EDA技術在電子技術系列實踐課程中的融合運用

趙艷華， 張惠莉， 佟春明， 張 玲

(1.青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109；2.中國海洋大學 工程學院， 山東 青島 266100)

0 引言

電子設計自動化(EDA)技術是電子設計工程師從事電子元件、產品和系統設計的綜合工具，在現代電子科技產業中占有舉足輕重的位置。當前國際國內環境下，芯片設計技術成為科技企業創新之本，EDA技術也是芯片設計的基礎，是工程師適應新標準、滿足不斷變化的設計需求所需的必備技能。在應用型和創新型人才培養為目標的高校教學中，“EDA技術”是電氣、電子、通信、自動控制等專業普遍開設的專業拓展課程。現代電子工業的迅猛發展，促使高校電子類專業必須進行教學體系與教學內容的改革與創新，EDA技術作為應用技術前沿，故該課程可以起到與相關課程深度融合并引領更新的作用。

1 “EDA技術”課程的特點

“EDA技術”課程以可編程邏輯器件為硬件平臺，在數字電子技術學習的基礎上，繼續深入學習數字電路硬件描述語言，在EDA軟件輔助下，完成數字系統設計。由于EDA課程應用普遍性及重要性不斷增強，部分高校還設置了SOPC課程。EDA設計具有靈活性高、可仿真、易驗證等特點，可以拓展運用到“單片機”、“數字電子技術”等相關課程與實踐中。某些高校從十年前就開始探索數字電子技術實驗與EDA技術結合[1]，并自主研發適用于本校課程的實驗系統，取得了良好效果，但相關課程間的銜接與貫通效果尚未充分發掘。數電實驗設備及內容陳舊、電子工藝實習套件單調無用、電子技術課程設計環節效率低下等問題仍然存在。在高水平專業建設背景下，結合我校電氣化和測控專業教學實踐和近年來的創新創業教育實踐，對電子工藝實習、數電實驗、電子技術課程設計、創新競賽及畢業設計各個實踐環節進行了EDA技術的融入設計，并付諸于實踐，取得了初步效果。

2 “EDA技術”與電子技術實踐課程的融合方案

將“EDA技術”以不同形式融合到電子技術類課程中，達到專業課程融匯貫通、互相促進的目的，能夠有效地提高教學效率，提升學生的應用設計能力。在我校教學改革實踐中，進行了相關課程的融合方案設計，如圖1所示。方案目的在于：以EDA技術為載體和手段，實現本科學生EDA應用技術能力由入門到精通的逐步提升，并提高相數電等關課程的學習效率和學習效果。在學生的不同學習階段，將EDA技術引入各學習環節。根據不同課程的特點和實驗要求，穿插融入EDA技術，既能夠滿足基本實驗教學需求，改進實習實驗效果，也能夠引導學生進行電子工程的創新設計與應用。課堂上采用EDA實驗箱，課后采用EDA系統板作為便攜開發系統，伴隨學生大學學習生活兩到三年的時間,實現超過80%的“口袋實驗室”和50%的創新創業實踐參與率。

2.1 電子工藝實習與“EDA技術”

電子工藝實習的訓練目標是讓學生了解現代電子產品生產流程與制作工藝，其環節包括電路設計與PCB制版、PCB焊接、產品組裝[2]。傳統實習項目包括收音機、U盤、機器狗焊接與制作等。以PLD器件為核心的EDA系統板主要器件為表貼封裝，其焊接制作能夠充分體現現代電子產品加工工藝流程。因此電子工藝實習中，將實習項目進行更新，從電路設計到制作焊接都采用EDA系統板替換沿用多年的收音機或U盤焊接套件，既能夠保證電子工藝的實習效果，又能夠讓學生實習后擁有一套可利用、可開發的EDA系統板。在EDA系統板的設計上，考慮開發需要求和易用性，采用掉電不丟失的CPLD作為核心器件，設置按鍵、LED燈、蜂鳴器和數碼管等簡單外設便于進行驗證性實驗，并將其剩余的輸入輸出端口以插接口的形式引出備用。

實習結束后，作為實習產品的EDA系統板，保留在學生手中。由指導教師提供教學團隊開發的EDA技術初學指導PPT。學生可以利用EDA系統板，開展EDA技術的提前學習和基礎實驗。學生可采用原理圖設計方法，驗證各種標準數字電路邏輯，并輕松完成簡單的功能電路設計。當前高校電氣專業和測控專業二年級以上的學生中，參加各類科技競賽、科研課題等科技創新活動的學生占到了70%的比例。學生參加競賽或科研所需要的專業知識和技能，都需要提前自主學習。該EDA系統板可隨身攜帶，對學生的數字電路入門學習具有非常理想的引導效果。這種融合，即提高了實習經費的使用效益，又提升了實習效果和實習質量。

圖1 EDA技術與其它課程融合示意

2.2 “EDA技術”與數字電子技術課程的融合

目前，伴隨高集成度芯片普遍應用，傳統標準邏輯器件應用場合逐步縮減，代之以可編程邏輯器件實現系統數字邏輯處理。相應的，以EDA實驗系統代替傳統數電實驗箱完成數電實驗課程成為趨勢[3]。EDA系統支持下的數電實驗課程設置具有以下優點：

(1)實驗可替代性強。對原有數電實驗進行統計，可由EDA板替代的實驗項目達90%。對于數字器件的外形認知和不同類型邏輯器件電壓傳輸特性測試等實驗可以調整課件和實驗方法后完成替代。

(2)充分拓展了實驗項目。EDA工具軟件中，提供了74全系列的標準邏輯器件庫，即在同一塊系統板上，可以開展所有標準邏輯器件的測試和組合實驗。數字電路實驗的開展不再受到實驗室元件種類的制約。

(3)提高實驗效率。EDA實驗中，調用元件庫方便易行，學生能夠在短時間內了解更多的元件功能。尤其當多個元件組合設計時，不需要搭接導線，避免了許多人為的實驗故障，提高了實驗效率和實驗效果。另外，EDA軟件仿真功能幫助實驗者實現前端驗證，易于糾錯和電路改正。比較傳統數字電路搭建，提高了實驗效率。

(4)有助于學生的創新能力培養。EDA實驗箱為學生應用型和創新型設計提供了豐富的資源，學生的創新思路不再受限于元器件類型缺乏。

(5)簡化教師的實驗準備流程，提高教師的實驗教學效率。在傳統數電試驗箱上，每次開展不同的實驗項目，需要更換不同的邏輯芯片。實驗教師在實驗元件替換準備上需要花費較多的時間。采用EDA試驗箱后，教師只需要帶領學生掌握EDA工具軟件中原理圖繪制方法和編譯流程，就可以開展不同的實驗項目，避免硬件元器件頻繁替換。同時教師也可以開展更多應用型、創新行實驗項目的教學。

由于學生先期實習保有EDA開發板，部分學生尤其是進入實驗室跟隨教師進行科研創新的學生，會在課余時間自主學習EDA應用開發，為數電實驗的開展打下了良好的基礎。教師方面，針對EDA技術改進實驗PPT，并提前將錄制的EDA實驗視頻指導教程發給學生預習，讓學生順利掌握原理圖設計方式，使得最初的EDA工具軟件掌握瓶頸很容易突破。

2.3 “EDA技術”與電子技術實踐環節相結合

在電子技術的課程設計中，給學生提供兩種實現方法進行選擇：分立元件搭建或EDA系統板設計。學生根據自身能力和興趣進行選擇，例如對于交通燈控制或數字鐘設計，相同的題目，類似的設計解決方案，不同的實現方法，使學生充分發揮主觀能動性，完成自己的課程設計內容。EDA系統板因其內部資源豐富，能夠讓學生不受元器件限制，有機會完成更為復雜的數字系統設計。實踐中會有80%的學生選擇EDA開發板的設計方式。課程設計結束進行考核時，要求學生介紹各自的設計方案，這樣學生可以從他人的設計方案中對比了解不同方案的優缺點，對設計內容理解更加深入。EDA技術的實現方法，更接近于現實應用，也讓學生掌握了更加適應社會需要的應用技能。

2.4 “EDA技術”課程學習與課程設計實踐

“EDA技術”課程的學習，是學生系統掌握EDA技術的關鍵階段。在前期課程中有了原理圖設計的簡單應用基礎后，EDA課程中要重點針對硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)、系統設計方法、邏輯描述原則等理論性內容進行講解，使學生在感性認識之后，對數字系統設計形成更深的理性認識，做到真正的理解與掌握。學時安排方面，實驗學時占到EDA課程總學時的50%。在以培養學生應用能力為目標的課程教學中，將實驗環節分為：基本實驗、拓展實驗和創新實驗三種類型。拓展實驗是在每個實驗的基本目標之后增加拓展要求，為學有余力的學生提供發揮空間。創新實驗是提出實驗項目，不限定解決方案，激勵學生充分發揮創造力，用不同方法解決相同的技術問題，并鼓勵學生充分發揮其功能，從而獲得更高的實驗技能成績。

EDA課程設計環節，要求學生使用HDL語言進行綜合系統設計，解決實際應用問題。課程設計是學生對數字系統設計的一次內化理解與提高。課程設計題目具有綜合性，在內部資源上，既要有組合邏輯電路運用，又要有時序邏輯電路運用；外部資源上，盡可能多的結合外部器件，包括各種輸入方式和輸出響應方式、A/D和D/A轉換器件。

2.5 “EDA技術”用于創新競賽、畢業設計與實習

畢業設計和創新競賽中采用EDA技術，是對“EDA技術”課程學習效果的綜合檢驗，是在教師指導下，學生進入自由發揮的創新設計階段。EDA技術因其良好的高速性和并行性，在電子系統設計中具有不可比擬的優勢，例如數字濾波算法的實現、高速數據采集與存儲、高速數據處理等方面均需運用FPGA器件。因此在畢業設計和創新競賽中EDA技術頻繁運用。通過課程融合的教學改革與嘗試，在畢業設計中，學生可以很好地運用EDA技術，進一步深入學習SOPC技術，開展畢業設計，完成各類設計題目。各類電氣、電子、嵌入式和機器人競賽中，EDA技術也越來越發揮重要作用，如直接數字信號合成、高速信號源、圖像信息處理、數據通訊編解碼等技術常在競賽中運用。

畢業實習階段，測控專業進入測試儀器生產企業，了解示波器、邏輯分析器等儀器設備的產品設計方案，其中基于FPGA的EDA技術是產品的核心技術環節。學生結合幾年來對EDA技術的了解，對產品有深刻的認識，對EDA知識也有融會貫通、總結提升的學習效果。

3 結語

本文所述“EDA技術”課程融合應用的教學方案，既能保證各門課程的獨立性，又能增強課程間的聯系，使學生對數字電子技術的學習步步深入，最終做到融會貫通。EDA技術融合運用于電子技術各實踐環節，具有良好地可實施性，提升教學投入效益，有效增強學生的設計能力和創新能力，提升學生就業的綜合競爭力。以學生為中心，形成以課程為核心的教學團隊，完善線上線下教學資源，讓學生完成“一條龍”式的知識脈絡學習。隨著EDA技術的發展、實驗設備的進一步更新完善和教學資源的逐步拓展，課程融合能夠更好地提高學生的應用設計能力和創新能力，是電子技術課程與EDA課程改革的可行方向。