基于EDA的數字電子技術課程設計的教學改革

張保軍，黃 震，劉燕燕，盧啟柱

(1.燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066004；2.河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

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基于EDA的數字電子技術課程設計的教學改革

張保軍1，2，黃 震1，2，劉燕燕1，盧啟柱1

(1.燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066004；2.河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室，河北 秦皇島 066004)

數字電子技術是電類專業的重要專業基礎課程，EDA技術作為電子設計的技術潮流已成為高校電類專業教學的熱點。介紹了燕山大學光電子系EDA實驗室的發展歷程，闡述了EDA課程設計這一實踐教學活動內容與形式和在實施中存在的問題及解決方法。經過多年的實踐運行，取得了良好的效果，對其他課程實踐教學也具重要參考價值。

EDA；電子技術；實踐教學；課程設計

在數電課程教學中，課內實驗及課程設計是基礎又重要的實踐環節，而EDA技術作為世界電子設計的最新技術潮流，已成為高校電類課程教學的熱點[1]。本文針對燕山大學近年來將EDA技術應用到電子技術實踐教學中所做的改革和創新做了一些總結。

如何使學生將理論知識消化、吸收并轉化為實際動手能力應用于工程實踐當中，已經成為教學的主要目的。在整個數電教學體系中，采用項目驅動法進行理論教學；課內實驗以教師為主導學生為主體進行；課程設計(三級項目)做到以學生為主，教師為輔。

1 數字電子技術實踐教學概況

1.1 EDA實驗室簡介

燕山大學光電子系EDA(Electronic Design Automation)實驗室始建于2000年，使用面積300 m2，建設規模130臺套，可同時為4個教學班開設實驗項目。目前主要為電子信息、通信工程、計算機科學與技術、電子科學與技術和光電信息科學與工程等專業開設EDA課程設計。

EDA實驗室自建立經歷了三次可編程邏輯器件的升級換代：第一次是ALTERA公司MAX7000系列的EPM7128SLC84-15，第二次是FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4，目前使用的是EP2C35系列的EP2C35F484C7N，包含33216個邏輯單元，是一款低功耗低成本FPGA芯片。各芯片資源特性對比見表1。

1.2 EDA課程設計概況

數字電子技術本科教學，包括64學時的數字電子技術，其中含12學時的課內實驗(由燕山大學電子實驗中心承擔)和2周的課程設計，即EDA課程設計(由燕山大學光電子系EDA實驗室承擔)，而且課程設計成績單獨進行考核。

EDA課程設計以數字電路設計自動化為主，是芯片級的設計，是硬件設計的軟件化。這也正是與傳統設計的差異所在。在工程教育專業認證背景下，以國際工程教育理念為導向[2]，在學生學習了數字電子技術的基礎上，訓練學生綜合應用學過的理論知識設計比較復雜的數字電路的能力。通過本課程設計，使學生掌握使用EDA工具設計數字電路的方法，具體包括圖形設計輸入、編譯、時序仿真、下載和硬件驗證等過程。讓學生掌握EDA工具設計數字電路的方法，支撐畢業要求——“針對一個設定的電子電路或通信系統，具有給出設計方案的能力”。

表1 各芯片資源特性對比表

設計用到的軟件早期為MAX+plus II，后期為Quartus II。其均有兩種典型輸入方式：原理圖與硬件描述語言(VHDL、Verilog HDL等)。原理圖輸入方式的特點：比較直觀，易于仿真，便于信號觀察與電路調整。要求對系統及電路非常熟悉，但當系統功能復雜時，其效率低。硬件描述語言則恰恰相反：系統功能復雜時效率高，設計周期短。本課程設計是與數字電子技術理論課對應的實踐環節，所以課程設計中要求學生使用原理圖輸入方式，以此來鞏固學生數電知識，這也是這門課程設計的主要特色。據了解許多院校該實踐教學大多采用硬件描述語言的方式。此外，對于電子信息工程(卓越試點)班的同學，由于學時為3周，我們鼓勵學生用多種方案實現功能，自主擴展題目功能，額外使用VHDL語言實現部分模塊功能[3]。

2 課程設計內容與流程

整個EDA課程設計的內容與流程如圖1所示。

圖1 EDA課設流程圖Fig.1 Flow chart for the course design of EDA

第一，教師講解。每次EDA課程設計開始時，指導教師都要用4學時來講授課程設計軟件部分(2學時)和硬件部分(2學時)。其中軟件部分主要針對MAX+plus II或Quartus II進行講述，硬件部分圍繞教材——參考文獻4的第6章和實驗箱資源等內容展開，著重講解題目用到的資源及使用過程中需注意的問題[4]。

第二，選題。課程設計我們設置了諸如智能交通燈、電子琴、密碼鎖等共計31個題目供學生選擇，使一個教學班的每個學生(基本小于等于30人)的題目都是不一樣的。這樣雖然給指導教師增加了工作量，但對學生是有益的，避免了以往互相“參考”的弊病。

第三，資料查閱。早期使用軟件為MAX+plus II功能簡單易用，學生經過教師講解后，很快就可以上手進行設計。后期軟件升級為Quartus II功能強大，軟件操作復雜，需要學生花費較多的時間熟悉此軟件的操作設計流程。要求學生借助網絡、圖書館等資源查閱相關資料，包括軟件使用教程和設計題目相關資料。

第四，方案設計。按照題目需求，給出設計方案，并對設計方案可行性進行論證。分析設計要求，將題目模塊化，功能分解，以便按模塊進行元器件級實現。這部分由學生自主設計，方案是否合理可行，直接決定設計題目能否順利完成。

第五，模塊化實現(包括仿真)。總體設計方案確定后，就要進行功能分解，模塊化，這對后期的時序驗證、電路仿真乃至錯誤排查至關重要。系統總體功能的實現依托各模塊的準確設計及協同性，學生通過時序仿真、功能仿真乃至測試節點的波形進行反復修改排查，直至達到設計預期目的。

第六，下載驗證。整個電路圖及各個模塊都仿真測試無誤后，即可以進行下載驗證。以往采用并口下載由于不支持熱插拔很容易發生燒芯片等現象，現在采用USB口下載不僅提高了下載速度而且也極大地減少了燒芯片的概率。每個班級配備示波器、邏輯分析儀、萬用表等測試儀器一套，滿足學生測試需求。盡管每次進行設計前都要對實驗箱進行檢修，但依然在設計中會發現個別實驗箱的硬件故障，一般指引學生用替換法進行排查，很容易就能找到問題所在。

第七，答辯驗收。成立由8名指導教師組成的答辯委員會，分2個答辯組進行驗收，每組4名指導教師。分別對如下幾方面進行評定：首先，學生設計方案講解。其次，回答指導教師的提問。最后，硬件實驗箱功能演示。

第八，設計報告撰寫。以往學生容易忽視設計報告的重要性，為了避免此類情況的發生，我們在設計之初就反復強調文檔在整個課程設計中的重要性，并適當提高設計報告在成績評定中的權重。

第九，成績評定。根據《EDA課程設計(三級項目)大綱》及《EDA課程設計(三級項目)評分標準》將答辯驗收及設計報告的成績進行匯評，最后給出總評成績。實踐表明，超過25%的學生能達到優秀(A)，約50%的學生能達到良好(B)，約15%的學生為中(C)，不足10%的學生為及格(D)。

3 結語

經過16年的改革與發展，燕山大學光電子系EDA實驗室無論是硬件裝備，還是軟件資源都比較完備，EDA課程設計這一實踐教學活動也得到漸進式發展。為了更好地提高學生將理論知識應用于工程實際的能力，指導教師需要在指導答疑時把握好度——既要答疑解惑，又要激發出學生自身的設計思維與靈感；設置大量與日常生活、工程實際密切相關的題目，激發學生的學習興趣，開闊學生眼界，為將來從事相關工作打下基礎。理論和實踐教學改革措施經過多年的運行，獲得了學生和教師的廣泛好評。

[1] 林喜榮，董敬峰.基于EDA技術的電子技術實驗改革與創新[J].黑龍江教育，2014，(10)：8-9.

[2] 徐衛林，彭曉春，岳宏衛，等.工程教育專業認證背景下的微電子專業教改實踐研究[J].科技資訊，2016，(22)：81-84.

[3] 李江昊，常丹華，張寶榮，等.“卓越工程師計劃”試點班課堂教學改革與實踐[J].教學研究，2012，(01)：46-49.

[4] 張寶榮，黃震，李江昊，等.數字電子技術基礎(第2版)[M].北京：電子工業出版社，2015：242-278.

Based on EDA course design reform of digital electronic technology

ZHANG Bao-jun1,2, HUANG Zhen1,2, LIU Yan-yan1, LU Qi-zhu1

(1.School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2.Hebei Special Optical Fiber and Sensing Laboratory, Qinhuangdao 066004, China)

Digital electronic technology is an important professional foundation course of electric specialty. EDA has become a hotspot and trend of the current electricity curriculum teaching. This paper introduced the development of EDA laboratory of the photoelectron department of yanshan university. It expounded the existing problems and solutions of the practice teaching content and form in EDA course design. Years of practice shows that this teaching system has important reference value to other curriculum reform.

EDA(Electronic Design Automation); Electronic Technology; Practice teaching; Course design

2016-10-18

2016校級教改項目“項目驅動教學法在數字電子技術課程中的研究與實踐”(JG2016GFH19)

張保軍(1980-)，男，實驗師，碩士。

G642.4

B

1674-8646(2017)01-0004-03