EDA技術(shù)在“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”綜合實(shí)驗(yàn)課中的應(yīng)用

毛會(huì)瓊　牛小玲　陳世海

[摘 要] 將EDA技術(shù)應(yīng)用于“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)和仿真，無(wú)須考慮實(shí)驗(yàn)中電子器件的種類和成本，電路搭接清晰明了，便于查錯(cuò)，可以較大程度提高電子電路系統(tǒng)的綜合性和創(chuàng)新性。本文以小教室智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為對(duì)象進(jìn)行應(yīng)用探索，旨在為“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”綜合實(shí)驗(yàn)探索合適的方法和手段，從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞] EDA技術(shù);綜合實(shí)驗(yàn);小教室;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]G642? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1008-2549（2020） 12-0100-02

將EDA技術(shù)與傳統(tǒng)的面包板電路搭接相結(jié)合，有助于學(xué)生開(kāi)闊思路，加強(qiáng)對(duì)電路的理解[1]，提高學(xué)生設(shè)計(jì)電路的綜合能力[2]。本實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)通過(guò)使用Multisim、QuartusII等現(xiàn)代仿真設(shè)計(jì)軟件，完成對(duì)小教室智能控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)與制作。

節(jié)能、環(huán)保是我們國(guó)家的長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略[3]，是每個(gè)公民的職責(zé)。在“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的合理設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生將專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用與國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略相統(tǒng)一。本文擬從實(shí)驗(yàn)任務(wù)與內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)方案、教學(xué)實(shí)施進(jìn)程和考核評(píng)價(jià)這四個(gè)方面對(duì)該綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐過(guò)程進(jìn)行介紹。

一 實(shí)驗(yàn)任務(wù)與內(nèi)容

針對(duì)小教室的電燈、風(fēng)扇、空調(diào)等電器設(shè)備，本著低碳節(jié)能原則，應(yīng)用“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”知識(shí)，設(shè)計(jì)出實(shí)用化的智能控制系統(tǒng)。小教室最多容納15人，內(nèi)有4盞燈、2臺(tái)風(fēng)扇、1臺(tái)空調(diào)。實(shí)驗(yàn)的任務(wù)和內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和提高性實(shí)驗(yàn)兩部分，采用進(jìn)階式設(shè)計(jì)，面向不同層次的學(xué)生。

1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用“數(shù)字電子技術(shù)”的相關(guān)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)手段，設(shè)計(jì)一小教室的智能控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)電路如下。

（1）設(shè)計(jì)一自動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示電路：統(tǒng)計(jì)當(dāng)前教室人數(shù);譯碼顯示電路輸出用用8段數(shù)碼管BCD碼顯示;（2）設(shè)計(jì)電燈控制電路：當(dāng)教室進(jìn)入人數(shù)為1時(shí)，點(diǎn)亮第一盞燈;當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)為5時(shí)，點(diǎn)亮第二盞燈，當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)為8時(shí)，點(diǎn)亮第三盞燈，當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)為12時(shí)，點(diǎn)亮第四盞燈;（3）設(shè)計(jì)風(fēng)扇控制電路：當(dāng)教室內(nèi)進(jìn)人第1個(gè)人時(shí)，啟動(dòng)1臺(tái)風(fēng)扇;當(dāng)人數(shù)為5時(shí)，啟動(dòng)第二臺(tái)風(fēng)扇;（4）設(shè)計(jì)空調(diào)控制電路：當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)為8時(shí)，啟動(dòng)空調(diào)。當(dāng)空調(diào)運(yùn)行一段時(shí)間后（100s內(nèi)），關(guān)閉兩臺(tái)風(fēng)扇;（5）當(dāng)教室內(nèi)最后一個(gè)人離開(kāi)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉所有的燈、空調(diào)、風(fēng)扇。

畫(huà)出該控制電路的總體結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計(jì)各功能模塊的電路原理圖。實(shí)驗(yàn)前采用Multisim軟件仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案合理性;課堂上，在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱上硬件搭建、調(diào)試、實(shí)現(xiàn)該電路。

2 提高性實(shí)驗(yàn)

按照基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方案，應(yīng)用數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)手段，完成下面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

第一，在QuartusII軟件上，采用HDL語(yǔ)言編程與圖形法相結(jié)合的方式編寫(xiě)程序，仿真實(shí)現(xiàn)控制電路。第二，將第一中仿真成功后的程序下載進(jìn)CPLD控制板，硬件搭接、調(diào)試、實(shí)現(xiàn)該控制電路。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)數(shù)器顯示輸出采用8段數(shù)碼管顯示;傳感器的輸出信號(hào)采用數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱上自帶的脈沖源或撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，受控電器利用二極管指示燈。

二 實(shí)現(xiàn)方案

基于小教室的智能控制系統(tǒng)由傳感器模塊、計(jì)數(shù)和譯碼顯示模塊、主控制模塊、譯碼控制模塊、定時(shí)控制模塊和清零復(fù)位模塊六個(gè)部分組成。

1 人體感應(yīng)傳感器模塊

人體感應(yīng)傳感器用于感應(yīng)人體通過(guò)信號(hào)，為計(jì)數(shù)電路提供計(jì)數(shù)脈沖。本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需通過(guò)CNKI、超星等文獻(xiàn)檢索工具，對(duì)常用人體感應(yīng)傳感器類型，如光電式傳感器、紅外熱釋電傳感器、圖像識(shí)別技術(shù)等，及相關(guān)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)和了解，擴(kuò)展其知識(shí)范圍和應(yīng)用視野，為專業(yè)課程學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可向?qū)W生演示光電式傳感器的輸出信號(hào)特點(diǎn)和現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)中并未實(shí)際應(yīng)用到傳感器，傳感器的輸出信號(hào)采用時(shí)鐘脈沖源或者開(kāi)關(guān)來(lái)替代。

2 計(jì)數(shù)電路和譯碼顯示電路

計(jì)數(shù)譯碼顯示電路用于統(tǒng)計(jì)教室內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)，譯碼顯示電路并將人數(shù)在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。其中計(jì)數(shù)電路根據(jù)教室的實(shí)際情況不同，設(shè)計(jì)方案也會(huì)有所不同。

方案一：若規(guī)定該教室前門(mén)進(jìn)人，后門(mén)出人，則教室內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)=前門(mén)（進(jìn)門(mén)）計(jì)數(shù)人數(shù)-后門(mén)（出門(mén)）計(jì)數(shù)人數(shù)。

方案二：若該教室只有一個(gè)門(mén)，則該門(mén)即可進(jìn)人，也可出人。則教室內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)=進(jìn)人計(jì)數(shù)器人數(shù)-出門(mén)計(jì)數(shù)器人數(shù)。

上述兩種方案的電路結(jié)構(gòu)基本一致。

方案三：若該教室有兩個(gè)門(mén)，且每個(gè)門(mén)既能進(jìn)人，也能出人。則教室內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)=前門(mén)計(jì)數(shù)器總?cè)藬?shù)+后門(mén)計(jì)數(shù)器總?cè)藬?shù)。

因?yàn)轱@示電路需要采用8段數(shù)碼管BCD碼輸出顯示，因此在方案一和方案二中，若計(jì)數(shù)電路采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則減法電路后面需增加四位二進(jìn)制轉(zhuǎn)BCD碼電路;若計(jì)數(shù)器電路采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，則減法電路需采用2片四位全減器級(jí)聯(lián)升成8位計(jì)數(shù)器。上述電路的設(shè)計(jì)處理在方案三中的加法器處同樣適用。

3 主控制電路

主控制電路是智能控制系統(tǒng)的核心部件，能夠按照教室內(nèi)人數(shù)變化控制教室內(nèi)電器設(shè)備工作狀態(tài)。根據(jù)教室使用情況不同其設(shè)計(jì)方案也是不同的。

方案一：若該教室僅用于按班級(jí)上課，不用于自習(xí)開(kāi)放，則課前和課后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)人數(shù)的隨機(jī)變化較少，此時(shí)可設(shè)定不隨人數(shù)的減少關(guān)閉用電設(shè)備，僅當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)清零時(shí)統(tǒng)一關(guān)閉。此時(shí)可進(jìn)行簡(jiǎn)單的編碼電路設(shè)置，當(dāng)教室內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的編碼控制信號(hào)。

方案二，若該教室不僅正常上課用，還需對(duì)學(xué)生自習(xí)開(kāi)放，則自習(xí)期間教室內(nèi)人數(shù)會(huì)隨機(jī)變動(dòng)較大，因此當(dāng)教室內(nèi)人數(shù)變化到設(shè)定的人數(shù)閾值時(shí)，用電設(shè)備也需隨人數(shù)變化同向增加開(kāi)啟或是減少關(guān)閉。

4 譯碼控制電路

譯碼電路的主要任務(wù)就是將主控電路的幾種工作狀態(tài)翻譯成受教室內(nèi)控電器設(shè)備的工作狀態(tài)。如果前面沒(méi)有編碼電路，則譯碼電路就是主控制電路。

5 定時(shí)電路

定時(shí)電路可以利用計(jì)數(shù)器和門(mén)電路構(gòu)成，也可以利用555電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)定時(shí)電路[4-5]。定時(shí)電路有空調(diào)啟動(dòng)電路控制啟動(dòng)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，通過(guò)反饋電路產(chǎn)生控制信號(hào)，切斷風(fēng)扇電源。

6 清零復(fù)位電路

當(dāng)教室內(nèi)最后一個(gè)人離開(kāi)時(shí)，清零電路能自動(dòng)關(guān)閉所有燈、空調(diào)、風(fēng)扇，并自動(dòng)復(fù)位到電路初始狀態(tài)，使整個(gè)系統(tǒng)能夠隨時(shí)開(kāi)啟下一個(gè)控制循環(huán)。

三 教學(xué)實(shí)施進(jìn)程

本實(shí)驗(yàn)課采用課堂集中上課和網(wǎng)絡(luò)輔導(dǎo)（QQ或微信）相結(jié)合的方式開(kāi)展。實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展主要分成三個(gè)階段進(jìn)行：實(shí)驗(yàn)任務(wù)布置、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試、課堂演示和驗(yàn)收答辯三個(gè)環(huán)節(jié)。

1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)布置

實(shí)驗(yàn)前一周，采用課堂集中授課的方式，由實(shí)驗(yàn)任課教師講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康模贾脤?shí)驗(yàn)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，講解實(shí)驗(yàn)原理，并進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)提示，講解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中常遇到的問(wèn)題和解決方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

學(xué)生在課外完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)課前利用Multisim軟件仿真電路、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案合理性，并編寫(xiě)QuartusII軟件程序。

在電路設(shè)計(jì)期間，學(xué)生遇到的一切與本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題都可以通過(guò)QQ或是微信向任課教師提問(wèn)，教師會(huì)在情況允許的第一時(shí)間給予解答或是與之討論。

3 課堂演示和驗(yàn)收答辯

課堂上，首先在數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱上硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路。其次，在QuartusII軟件上調(diào)試程序，仿真實(shí)現(xiàn)控制電路。最后，將QuartusII軟件仿真成功后的程序下載進(jìn)CPLD控制板，硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路。每完成一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，任課教師均需要驗(yàn)收簽字，并就設(shè)計(jì)中的某些問(wèn)題向?qū)W生提問(wèn)，學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)回答。最后根據(jù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的多少和答辯情況給出操作實(shí)驗(yàn)成績(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后一周提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4 考核評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)的考核成績(jī)由三部分組成，預(yù)習(xí)設(shè)計(jì)占40%，課堂操作占50%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占10%。實(shí)驗(yàn)各階段的成績(jī)占比主要由各階段的工作量多少來(lái)決定。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)前期的預(yù)習(xí)設(shè)計(jì)工作量較大，首先需查閱資料確定工程需求，如傳感器型號(hào)、芯片型號(hào)，然后進(jìn)行系統(tǒng)電路框圖和各功能模塊的電路原理圖設(shè)計(jì)、方案論證、QuartusII軟件程序編寫(xiě)和利用Multism軟件仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案的合理性等，所以所占成績(jī)比例比較高。

課堂操作成績(jī)主要是硬件搭接和調(diào)試，系統(tǒng)出錯(cuò)的因素比較多，故障排查也更加復(fù)雜，所以這部分成績(jī)占全部成績(jī)比例最高。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要是看它的規(guī)范性和完整性以及課后問(wèn)題的回答情況，實(shí)驗(yàn)成績(jī)占比最低。

綜上所述，本文以Multisim與QuartusII軟件仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)硬件實(shí)驗(yàn)箱，本著低碳節(jié)能原則，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了小教室智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一綜合實(shí)驗(yàn)的整個(gè)流程。教學(xué)實(shí)踐表明，本實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用能力，是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用能力的較好素材。

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（責(zé)任編輯： 姜海晶）