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篇1

關鍵詞：數字邏輯電路；立體化實驗教材；實驗報告

0 引言

教育部《關于全面提高高等教育質量的若干意見》的第八條明確提出強化實踐育人環節。制訂加強高校實踐育人工作的辦法，強化實踐教學環節，結合專業的特點和人才培養要求，分類制訂實踐教學標準，增加實踐教學比重，確保各類專業實踐教學必要的學分（學時），配齊配強實驗室人員，組織編寫一批優秀實驗教材，提升實驗教學水平。“十二五”以來，這些有關加強實驗教學改革文件的出臺，表明深化實踐教學方法改革，加強學生實踐能力和創新能力的培養，已經到了刻不容緩的地步。教育部指出，要把加強實踐教學方法和人才培養模式改革作為專業建設的重要內容。加強實踐教學，實驗教材改革是改革教學內容和教學方法的關鍵一環，實驗教材質量的好壞、水平的高低直接影響到學生的培養質量。

1 目前實驗教材存在的問題

目前，我國高校實驗教材整體上沒有擺脫依附并服務于課程的格局，而且以單一的紙質實驗教材為主，其他形式的實驗資源比較匱乏，傳統教材能滿足系統化實驗教學的需要，但在培養學生創新能力和實踐能力方面存在明顯的不足。近年來，很多高校對傳統實驗項目和內容進行了一系列改革，減少了驗證性實驗項目，增加了綜合性、研究性和設計性實驗項目，但仍然沒有脫離課程體系，只是傳統實驗項目的修改與增刪，還是按照原有的知識體系，配合理論教學而開展的輔實驗教學活動，其目的仍然是為了強化理論教學，幫助學生鞏固和掌握理論知識，沒有把學習方法作為實驗教學的重點加以重視。在實驗教材的內容編排上還是按照實驗目的與原理，操作步驟與方法這一傳統教材的樣式，并沒有從引導、啟發的角度進行組織，一些學校自己印刷的實驗指導書，離正式出版還有一定的距離，也沒有其他數字化的輔導性材料。總之，現在的實驗教材，按照粗放而統一的要求，讓學生“按方抓藥”式地進行驗證，學生的自主學習能力和創新能力得不到鍛煉。

“十二五”以來，深化實踐教學改革，加強學生實踐能力和創新能力的培養，實驗教材的建設已引起各高校的重視。同時，科技的發展與知識的更新也促進了實驗教學設備的改進，也促進實驗教材的改進。因此，在實驗教材的建設上，針對上述問題，必須按照學生的能力體系來構建實驗教學體系，把信息技術與實驗教學內容進行有效整合作為一個重要任務來抓，在寫好傳統紙質教材的同時，建設適合開放教學和創新能力培養要求的多媒體實驗教學資源。

2 數字邏輯電路立體化實驗教材建設

學習最終還是要歸本的，教材是學生學習的主要參考書和理論依據，立體化實驗教材主要包括實驗教程（主教材）、實驗報告、多媒體課件以及其他與實驗有關的實驗教學資源，立體化教材提供了一種綜合性的教學資源，加快了實驗教學內容、教學體系和教學方法及手段的改革，優化實驗教學過程，推動創新教育模式，教材質量的高低會對教學效率以及學生學習水平產生直接的影響。數字邏輯電路的實驗內容具有一定的獨立性，實驗項目的設置、實驗軟件的使用、儀器設備、實驗開發語言等在理論課中很少涉及，因此，開發數字邏輯電路的立體化實驗教材具有可行性。筆者將從實驗教材的編寫思路、實驗內容編排、實驗報告規范、數字化的實驗資源等4個方面來探討數字邏輯電路立體化實驗教材建設。

2.1 實驗教材的編寫思路

為了配合開展實踐教學及適應教學改革的需要，提高實驗教學質量，要不斷改革實踐教學內容和教學方法，高質量的實驗教材是關鍵，為此我們組織技術骨干編寫實驗教材。在數字邏輯電路立體化實驗教材的建設上，除了介紹實驗的基礎理論知識外，堅持“以高水平的實驗吸引人、以數字化的資源方便人”為宗旨，以提高學生實際動手能力和工程設計能力為目的，尊重學生的個性差異和工程素養差異，精心選擇實驗教學內容。

2.2 實驗教材的內容編排

在實驗大綱允許的范圍內，我們采用的方法是“給通才定規則，給天才留空間”，在實驗教材的編寫過程中，在大綱規定的基本要求的基礎上，精心選擇了新穎、有趣，實用性、可行性較強，有助于培養創新型人才的15個不同難度的基礎實驗和5個典型的綜合性、設計性實驗，可供不同專業、不同層次、不同學時數的學生使用，這些實驗基本包含了本專業課程標準要求的相關知識點，幫助學生將教材上的分立知識點有機地、系統地聯系起來，培養綜合分析、設計、制作和調試的能力。設計的每個實驗項目都具有一定的層次性，即同樣的實驗項目，可以設計的簡單些，也可以設計的復雜些，分層次對學生提出要求，對能力差的學生，引導其如何將理論與實際結合起來，把設計思想弄清楚，使其有能力完成實驗的基本要求；對能力強的學生提出更高要求，采用啟發式的方法，充分發揮學生的主體作用，鼓勵他們根據自己的能力，提出多種設計方案，體現教學內容的可伸縮性和開放性。

實驗預習是提高實驗效果的一個重要環節，只有預習充分，實驗操作時才會做到思路清晰。實驗預習質量的高低取決于實驗教材的質量。為此，在編寫實驗教材時，對每個實驗項目除了常見的實驗目的、實驗原理、實驗內容、實驗步驟外，對實驗預習、實驗思考與提高等也提出明確要求。在預習要求中明確了實驗預習必須完成的任務，要求學生理解每一個實驗的實驗原理、編寫或完善實驗代碼等強制性的任務，從而增加了學生對實驗原理、開發語言、實驗代碼的理解。在實驗過程中按照實驗步驟完成實驗要求，在完成實驗的基本要求后，通過實驗思考與提高來提高學生的分析與設計能力。例如，在進行7人表決器電路的設計時，設計方法很多，可以使用原理圖方法實現，還可以使用VHDL語言實現，而使用VHDL語言可以使用行為描述、結構描述、數據流描述3種方法。在實驗思考與提高中，要求學生比較各種實現方法的區別，可以對實驗提出更高的要求，如要求將表決結果在數碼管顯示出來、7個人中有一個人具有否決權、限制表決時間等提高要求，要求學生修改代碼實現相應功能，從而加深對組合邏輯電路設計的理解和硬件描述語言描述組合邏輯電路的方法。

2.3 實驗報告格式的規范

“問題式”教學或“任務式”教學是經常采用的有效的教學方式，有利于學生明確學習目的，能夠激發學生的學習積極性，改善以往被迫學習的方式，變被動為主動，增強實踐動手能力。計算機科學是一門實踐性很強的學科，強調的是“做中學”，就是指在完成實驗的過程去學習，在完成報告中去加深理解。實驗報告是實驗過程的記錄、實驗現象的分析和實驗的總結，書寫實驗報告是實驗教學的重要環節。

在數字邏輯電路實驗中，我們規范了實驗報告內容和要求，并單獨印刷成冊，在實驗報告的設計上，改變以往使用統一的實驗報告紙的形式，實驗報告中不需要學生抄寫實驗目的、實驗原理等內容，而是將實驗內容和要求設計成各種不同的任務，按照實驗步驟來完成這些任務時就完成了實驗報告。在報告中，只需寫出實驗代碼的關鍵部分，調試實驗代碼、畫出實驗的仿真波形、寫出設計中的管腳分配關系，使用測試數據進行實驗驗證、分析實驗現象、將實驗過程中出現的問題進行實驗總結，回答實驗思考題，從而加深對實驗原理的理解，提高設計能力。通過書寫實驗報告，培養了學生認真做好實驗，仔細觀察實驗過程中所發生的現象，有利于加強對理論知識的理解和記憶，促使學生重視基本技能的學習及應用。一份高質量的實驗報告應能反映出學生的綜合素質，如高度的注意力、敏銳的觀察力、豐富的想象力、準確的判斷力、科學的思維能力和正確的表示能力。

2.4 開發豐富的數字化實驗資源，構建網絡化的實驗教學輔助平臺

數字化實驗教學資源是立體化實驗教材的重要組成部分，可以解決目前實驗教學資源相對單一的問題，在進行實驗教材建設時，利用網絡技術開發數字化實驗教學資源，構建網絡化的實驗教學平臺。在數字化實驗教學資源建設時，要避免實驗教材的電子化，開發能滿足創新人才培養、適應開放式實驗教學要求的多媒體實驗資源，使學生能借助校園網絡環境，利用數字化資源進行實驗前預習、討論，甚至自行提出實驗方案，開展實驗后總結和實驗數據分析。網絡化的實驗教學輔助平臺，主要包含實驗儀器的使用、開發軟件的使用，實驗中常見的問題及解決辦法，讓學生借助輔助平臺解決實驗過程中出現的問題，這樣減輕了教師的指導工作，同時也為開放實驗教學提供條件。學生通過對數字化實驗教學資源的有效利用，革新了傳統“按部就班”式的實驗教學模式，激發學生的主觀能動性，調動師生積極參與實踐活動，在實驗中提高了學生分析問題、解決問題的能力，培養其創新意識和創新能力。

3 結語

立體化實驗教材建設實現了實驗教學信息化、網絡化。整合實驗教學資源，優化實驗教學要素的配置，是一種新型的整體實驗教學解決方案，不僅充分考慮到任課教師的教學需要和學生的學習要求，還能促進教學改革的不斷深入，促進教學水平的不斷進步和教學質量的不斷提高。數字邏輯電路立體化實驗教材的紙質教材、實驗報告已使用了兩年，電子課件以及數字化實驗資源及輔助實驗平臺也在實踐中得到完善，滿足了個性化、層次化、開放性實驗教學的要求，有利于大學生自主學習能力和創新能力的培養，也為培養適應信息化社會學習、生活和工作的高素質人才奠定堅實的基礎。目前《數字邏輯電路設計實驗教程》已作為高等院校實驗與實踐系列示范教材在清華大學出版社出版，對計算機硬件課程的實驗教材建設具有一定的示范作用。

參考文獻：

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篇2

關鍵詞 PCB板 可制造性 可測試性 校企合作 實踐能力

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

"Electronic Circuit Board Design" Course Practical Ability

Training Based on School-enterprise Cooperation

PENG Yuanfang， HUANG Xiaofeng

（Advanced Vocational Technical College， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 200437）

Abstract "Electronic circuit board design" course has a strong practical， practicality， for the teaching learning process focused on the neglect of EDA software PCB design reliability， manufacturability and testability， and many other issues raised by school-enterprise cooperation a number of recommendations to enhance the ability of teaching practice， and strive to provide a complete experience working process of learning opportunities for students to enhance students 'ability to adapt to their actual work environment and comprehensive problem solving， students' practical ability， self-discipline and teamwork.

Key words PCB board； manufacturability； testability； school-enterprise cooperation； practice ability

1 課程性質及教學中存在的問題

“電子線路板設計”課程是高職電子信息類專業的核心課程，具有明確的職業崗位指向――即在電子信息企業從事PCB板設計、生產、制造及電子產品生產工藝、產品維修服務等工作。課程的主要內容包括――原理圖繪制、PCB板設計以及信號完整性分析，其中核心內容是PCB板設計，即根據原理圖設計PCB板并確保設計的可靠性、規范性、可測試性及可制造性。該課程的先修課程為電子技術、集成電路應用、高頻電子技術、單片機技術等。在PCB板設計類課程教學中，普遍存在注重CAD軟件的具體操作而忽視PCB板設計的規范性、可測試性及可制造性等技術規范要求，設計的PCB板大多不符合電子產品制造工藝規范，課程教學效果與職業崗位能力要求之間還有很大差距，在“電子線路板設計”課程中提升學生的實踐能力，已成為當務之急。

2 校企合作推進課程教學改革

當前“電子線路板設計”類課程由于PCB板設計與制造企業，多以Cadence、Protel系列軟件為平臺，遵循PCB設計規范，根據硬件設計、電磁兼容和結構設計的要求，完成高密度、高速、多層的復雜PCB設計，而從事者多為有著豐富PCB板開發經驗的資深工程師，盡管電子信息類專業的大專院校畢業生多學過此類課程，但所學知識與企業里的新知識、新技術存在一定差距，很難達到企業的崗位要求。鑒于此，校企合作已成為提高教學實踐能力的最有效的途徑，合作方式主要包括以下內容。

2.1 校企合作共同制定課程教學大綱

高等職業教育的職業性特征決定了高職課程的建設與改革，必須在市場化的運行機制保障下走校企合作之路。而高職技術應用類課程教學大綱的制定，應由企業相關工作部門提出職業崗位的總體目標和各項技能要求，學校在課程決策中的任務則是根據教育科學的原理，把職業目標合理地轉化為課程教學大綱，將課程教學內容與企業技術培訓項目有機結合，以滿足特定職業崗位的針對性技術培養目標，并根據行業企業發展適時調整并更新教學內容，以保持課程內容與技術進步的同步。

2.2 校企合作共同設計開發項目化教材

在制定符合企業崗位需求的課程教學大綱后，結合課程涉及的實際工作背景，課程組教師與企業資深PCB設計工程師共同開發課程教材。由于企業的產品技術難度較大，電子線路板結構較為復雜，并廣泛使用表面粘貼技術，將企業產品案例化整為零，以企業崗位能力需求為切入點，引進職業鑒定考核標準，將企業電子線路板設計工程化的理念以及嚴格的線路板工藝管理規范引入到教材開發中。如引入企業PCB板工藝規范標準，教材設計中將學習過程與工作過程結合，以實現學有所用，提高就業上崗能力，使學生具備再學習、再提高的能力，以適應行業企業技術的發展變化。

2.3 校企合作共同承擔授課任務

采用項目驅動法實施課程教學，由企業資深PCB設計工程師和科研能力強的專業教師聯合授課，并組織本專業青年教師跟班學習并參與對學生的指導。項目案例的選取以企業真實產品為載體，由此將縮短教學與行業、企業的距離。整個課程教學由5個項目案例組成，均包含項目功能剖析、原理圖繪制、PCB板設計以及信號完整性分析。其中PCB板設計是核心，主要包括PCB結構設計元件封裝庫建立PCB板布局布線及優化絲印網絡與DRC檢查制版。

企業資深PCB設計工程師參與課堂教學，使得項目教學過程均有相關企業技術標準和規范可循，從工程實例出發，針對不同的項目案例，逐一引入典型“布線”標準與規范，使得繁瑣、抽象的問題具體化、規則化，提高了課程教學的實用性和技術性，使課程內容更具職業教育特色，青年教師也迅速成長。

2.4 校企合作完成課程教學考核

改革課程的考核評價方法，打破以書面考試評價方式、書面考試成績判定學生學業水平為主的傳統評價，以職業能力標準作為測試學生最終成績水平的基準，逐步實現課程考核方式的“職業化”。課程考核由企業PCB設計工程師和校內教師及學生共同參與的綜合評價方式，考核內容主要包括專業能力（80%）、社會能力（10%）和工作態度（10%）。

專業技術能力評價由企業工程師和專業教師評價共同完成，主要包括原理圖繪制、元器件符號創建、元器件封裝創建、PCB板設計、網絡與DRC檢查等，如在PCB板設計中對“布線”能力的考核主要包括三方面內容――“通、達、律”，“通”是指布線要布通，“達”即指要滿足電氣性能要求，“律”則是走線要規范便于測試和維修；社會能力和工作態度由項目學習小組評價，社會能力方面，考察學生在完成項目過程中的溝通、交流、協作，側重于學生的學習能力、學習行為及協作精神是否具有示范性。工作態度主要包括學習態度、安全意識和自律精神。專業能力考核形式以口頭與書面問答、技能測試、課程實踐、大作業等為主要形式，社會能力和工作態度則偏重于學生學習過程的考核，使課程考核更具有職業指向性和實效性。

3 結束語

高等職業教育的職業性特征決定了高職課程的建設與改革，必須在市場化的運行機制保障下，走校企合作之路。通過校企合作，努力為學生提供體驗完整工作過程的學習機會，由企業資深工程師參與授課，強調直接經驗的獲取，增強學生適應企業實際工作環境和解決綜合問題的能力。同時注重引入企業文化、企業管理制度及職業特殊要求，把職業能力培養與職業道德培養緊密結合起來，培養學生的實踐能力、專業技能、敬業精神和協作精神，使畢業生能順利地就業上崗，成為真正受企業歡迎的高技能人才。

參考文獻

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[2] 關艷閣.協同創新：高職課程改革的新視角[J].廣東教育（職教版），2013（9）.

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【關鍵詞】Protel DXP 探討 實踐

【中圖分類號】G642【文獻標識碼】A【文章編號】1006－9682（2011）03－0100－02

《Protel DXP電路軟件設計》課程是高職院校電子類、自動化類等專業的一門專業基礎課，也是一門理論與實際相結合、實踐性很強的應用型課程。隨著計算機技術和電子技術的不斷發展，EDA技術已經成為電子設計的不可或缺的工具。重要的是，Protel DXP廣泛應用于電子電路設計與仿真、印制電路板（PCB）設計及大規模可編程邏輯器件的設計，它是第一個將所有設計工具集成于一身，完成從電路原理圖到最終印制電路板設計全過程的應用型軟件，是當今最為流行的電路設計制版軟件。因此，在很多高職院校課程教學中，如何提高課堂學習效率，讓學生能熟練掌握Protel DXP軟件的應用，并能為將來就業奠定基礎，是教育教學研究探討的問題。

一、《Protel DXP電路軟件設計》課程教學中存在的問題

1．缺乏項目實例教學，教材選用不合理。

《Protel DXP電路軟件設計》教材有很多版本，但都缺乏典型項目實例的詳解和分析。首先，教材實例選擇較簡單，不夠典型。然后，教材中所涉及的電路板設計層較少，設計規則較籠統，布線過程較簡單。再加上，教材教學內容更新緩慢，跟不上軟件的更新速度，從而導致教學內容和過程缺乏規范性和完整性。因此，在課程教學過程中，要選擇典型實例，但實例選擇設計遵循由簡到繁、由易到難的過程；要注重專業性，結合所學知識，讓學生掌握Protel DXP的基本功能以及操作方法和技巧，從而達到學以致用的目的。

2．教學方法和手段單一，學生興趣不高。

隨著計算機的普及和應用，大多數高職院校采用多媒體教學，但教學手段仍然以教師講授法為主，不利于調動學生的興趣和積極性，不利于學生提出問題、分析問題、解決問題能力的培養。并且，教師往往依賴于“讀”課件，很少有板書，導致教師對知識點講解不透徹，學生也沒有足夠的想象空間。然而，《Protel DXP電路軟件設計》是一門實踐性較強的課程，為提高教學效果，需到機房進行廣播授課和操作。在教學的過程中，要注意學生“學”為主，教師“講”為輔；要注意講解和演練相結合，做到示范性講完實例后就讓學生進行類似操作直到掌握為止。

3．教師自身操作經驗不足，影響課程實踐教學。

《Protel DXP電路軟件設計》也是一門注重操作技能的課程，其教學內容來源于實踐教學。若教師單純按照教材安排，進行軟件概述和簡單應用，那么，學生很難熟練掌握電路板的實際制作過程。但事實上，教師仍然注重軟件的簡單基本操作講解，上機操作由電路原理圖繪制到電路板制作的過程，缺乏Protel DXP相關企業項目經驗。這種以教師為中心、課程教學為主體的傳統教學方式，只能使學生掌握基本操作和方法，無法體會實操的真正過程，不利于調動學生的學習積極性，不利于鍛煉學生的動手能力，導致學生缺乏主動性和創造性。目前，大多數院校注重教師學歷的提高，如鼓勵教師參加碩士、博士學位的進修，但忽視了教師實踐能力的培養與鍛煉，導致實驗教學環節得不到真正落實，影響實踐教學效果。

二、《Protel DXP電路軟件設計》課程的教學目標

高職院校教育主要培養的是技術應用型人才，在教學實踐環節中，要以應用、就業為導向，不斷提升學生的動手能力、基本技能和理論知識水平，也是提高高職院校學生職業技能的重要手段。因此，本課程教學目標要圍繞這個總目標而確定，是讓學生通過Protel DXP電路軟件設計課程學習，能夠掌握原理圖及印制電路板圖的編輯、輸出、網絡表生成、檢查、分析以及創建自己的新原理圖庫和元器件封裝庫等基本操作，可以基本獨立實現電路原理圖和印制電路板的設計，拓展就業方向，為今后的學習和工作打下堅實的專業基礎。

三、《Protel DXP電路軟件設計》課程教學優化措施

1．利用多媒體教學與板書教學相結合，優化教學內容。

隨著計算機技術的迅速發展，大多數課程都采用屏幕投影和多媒體課件的授課方式，多媒體教學的優勢在于圖文豐富、直觀性強、信息量大。教師在制作課件時，根據學生專業和教學大綱的要求，精心確定教學內容，課件應具備一定的概括性。利用互動環節進行交流、溝通，加強相互理解，使教師教學內容得到優化，同時使學生得到高質量和全面的教學服務。有時，板書教學模式也是有必要的，能清晰描述公式和概念形成的過程，有助于問題理解，從而提高教學效果。

2．改變教學模式，激發學生興趣。

教學方法的重要職能是將預期的教學目的變成教學成果，而教學效果的好壞在很大程度上取決于教師合理地選擇及運用教學方法。加深對課程體系的理解，實現理論和實踐的完美結合。教學目的是為了讓學生理論聯系實際，通過布置具體任務使學生能夠掌握教學內容、基本原理和概念，提高發現問題、解決問題的能力。因此，教師教學任務必須具有啟發性，并圍繞教學目的和教學大綱要求進行展開。鼓勵學生勤于思考，認真動手，積極操作，激發學生的學習興趣和想象力，啟發學生的創新思維。

3．改革實踐教學，提高動手能力。

在高職院校教育中，實踐教學環節非常重要，對高職大專生或本科生而言，實踐教學是培養動手能力以及對教學理論進行運用的實踐性課堂。《Protel DXP電路軟件設計》課程具有很強的實踐性，必須加強課程實踐教學環節和教學內容改革，并符合學生的學習要求。同時該課程的教學改革，必須適應社會的發展，注重實效，培養學生自主學習和創新的能力，提高學生動手和應用能力，突出制作電路板的實用性，從而更好地解決學習和工作中遇到的問題。

4．培養雙師型教師，改善教學質量。

師資隊伍是實現高職教育目標的關鍵。因此需要具有雙師素質的教師來完成教學任務，特別是來自企業的一線的、熟悉基于Protel DXP軟件的相關項目開發的工程師。同時鼓勵在職教師進修，簽定相關合同來支持教師到企業單位實踐、實習，鼓勵教師參加各類執業資格培訓和考證。另一方面，鼓勵積極從企業引進具有Protel DXP軟件方面的工作實踐經驗豐富和理論基礎扎實的高級技術人員充實和擴大教師隊伍。

參考文獻

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2 王瑩瑩、汪 東等著.Protel DXP電路設計實例［M］.北京：清華大學出版社，2008

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關鍵詞：FPGA;EDA;生理刺激反應;通用邏輯器件

中圖分類號：TM13 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1717103

Design of a Circuit for Physiological Stimulus Reaction

LIU Yuying

(School of Information Science,Donghua University,Shanghai,200135,China)

Abstract：It is tenderncy of modern education that FPGA will be applied to the electronic teaching practice.By using physiological stimulus reaction in design,this article introduces the design application of digital logic circuit.This paper gives a complete example of design report.By the design,students′interest and activity are aroused and they can skillfully master the capibitity of EDA.This pratice is a pivotal step to enhance the integrative diathesis and the innovative ability of the students in order to meet the need of the times.

Keywords：FPGA;EDA;physiological stimulus reaction;general logic device

隨著電子技術發展，電子電路的形式趨向復雜化，面對這一狀況，人們已經清醒地認識到，要分析和設計復雜的電子系統人工的方法已不適用。依靠傳統的實驗教學已遠不能滿足社會對高新技術人才的培育需要。本文就一個綜合性的實例“生理刺激反應時間測試儀”的設計過程具體說明了FPGA在電子電路設計中所起的作用。

1 總體方案的設計

人體在受到外界聲、光信號刺激后作出反應的時間有快有慢，某些職業對從業人員的生理刺激反應時間有一定要求。比如，短跑、跨欄運動員的成績都精確到0.01 s，所以運動員在起跑瞬間對發令槍響做出的反應時間對其運動成績有很大程度的影響。生理刺激反應時間測試儀就是用于測量被測試者在受到聲、光信號刺激后做出反應動作的滯后時間。本文通過生理刺激反應時間測試儀的設計和實現，介紹數字測量儀器的功能分析和設計綜合方法。

1.1 設計要求

(1) 受試者可以按“刺激源選擇”鍵選擇刺激信號是光或聲。

(2) 當受試者按 “測試開始”按鍵后，系統進入準備狀態，“準備”燈亮，其他指示燈滅，顯示器顯示全零。

(3) 測試儀在“準備”燈亮后的1~10 s時間內隨機發出光刺激信號(“測試”燈亮)或聲刺激信號(蜂鳴器響),“準備”燈滅。

(4) 當刺激信號發出后測試儀開始計時，直到受試者按下“反應”鍵停止計時，計時單位為0.1 ms。

(5) 以七段 LED數碼管顯示計時測量值的高三位，最低位測量值進行四舍五入處理，顯示值保持到新的測量開始。

(6) 若受試者的反應時間超過999.5 ms，“溢出”燈亮指示，測試計數器立即停止計時，“測試”燈滅或蜂鳴器停，“溢出”燈持續發光直到下次測試開始。

(7) 若受試者在刺激信號未發出前按“反應”鍵，“違例”指示燈亮，“準備”燈滅，并禁止刺激信號發出。

1.2 硬件環境

測試儀的控制部分以FPGA實現，光刺激信號由發光二極管產生、聲刺激信號由蜂鳴器產生。“測試開始”按鍵和“反應”按鍵選擇點觸鍵產生脈沖信號，刺激源選擇采用自鎖鍵產生電平信號。測量值采用3個七段LED數碼管顯示，顯示方式由FPGA開發裝置決定。設計隨機脈沖發生模塊在DE2開發板或LP-2900開發裝置上實現，其原理框圖如圖1所示。

2 設計任務分析

分析設計要求可知，生理刺激反應測試儀的基本功能是隨機產生刺激信號、計時顯示以及對受試者的操作進行邏輯判斷。在數字邏輯電路中，計數器具有累計時鐘脈沖的作用，可以實現定時、延時或計時功能，所以，生理刺激反應測試儀的主要部件是計數器和邏輯控制電路。系統設計中需要解決以下幾個問題。

2.1 隨機信號產生

隨機信號是指控制條件滿足后脈沖出現時間無法確定的信號。如果以一個任意出現的控制電平去選通一個周期性定時出現的脈沖信號，由于脈沖出現的時間與控制電平有效的時間沒有任何關聯，當控制信號有效后，在定時周期時間范圍內會隨機出現選通脈沖。在數字電路中，計數器的溢出信號是循環定時產生的。比如，計數器的模為M、計數脈沖頻率為1 s，則計數器的溢出信號周期為M s，信號寬度一般為1 s。若用一個電平信號通過邏輯門選通該計數器的溢出脈沖，則當控制電平有效后，邏輯門的輸出在0~M s之間產生隨機脈沖信號。

同樣，若用電平信號控制一個模為N、初始值為0、計數脈沖頻率為1 s的計數器使能端，當使能電平有效后，計數器產生溢出信號的延時時間為N-1~N s。

2.2 最低位計數值的四舍五入處理

生理刺激反應測試儀的時間測量為四位十進制數，而顯示值為三位十進制數，最低位測量值要求進行四舍五入處理。即當最低位計數值小于5時，高三位測量值直接顯示；當最低位計數值大于4時，高三位測量值加1后顯示。數字電路中實現數值四舍五入的方法很多，本設計可以利用計數器的預置數功能，在測量前將測試計數器的初始值預置為5。這樣，測試結束時的計數值是實際測量值加5。當最低位測量值大于等于5時，必然產生向高位的進位，實現了測量值的四舍五入功能。

2.3 邏輯控制電路

邏輯控制電路的功能是根據按鍵信號控制延時、定時電路和測試計數器，判斷受試者發出的反應信號response是否違例、測試計時是否溢出，并根據各信號控制相應的指示燈點亮。在生理刺激反應測試儀中，部分控制信號是互相關聯的,比如A信號使Q信號置位，B信號使Q信號復位。這樣的邏輯關系可以有很多方法實現，比如利用D觸發器的同步觸發功能和異步復位功能：A脈沖的上升沿觸發D觸發器使其輸出Q置位,B脈沖的有效電平使D觸發器立即復位。信號時序波形示例和參考電路原理如圖3所示。

篇5

摘 要：設計了一個基于ARM芯片的多路數據采集系統，可以實現對8路數據的采集，信號的采集方式可以是單路采集也可以是多路循環采集，控制信號可通過觸摸屏或上位機控制輸入，數據采集的結果以數字和圖形的方式在液晶屏上實時顯示。經軟硬件綜合調試，驗證了方案的可行性。

關鍵詞：數據采集； ARM； 液晶顯示器； A/D轉換； STM32

中圖分類號：

0 引 言

隨著物聯網技術的發展與應用，A/D數據采集是其中一項重要的研究課題，A/D多路采集系統實現方案可以多種，通過對三種實現方案進行比較，最終采用STM32系列ARM芯片進行設計。STM32是基于ARM CortexM3內核的32位處理器，具有杰出的功耗控制以及眾多的外設，并具有極高的性價比，目前正逐漸搶占了電子領域原有的51、AVR的市場。本設計中采用STM32F103RBT6作為主控制器[1]，該芯片配置豐富，便于今后的系統功能擴展。

1 方案比較與論證

為實現多路數據采集要求，提出如下三種設計方案：

（1） 基于單片機的數據采集系統[2-3]

本方案采用雙單片機的方法，即在數據采集的遠端、近端均采用單片機控制，遠端完成數據的采集、抽樣、發送；近端完成數據的接收、校驗、處理和顯示等，鍵盤控制數據顯示。在近端與遠端的通信中，采用RS 485差分方式接口，以提高通信速度與傳輸距離。該方案存在不足之處是：A/D接口和RS 485接口編程不方便，采集信號的頻率范圍和速率較低，實用性不大。

（2） 基于CPLD的數據采集系統[4]

采用CPLD對A/D芯片的采集控制，通過USB接口傳輸給上位機，優點是可以實現高的采集速率和采集精度，有著較大的實用性，但難點之處是CPLD對A/D模塊的控制，及單片機對USB的配置。

（3） 基于ARM的數據采集系統

本方案主控器采用STM32系列的ARM芯片，方案如圖1所示。

此方案中A/D轉換器為ARM芯片內置，采集的方式、起始時間和持續時間由上位機通過RS 232口控制，數據通過USB接口傳輸至上位機保存。考慮到使用筆記本作為控制上位機時沒有232接口，使用USB轉232的電纜提供RS 232控制信息。

由于A/D芯片內置，芯片價格也便宜，電路設計較前面的簡單，且ARM自帶的A/D采集方式多樣，并可以通過配置ARM芯片內相應的寄存器就可以實現，因此實現簡便。考慮到后面的擴展需要和應用的廣泛與實用性，本設計采用此方案。

2 系統設計原理[57]

該電路主要由電源模塊， 主控器模塊， 顯示模塊，SD卡模塊，USB轉232模塊等幾個部分組成。

（1） 主控制器

采用STM32F103RBT6作為MCU，其性價比很高，該芯片具有20 KB SRAM、128 KB FLASH、3個普通的16位定時器、1個16位的高級定時器、2個SPI、2個I2C、3個串口、1個USB、1個CAN、2個12位的ADC、51個通用I/O口。因為主控器STM32是3.3 V供電的，所以需要將USB的5 V電壓轉換為3.3 V。這里采用電源線性穩壓芯片AMS11173.3，將5 V轉換為3.3 V。

（2） 液晶顯示

電路中采用通用的LCD接口，支持8位或者16位總線或者SPI的液晶屏。該模塊采用TFTLCD面板（薄膜晶體管液晶顯示器），可以顯示16位色的真彩圖片，提高數據顯示效果，同時也可以將采集數據以圖形曲線的方式形象的表現出來。該模塊有2.4′/2.8′兩種大小的屏幕可選，320×240的分辨率，16位真彩顯示，自帶觸摸屏。接口采用80并口與外部連接，采用16位數據線。

（3） JTAG

采用標準的JTAG接法，STM32的SWD接口與JTAG是共用的，只要接上JTAG，也可以使用SWD模式下載并調試代碼，多數情況下使用SWD來下載調試代碼，節省資源、而且下載速度也快。

（4） SD卡

利用SD卡，擴大容量存儲設備，用來實時保存采集的數據，既可以彌補沒有上位機的情況，也更方便于事后對大量的數據的分析與處理。

（5） A/D采集

STM32本身擁有1～3個ADC，這些ADC可以獨立使用，也可以使用雙重模式（提高采樣率）。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模擬數字轉換器。它有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源。各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。ADC的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。最大的轉換速率為1 MHz，也就是轉換時間為1 μs。

3 軟硬件綜合調試結果

編寫數據采集、觸摸屏控制、上位機控制程序和液晶顯示模塊程序主要幾個模塊，將程序下載并進行系統調試，最終效果如圖3，圖4所示。

系統可以通過觸摸屏選擇實現對8路數據的單路采集或多路循環采集模式，數據采集的結果可在液晶屏上顯示，也可傳輸給上位機或保存在SD卡中。通過比較被測電壓和數據采集到的電壓值，測量精度符合設計要求。

4 結 語

本系統電路簡單，成本低，并具有一定的可擴展性和實用性。ARM自帶的A/D采集方式多樣，可以通過配置ARM芯片內相應的寄存器就可以實現，因此實現簡便。主控器STM32芯片是基于ARM CortexM3內核的32位處理器，具有杰出的功耗控制以及眾多的外設，具有極高的性價比，在工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等多個領域具有廣泛的應用前景，因此值得研究和推廣。

參 考 文 獻

[1]意法半導體.STM32中文參考手冊[M].10版.上海：意法半導體（中國）投資有限公司，2010.

[2]全國大學生電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編（1994—1999）[M].北京：北京理工大學出版社，1997.

[3]黃智偉.全國大學生電子設計競賽系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4]王振紅，張斯偉.電子電路綜合設計實例集萃[M].北京：化學工業出版社，2008.

[5]劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[6]劉同法，肖志剛，彭繼衛.ARM CortexM3內核微控制器快速入門與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[7]李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[8]陳尚松.電子測量與儀器[M].北京：電子工業出版社，2005.