EDA技術在數字電子實驗設計中的合理應用分析

孫 進 輝

(中國人民武裝警察部隊學院 訓練部，河北 廊坊 065000)

0　引　言

數字電子實驗作為高校電子信息專業一門重要的課程，該課程具有理論性、實踐性較強的特點，其主要任務是培養應用型電子技術人才。隨著計算機及其相關技術的發展，高校數字電子實驗教學環境不斷變化，教育者和學生面臨新的發展機遇和挑戰。現階段，傳統數字電子實驗教學無法適應現代教育發展趨勢，制約教育現代化發展，改革傳統教學方法和內容勢在必行。電子設計自動化(Electronic Design Automation, EDA)技術是新興的電子設計自動化工具，該技術有利于改變傳統數字電子實驗教學模式，能提升數字電子實驗教學質量、滿足培養創新型人才的需求，成為數字電子技術實驗設計的重要工具[1-3]。本研究詳細介紹EDA技術及設計流程，探究在數字電子實驗系統中引入EDA技術的優勢，以期提升教學效果,培養學生的實踐操作能力。

1　EDA技術及設計流程

1.1　EDA技術的概念

EDA技術有狹義和廣義之分，廣義EDA技術就是現代電子設計技術，狹義概念下的EDA技術是指以計算機為平臺，依托大規模可編程邏輯器件，借助EDA軟件開發工具和實現系統展開設計，自動實現硬件設計過程，最終集成專用芯片ASIC或IES[4]。EDA技術代表新時期電子設計技術新的發展方向，其主要特征是設計者以計算機為工具，遵循自頂向下的設計方法完成整個設計[5]。同時，借助先進開發工具自動完成分割、優化、仿真等操作，這被稱作數字邏輯電路高層次設計方法。這種設計方案便于設計者修改相應軟件，能夠預知設計結果，大大提升系統設計效率，縮短產品開發周期，降低系統開發成本。

1.2　不同EDA軟件的特點

現階段，國內廣泛使用的EDA軟件分別為EWB、Protel、Multisim、Matlab等，EWB最早由加拿大NI公司研究的，用于電子線路仿真的軟件，后經過發展升級為Multisim[6]。Multisim為用戶提供種類齊全，符合實際電子設備和相關電子產品的數據庫仿真系統，它能將電路圖創建、仿真分析及其結果集成起來，猶如一個真實的實驗平臺，也可直接完成打印實驗數句、原理圖等操作，是廣泛用于電路設計優秀的EDA軟件[7]。Protel是一種功能強大的電路設計系統，該軟件在國內普及率較高，具有繪制電路原理圖、設計可編程邏輯器件、生成相應圖表等功能。通過使用該軟件學習線路布局、焊接工藝等，有利于提升學生的綜合設計和實踐操作能力。Matlab作為一種高效的工程計算語言，這種軟件能實現概念設計、建模仿真等功能。動態建模仿真工具是基于Matlab環境的分支產品，它依托Matlab強大的計算功能，結合交互好用的仿真界面及功能，并運用虛擬設備直觀展現仿真動態結果，成為動態建模和仿真實驗中廣泛應用的軟件包之一。必須注意，上述EDA工具軟件的功能非常接近，但又具有各自的優勢。Multisim具有便捷的操作界面，創建電路、挑選元器件等均可直接從屏幕圖形中選取，它不僅能夠彌補元器件短缺、規格不達標等情況，也可借助軟件中的各類分析方法，幫助學生快速掌握所學內容，加深對所學概念和原理的理解，進而培養學生的創新能力[8]。同時，該軟件工具盡可能擴充元件數據庫，特別是增加與現實元件相對應的元件模型，增強仿真電路的實用性。Matlab作為高級矩陣/陣列語言，具備強大設計和動態建模功能。Protel有利于學生獨立制作電路，鍛煉學生動手操作能力。因此，學生可以靈活挑選不同的EDA軟件展開設計。

1.3　EDA技術設計步驟

從設計方法上分析，EDA技術把傳統電路設計硬件、調試、焊接等步驟在計算機上自動完成，為數字電子設計帶來根本性變革，流程見圖1。①輸入：一個實驗項目由單個或多個源文件組合而成，這些文件可以是原理圖文件、混合輸入文件等。②綜合：借助EDA軟件綜合器把VHDL軟件與硬件進行掛鉤，這是軟件轉變成硬件電路的關鍵。綜合器對源文件實施綜合處理，就是針對某個FPGA/CPLD供應商的產品。EDA技術能夠提供良好的優化和邏輯綜合功能，它能把設計者制作的邏輯級電路圖轉換成門級電路，并生成相對應的時序分析文件或各類報表。③合理布局：綜合處理后，借助FPGA/CPLD布局/布線適配器把網表文件對某個目標器件執行邏輯映射處理，具體包括邏輯分割、優化、布局等。必須注意，處理后的適配對象應與器件結構細節相互對應。④仿真處理：下載編程前，采用EDA工具對適配所得結果實施模擬測試，即：進行仿真處理。EDA工具能夠完成時序和功能不同級別的仿真測試。其中，時序仿真是依據適配所得網表文件實施仿真處理，這是最接近真實物體運行特性的仿真操作，整個仿真過程要充分考慮器件硬件特性。因此，采用EDA技術實施仿真處理其精度高得多。功能仿真是指對涉及描述的邏輯功能開展測試模擬，從而了解其實現功能是否達到原設計要求。⑤通過仿真實驗確定設計基本達標后，將適配生成的文件采用Byteb laster下載電纜線下載至FPGA/CPLD器件內，便于實時硬件調試、驗證操作。上述環節完成后，將包含載入FPGA或CPLD硬件系統實施統一測試，便于檢驗設計項目在系統上的操作情況，及時發現設計中出現的問題并改進整個實驗[9-11]。

圖1EDA開發設計流程

2　EDA技術的使用優勢

2.1　有利于提升教學效果

實驗教學中應用EDA技術，其主要依托計算機完成各項操作，即使沒有進行實驗研究工作，也可順利完成相關設計，整個實驗所有數據和文件在設計完成后保存下來。在數字技術電子實驗中應用EDA技術，有助于教育者解決傳統實驗教學中存在的問題，不僅可以改善實驗教學效果，也能提升實驗的可信度。同時，學生在實驗操作中可針對自己不理解的地方進行提問，或依據自身的思維展開設計，無需擔心設計失敗損壞儀器等問題，提升實驗教學效果。

2.2　有利于鍛煉學生的實踐操作能力

在數字電子實驗中運用EDA技術，能夠便捷的進行電路調試，且開發時間短，這些優勢均能幫助學生深入了解電子設計的關鍵。同時，學生借助該平臺開展綜合性實驗，能獲得較好的實驗結果，對于激發學生學習的興趣和積極性，幫助學生掌握實驗方法和知識，拓展學生學習思維都將產生積極的影響[12-13]。

3　基于EDA技術設計虛擬實驗系統

傳統數字電子實驗采用中小規模集成電路開展實驗，用導線搭接或實驗箱完成整個實驗操作，但這種實驗容易出現電接觸性能不佳、損耗大、效率低等問題。同時，在實驗教學中如果出現問題，老師要耗費大量時間幫助學生檢查連線錯誤，排除技術、工藝等障礙，這種情況不僅浪費教學時間，也會在不同程度上削弱學生學習的積極性[14]。因此，越來越多的高校開始自主研發虛擬實驗系統，用來輔助數字電子實驗教學。從實驗內容角度分析，使實驗課程更靈活、更加便捷的實施教學任務。除此以外，該系統允許每位學生嘗試不同方案進行設計，有利于拓展學生的思維空間，進而激發他們的創造力和想象力。

3.1　系統總體框架

在傳統數字電子實驗教學中，一臺儀器分配給某位學生使用，一般準備實驗需要花費大量時間，學生真正使用實驗設備、進行實驗的時間較少，這會不同程度上浪費實驗資源。由此可知，傳統實驗教學方法已無法適應高校發展步伐，改革數字電子實驗操作成為急需解決的問題。本設計的數字電子虛擬實驗系統主要包含學習系統和虛擬實驗室兩個部分，借助Quartusll、Matlab等EDA軟件完成開發和建設工作。其中，學習系統支持學生開展仿真實驗，開發者在虛擬實驗室內配置信息管理、評價管理和教師管理模式，上述功能組成一個完整的虛擬實驗教學系統，系統架構見圖2。

圖2基于EDA技術構建虛擬實驗平臺

3.2　各模塊功能

建立虛擬實驗教學系統是一項復雜的工程，為保障系統日后的運行質量和效率，系統運行要配備恰當的網絡結構。因虛擬實驗教學系統均基于校園網開發而來的，適用范圍較小，且系統要求具有較強交互性、實時性的特點，針對上述要求，本設計選用C/S方式，這種模式可在客戶端實現豐富的交互效果。根據真實實驗教學流程，考慮到數字電子實驗的設計、實施、評價及計算機平臺特點，將整個虛擬實驗教學系統劃分為實驗仿真、管理與評價等模塊。

(1)平臺信息管理模塊。該模塊是虛擬實驗教學系統的前臺，也是教學與管理模塊的具體展現部分，教學管理是否到位，都會在實驗平臺上展現出來。該模塊具有注冊、登錄、管理實驗信息、故障處理功能，其核心任務是管理好日常實驗信息，例如：實驗學生的注冊、登錄操作、下載實驗項目、管理人員維修故障等。用戶必須通過注冊和身份驗證，用戶在注冊操作中，需要準確填寫用戶注冊信息，通過系統審核注冊信息會自動存儲在數據庫內。如果用戶需要進入虛擬實驗系統，只需在登錄界面輸入準確的賬號和密碼即可。若登錄賬號與密碼輸入錯誤，系統會自動跳轉至重新登錄界面，驗證成功才能在虛擬實驗平臺進行多種實驗操作[15]。

(2)基礎學習模塊。該模塊主要由儀器與理論學習、EDA工具學習、硬件編程學習等部分組成，其中EDA學習主要學習DSP、QuartusII、Protel等優秀仿真工具，為數字電路理論學習、數字電路設計等提供良好的學習和仿真環節。通過上述工具的學習，能有效提高學生電路設計的能力。眾所周知，虛擬實驗系統建立是否成功，主要受教學資源、新技術應用、案例構建等因素的影響。其中，案例構建尤為重要，在設定教學大綱時，不僅要考慮新的理論和技術，也應考慮不同階段學生理論水平及接受能力，提升學生的學習興趣和積極性。因此，基礎學習模塊為學習者提供完整的數字設計案例，例如：交通燈控制系統、數據采集系統、攝像監控系統等，有利于學生充分掌握數字電子實驗系統，培養他們的設計能力[16]。

(3)學生實驗仿真模塊。該模塊主要劃分為獲取信息、基礎學習、開展或保存虛擬實驗、發送實驗結果等子模塊，學生通過虛擬實驗室獲得本次實驗任務及相關信息，在基礎學習后挑選所需的EDA工具軟件開始虛擬實驗。實驗完成后，及時保存實驗結果，例如：原理設計圖、程序代碼等，并把自己的實驗過程和結果上傳給老師檢查。該模塊框架見圖3。

(4)教師管理與評價。該模塊的功能有發布實驗內容、獲取實驗項目信息、批閱試驗項目、管理學生信息等，見圖4。教師先依據實驗教學任務在虛擬實驗平臺上向學生展示實驗內容，便于學生開展針對性的實驗操作。待學生完成整個實驗后，教師在獲取上傳的信息并實施修改，把批閱結果反饋給學生[17]。

圖3實驗仿真模塊主要功能

圖4教師管理與評估模塊功能結構

4　結　語

綜上所述，數字電子虛擬實驗系統是一個新型實驗教學模式，它能為學生提供人性化、實踐性、開放性強的實驗教學環境，對于改善數字電子實驗教學產生積極影響。本研究以EDA技術為依托，在分析了EDA技術在數字電子實驗教學中優越性的基礎上，提出以EDA技術構建虛擬實驗系統及其主要功能模塊，以期為數字電子實驗教學提供一定借鑒和參考。

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