EDA 技術在“數字邏輯與數字系統設計”綜合實驗課中的應用*

毛會瓊 牛小玲 陳世海 （中國礦業大學信息與控制工程學院）

將EDA 技術與傳統的面包板電路搭接相結合，有助于學生開闊思路，加強對電路的理解[1]，提高學生設計電路的綜合能力[2]。本實驗中學習通過使用Multisim、QuartusII 等現代仿真設計軟件，完成對小教室智能控制系統電路的設計與制作。

節能、環保是我們國家的長期發展戰略[3]，是每個公民的職責。在“數字邏輯與數字系統設計”綜合設計實驗中，通過實驗項目的合理設計，引導學生將專業知識的學習和應用與國家的發展戰略相統一。本文擬從實驗任務與內容、實現方案、教學實施進程和考核評價這四個方面對該綜合實驗項目的設計與實踐過程進行介紹。

一 實驗任務與內容

針對小教室的電燈、風扇、空調等電器設備，本著低碳節能原則，應用“數字邏輯與數字系統設計”知識，設計出實用化的智能控制系統。小教室最多容納15 人，內有4 盞燈、2 臺風扇、1 臺空調。實驗的任務和內容分為基礎性實驗和提高性實驗兩部分，采用進階式設計，面向不同層次的學生。

1 基礎性實驗

應用“數字電子技術”的相關知識和實驗手段，設計一小教室的智能控制系統。設計電路如下。

（1）設計一自動計數、顯示電路：統計當前教室人數；譯碼顯示電路輸出用用8 段數碼管BCD 碼顯示；（2）設計電燈控制電路：當教室進入人數為1 時，點亮第一盞燈；當教室內人數為5 時，點亮第二盞燈，當教室內人數為8 時，點亮第三盞燈，當教室內人數為12 時，點亮第四盞燈；（3）設計風扇控制電路：當教室內進人第1 個人時，啟動1 臺風扇；當人數為5時，啟動第二臺風扇；（4）設計空調控制電路：當教室內人數為8 時，啟動空調。當空調運行一段時間后（100s 內），關閉兩臺風扇；（5）當教室內最后一個人離開時，自動關閉所有的燈、空調、風扇。

畫出該控制電路的總體結構框圖，設計各功能模塊的電路原理圖。實驗前采用Multisim 軟件仿真驗證實驗方案合理性；課堂上，在數字電子技術實驗箱上硬件搭建、調試、實現該電路。

2 提高性實驗

按照基礎實驗中設計并實現的實驗方案，應用數字系統設計的相關知識和實驗手段，完成下面實驗內容。

第一，在QuartusII 軟件上，采用HDL 語言編程與圖形法相結合的方式編寫程序，仿真實現控制電路。第二，將第一中仿真成功后的程序下載進CPLD 控制板，硬件搭接、調試、實現該控制電路。

實驗過程中，計數器顯示輸出采用8 段數碼管顯示；傳感器的輸出信號采用數字實驗箱上自帶的脈沖源或撥動開關，受控電器利用二極管指示燈。

二 實現方案

基于小教室的智能控制系統由傳感器模塊、計數和譯碼顯示模塊、主控制模塊、譯碼控制模塊、定時控制模塊和清零復位模塊六個部分組成。

1 人體感應傳感器模塊

人體感應傳感器用于感應人體通過信號，為計數電路提供計數脈沖。本實驗中，學生需通過CNKI、超星等文獻檢索工具，對常用人體感應傳感器類型，如光電式傳感器、紅外熱釋電傳感器、圖像識別技術等，及相關知識進行學習和了解，擴展其知識范圍和應用視野，為專業課程學習打基礎。實驗過程中，可向學生演示光電式傳感器的輸出信號特點和現象。

本實驗中并未實際應用到傳感器，傳感器的輸出信號采用時鐘脈沖源或者開關來替代。

2 計數電路和譯碼顯示電路

計數譯碼顯示電路用于統計教室內現有人數，譯碼顯示電路并將人數在數碼管上顯示出來。其中計數電路根據教室的實際情況不同，設計方案也會有所不同。

方案一：若規定該教室前門進人，后門出人，則教室內現有人數=前門（進門）計數人數-后門（出門）計數人數。

方案二：若該教室只有一個門，則該門即可進人，也可出人。則教室內現有人數=進人計數器人數-出門計數器人數。

上述兩種方案的電路結構基本一致。

方案三：若該教室有兩個門，且每個門既能進人，也能出人。則教室內現有人數=前門計數器總人數+后門計數器總人數。

因為顯示電路需要采用8 段數碼管BCD 碼輸出顯示，因此在方案一和方案二中，若計數電路采用二進制計數器計數，則減法電路后面需增加四位二進制轉BCD 碼電路；若計數器電路采用十進制計數器，則減法電路需采用2 片四位全減器級聯升成8 位計數器。上述電路的設計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的核心部件，能夠按照教室內人數變化控制教室內電器設備工作狀態。根據教室使用情況不同其設計方案也是不同的。

方案一：若該教室僅用于按班級上課，不用于自習開放，則課前和課后較長時間內人數的隨機變化較少，此時可設定不隨人數的減少關閉用電設備，僅當教室內人數清零時統一關閉。此時可進行簡單的編碼電路設置，當教室內現有人數達到設定數值時產生相應的編碼控制信號。

方案二，若該教室不僅正常上課用，還需對學生自習開放，則自習期間教室內人數會隨機變動較大，因此當教室內人數變化到設定的人數閾值時，用電設備也需隨人數變化同向增加開啟或是減少關閉。

4 譯碼控制電路

譯碼電路的主要任務就是將主控電路的幾種工作狀態翻譯成受教室內控電器設備的工作狀態。如果前面沒有編碼電路，則譯碼電路就是主控制電路。

5 定時電路

定時電路可以利用計數器和門電路構成，也可以利用555電路構成單穩態定時電路[4-5]。定時電路有空調啟動電路控制啟動。當定時時間到，通過反饋電路產生控制信號，切斷風扇電源。

6 清零復位電路

當教室內最后一個人離開時，清零電路能自動關閉所有燈、空調、風扇，并自動復位到電路初始狀態，使整個系統能夠隨時開啟下一個控制循環。

三 教學實施進程

本實驗課采用課堂集中上課和網絡輔導(QQ 或微信)相結合的方式開展。實驗的開展主要分成三個階段進行：實驗任務布置、系統設計與調試、課堂演示和驗收答辯三個環節。

1 實驗任務布置

實驗前一周，采用課堂集中授課的方式，由實驗任課教師講解實驗目的，布置實驗任務和實驗內容，提出實驗設計要求，講解實驗原理，并進行必要的設計提示，講解實驗設計和調試過程中常遇到的問題和解決方法。

2 系統設計與調試

學生在課外完成相關的實驗電路設計，實驗課前利用Multisim 軟件仿真電路、驗證實驗方案合理性，并編寫QuartusII 軟件程序。

在電路設計期間，學生遇到的一切與本實驗設計相關的問題都可以通過QQ 或是微信向任課教師提問，教師會在情況允許的第一時間給予解答或是與之討論。

3 課堂演示和驗收答辯

課堂上，首先在數字電子技術實驗箱上硬件實現設計電路。其次，在QuartusII 軟件上調試程序，仿真實現控制電路。最后，將QuartusII 軟件仿真成功后的程序下載進CPLD 控制板，硬件實現設計電路。每完成一項實驗內容，任課教師均需要驗收簽字，并就設計中的某些問題向學生提問，學生現場回答。最后根據學生完成實驗內容的多少和答辯情況給出操作實驗成績。實驗結束后一周提交實驗報告。

4 考核評價

本實驗的考核成績由三部分組成，預習設計占40%，課堂操作占50%，實驗報告占10%。實驗各階段的成績占比主要由各階段的工作量多少來決定。

設計性實驗前期的預習設計工作量較大，首先需查閱資料確定工程需求，如傳感器型號、芯片型號，然后進行系統電路框圖和各功能模塊的電路原理圖設計、方案論證、QuartusII軟件程序編寫和利用Multism 軟件仿真驗證實驗方案的合理性等，所以所占成績比例比較高。

課堂操作成績主要是硬件搭接和調試，系統出錯的因素比較多，故障排查也更加復雜，所以這部分成績占全部成績比例最高。

實驗報告主要是看它的規范性和完整性以及課后問題的回答情況，實驗成績占比最低。

綜上所述，本文以Multisim 與QuartusII 軟件仿真設計平臺為基礎，結合數字電子技術硬件實驗箱，本著低碳節能原則，設計并實現了小教室智能控制系統設計這一綜合實驗的整個流程。教學實踐表明，本實驗激發了學生的學習興趣和學習熱情，提升了學生的學習能力和應用能力，是培養學生學習能力和應用能力的較好素材。