淺談數(shù)字電路虛擬實驗教學方法應用研究
論文摘要：分析了數(shù)字電路教學存在的不足，針對數(shù)字電路學習和設計中的問題，將多種流行的EDA工具集成起來，構建了集成化、網(wǎng)絡化的虛擬實驗教學平臺，融入多門課程教學內(nèi)容，闡述了EDA技術在平臺中的應用，介紹了虛擬實驗仿真教學的理論、方法和實現(xiàn)過程，描述了虛擬實驗平臺的組成結(jié)構、教學內(nèi)容組織、軟件系統(tǒng)設計和實現(xiàn)方法，給出了數(shù)字電路教學的應用案例。
論文關鍵詞：EDA；FPGA；虛擬實驗；仿真平臺
數(shù)字電路在計算機專業(yè)教學和計算機應用領域占有非常重要的地位，而數(shù)字電路的學習由于受到實驗設備、實驗材料、技術手段、應用環(huán)境的制約，往往收不到良好的學習效果。由于新技術、新產(chǎn)品不斷更新，對現(xiàn)有的教學理念、教學資源、教學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需要，面臨著更新?lián)Q代的壓力。而更新設備需要大量的資金投入，對于辦學經(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)影響到了教學工作的順利進行。因此，虛擬實驗室的概念應運而生，通過虛擬實驗來改善教育教學環(huán)境，提高教學質(zhì)量。虛擬實驗教學環(huán)境是指開展虛擬實驗教學所需的環(huán)境，包括硬件和軟件環(huán)境兩部分。 EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）工具在數(shù)字電路的設計中也得到了廣泛應用。EDA是以計算機大規(guī)�？删幊唐骷拈_發(fā)軟件及實驗開發(fā)系統(tǒng)為設計工具，通過開發(fā)軟件，自動完成用軟件的方式設計的電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)。本文在此基礎上做了數(shù)字電路虛擬實驗教學方法的改革與探討，提出了集成化、網(wǎng)絡化解決方案，把虛擬實驗室理論和EDA工具結(jié)合起來，引入EDA仿真技術，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)象極復雜的變化過程。將數(shù)字電路教學中涉及到的課程、理論、技術集成起來，構成一個內(nèi)容豐富、技術先進，理論、實驗、仿真相結(jié)合的數(shù)字電路虛擬實驗教學仿真平臺，豐富了教學手段。
一、教學中存在的不足
目前，許多高校數(shù)字電路教學還采用下列教學方法，但往往因受到制約而收不到良好的教學效果。
1.手工操作法
根據(jù)實驗內(nèi)容和要求，設計實驗電路；以簡單的實驗板為載體，以簡單門電路、電子元件、導線、開關、LED為主，搭建實驗電路；通過開關的不同組合，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。對于復雜的實驗方案，涉及到的電子元件、門電路、導線等數(shù)量眾多，在實驗板上手工進行元件布局、導線連接比較困難并且容易出錯，導致實驗的返工或失敗，從而影響到教學實驗的順利進行，無法保證教學質(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電路已經(jīng)事先設計好了，學生做實驗時可根據(jù)儀器提供的電路、材料、實驗方案來完成教學內(nèi)容的驗證實驗。由學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、電路的設計受到極大制約，對于復雜的、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、輸出邏輯關系，將電路的編程文件下載到實驗板，通過實驗板上的開關提供輸入信號，通過LED、LCD的輸出狀態(tài)來驗證電路設計的正確性。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、LED、LCD等資源有限，使實驗方案的設計、電路的設計也受到限制，只能滿足基本的教學需要。無法滿足對大型的、復雜的、綜合性的數(shù)字電路系統(tǒng)設計和實驗要求。
以上方法都存在共同的不足之處，即實驗設備、材料、資源有限。隨著技術的不斷發(fā)展，教學理論、實驗內(nèi)容的不斷更新，現(xiàn)有設備面臨著落后、被淘汰的局面，無法滿足教學要求，會極大地影響教學工作。
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理論、方法的研究與探討，目的在于解決資源不足、技術落后的問題，可以有效地保證教學的順利進行。
數(shù)字電路虛擬實驗室由一個學習網(wǎng)站和相關的學習系統(tǒng)模塊組成。網(wǎng)站提供一個具有用戶管理、教學資源和案例組織、學習環(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學習
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)字電路理論學習、實驗方案設計、數(shù)字電路設計、電路的功能和時序驗證提供了良好的學習和實驗的仿真環(huán)境。通過對這些工具的學習，可以提高學生數(shù)字電路設計和學習能力。
2.語言學習
數(shù)字電路的設計，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計，尤其是復雜的數(shù)字電路。平臺中提供了VHDL和Verilog HDL等硬件描述語言的學習環(huán)境，建立了大量的語言學習案例，給出了仿真結(jié)果，以方便學生的學習。
3.基本門電路學習
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，為學生提供數(shù)字電路學習和設計的基本知識、基本原理和簡單電路的設計方法，使其掌握數(shù)字電路的實驗、仿真、驗證方法，為數(shù)字電路的學習打下堅實的基礎。
4.組合電路學習
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、算術邏輯單元等中規(guī)模電路為基礎，培養(yǎng)學生分析、設計、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，為設計復雜的數(shù)字電路打好基礎。
5.同步時序電路學習
同步時序電路由組合邏輯和觸發(fā)器構成，引入時鐘、時序的概念，以同步時序電路的基本結(jié)構為基礎，介紹基本的設計步驟，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)的推導等。由簡到繁逐步學習同步時序電路的設計，由EDA工具對設計進行時序仿真，驗證時序電路設計的正確性。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習。
6.異步時序電路學習
異步時序電路分為脈沖異步和電位異步時序電路，其設計復雜而應用遠不及同步時序電路，在此只給出部分典型應用案例，為異步電路的學習提供設計參考。
7.數(shù)字系統(tǒng)設計學習
提供完整的數(shù)字系統(tǒng)設計案例，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)的設計方法、技術、技巧，有助于學生對數(shù)字系統(tǒng)設計的理解和設計方法的掌握，培養(yǎng)學生對綜合數(shù)字系統(tǒng)的設計能力。
8.DSP、SOPC系統(tǒng)設計學習
提供數(shù)字信號處理（DSP）和片上系統(tǒng)（SOC）設計的理論學習、方案設計、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)學生的創(chuàng)新能力。
三、教學案例的組織
虛擬實驗室的建立能否成功，主要取決于教學資源的組織、新技術的應用、教學內(nèi)容的安排、案例的構建。其中案例的構建至關重要，在滿足教學內(nèi)容、教學大綱要求的同時，既要考慮到新的理論、技術的發(fā)展，又要考慮到學生理論水平和接受能力，以多種形式組織教學案例，提高學習興趣，收到良好的教學效果。
數(shù)字電路的設計有自己的特點，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建教學案例，形式新穎、生動有趣、寓教于樂，有助于提高學習興趣，保證教學任務的順利完成和教學質(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)站建設和學習系統(tǒng)的設計。在此重點介紹學習系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)中采用流行的EDA工具Quartus、ModelSim等構成虛擬實驗環(huán)境，以虛擬的FPGA為載體，進行實驗方案和實驗電路的設計、仿真、驗證。采用EDA設計電路，修改、調(diào)試、驗證方便快捷，作為數(shù)字電路設計、實驗仿真驗證的學習工具有著明顯的優(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)境變量的設置、系統(tǒng)參數(shù)和返回信息的處理等。
數(shù)字電路設計的學習過程包括：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)設計方案
確定數(shù)字電路設計文檔的輸入模式：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計方法，將電路分成多個相對簡單的子模塊。子模塊電路設計相對容易，設計、驗證通過后，組合起來構成完整的電路。
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、輸出引腳關系。在Quartus中指定相應的引腳，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)字電路學習和設計的需要。
五、測試和結(jié)論
整個平臺包括網(wǎng)站建設、EDA工具的集成、學習系統(tǒng)的設計。涉及到多種EDA技術的集成，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性要求較高。為了達到設計要求進行了專門測試。虛擬實驗室的建立，學習系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，豐富教學手段的同時，提供了大量的教學案例，將數(shù)字電路中的多門課程集成和優(yōu)化，可以滿足教學要求，通過網(wǎng)絡訪問平臺，達到遠程學習目的，可節(jié)省實驗室空間，方便教學任務的實施，有較高的應用價值。
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