EDA技術在獨立學院數字電子技術實驗教學中的應用

伍艷瓊+潘宇

摘 要： 將EDA技術應用于數字電子技術實驗教學，提高了實驗過程的可操作性，通過編程使學生對邏輯關系有更深入的理解，有利于獨立學院對應用型人才的培養。本文介紹了EDA技術的設計流程，并通過用于驅動共陰極七段數碼管的顯示譯碼器作為設計實例，闡述了EDA技術在數字電子技術實驗教學的應用。

關鍵詞： EDA技術；Quartus II；數字電子技術；顯示譯碼器

數字電子技術是通信工程、電子信息工程、自動化等專業的專業基礎課，具有邏輯性強、內容抽象、理論與實踐緊密結合等特點。傳統的數字電子技術的實驗教學，主要以實驗箱為平臺，通過選擇芯片類型，完成簡單的電路接線來驗證、分析數字電路的功能[1]。這種實驗方法盡管直觀，但不利于學生理解電路的設計思路和方法，更由于實驗室芯片類型有限，從而在一定程度上影響了學生的實踐和創新能力的培養。而獨立學院定位為培養高層次應用型人才，工科專業應用型人才培養應注重培養過程的開放性與實踐性，注重培養學生實踐和創新能力[2]。

而電子設計自動化技術（Electronic Design Automation，EDA） 以計算機為工具，設計者在EDA軟件平臺上（Quartus II、MAX +PLUS II、Proteus、Multisim 8等），通過邏輯電路圖或硬件描述語言HDL完成設計文件，然后由計算機完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真， 直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作[3-5]。若采用邏輯電路圖作為設計輸入，則很好地解決了傳統的實驗教學中芯片類型受限的問題；如采用硬件描述語言作為設計輸入，則更有利于學生理解邏輯關系。因此，EDA技術在數字電子技術實驗中應用，更能滿足獨立學院對應用型人才培養的需要。

1 EDA設計流程

EDA技術作為現代電子設計技術的核心，被各類庫所支持，能夠完成各種自動設計過程，大大降低設計成本、縮短設計周期。EDA設計流程是自頂向下的設計方法，圖1是基于EDA軟件的FPGA/CPLD開發流程框圖[6]。

1.1設計輸入

將設計項目的功能要求以一定的方式輸入計算機，通常以圖形輸入、HDL文本輸入作為輸入方法。

1.2綜合

綜合將電路的高級語言轉換成低級的，可與FPGA/CPLD的基本結構相映射的網表文件或程序，把軟件設計的HDL描述與硬件結構掛鉤，是軟件轉化為硬件電路的關鍵步驟。

1.3適配

將網表文件配置給指定的目標器件，產生下載文件，如JEDEC或SOF等格式的文件。

1.4仿真

在編程下載前必須對適配生成的結果進行模擬測試 ，以驗證設計、排除錯誤。通常有兩種不同級別的仿真測試：時序仿真和功能仿真。

1）時序仿真，仿真文件包含了器件硬件特性參數，如精確的硬件延遲信息，接近真實器件運行特性，仿真精度高。

2）功能仿真，直接測試HDL、原理圖或其他描述形式的邏輯功能，驗證是否滿足設計要求，而不涉及任何具體器件的硬件特性。

1.5編程下載及硬件測試

將適配后生成的下載或配置文件通過編程器或編程電纜向FPGA或CPLD下載，并進行硬件調試和驗證，以排除錯誤、改進設計。

2 EDA技術在數字電子技術實驗教學中的應用實例

以基于Altera公司的Cyclone II系列的EP2C5Q208C8實驗板和Quartus II 8.1 設計一個用于驅動共陰極七段數碼管的顯示譯碼器為例，來討論EDA技術在數字電子技術實驗中的具體應用。

2.1 七段數碼管

用七個發光二極管按圖2結構排列即構成七段數碼管，當二極管的陽極和陰極間壓降大于二極管導通電壓時，二極管導通發光；反之截止。圖3為共陰極接法，能驅動顯示段發光的電平為高電平1。例如，當顯示譯碼器輸入為“1011”時，可設計將其顯示為“b”，對應的顯示譯碼器輸出便為“0011111”，由此可列出顯示譯碼器的真值表。

2.2 用VHDL實現顯示譯碼器的設計

根據真值表，共陰極顯示譯碼器VHDL代碼如下：

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

ENTITY Dec7s IS

PORT（A3，A2，A1，A0： IN BIT；

Ya，Yb，Yc，Yd，Ye，Yf，Yg： buffer BIT）；

END；

ARCHITECTURE one OF Dec7s IS

BEGIN

PROCESS（A3，A2，A1，A0）

VARIABLE A ： BIT_VECTOR（3 DOWNTO 0）；

VARIABLE Y ： BIT_VECTOR（6 DOWNTO 0）；

BEGIN

A ：= （A3&A2&A1&A0）；

Y ：= （Ya&Yb&Yc&Yd&Ye&Yf&Yg）；

CASE A IS

WHEN "0000"=> Y：="1111110"；

WHEN "0001"=> Y：="0110000"；

WHEN "0010"=> Y：="1101101"；

WHEN "0011"=> Y：="1111001"；

WHEN "0100"=> Y：="0110011"；

WHEN "0101"=> Y：="1011011"；

WHEN "0110"=> Y：="1011111"；

WHEN "0111"=> Y：="1110000"；

WHEN "1000"=> Y：="1111111"；

WHEN "1001"=> Y：="1111011"；

WHEN "1010"=> Y：="1110111"；

WHEN "1011"=> Y：="0011111"；

WHEN "1100"=> Y：="1001110"；

WHEN "1101"=> Y：="0111101"；

WHEN "1110"=> Y：="1001111"；

WHEN "1111"=> Y：="1000111"；

WHEN OTHERS=>NULL；

END CASE； Ya<=Y（6）；Yb<=Y（5）；Yc<=Y（4）；Yd<=Y（3）；Ye<=Y（2）；Yf<=Y（1）；Yg<=Y（0）；

END PROCESS；

END one；

2.3顯示譯碼器的時序仿真

由圖4驗證仿真時間為19.2us處時，輸入A3A2A1A0=“1001”時，YaYg為“1111011”，即顯示‘9；并可依次驗證其他數值顯示均正確。

2.4顯示譯碼器的硬件測試

本測試在Cyclone II系列的EP2C5Q208C8芯片上完成，將引腳鎖定至芯片并進行編程下載后，將顯示譯碼器輸入A3A2A1A0分別連接撥碼開關K4K3K2K1，輸出YaYg分別連接ag，便可通過設定K4K3K2K1的取值，依次驗證譯碼的正確性。

3結束語

將EDA技術應用至獨立學院《數字電子技術》實驗中，不僅解決了傳統實

驗教學芯片類型受限的問題，通過利用VHDL或Verilog HDL等硬件描述語言設計器件，還鍛煉了學生的邏輯思維和硬件描述語言表達能力，能更深入理解器件的工作原理，最后編程下載到FPGA中進行硬件測試，進一步加深學生對實驗的理解，從而大大提高教學效果和效率，也更能體現獨立學院注重培養學生的實踐和創新能力。

參考文獻

[1] 張廣華.EDA技術與數字電子技術教學的有機整合[J].福建商業高等?？茖W校學報，2010，10（5）：47-53.

[2] 仲一虎.內涵建設下的獨立學院工科應用型人才培養質量保障路徑探析[J].吉林省教育學院學報，2016，10（32）：132-134.

[3] 王彩鳳，胡波，李衛兵，杜玉杰.EDA技術在數字電子技術實驗中的應用[J].實驗科學與技術，2011，2（9）：4-6.

[4] 李玉華.EDA技術與電子技術實驗教學結合的探討[J].長春師范學院學報（自然科學版），2013，12（23）：330-332.

[5] 廖慧惠.EDA技術在數字電子技術實驗中的應用[J].菏澤學院報，2017，4（39）：103-106.

[6] 潘松，黃繼業.EDA技術實用教程—VHDL版（第四版）[M].北京：科學出版社， 2010：11-21.