程邏輯器件的普及，很多中職、高職學(xué)校中開設(shè)了相關(guān)的課程，但是實驗設(shè)備的使用也帶來了一些問題，本文分析了使用硬件設(shè)備開展EDA課程教學(xué)中存在的一些問題，同時對使用仿真軟件開展EDA課程的教學(xué)的優(yōu)點和可行性進行了探討，可編程邏輯器件（PLD）可以按照設(shè)計者的需要靈活配置其功能，同時在先天結(jié)構(gòu)上擁有比其他微控制器更出色的處理速度，非常適合現(xiàn)在任務(wù)復(fù)雜的電子系統(tǒng)的設(shè)計需要。現(xiàn)在，PLD器件已經(jīng)成為了很多復(fù)雜電子系統(tǒng)中一個不可或缺的核心部分。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)計；課程仿真化教學(xué)

中圖分類號：G482文獻標志碼：A文章編號：2095-9214（2016）11-0157-01

現(xiàn)在很多中職、高職院校都針對電子技術(shù)的這個潮流，開設(shè)了PLD相關(guān)的課程，一般會叫做“電子設(shè)計自動化技術(shù)”（EDA技術(shù)），或者做為“電子CAD”課程一部分來進行講授。主要講授的內(nèi)容是硬件描述語言的使用，如VHDL。

一、基于硬件的EDA課程教學(xué)中存在的問題

傳統(tǒng)上來講，硬件描述語言程序所描述的功能要需要通過相關(guān)軟件平臺適配到PLD上才能看到具體的功能，但是，基于硬件的實驗教學(xué)會不可避免的帶來以下一些問題：

（一）產(chǎn)生設(shè)備損耗。電子元件本身有使用壽命，當實驗設(shè)備電路上的某個元件到了壽命或者在實驗操作中被損壞，整個設(shè)備就可能失去作用。這樣以來，如果不及時補充，運行正常的實驗設(shè)備就會隨著使用時間的增加而逐漸減少，直到無法支持正常實驗教學(xué)。

（二）運行情況不穩(wěn)定。實際上，任何實驗室都不可能保證每臺進行實驗的設(shè)備都運行良好，如果硬件方面出現(xiàn)問題，實驗效果就無法出現(xiàn)。而當堂排除硬件問題是幾乎是不可能的，因為不僅檢測故障麻煩，而且維修也要花費大量時間。一旦出現(xiàn)了這種情況，實驗中的顯示運行結(jié)果這重要的一環(huán)就無法實現(xiàn)了，這對教學(xué)效果會產(chǎn)生不良的影響。

（三）操作比較繁瑣。在EDA教學(xué)中涉及到很多程序，但是內(nèi)容和功能簡單的還是居多。如果是在教學(xué)中進行演示，那么用專門的設(shè)備來觀察這些簡單程序的結(jié)果（如門電路之類）就顯得非常繁瑣，會把課堂教學(xué)時間浪費在設(shè)備的操作上。

（四）建設(shè)升級成本高

PLD器件本身就不便宜，基于PLD的EDA教學(xué)實驗設(shè)備往往比較昂貴，添置可以供一個教學(xué)班使用的EDA實驗設(shè)備（15臺）往往需要幾十萬，這給學(xué)校帶來比較大的資金壓力。同時，電子設(shè)計自動化技術(shù)和PLD器件發(fā)展速度也非常快，實驗設(shè)備的升級換代對資金不充裕的學(xué)校來講也是個很大的問題。

二、使用仿真軟件開展EDA教學(xué)的優(yōu)點分析

采用軟件仿真開展實驗教學(xué)是解決上述問題的一個可行方案。電路仿真軟件從出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有近20年的時間了，功能已經(jīng)比較成熟，通過這些仿真軟件，用戶可以使用豐富的虛擬動態(tài)顯示設(shè)備、虛擬交互輸入設(shè)備和虛擬測量儀表，能實時的進行輸入，并可以觀察到逼真的電路和程序運行結(jié)果。

對于EDA課程的實驗，如果能開展基于軟件平臺的仿真實驗教學(xué)，那么相比于使用硬件平臺進行實驗帶來的一些問題，其擁有以下一些優(yōu)點：

（一）成本得到控制。現(xiàn)在計算機都已經(jīng)各院校中普及，計算機機房都配置的比較多了，使用仿真軟件開展實驗教學(xué)不會帶來太多額外的成本。

（二）沒有損耗問題。實驗運行在電腦上，無論怎么重復(fù)或者嘗試實驗都不會產(chǎn)生損耗。

（三）方便開展教學(xué)。不管是復(fù)雜的還是簡單的硬件描述語言程序，都可以很快且非常直觀的看到運行的結(jié)果，非常適合在教學(xué)中教師進行演示或?qū)W生對教學(xué)程序的功能進行驗證。

（四）有效節(jié)省硬件損耗。如果有可以使用的硬件設(shè)備，在使用設(shè)備之前先通過仿真來檢驗程序的話，可以有效的減少在硬件上調(diào)試的時間，保證操作的成功，從而減少硬件的使用損耗。

（五）方便學(xué)生自學(xué)。有了可視化的仿真手段，學(xué)生就可以使用自己的計算機完成程序功能的驗證，在一定程度上可以擺脫對學(xué)校實驗設(shè)備的依賴，便于開展自學(xué)。

三、使用仿真軟件開展EDA教學(xué)的可行性分析

能對EDA教學(xué)中常用的VHDL硬件編程語言進行仿真的常見仿真軟件有Multisim和TINA pro。

筆者對EDA課程典型實驗項目進行了分析，并以TINA pro為平臺，對使用仿真軟件開展EDA教學(xué)（基于VHDL語言）的實驗開出率進行了分析。

經(jīng)過對《EDA技術(shù)實驗與課程設(shè)計》（曹昕燕，清華大學(xué)出版社，2006），《可編程邏輯器件與VHDL語言》（程云長，科學(xué)技術(shù)出版社，2008），《VHDL電路設(shè)計》（雷伏容，清華大學(xué)出版社，2007），《電子設(shè)計自動化技術(shù)》（張永生，機械工業(yè)出版社，2008）等教材的綜合分析，可以將EDA課程中的典型實驗項目分4大類，共14個實驗項目，分別為：

（一）PLD開發(fā)軟件操作。1、PLD開發(fā)軟件原理圖輸入及綜合仿真；2、PLD開發(fā)軟件波形輸入及綜合仿真；3、PLD開發(fā)軟件的文本輸入及綜合仿真。

（二）硬件下載。1、PLD器件下載。

（三）硬件描述語言編程實驗。1、譯碼器編程；2、編碼器編程；3、比較器編程；4、選擇器編程；5、加法器編程；6、觸發(fā)器編程；7、多種寄存器編程；8、多種計數(shù)器編程；9、多種存儲器編程。

（四）課程設(shè)計或課程實訓(xùn)。在上述實驗項目中，PLD開發(fā)軟件操作中的3個實驗項目是依靠PLD開發(fā)軟件完成，其余11個實驗項目，中除了硬件下載操作無法依靠仿真軟件完成，其余10個（類）在EDA課程教學(xué)中處于主要地位的硬件描述語言編程實驗項目都可以在TINA pro軟件環(huán)境下，依托軟件自帶VHDL仿真功能和自身的模擬電路和數(shù)字電路的仿真功能完成仿真實驗，實驗項目的開出率可以達到93%，能夠滿足EDA課程教學(xué)的需要。

四、結(jié)論

通過上述分析可以看出，使用合適的仿真軟件應(yīng)用在EDA課程的教學(xué)上可以有效的解決使用硬件實驗設(shè)備時帶來的不可避免的設(shè)備損耗、使用成本、和其它的一些問題，同時在課程教學(xué)上，可以滿足課程實驗教學(xué)和教學(xué)演示的需要，保證教學(xué)效果，是值得在EDA課程教學(xué)中進行推廣的教學(xué)方法。

（作者單位：咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

基金項目：咸寧市教育局2016年度職業(yè)教育電子技術(shù)類科研課題“電子技術(shù)類課程仿真化教學(xué)研究”（2016sjw05）

參考文獻：

[1]張永生.電子設(shè)計自動化技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2008.

[2]龔蘭芳.VHDL硬件描述語言教學(xué)探討[J].廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009.12.

[3]楊莎，李良榮.基于Tina Pro的地方高校電子設(shè)計教學(xué)研究[J].遵義師范學(xué)院學(xué)報，2010.8.