基于FPGA的數字電路基礎實驗教學改革與實踐研究

摘 要 如今數字電路實驗課程的課時逐步縮短的同時課程內容也在不斷更新，教學任務也隨之變得沉重。為了應對數字電路實驗課程教學方式在當下教學任務中的不足，學校引進FPGA實驗平臺，從平臺和實驗兩方面著手進行教學變革，合理地進行實驗規劃，讓實驗內容更加豐富。學生同時也可以在這樣連環相扣的實驗中充分地對新技術進行學習、了解并熟練地運用新技術，并在此過程中對數字電路構建正確的認知。

關鍵詞 數字電路實驗 FPGA 教學改革

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

0引言

近幾十年來，隨著時代的發展，數字技術的應用遍及各行各業，數字邏輯電路從小型集成電路這一傳統的標準化產業向著大規模可編程器件飛速轉化。電路器件的工作頻率也隨之提高，并且器件的組合方式、邏輯順序也開始為數字邏輯、數據處理、應用算法以及針對特定功能而服務。

數字電路實驗是以《數字邏輯設計及應用》這一電子類專業基礎核心專業課程為理論基礎。這門專業課程在學習過程中要求學生能夠掌握數字邏輯電路的分析，并能進一步地使用，對于實踐的要求相對較高。因此在整個教學任務中，學生在掌握基礎電路知識后，數字電路實驗肩負著培養專業應用能力的任務，所以在整體教學中具有不可或缺的地位。

1現行數字電路基礎實驗教學的研究

從數字電路實驗開展以來，都是以74系列的芯片為主，基于該系列芯片進行實驗研究。但是，隨著現代工業基礎的發展，數字邏輯電路的應用目的、載體、實驗方式也在改變，隨之而來的便是學校在教導這門課程的教學方式和內容上發生了變化。在逐漸縮短的課時下提高實驗的多樣性，創新性尤為重要。傳統的教學是學生進行手工布線，這種方式較為繁瑣，時間成本高，減少了學生的學習量。隨之進行變革而產生的是應用EDA仿真軟件進行教學，在這種教學方式中，低年級的學生不僅要學習電路知識，同時還要學習軟件的操作，為學校的教學和學生的學習增加了負擔。仿真軟件本質上只是提供了一個模擬平臺，學生只能通過軟件進行虛擬構建電路，這使得學生可能會對實際操作產生認知偏差，忽視了設計電路后的驗證。數字電路實驗和理論課程知識的整體性也是不可忽視的，不同學校不同專業因其自身的局限性，可能會忽視理論與實踐的結合。同時，現如今數字電路實驗教學中各個實驗的連接，實驗內容，在簡單實驗上進行擴展等等問題還是有待商榷的。

2基于FPGA的電路實驗教學改革與實踐

根據對數字電路課程培養方案的總結，對于學生的培養主要是分三步進行，分別是基礎實驗、設計實驗、擴展實驗。這三步從基礎知識的學習及應用到整合知識進行綜合設計再到根據已有知識進行探索設計，難度依次增加，教學要求也是逐步提高。基于此，設計了FPGA為依托的實驗平臺。該平臺主要含有：邏輯開關、可編輯器件、驗證器件、支撐部件等模塊。學生可以自行設計電路，然后將設計好的電路下載到板上進行實際操作，并可以通過儀器檢驗調試自己設計的電路。

該平臺可以很好地兼顧了從低年級學生的基礎實驗到高年級學生的綜合性電路設計，不僅是基礎的教學要求，還兼顧了課程設計和探索實驗的需求。這種方式能使學生從單純的EDA軟件教學中的虛擬操作中走向實際操作，并且也減少了傳統手工操作的復雜性。使得學生在相對簡潔的操作下對于電路的認知更加深刻，并且培養了學生觀察電路、檢查電路的能力。該實驗不僅能提高教學的效率，而且新穎性，復雜性上有了提高，更優化了在不同學習階段的實驗操作。避免了不同教學階段所學的新的知識點以及硬件轉化帶給學生的困擾，使得學生可以由簡入深地學習電路知識，逐步掌握理論知識和實踐技能。

（1）實驗平臺改革與實踐。基于FPGA的實驗平臺主要由邏輯開關、可編程邏輯器件、芯片功能驗證模塊、支撐部件等組成。

邏輯開關可以進行簡單的電路教學，因為有LED小燈作為指示，讓學生可以直接觀察到數字信號變化。可編程邏輯器件則進一步滿足了實驗教學的要求，學生可以自行設計，培養對電路的認知。支撐器件等其他模塊預留的數模接口則可以滿足擴展實驗，提供更高層次的教學，并且也方便了設計電路后的驗證與調試。

總之，在該平臺的基礎上，從軟件的使用到硬件的檢測調試，可以使學生獲得更好的培養。第一步，學生可以從QuartusⅡ軟件上進行初期的電路構建，相對于傳統的人工排線操作，計算機軟件的使用無疑是減少了時間的花費，降低了因為操作失誤而帶來的麻煩。第二步，在軟件構建電路完成后，學生可以通過仿真軟件提前進行虛擬測試。第三步，虛擬測試后，學生可以把電路文件寫入FPGA下板運行。在整個實驗過程中，可以根據已有資源對電路進行任意設計，從而引發學生的興趣，調動學生的積極性，提高實驗的教學效率。

（2）實驗規劃和實驗內容的改革與實踐。電子類專業的課時一般都會多于其他專業學習數字電路實驗的課時，并且學習深度也是不盡相同。針對不同學校、不同專業，實驗教學要考慮課程知識對于實驗的支撐程度，避免理論與實踐的脫離。因此，如今的數字電路實驗內容與規劃要更加靈活可變。數字電路實驗內容主要分為3個層次，分別是基礎實驗、設計實驗和探究擴展實驗。電子類專業可以在完成前兩個層次的基礎上進行探究擴展實驗，使得學生可以對所學知識進行整合與延伸。對于非電子類專業的學生可以只完成前兩個層次，鞏固學生所學知識與實驗操作技能。

（1）基礎實驗。基礎實驗主要是對所學知識進行驗證，通過實物操作加深學生對知識的理解，學生也可以通過動手操作，對電路有了基礎認知。在FPGA平臺下，學生可以通過Quartus自帶的器件庫模擬簡單的門電路等，減少了傳統手工布線的繁瑣操作。

（2）設計實驗。設計實驗是在基礎實驗上進一步加深，從簡單的邏輯電路學習走向電路的設計，使學生可以對課程知識更好地理解與運用。學生可以先通過EDA仿真軟件進行布線學習，隨后再通過平臺進行驗證調試。相較于傳統教學，學生可以完成從電路設計、仿真教學到硬件驗證調試的整個實驗流程。并且可以提高自身的邏輯能力、分析能力與調試能力。

（3）擴展實驗。對于高年級學生和有余力的低年級學生，擴展實驗可以進一步加深學生的邏輯能力、分析能力與調試能力。并且擴展實驗也可以滿足學生動手的需求，使得學生對于專業課程有更加全面的認識。在該平臺下，可以從基礎的電路開始構建，然后進行整合形成一個簡單的CPU系統。再通過下板驗證，實現數據存取和處理等功能，讓學生得到語言邏輯、動手能力、調試能力的提升。總之，研究擴展實驗能培養學生的專業興趣，體現教學成果。

3結語

本文從實驗平臺到實驗內容考慮了現階段常用教學方式的不足，提出了一些改革措施。從EDA等仿真軟件到基于FPGA的實驗平臺，不僅從硬件上進行了改變，而且彌補了教學中理論知識與實驗操作內容不能很好地結合的不足，彌補了教學任務與現代科技中間的縫隙。通過FPGA實現完整的現代數字電路實驗，在讓學校更方便教學的同時，也讓學生可以從簡入深地學習電路知識，能夠充分地培養學生的專業綜合素養。

作者簡介：楊祖芳（1981-），女，漢族，湖北荊州人，碩士，武漢工商學院副教授，研究方向：電子線路與嵌入式系統。

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