淺談數(shù)字電路虛擬實驗教學(xué)方法應(yīng)用研究

　　論文摘要：分析了數(shù)字電路教學(xué)存在的不足，針對數(shù)字電路學(xué)習(xí)和設(shè)計中的問題，將多種流行的EDA工具集成起來，構(gòu)建了集成化、網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗教學(xué)平臺，融入多門課程教學(xué)內(nèi)容，闡述了EDA技術(shù)在平臺中的應(yīng)用，介紹了虛擬實驗仿真教學(xué)的理論、方法和實現(xiàn)過程，描述了虛擬實驗平臺的組成結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容組織、軟件系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)方法，給出了數(shù)字電路教學(xué)的應(yīng)用案例。

　　論文關(guān)鍵詞：EDA；FPGA；虛擬實驗；仿真平臺
　　
　　數(shù)字電路在計算機專業(yè)教學(xué)和計算機應(yīng)用領(lǐng)域占有非常重要的地位，而數(shù)字電路的學(xué)習(xí)由于受到實驗設(shè)備、實驗材料、技術(shù)手段、應(yīng)用環(huán)境的制約，往往收不到良好的學(xué)習(xí)效果。由于新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷更新，對現(xiàn)有的教學(xué)理念、教學(xué)資源、教學(xué)手段提出了更高的要求，現(xiàn)有的實驗環(huán)境和資源已無法滿足教學(xué)需要，面臨著更新?lián)Q代的壓力。而更新設(shè)備需要大量的資金投入，對于辦學(xué)經(jīng)費本已經(jīng)很緊張的高校來說，矛盾尤其突出。這種狀況已經(jīng)影響到了教學(xué)工作的順利進行。因此，虛擬實驗室的概念應(yīng)運而生，通過虛擬實驗來改善教育教學(xué)環(huán)境，提高教學(xué)質(zhì)量。虛擬實驗教學(xué)環(huán)境是指開展虛擬實驗教學(xué)所需的環(huán)境，包括硬件和軟件環(huán)境兩部分。 EDA（Electronic Design Automation，電子設(shè)計自動化）工具在數(shù)字電路的設(shè)計中也得到了廣泛應(yīng)用。EDA是以計算機大規(guī)�？删幊唐骷�的開發(fā)軟件及實驗開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計工具，通過開發(fā)軟件，自動完成用軟件的方式設(shè)計的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)。本文在此基礎(chǔ)上做了數(shù)字電路虛擬實驗教學(xué)方法的改革與探討，提出了集成化、網(wǎng)絡(luò)化解決方案，把虛擬實驗室理論和EDA工具結(jié)合起來，引入EDA仿真技術(shù)，即時地以圖形、數(shù)字或曲線的形式來顯示理論課程中難以用語言、文字表達或難以理解的現(xiàn)象極復(fù)雜的變化過程。將數(shù)字電路教學(xué)中涉及到的課程、理論、技術(shù)集成起來，構(gòu)成一個內(nèi)容豐富、技術(shù)先進，理論、實驗、仿真相結(jié)合的數(shù)字電路虛擬實驗教學(xué)仿真平臺，豐富了教學(xué)手段。

　　一、教學(xué)中存在的不足

　　目前，許多高校數(shù)字電路教學(xué)還采用下列教學(xué)方法，但往往因受到制約而收不到良好的教學(xué)效果。
　　1.手工操作法
　　根據(jù)實驗內(nèi)容和要求，設(shè)計實驗電路；以簡單的實驗板為載體，以簡單門電路、電子元件、導(dǎo)線、開關(guān)、LED為主，搭建實驗電路；通過開關(guān)的不同組合，人為地給電路提供輸入信號，觀察LED亮、滅的狀態(tài)，判斷電路設(shè)計正確與否。由于電子元件和門電路等實驗材料的種類和數(shù)量有限，實驗方案的設(shè)計往往受到限制；有效的實驗方案，也只能通過現(xiàn)有的材料來實現(xiàn)。簡單的實驗方案由于涉及到的材料較少，實現(xiàn)起來較為方便。對于復(fù)雜的實驗方案，涉及到的電子元件、門電路、導(dǎo)線等數(shù)量眾多，在實驗板上手工進行元件布局、導(dǎo)線連接比較困難并且容易出錯，導(dǎo)致實驗的返工或失敗，從而影響到教學(xué)實驗的順利進行，無法保證教學(xué)質(zhì)量。
　　2.半自動操作法
　　采用專用實驗儀器，如數(shù)字邏輯、計算機原理等的專用實驗儀器。優(yōu)點在于大部分的基礎(chǔ)電路已經(jīng)事先設(shè)計好了，學(xué)生做實驗時可根據(jù)儀器提供的電路、材料、實驗方案來完成教學(xué)內(nèi)容的驗證實驗。由學(xué)生自己搭建的線路較少，減少了出錯的機會，可以保證實驗的順利進行。正是由于大部分電路已經(jīng)設(shè)計好了，同時儀器提供的實驗電路有限，從而使得實驗內(nèi)容、方案、電路的設(shè)計受到極大制約，對于復(fù)雜的、大規(guī)模的實驗電路無法實現(xiàn)，尤其是一些創(chuàng)新性、開放性的實驗無法完成。
　　3.自動操作法
　　采用專用的FPGA（Field－Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）實驗板，如Altera 的DE0、DE2等。由于FPGA的可編程特性，通過軟件設(shè)計實驗方案、實驗電路，并對電路進行功能仿真、時序仿真，驗證通過后，根據(jù)FPGA的具體型號，手工分配引腳，確定輸入、輸出邏輯關(guān)系，將電路的編程文件下載到實驗板，通過實驗板上的開關(guān)提供輸入信號，通過LED、LCD的輸出狀態(tài)來驗證電路設(shè)計的正確性。由于FPGA的型號不同，內(nèi)部的邏輯單元的種類、數(shù)量不同，同時實驗板上的開關(guān)、LED、LCD等資源有限，使實驗方案的設(shè)計、電路的設(shè)計也受到限制，只能滿足基本的教學(xué)需要。無法滿足對大型的、復(fù)雜的、綜合性的數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計和實驗要求。
　　以上方法都存在共同的不足之處，即實驗設(shè)備、材料、資源有限。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，教學(xué)理論、實驗內(nèi)容的不斷更新，現(xiàn)有設(shè)備面臨著落后、被淘汰的局面，無法滿足教學(xué)要求，會極大地影響教學(xué)工作。

　　二、虛擬實驗室的建立

　　本文針對以上情況，提出虛擬實驗教學(xué)方法，建立虛擬實驗室，引入EDA仿真工具，開展虛擬和仿真實驗教學(xué)理論、方法的研究與探討，目的在于解決資源不足、技術(shù)落后的問題，可以有效地保證教學(xué)的順利進行。
　　數(shù)字電路虛擬實驗室由一個學(xué)習(xí)網(wǎng)站和相關(guān)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)模塊組成。網(wǎng)站提供一個具有用戶管理、教學(xué)資源和案例組織、學(xué)習(xí)環(huán)境建立、仿真實驗等功能的平臺。其中的系統(tǒng)模塊由以下幾部分組成。
　　1.EDA學(xué)習(xí)
　　平臺中集成了Quartus Ⅱ、ModelSim、MATLAB、DSP Builder、SOPC Builder、Nios Ⅱ IDE等優(yōu)秀的EDA仿真工具，為數(shù)字電路理論學(xué)習(xí)、實驗方案設(shè)計、數(shù)字電路設(shè)計、電路的功能和時序驗證提供了良好的學(xué)習(xí)和實驗的仿真環(huán)境。通過對這些工具的學(xué)習(xí)，可以提高學(xué)生數(shù)字電路設(shè)計和學(xué)習(xí)能力。
　　2.語言學(xué)習(xí)
　　數(shù)字電路的設(shè)計，除了采用原理圖的形式進行描述以外，更多的是采用HDL硬件描述語言進行設(shè)計，尤其是復(fù)雜的數(shù)字電路。平臺中提供了VHDL和Verilog HDL等硬件描述語言的學(xué)習(xí)環(huán)境，建立了大量的語言學(xué)習(xí)案例，給出了仿真結(jié)果，以方便學(xué)生的學(xué)習(xí)。
　　3.基本門電路學(xué)習(xí)
　　以數(shù)字電路中的基本門電路如與、或、非、與非、或非、異或、同或等為基礎(chǔ)，為學(xué)生提供數(shù)字電路學(xué)習(xí)和設(shè)計的基本知識、基本原理和簡單電路的設(shè)計方法，使其掌握數(shù)字電路的實驗、仿真、驗證方法，為數(shù)字電路的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。
　　4.組合電路學(xué)習(xí)
　　以數(shù)字電路中的觸發(fā)器、譯碼器、鎖存器、寄存器、計數(shù)器、選擇器、分配器、比較器、算術(shù)邏輯單元等中規(guī)模電路為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計、實現(xiàn)中規(guī)模集成電路的能力，加深對數(shù)字電路理論的理解，為設(shè)計復(fù)雜的數(shù)字電路打好基礎(chǔ)。

　　5.同步時序電路學(xué)習(xí)
　　同步時序電路由組合邏輯和觸發(fā)器構(gòu)成，引入時鐘、時序的概念，以同步時序電路的基本結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，介紹基本的設(shè)計步驟，如狀態(tài)圖、狀態(tài)表、狀態(tài)分配和化簡、觸發(fā)器的選擇、輸出狀態(tài)的確定、輸出函數(shù)的推導(dǎo)等。由簡到繁逐步學(xué)習(xí)同步時序電路的設(shè)計，由EDA工具對設(shè)計進行時序仿真，驗證時序電路設(shè)計的正確性。本模塊提供了寄存器、計數(shù)器、分頻器、脈沖發(fā)生器、脈沖檢測器、碼組變換器等多種時序電路的學(xué)習(xí)。
　　6.異步時序電路學(xué)習(xí)
　　異步時序電路分為脈沖異步和電位異步時序電路，其設(shè)計復(fù)雜而應(yīng)用遠不及同步時序電路，在此只給出部分典型應(yīng)用案例，為異步電路的學(xué)習(xí)提供設(shè)計參考。
　　7.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計學(xué)習(xí)
　　提供完整的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計案例，如交通燈控制系統(tǒng)，求最值系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、鍵盤、鼠標驅(qū)動系統(tǒng)，顯示驅(qū)動、控制系統(tǒng)，攝像監(jiān)控系統(tǒng)，簡單的工業(yè)各控制系統(tǒng)，等。給出數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法、技術(shù)、技巧，有助于學(xué)生對數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的理解和設(shè)計方法的掌握，培養(yǎng)學(xué)生對綜合數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計能力。
　　8.DSP、SOPC系統(tǒng)設(shè)計學(xué)習(xí)
　　提供數(shù)字信號處理（DSP）和片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計的理論學(xué)習(xí)、方案設(shè)計、仿真案例、實現(xiàn)方法、下載驗證。建立了開放性、創(chuàng)新性的教學(xué)案例，給出了創(chuàng)新性的仿真試驗方法和理論，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

　　三、教學(xué)案例的組織

　　虛擬實驗室的建立能否成功，主要取決于教學(xué)資源的組織、新技術(shù)的應(yīng)用、教學(xué)內(nèi)容的安排、案例的構(gòu)建。其中案例的構(gòu)建至關(guān)重要，在滿足教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)大綱要求的同時，既要考慮到新的理論、技術(shù)的發(fā)展，又要考慮到學(xué)生理論水平和接受能力，以多種形式組織教學(xué)案例，提高學(xué)習(xí)興趣，收到良好的教學(xué)效果。
　　數(shù)字電路的設(shè)計有自己的特點，信息的描述以文字、圖、表為主，看起來有些枯燥乏味。所以平臺中采用EDA工具，以彩色圖畫的形式顯示文字、圖、表，引入層次化的原理圖設(shè)計，采用多種描述語言，以邏輯函數(shù)表達式、真值表、原理圖、語言文檔、功能仿真圖、時序仿真圖等多種形來構(gòu)建教學(xué)案例，形式新穎、生動有趣、寓教于樂，有助于提高學(xué)習(xí)興趣，保證教學(xué)任務(wù)的順利完成和教學(xué)質(zhì)量的提高。

　　四、虛擬仿真實驗的實現(xiàn)過程

　　虛擬實驗室的實現(xiàn)包括網(wǎng)站建設(shè)和學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計。在此重點介紹學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)中采用流行的EDA工具Quartus、ModelSim等構(gòu)成虛擬實驗環(huán)境，以虛擬的FPGA為載體，進行實驗方案和實驗電路的設(shè)計、仿真、驗證。采用EDA設(shè)計電路，修改、調(diào)試、驗證方便快捷，作為數(shù)字電路設(shè)計、實驗仿真驗證的學(xué)習(xí)工具有著明顯的優(yōu)點。Quartus和ModelSim是優(yōu)秀的數(shù)字電路仿真軟件，是基于FPGA進行電路設(shè)計的首選，在平臺中需要集成和配置才能取得最優(yōu)的效果，包括軟件的安裝、環(huán)境變量的設(shè)置、系統(tǒng)參數(shù)和返回信息的處理等。
　　數(shù)字電路設(shè)計的學(xué)習(xí)過程包括：邏輯功能的分析與確定、生成描述邏輯功能的邏輯函數(shù)并化簡、原理圖設(shè)計及優(yōu)化、門電路選型、建立最優(yōu)邏輯電路、功能驗證、時序驗證、形成實際電路，由此虛擬實驗的實現(xiàn)過程如下。
　　1.根據(jù)設(shè)計方案
　　確定數(shù)字電路設(shè)計文檔的輸入模式：原理圖描述、HDL描述、混合描述。
　　2.啟動Quartus工具
　　建立工程項目并選擇FPGA的型號。由于Quartus中提供了各種大量的虛擬FPGA器件，幾乎可以滿足所有的數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計。充分利用這一資源，可以完全滿足虛擬實驗室對目標器件的需求。
　　3.輸入電路的設(shè)計文檔
　　可以采用原理圖輸入、HDL語言輸入，或兩者的混合輸入方式。對于復(fù)雜的數(shù)字電路，可以采用自頂向下或自底向上的層次化設(shè)計方法，將電路分成多個相對簡單的子模塊。子模塊電路設(shè)計相對容易，設(shè)計、驗證通過后，組合起來構(gòu)成完整的電路。
　　4.編譯工程項目
　　對項目進行全程編譯，通過后生成測試激勵文件TestBench，修改測試文件加入輸入測試信號，將測試文件加到項目中并重新編譯。啟動功能仿真和時序仿真，自動進入ModelSim仿真環(huán)境，觀察輸出波形文件，驗證電路設(shè)計的正確性。
　　5.下載驗證
　　如果有FPGA實驗板，可以按照板上的資源，配置FPGA的具體型號，確定輸入、輸出引腳關(guān)系。在Quartus中指定相應(yīng)的引腳，重新編譯生成編程下載文件。文件下載到實驗板后，通過改變輸入信號、觀察輸出信號狀態(tài)的變化，來驗證電路設(shè)計的正確性。如果沒有實驗板，通過虛擬實驗完全可以滿足數(shù)字電路學(xué)習(xí)和設(shè)計的需要。

　　五、測試和結(jié)論

　　整個平臺包括網(wǎng)站建設(shè)、EDA工具的集成、學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計。涉及到多種EDA技術(shù)的集成，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性要求較高。為了達到設(shè)計要求進行了專門測試。虛擬實驗室的建立，學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，豐富教學(xué)手段的同時，提供了大量的教學(xué)案例，將數(shù)字電路中的多門課程集成和優(yōu)化，可以滿足教學(xué)要求，通過網(wǎng)絡(luò)訪問平臺，達到遠程學(xué)習(xí)目的，可節(jié)省實驗室空間，方便教學(xué)任務(wù)的實施，有較高的應(yīng)用價值。

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