淺談數字電路虛擬實(shí)驗教學(xué)方法應用研究

　　論文摘要：分析了數字電路教學(xué)存在的不足，針對數字電路學(xué)習和設計中的問(wèn)題，將多種流行的EDA工具集成起來(lái)，構建了集成化、網(wǎng)絡(luò )化的虛擬實(shí)驗教學(xué)平臺，融入多門(mén)課程教學(xué)內容，闡述了EDA技術(shù)在平臺中的應用，介紹了虛擬實(shí)驗仿真教學(xué)的理論、方法和實(shí)現過(guò)程，描述了虛擬實(shí)驗平臺的組成結構、教學(xué)內容組織、軟件系統設計和實(shí)現方法，給出了數字電路教學(xué)的應用案例。

　　論文關(guān)鍵詞：EDA；FPGA；虛擬實(shí)驗；仿真平臺
　　
　　數字電路在計算機專(zhuān)業(yè)教學(xué)和計算機應用領(lǐng)域占有非常重要的地位，而數字電路的學(xué)習由于受到實(shí)驗設備、實(shí)驗材料、技術(shù)手段、應用環(huán)境的制約，往往收不到良好的學(xué)習效果。由于新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷更新，對現有的教學(xué)理念、教學(xué)資源、教學(xué)手段提出了更高的要求，現有的實(shí)驗環(huán)境和資源已無(wú)法滿(mǎn)足教學(xué)需要，面臨著(zhù)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(xué)經(jīng)費本已經(jīng)很緊張的高校來(lái)說(shuō)，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(jìn)行。因此，虛擬實(shí)驗室的概念應運而生，通過(guò)虛擬實(shí)驗來(lái)改善教育教學(xué)環(huán)境，提高教學(xué)質(zhì)量。虛擬實(shí)驗教學(xué)環(huán)境是指開(kāi)展虛擬實(shí)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，電子設計自動(dòng)化）工具在數字電路的設計中也得到了廣泛應用。EDA是以計算機大規�？删幊唐骷�的開(kāi)發(fā)軟件及實(shí)驗開(kāi)發(fā)系統為設計工具，通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件，自動(dòng)完成用軟件的方式設計的電子系統到硬件系統的實(shí)現。本文在此基礎上做了數字電路虛擬實(shí)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(shí)驗室理論和EDA工具結合起來(lái)，引入EDA仿真技術(shù)，即時(shí)地以圖形、數字或曲線(xiàn)的形式來(lái)顯示理論課程中難以用語(yǔ)言、文字表達或難以理解的現象極復雜的變化過(guò)程。將數字電路教學(xué)中涉及到的課程、理論、技術(shù)集成起來(lái)，構成一個(gè)內容豐富、技術(shù)先進(jìn)，理論、實(shí)驗、仿真相結合的數字電路虛擬實(shí)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
　　根據實(shí)驗內容和要求，設計實(shí)驗電路；以簡(jiǎn)單的實(shí)驗板為載體，以簡(jiǎn)單門(mén)電路、電子元件、導線(xiàn)、開(kāi)關(guān)、LED為主，搭建實(shí)驗電路；通過(guò)開(kāi)關(guān)的不同組合，人為地給電路提供輸入信號，觀(guān)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(mén)電路等實(shí)驗材料的種類(lèi)和數量有限，實(shí)驗方案的設計往往受到限制；有效的實(shí)驗方案，也只能通過(guò)現有的材料來(lái)實(shí)現。簡(jiǎn)單的實(shí)驗方案由于涉及到的材料較少，實(shí)現起來(lái)較為方便。對于復雜的實(shí)驗方案，涉及到的電子元件、門(mén)電路、導線(xiàn)等數量眾多，在實(shí)驗板上手工進(jìn)行元件布局、導線(xiàn)連接比較困難并且容易出錯，導致實(shí)驗的返工或失敗，從而影響到教學(xué)實(shí)驗的順利進(jìn)行，無(wú)法保證教學(xué)質(zhì)量。
　　2.半自動(dòng)操作法
　　采用專(zhuān)用實(shí)驗儀器，如數字邏輯、計算機原理等的專(zhuān)用實(shí)驗儀器。優(yōu)點(diǎn)在于大部分的基礎電路已經(jīng)事先設計好了，學(xué)生做實(shí)驗時(shí)可根據儀器提供的電路、材料、實(shí)驗方案來(lái)完成教學(xué)內容的驗證實(shí)驗。由學(xué)生自己搭建的線(xiàn)路較少，減少了出錯的機會(huì )，可以保證實(shí)驗的順利進(jìn)行。正是由于大部分電路已經(jīng)設計好了，同時(shí)儀器提供的實(shí)驗電路有限，從而使得實(shí)驗內容、方案、電路的設計受到極大制約，對于復雜的、大規模的實(shí)驗電路無(wú)法實(shí)現，尤其是一些創(chuàng )新性、開(kāi)放性的實(shí)驗無(wú)法完成。
　　3.自動(dòng)操作法
　　采用專(zhuān)用的FPGA（Field－Programmable Gate Array，現場(chǎng)可編程門(mén)陣列）實(shí)驗板，如Altera 的DE0、DE2等。由于FPGA的可編程特性，通過(guò)軟件設計實(shí)驗方案、實(shí)驗電路，并對電路進(jìn)行功能仿真、時(shí)序仿真，驗證通過(guò)后，根據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(shí)驗板，通過(guò)實(shí)驗板上的開(kāi)關(guān)提供輸入信號，通過(guò)LED、LCD的輸出狀態(tài)來(lái)驗證電路設計的正確性。由于FPGA的型號不同，內部的邏輯單元的種類(lèi)、數量不同，同時(shí)實(shí)驗板上的開(kāi)關(guān)、LED、LCD等資源有限，使實(shí)驗方案的設計、電路的設計也受到限制，只能滿(mǎn)足基本的教學(xué)需要。無(wú)法滿(mǎn)足對大型的、復雜的、綜合性的數字電路系統設計和實(shí)驗要求。
　　以上方法都存在共同的不足之處，即實(shí)驗設備、材料、資源有限。隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，教學(xué)理論、實(shí)驗內容的不斷更新，現有設備面臨著(zhù)落后、被淘汰的局面，無(wú)法滿(mǎn)足教學(xué)要求，會(huì )極大地影響教學(xué)工作。

　　二、虛擬實(shí)驗室的建立

　　本文針對以上情況，提出虛擬實(shí)驗教學(xué)方法，建立虛擬實(shí)驗室，引入EDA仿真工具，開(kāi)展虛擬和仿真實(shí)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(wèn)題，可以有效地保證教學(xué)的順利進(jìn)行。
　　數字電路虛擬實(shí)驗室由一個(gè)學(xué)習網(wǎng)站和相關(guān)的學(xué)習系統模塊組成。網(wǎng)站提供一個(gè)具有用戶(hù)管理、教學(xué)資源和案例組織、學(xué)習環(huán)境建立、仿真實(shí)驗等功能的平臺。其中的系統模塊由以下幾部分組成。
　　1.EDA學(xué)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，為數字電路理論學(xué)習、實(shí)驗方案設計、數字電路設計、電路的功能和時(shí)序驗證提供了良好的學(xué)習和實(shí)驗的仿真環(huán)境。通過(guò)對這些工具的學(xué)習，可以提高學(xué)生數字電路設計和學(xué)習能力。
　　2.語(yǔ)言學(xué)習
　　數字電路的設計，除了采用原理圖的形式進(jìn)行描述以外，更多的是采用HDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設計，尤其是復雜的數字電路。平臺中提供了VHDL和Verilog HDL等硬件描述語(yǔ)言的學(xué)習環(huán)境，建立了大量的語(yǔ)言學(xué)習案例，給出了仿真結果，以方便學(xué)生的學(xué)習。
　　3.基本門(mén)電路學(xué)習
　　以數字電路中的基本門(mén)電路如與、或、非、與非、或非、異或、同或等為基礎，為學(xué)生提供數字電路學(xué)習和設計的基本知識、基本原理和簡(jiǎn)單電路的設計方法，使其掌握數字電路的實(shí)驗、仿真、驗證方法，為數字電路的學(xué)習打下堅實(shí)的基礎。
　　4.組合電路學(xué)習
　　以數字電路中的觸發(fā)器、譯碼器、鎖存器、寄存器、計數器、選擇器、分配器、比較器、算術(shù)邏輯單元等中規模電路為基礎，培養學(xué)生分析、設計、實(shí)現中規模集成電路的能力，加深對數字電路理論的理解，為設計復雜的數字電路打好基礎。

　　5.同步時(shí)序電路學(xué)習
　　同步時(shí)序電路由組合邏輯和觸發(fā)器構成，引入時(shí)鐘、時(shí)序的概念，以同步時(shí)序電路的基本結構為基礎，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(jiǎn)、觸發(fā)器的選擇、輸出狀態(tài)的確定、輸出函數的推導等。由簡(jiǎn)到繁逐步學(xué)習同步時(shí)序電路的設計，由EDA工具對設計進(jìn)行時(shí)序仿真，驗證時(shí)序電路設計的正確性。本模塊提供了寄存器、計數器、分頻器、脈沖發(fā)生器、脈沖檢測器、碼組變換器等多種時(shí)序電路的學(xué)習。
　　6.異步時(shí)序電路學(xué)習
　　異步時(shí)序電路分為脈沖異步和電位異步時(shí)序電路，其設計復雜而應用遠不及同步時(shí)序電路，在此只給出部分典型應用案例，為異步電路的學(xué)習提供設計參考。
　　7.數字系統設計學(xué)習
　　提供完整的數字系統設計案例，如交通燈控制系統，求最值系統，數據采集系統、鍵盤(pán)、鼠標驅動(dòng)系統，顯示驅動(dòng)、控制系統，攝像監控系統，簡(jiǎn)單的工業(yè)各控制系統，等。給出數字系統的設計方法、技術(shù)、技巧，有助于學(xué)生對數字系統設計的理解和設計方法的掌握，培養學(xué)生對綜合數字系統的設計能力。
　　8.DSP、SOPC系統設計學(xué)習
　　提供數字信號處理（DSP）和片上系統（SOC）設計的理論學(xué)習、方案設計、仿真案例、實(shí)現方法、下載驗證。建立了開(kāi)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，有助于培養學(xué)生的創(chuàng )新能力。

　　三、教學(xué)案例的組織

　　虛擬實(shí)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)的應用、教學(xué)內容的安排、案例的構建。其中案例的構建至關(guān)重要，在滿(mǎn)足教學(xué)內容、教學(xué)大綱要求的同時(shí)，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)習興趣，收到良好的教學(xué)效果。
　　數字電路的設計有自己的特點(diǎn)，信息的描述以文字、圖、表為主，看起來(lái)有些枯燥乏味。所以平臺中采用EDA工具，以彩色圖畫(huà)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(yǔ)言，以邏輯函數表達式、真值表、原理圖、語(yǔ)言文檔、功能仿真圖、時(shí)序仿真圖等多種形來(lái)構建教學(xué)案例，形式新穎、生動(dòng)有趣、寓教于樂(lè )，有助于提高學(xué)習興趣，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(shí)驗的實(shí)現過(guò)程

　　虛擬實(shí)驗室的實(shí)現包括網(wǎng)站建設和學(xué)習系統的設計。在此重點(diǎn)介紹學(xué)習系統的設計。系統中采用流行的EDA工具Quartus、ModelSim等構成虛擬實(shí)驗環(huán)境，以虛擬的FPGA為載體，進(jìn)行實(shí)驗方案和實(shí)驗電路的設計、仿真、驗證。采用EDA設計電路，修改、調試、驗證方便快捷，作為數字電路設計、實(shí)驗仿真驗證的學(xué)習工具有著(zhù)明顯的優(yōu)點(diǎn)。Quartus和ModelSim是優(yōu)秀的數字電路仿真軟件，是基于FPGA進(jìn)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、系統參數和返回信息的處理等。
　　數字電路設計的學(xué)習過(guò)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并化簡(jiǎn)、原理圖設計及優(yōu)化、門(mén)電路選型、建立最優(yōu)邏輯電路、功能驗證、時(shí)序驗證、形成實(shí)際電路，由此虛擬實(shí)驗的實(shí)現過(guò)程如下。
　　1.根據設計方案
　　確定數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(dòng)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(mǎn)足所有的數字電路系統的設計。充分利用這一資源，可以完全滿(mǎn)足虛擬實(shí)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(yǔ)言輸入，或兩者的混合輸入方式。對于復雜的數字電路，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(gè)相對簡(jiǎn)單的子模塊。子模塊電路設計相對容易，設計、驗證通過(guò)后，組合起來(lái)構成完整的電路。
　　4.編譯工程項目
　　對項目進(jìn)行全程編譯，通過(guò)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(dòng)功能仿真和時(shí)序仿真，自動(dòng)進(jìn)入ModelSim仿真環(huán)境，觀(guān)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(shí)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中指定相應的引腳，重新編譯生成編程下載文件。文件下載到實(shí)驗板后，通過(guò)改變輸入信號、觀(guān)察輸出信號狀態(tài)的變化，來(lái)驗證電路設計的正確性。如果沒(méi)有實(shí)驗板，通過(guò)虛擬實(shí)驗完全可以滿(mǎn)足數字電路學(xué)習和設計的需要。

　　五、測試和結論

　　整個(gè)平臺包括網(wǎng)站建設、EDA工具的集成、學(xué)習系統的設計。涉及到多種EDA技術(shù)的集成，對系統的穩定性、可靠性要求較高。為了達到設計要求進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)測試。虛擬實(shí)驗室的建立，學(xué)習系統的設計和實(shí)現，豐富教學(xué)手段的同時(shí)，提供了大量的教學(xué)案例，將數字電路中的多門(mén)課程集成和優(yōu)化，可以滿(mǎn)足教學(xué)要求，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)平臺，達到遠程學(xué)習目的，可節省實(shí)驗室空間，方便教學(xué)任務(wù)的實(shí)施，有較高的應用價(jià)值。

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