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篇1

關鍵詞：高職教育；項目化教學；形成性考核

作者簡介：張麗（1981-），女，江蘇南通人，南通農業職業技術學院機電系，講師。（江蘇 南通 226007）

中圖分類號：642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）26-0051-02

“數字電路與邏輯設計”是機電專業中的一門專業基礎課，它的特點是邏輯性、實踐操作性強。它的先導課程有“電路分析”、“模擬電子技術”和“protel99SE”，后續課程有“單片機技術”、“家電原理”和“電子測量技術”，在整個學科體系中起著承前啟后的重要作用。

一、“數字電路與邏輯設計”課程設計的理念

以職業能力培養為出發點，應遵循“手腦并用”、“做學合一”、“理論與實際并行”、“知識與技能并重”的教學原則，突出以“能力為本位”的課程模式，以應用和就業為導向，以培養職業技能為目的。以學生為主體，教師為主導，才能充分發揮學生的自主學習積極性。把握學生的認知過程和接受能力的規律，注重對學生創新意識和創新能力、綜合意識與綜合能力、實踐意識與實踐能力的培養。以理論聯系實際為指導，重點提升學生運用知識的能力，使之養成良好的學習習慣，把握行為引導法促進學生能力提升的發展性教育理念。

二、高職教育及高職學生的特點

高職學生的特點是基礎知識薄弱、理論學習困難、學習情緒化、對感興趣的事物接受能力強。

高職教育的特點是面向崗位群，機電專業面向的崗位主要有：

生產現場操作及維修崗位：要求具有機電產品生產現場的工藝實施能力；機電工具設備的使用與操作能力；對機電產品進行裝配、檢測與調試的能力；要求儀表的使用、計算機測試、系統分析或產品故障分析的技術能力要強。

機電產品、設備安裝及調試崗位：能夠對機電設備進行安裝、調試、運行管理與設備維護，并能對一般控制系統進行維護與改造。

機電產品、設備技術管理及服務崗位：要求技術管理人員具備看懂機械圖紙和電氣圖紙的能力；具有機電一體化設備的使用、維護、管理能力，具有一定的生產管理、技術管理等知識。機電設備銷售與售后服務技術人員具有機電設備的原理、裝配工藝等知識，具有機電設備的檢測與維修能力。

三、“數字電路與邏輯設計”項目化教學的必要性

傳統的教學法是從知識點的掌握到電路的分析再到電路的設計，由局部到整體，自下而上。它以教師為中心，以課堂為中心，以教材為中心，忽視了學生積極性、主動性的發揮，實踐以模仿為主，突出技能性訓練，缺少設計性、創新性，教學效果不是很理想。

因此，必須根據不同的崗位職業能力要求，確定課程的職業能力目標：會用各種表示方法描述數字電路邏輯功能，會分析常用電路的功能；能完成數字電路的設計，能分析和排除電路中出現的故障；能通過對數字集成電路芯片資料的閱讀，了解數字集成電路的邏輯功能和使用方法；能熟練掌握數字電路中常用儀器儀表的使用；能畫出所設計的數字邏輯集成電路的電原理圖，能列出所設計的電路的元器件清單，會撰寫所設計電路的測試說明。

根據課程的職業能力要求確定課程的知識目標：掌握邏輯代數基礎知識；了解集成邏輯門電路內部構造；掌握組合、時序邏輯電路的分析設計；理解觸發器的工作特性；掌握脈沖波形的產生和整形；A/D及D/A轉換。

在此基礎上采用項目教學法，它是從實際問題出發來講電路的構造、元器件的選擇，再到知識的運用，由整體到局部，自上而下，宏觀把握，以學生為中心，以項目為中心，以實際經驗為中心，緊緊圍繞工作任務完成的需要來選擇和組織課程內容，突出工作任務與知識的聯系，讓學生在職業實踐活動的基礎上掌握知識，增強課程內容與崗位職業能力要求的相關性，大大提高了學生的就業能力。

四、“數字電路與邏輯設計”課程設計思路

為落實以培養學生職業能力為目標的課程實施，給出課程總體設計思路：堅持以高職教育培養目標為依據，遵循“以應用為目的，以必需、夠用為度”的原則，以“掌握概念、強化應用、培養技能”為重點，力圖做到“精選內容、降低理論、加強基礎、突出應用”。

課程設計以電子產品的制作為載體，以便于與企業共同開發該課程：項目一，聲光控制燈電路制作；項目二，競賽搶答器制作；項目三，電子生日蠟燭制作；項目四，流水彩燈制作；項目五，31/2位直流數字電壓表的制作。

項目的選擇以課程標準中的教學內容為依據，既與數字電路知識緊密結合，又能夠充分體現當前的工程實際情況，同時具有一定的創新空間，學生可以運用學過的知識進行創造發揮。

通過任務引領的項目活動將必備的知識、技能、行為、態度內化融合，使學生具備本專業的高素質勞動者和高級技術應用人才所必須的數字集成電路設計、制作與測試的基本知識和基本技能，同時培養學生愛崗敬業、團結協作的職業精神。

五、“數字電路與邏輯設計”教學內容的設計

該課程的總體目標：使學生具備本專業的高素質勞動者和高級技術應用型人才所必需的電子設計基本知識，具備靈活運用常用數字集成電路實現邏輯功能的基本技能；為學生全面掌握電子設計技術和技能，提高綜合素質，增強職業變化的適應能力和繼續學習能力打下一定基礎；通過問題的解決，培養學生團結協作、敬業愛崗、吃苦耐勞的品德和良好的職業道德觀。

1.內容的選取

以項目二競賽搶答器的制作為例來說明：

根據總體目標確定該項目的知識目標、技能目標、素質目標。

知識目標：掌握編譯碼器知識、觸發器知識、計數器知識、脈沖波形的產生和整形知識、單穩態觸發器知識、復習邏輯代數知識。

技能目標：掌握編譯碼器、計數器功能、選擇連接及使用；掌握555定時器的連接及使用；運用仿真軟件畫仿真圖；具備查閱集成芯片產品手冊的能力。

素質目標：培養耐心細致的工作態度，培養嚴謹扎實的工作作風，培養學生競爭與合作意識。

2.教學內容的序化

（1）任務下達。將項目分解為五個子任務：譯碼電路的設計與制作、搶答電路的設計與制作、倒計時電路的設計與制作、聲響電路的設計與制作、控制電路的設計與制作。

以子任務搶答電路設計與制作為例。知識目標：學習掌握二進制編碼器、二進制優先編碼器、BCD編碼器、BCD優先編碼器。能力目標：掌握編碼器功能、選擇連接及使用、運用仿真軟件畫仿真圖、具備查閱集成芯片產品手冊的職業能力。素質目標：培養耐心細致的工作態度、嚴謹扎實的工作作風、競爭與合作的意識。

對該子任務進行分析：選手搶答情形即選手A首先按下按鈕，顯示屏上顯示A搶答成功，其他選手再按按鈕無效，選手A松開按鈕后，顯示屏上A搶答成功的狀態保持不變，直到主持人清零，進行下一輪搶答。搶答電路的重要功能：鎖存功能。既要能“鎖”，也要能“存”。“鎖”——其他選手，“存”——搶答成功的選手信息。通過類比的方式引入編碼的概念，對該任務進行仿真后下達任務卡。

（2）資訊。讓學生回顧以往解決相關問題的方法，給出用門電路實現的方法；讓學生檢索常用編碼器的數據手冊，通過手冊了解芯片的功能和基本使用，掌握編碼器的測試方法，通過測試加深對芯片的功能和使用方法的了解。

教學重點：二進制編碼器與優先編碼器的異同點。教學難點：編碼器的使用。對芯片進行測試后進行芯片用法分析。

（3）計劃決策。通過類似電路分析，啟發學生思路；引導學生討論該任務中編碼器的選型，分析采用二進制編碼器設計的缺陷；重點討論如何解決優先編碼器的硬件電路已經固定好的優先級；深入各小組聽取學生決策意見；根據任務要求，各小組討論出任務實施方案，設計出系統框圖，指導老師確認方案的可行性。

（4）任務實施。任務的實施過程主要以學生為主體，學生三人一組，將學習能力較好、中等、較弱的學生合理分配到各組，教師指導、答疑。

（5）檢查評估。根據各小組的演示給出綜合評價（部分實現、全部實現、有創新功能）；抽取設計較佳和較差電路進行點評；教師給出優化電路，要求學生課后進行分析。

3.教學手段、方法

項目二的教學方法：基于問題教學法 （從實際問題搶答競賽出發）；基于興趣的教學法 （向學生進行任務的虛擬仿真flash演示）；理論實踐二位一體教學法 （編碼器功能知識的掌握與電路搭建）；可視化教學法（芯片功能的測試將傳統測試方法與專用的數字芯片測試儀結合）；小組討論法（3人分組）；啟發式教學法（任務分析部分）；類比教學法（編碼概念引入部分）；探究法（任務實施過程中）。

本門課程教學手段、方法：任務驅動法、行為導向項目教學法；工學結合，現場教學法（項目中每個任務的綜合）；傳統教學手段（講解法、示范法、模仿法、練習法）；多媒體教學手段（PPT課件、flash仿真、網絡教學及互動平臺）。

六、“數字電路與邏輯設計”考核評價方式

建立終結性評價和過程性評價相結合的評價方式。終結性評價中知識考核占30%，綜合考核占70%。過程性評價以項目為單位，其中教師評價占40%，學習檔案占30%，小組評價和自我評價各占15%。

七、總結

以職業崗位活動調研為前提進行職業能力需求分析；以職業能力需求分析為導向確定課程職業能力目標；根據職業能力目標的需求確定知識目標；根據崗位工作過程和認識規律構建教學模塊；以職業能力訓練項目作為課程目標和教學內容的載體；以真實的職業活動實例作為訓練素材；通過項目教學真正實現“教、學、做”三者的融合；建立以形成性考核為主的課程考核體系。

參考文獻：

[1]胡錦.數字電路與邏輯設計[M].第2版.北京：高等教育出版社，2002.

篇2

關鍵詞:可編程器件;計數器;數字電路;VHDL

中圖分類號:TN47文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-189-02

Design of Digital Circuit Based on Programmable Logic Devices

LIU Caihong,CHEN Xiuping

(Northwest Minorities University,Lanzhou,730030,China)

Abstract:The traditional design method of digital systems has fundamentally changed because of the emergence of programmable logic devices,it is necessary to introduce the design of digital circuit based on the programmable logic device.The realization methods of counter as examples,described two ways to achieve counter by schematic and hardware description language as input methods.The method of compiled simulation was described,and given the simulation results.The design of digital circuit based on the programmable logic device easier to understand and grasp by the use of familiar device.

Keywords:programmable logic devices;counter;digital circuit;VHDL

0 引 言

可編程邏輯器件PLD(Programmable Logic Device)是一種數字電路,它可以由用戶來進行編程和進行配置,利用它可以解決不同的邏輯設計問題。PLD由基本邏輯門電路、觸發器以及內部連接電路構成,利用軟件和硬件(編程器)可以對其進行編程,從而實現特定的邏輯功能。可編程邏輯器件自20世紀70年代初期以來經歷了從PROM,PLA,PAL,GAL到CPLD和FPGA的發展過程,在結構、工藝、集成度、功能、速度和靈活性方面都有很大的改進和提高[1]。

隨著數字集成電路的不斷更新和換代,特別是可編程邏輯器件的出現,使得傳統的數字系統設計方法發生了根本的改變[2]。可編程邏輯器件的靈活性使得硬件系統設計師在實驗室里用一臺計算機、一套相應的EDA軟件和可編程邏輯芯片就可以完成數字系統設計與生產[3]。

1 Max+plus Ⅱ簡介

Max+plus Ⅱ是一種與結構無關的全集成化設計環境,使設計者能對Altera的各種CPLD系列方便地進行設計輸入、快速處理和器件編程。Max+plus Ⅱ開發系統具有強大的處理能力和高度的靈活性,其主要優點:與結構無關、多平臺、豐富的設計庫、開放的界面、全集成化、支持多種硬件描述語言(HDL)等。

數字系統的設計采用自頂向下、由粗到細,逐步分解的設計方法,最頂層電路是指系統的整體要求,最下層是具體的邏輯電路的實現。自頂向下的設計方法將一個復雜的系統逐漸分解成若干功能模塊,從而進行設計描述,并且應用EDA 軟件平臺自動完成各功能模塊的邏輯綜合與優化,門級電路的布局,再下載到硬件中實現設計[4],具體設計過程如下。

1.1 設計輸入

Max+plus Ⅱ支持多種設計輸入方式,如原理圖輸入、波形輸入、文本輸入和它們的混合輸入。

1.2 設計處理

設計輸入完后,用Max+plus Ⅱ的編譯器編譯、查錯、修改直到設計輸入正確,同時將對輸入文件進行邏輯簡化、優化,最后生成一個編程文件,這是設計的核心環節。

1.3 設計檢查

Max+plus Ⅱ為設計者提供完善的檢查方法設計仿真和定時分析,其目的是檢驗電路的邏輯功能是否正確,同時測試目標器件在最差情況下的時延,這一查錯過程對于檢驗組合邏輯電路的競爭冒險和時序邏輯電路的時序、時延等至關重要。

1.4 器件編程

當電路設計、校驗之后,Max+plus Ⅱ的Programmer 將編譯器所生成的編譯文件下載到具體的CPLD器件中,即實現目標器件的物理編程[5]。

2 以計數器為例介紹具體的設計方法

計數器是非常常用的時序邏輯電路。計數器類型有多種,實現計數器的方法也有很多。可以買到大部分類型的中規模集成的計數器直接使用,也可以用觸發器搭建符合要求的計數器。但是采用以上方法實現的計數器靈活性不夠,不能隨時進行修改,通用性差。這里介紹基于可編程邏輯器件的實現方法。

2.1 設計輸入

采用原理圖輸入的思維方式比較適合一直采用傳統設計方法人的使用。原理圖輸入如圖1所示。

圖1 原理輸入圖

采用硬件描述語言輸入的方法對于沒有傳統設計方法經驗的人更容易入門,修改起來也更方便。給出了一個可逆計數器的實現實例[6],程序的核心部分如下[7]:

PROCESS (clk)

VARIABLE cnt:INTEGER RANGE 0 TO 255;

VARIABLE direction:INTEGER;

BEGIN

IF(updown=′1′)THEN

direction:=1;

ELSE

direction:=-1;

END IF;

IF(clk′EVENT AND clk=′1′)THEN

cnt:=cnt+direction;

END IF;

qd

end process;

2.2 設計處理

原理圖或程序完成之后,選擇好器件并進行引腳定義,然后編譯優化得到編程文件的界面如圖2所示[8]。

2.3 設計檢查

編譯結束后,建立波形文件進行仿真,注意波形文件需要先保存,保存文件名和源文件一致才能進行仿真[9]。結果如圖3所示。

圖2 編譯優化得到編程文件的界面

圖3 仿真結果

仿真結果達到設計目的,符合設計要求。這時可以把編譯生成的*.pof文件下載到選定的器件使用。用以上方法實現的器件,修改起來非常方便,只需要修改程序重新編譯下載即可,任何類型的計數器都可以在可編程邏輯器件實現。

3 結 語

隨著電子技術的高速發展,CPLD 和FPGA 器件在集成度、功能和性能(速度及可靠性)方面已經能夠滿足大多數場合的使用要求。用CPLD,FPGA等大規模可編程邏輯器件取代傳統的標準集成電路、接口電路和專用集成電路已成為技術發展的必然趨勢。

可編程邏輯器件是邏輯器件家族中發展最快的一類器件,它出現使得產品開發周期縮短、現場靈活性好、開發風險變小,隨著工藝、技術及市場的不斷發展,PLD產品的價格將越來越便宜、集成度越來越高、速度越來越快,再加上其設計開發采用符合國際標準的、功能強大的通用性EDA工具,可編程邏輯器件的應用前景將愈來愈廣闊[10]。

參考文獻

[1]徐偉業,江冰,虔湘賓.CPLD/FPGA的發展與應用之比較[J].現代電子技術,2007,30(2):4-7.

[2]鄭寶華.基于CPLD的大屏幕掃描電路設計[J].現代電子技術,2008,31(24):17-19.

[3]趙延,葛利嘉,雙濤.基于FPGA的UART設計實現及其驗證方法[J].現代電子技術,2008,31(17):162-164.

[4]王淑文.基于CPLD的數字系統設計[J].現代電子技術,2007,30(12):184-186.

[5]楊暉,張鳳言.大規模可編程邏輯器件與數字系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.

[6]潘松.VHLD 實用教程[M].西安:西安電子科技大學出版社,2000.

[7]宋萬杰.CPLD技術及其應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2000.

[8]林明權.VHDL數字控制系統設計范例[M].北京:電子工業出版社,2003.

篇3

關鍵詞：模電；數電；定義；特點；區別與聯系

1 模擬電路與數字電路的定義

模擬電路主要處理模擬信號，如果輸入信號有一個微小的變化，輸出信號必有一個與之相對應的變化。數字電路主要處理數字信號，它的變化只有高、低電平兩個狀態，如果輸入信號發生一個微笑的變化，輸出信號一般不會立即發生變化，需要累積到一定值輸出端才會發生變化。

2 模擬電路與數字電路的特點

1.模擬電路的特點：

①處理模擬信號，模擬信號即在時間和幅值上均連續的信號。在一個信號周期內，模擬電路的電流和電壓保持持續變化。

②電路中元器件的動作方式為線性變化，如放大器。

③模擬電路是電子技術的基礎，應用十分廣泛。手機等電子產品的無線收發模塊都是模擬電路。自然界中的物理量均為連續量，連續信號的處理離不開模擬電路。

④輸出信號隨輸入信號的微小變化而變化。

2.數字電路的特點：

①處理數字信號，數字信號即在時間和幅值上均離散的信號。在一個信號周期內，數字電路的電流和電壓呈現脈沖變化。

②數字電路可對數字信號進行算數運算及邏輯運算。基本邏輯運算有與或非三種，復合邏輯運算有常用的與非、或非、與或非、異或等等。因此，它具有邏輯推理和邏輯判斷的能力。

③數字信號只有0、1兩種狀態，可用晶體管的飽和和截止分別表示，意味著其輸出量不隨輸入量的微小變化而變化，需累積到一定程度才發生變化，由此可以看出，數字電路實現簡單，系統可靠，不易受外界的影響而變化。

④數字電路的突出優點之一是集成度高，功耗低，速度快。用數字集成電路不僅縮小了體積，提高了生產技術，更推動了數字電路的發展。

3 模擬電路與數字電路的區別

簡單的來說，模擬電路和數字電路中信號的表達方式不同。自然界中許多物理量，如溫度、壓力等為連續變化，處理此種信號的電路為模擬電路。也有一種物理量，在時間和幅值上均不連續，處理此種信號的電路為數字電路。一個簡單的例子幫助我們理解，如對光照強度的感受，模擬電路可直接處理信號，輸出隨光照強度變化而變化，數字電路則將此信號經過抽樣、量化等一系列工作轉化為數字信號方可處理。由此總結區別如下：

1.工作的信號不同。模擬電路處理的是模擬信號，一般都具有連續變化的特點；數字電路則處理的是數字信號，它的變化總發生在離散的瞬間，數字信號通常用脈沖的有無來表示，有脈沖為“1”――高電平，無脈沖則為“0”――低電平。

2.電路的作用不同。模擬電路是通過放大器等元器件實現模擬信號的比例放大，其要求輸出信號盡量不失真；數字電路處理0、1兩種電平的信號，實現輸入輸出的數字量之間一定的邏輯關系。

3.分析方法不同。模擬電路通常采用圖解法和微變等效電路法，如負反饋放大器的框圖分析法，即把放大器分解成基本放大電路和反饋網絡兩部分；數字電路的主要分析方法在組合邏輯電路中有邏輯關系式，真值表等，在時序邏輯電路中有狀態轉換真值表，狀態轉換圖，卡諾圖等。

4.電流和電壓的變化方式不同。模擬電路中，電流和電壓是呈持續變化的；數字電路中，電流和電壓是呈脈沖變化的。

5.三O管的工作狀態不同。模擬電路中其作用是放大，這就意味著工作在放大區；數字電路中其相當于開關，這就意味著工作在截止區和飽和區，即“0”、“1”狀態。

4 模擬電路與數字電路的聯系

從我們可以直接看的到的層面上來說，模擬電路和數字電路的最直接聯系就是它們同屬于電子電路，只不過處理的信號不同罷了。對接觸過數電和模電的我們都清楚，數電是建立在模電的基礎之上，換句話來說，數字電路從根本上來說都是模擬電路。模擬電路處理模擬信號，數字電路處理數字信號，但自然界中多為模擬量，所以數字信號通常由模擬信號獲得，它是將模擬信號抽樣后數字化得到的。模擬電路和數字電路的諸多聯系總結如下：

1.它們的基本元器件大都相同，無論是模擬電路，還是數字電路，都是已三極管為基礎，不斷增加其他功能以實現復雜化。

2.數字電路是在模擬電路的基礎上發展而來，數字電路處理的數字信號也是由模擬信號經過采樣、保持、量化、編碼而來。

3.把模擬信號轉換為數字信號的轉換器稱為A/D轉換器，把數字信號轉換為模擬信號的轉換器稱為D/A轉換器。如果想要用數字電路處理模擬信號，那么在系統中置入A/D轉換器再輸入信號就可以了，反之，需要在系統中置入D/A轉換器。舉例來講，在自動控制系統中，被控制量，如溫度、壓力等均為連續量，經A/D轉換器轉換為數字量即可用數字電路進行處理。

參考文獻

1.王敏.模擬電路與數字電路的區別辨析[J].電子世界

2.張劍平.《模擬電子技術教程》.清華大學出版社

3.朱定華.《現代數字電路與邏輯設計》.清華大學出版社

4.岳怡.《數字電路與數字電子技術》.西北工業大學出版社

作者簡介

篇4

關鍵詞：工程認證；復雜工程問題；過程控制；考核方式

一電子類課程設計相關概述

2016年6月我國成為《華盛頓協議》正式成員，標志著我國高等工程教育進入了新階段。五邑大學順應大趨勢，加入了高等教育工程認證的行業。作為電子信息工程系的骨干教師，本人參加了五邑大學前期工程認證培養方案形成、大綱編制、專家答辯等各項工作，深知實施工程認證困難重重。根據2018年培養方案，電子信息工程系整合現有實踐教學，將原來的《模擬電子課程設計》和《數字電路課程設計》進行了課程整合，形成了《電子電路綜合設計》實踐課程[1,2]。工程認證，要求以學生為本，目標導向，持續改進，更側重于對學生能力的培養。根據《電子電路綜合設計》課程所涉及的畢業要求指標點，學生完成課程學習后需獲得以下方面的能力：（1）通過對具體功能電路的分析、設計和制作，使學生掌握電子電路系統設計的基本方法、基本手段、基本工具和基本技能，來培養學生分析和解決電子電路復雜工程問題的能力；（2）通過團隊合作，實物展示，匯報過程，撰寫報告的形式，來培養學生良好的團隊合作能力、口頭表達能力和書面表達能力。為了體現團隊合作能力和口頭表達能力，在課程形式的設置上又增加了分組和答辯等相應環節，這使得我們不得不重新設計課程設計教學模式、教學方法和考核形式。

二電子類課程設計教學現狀

以《數字電路課程設計》為例，近年來，課程設計的任務是設計彩燈控制器，在功能上可以通過控制電路實現彩燈電路不同花型的變換，指導教師給出任務要求及主要元器件清單，學生們根據要求自行設計電路并制作、調試，最后根據作品的實際效果和設計報告，指導教師給出相應的成績等級。客觀地說，本課程的實際開展效果還是不錯的，但結合工程認證的要求，當前的課程設計還存在一定程度的問題，主要體現在以下幾個方面。（1）學生的學習狀態不佳。雖然在學習綜合課程設計時，學生已經學習過《電子工藝實習》《模擬電子技術》《數字電路與邏輯設計》等相關課程，但學生掌握的僅是一些最基本的電子知識，不了解如何應用所學的理論知識；與之相關的理論可也配備有相應的實驗，但實驗多以驗證性實驗為主，沒有真正意義上設計過電子電路，缺少系統設計的概念。課程設計涉及的知識面廣且難度大，使一部分學生產生一定的厭學情緒。學生缺少學習興趣，動手實踐的意愿不強，學習狀態不佳。（2）元器件功能拓展性不足，方案設計創新性不夠。在課程設計過程中，一般老師會推薦一些元器件型號，因此大部分學生在進行元器件選型時，思路僅局限于這些指定的型號，而忽略了教師同時提出的可用類似功能器件進行設計的要求。如指導教師給出NPN三極管以驅動LED，很少有同學會想到對驅動電路進行簡單改動，用PNP三極管來驅動。另外，學生在進行實物演示時，可以看到方案設計的版本偏少，有些學生比較盲從，沒有去比較方案為何要這樣設計，不同的方案有何優劣，方案設計創新度不夠[3,4]。（3）考核形式單一。傳統的電子類課程設計類課程考核形式較為單一，只對學生的出勤、設計結果和實驗報告進行考核。這種考核方式存在的問題歸納起來有三點，一是缺少過程考核，忽視了對學生在實驗過程中的態度、積極性與創新性的考核；二是缺少差別性評價，學生在設計過程中的設計難度、溝通能力、書面表達能力、口頭表達能力等不易量化的因素也沒有納入考核范圍，同時教師無法準確評估同一小組內不同成員的貢獻率。三是評價標準不明確，教師的主觀性較大，評定的標準不能具體量化。

三電子類課程設計改革策略

電子類課程設計以學生獲得知識能力為目標，采用課堂講授、啟發式，討論式多種教學模式，將案例教學、任務驅動教學、學生實驗、答疑指導等授課方式貫穿教學的全過程。根據課程實施過程，可以將教學內容分為以下5部分，分別為：案例講解和任務布置、方案設計和評估、實物制作和性能測試、實物驗收和撰寫報告、答辯和設計報告評分。在電子類課程設計的教學實施過程中，即要體現以解決復雜工程問題為目的的各項能力的培養，又要將《工程教育專業認證標準》中給出的12條畢業要求具體對應到具體的教學環節中。基于工程認證，電子類課程設計從如下四個方面進行了改革。

（1）在課程組織形式上，采用了分組進行的方式。常用的分組方法是教師隨機分組和學生自愿分組。教師隨機分組不利于發揮每位同學的潛力，形成學習合力；學生自愿分組容易出現“學霸”受歡迎、“學渣”沒人理的情況，不利于對團結合作能力的培養。為了克服教師隨機分組和學生自愿分組所帶來的弊端，電子類課程設計采用基于課前調查的綜合型分組策略，兼顧學生意愿，教師指導的分組方法。[5]具體來說，《數字電路課程設計》直接相關的前導課程是《數字電路與邏輯設計》，通過對《數字電路與邏輯設計》課程學習成績的調查，可以判斷學生進入課程前的學習基礎；通過對《數字電路與邏輯設計實驗》成績的調查，可以從一個側面了解學生的實踐動手能力。通過調查學生的歷史學習能力，結合其自我評價及分組意愿，教師可以指導分組，通過優勢互補來提升小組的整體能力。對個人能力突出的學生，可以充當項目負責人，在課程設計過程中考察整個團隊分工是否合理，能否妥善解決沖突等；而基礎相對薄弱的學生，可以充當項目參與人，在課程設計過程中考察對項目及自己承擔任務的理解，與團隊成員有無有效溝通等。學生只有明確了各自的任務和目標，才能激發學生的學習興趣并提升教學參與程度，充分發揮教學過程中學生的主體地位[6]。

篇5

關鍵詞：模擬與數字電路；電子技術綜合實驗；實驗園地；虛擬儀器實驗

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）08-0151-03

一、背景

以模擬與數字電路為基礎內容的電子技術實驗是高等學校理工科專業學生重要的必修專業基礎課，也是電子、計算機、自動化等工科專業的學生在大學教育階段所要經歷的一個重要的工程性實踐環節，在培養學生素質和能力方面占有十分重要的地位[1]。而電子技術綜合實驗課程作為一門綜合性的實踐課程，與理論課程并行開設，其實驗內容不再限制于某一門課程，而是把多門相關課程的知識相互滲透，有機融合。在一個實驗項目或設計課題中，可以融合模擬電子技術、數字電子技術、EDA技術、單片機原理等知識模塊，讓學生運用多種技術完成一個完整的電子系統的設計，使學生對電子系統的設計過程有深入的理解，同時培養工程實踐方面的基本素養。除了傳統實驗教學中的實驗項目，課題設計還可以采用電子設計競賽、科研項目、學生創新實踐等方式，在“開放”的狀態下進行，充分體現學生的主體性[2]。眾所周知，軟件學院的辦學宗旨是要基于“精英型軟件人才”的培養目標，一般的軟件學院通常擁有軟件工程和網絡工程兩個專業方向，而我院為了強化“精英型軟件人才”的培養目標，在本科二年級時又開設了嵌入式和物聯網兩個專業方向，這兩個專業方向的學習需要有更好的硬件基礎，這也是我院面向本科一個年級800人開設模擬與數字電路理論與實驗課程，并且實驗教學采取獨立設課的方式的重要原因。嵌入式與物聯網專業與電子技術等硬件課程的聯系要較為緊密一些，對于目前的模擬與數字電路教學，從事這兩個專業方向學習的學生往往會感到學得不夠多，不夠深入。許多有志于這兩個專業方向學習的學生，在做完基礎的模擬與數字電路實驗后希望，還能有機會到實驗室做一些額外的、提高性的實驗。而不從事這兩個專業方向學習的軟件工程和網絡工程專業的學生，往往體會不到學習電子技術等硬件課程的重要意義，簡單的認為在軟件學院學習，只要把“軟”的東西搞明白就可以了，不應在“硬”上浪費時間。因此，結合我院目前本科生的教學體系、培養目標以及開設的相關硬件課程如：51單片機接口與匯編、fpga設計、通信原理、計算機組成原理等與硬件電路密切相關的課程，構建“電子技術綜合實驗教學體系”就顯得有重大的意義，能夠使基礎的硬件教學與軟件學院的教學體系和培養目標建立起聯系，體現了硬件實驗教學相對于軟件專業方向學習的重要性和關聯性，實現軟硬兼顧。除此以外，目前在全國眾多的軟件學院中，另外，還沒有發現一所軟件學院提出構建“軟件學院電子技術綜合實驗教學體系”的教學改革活動。著名的大學如北京大學是將軟件與微電子學院放在一起合辦，盡管如此，北京大學也沒有面向軟件工程、網絡工程將近800人的、規模龐大的模擬與數字電路的實驗課程，因此，我院進行構建“軟件學院電子技術綜合實驗教學體系”的教學改革實踐就顯得特別有意義，能夠起到“示范性”的作用。

二、研究基礎

我院自2008年開始在本科生的教學體系中引入獨立的模擬與數字電路實驗課程以來，取得了許多積極的教學成果：（1）有力的輔助了模擬與數字電路理論課的教學，使抽象的理論課不再生澀難懂。（2）通過動手搭電路的實驗很好的煅練了學生的操作能力，通過實驗學生的實踐能力得以提高。（3）對我院其他專業方向的如計算機組成原理等理論與實驗課程的教學提供了有力的支持。（4）教學模式不斷改進，部分實驗，如儀器使用的教學方式完成了由傳統的“老師講，學生跟著做”到以學生為主體，旨在培養學生“自主學習和創新意識”的開放式教學。在數字實驗部分設立了“選做”實驗項目，面向能快速完成必做實驗部分的、有興趣做更多學習和嘗試的學生。（5）規范實驗教學的流程，引入了實驗報告冊，在報告冊中明確規定實驗的預習、操作、總結部分的要求。（6）在現有課程教學基礎上，結合我院嵌入式工程專業的培養目標，開設了一門提高性質的開放式電路設計實驗課程“嵌入式電路設計開發與應用實踐”。

但現在的實驗教學仍有許多不足之處：（1）實驗內容陳舊，所用元器件型號過時，需要更新。（2）實驗項目仍然偏少，不夠豐富，可供選擇的余地小，大大的限制了學生自主性的發揮，不利于創新型、研究型的學習。因此，驗證性、綜合性、設計性的實驗項目均應增加。（3）教學模式僵化，手段單一，仍以傳統的老師在課堂上按部就班的指導，學生跟著按實驗步驟進行操作驗證為主，學生沒有自由發揮、進行創新型學習的機會。實驗室目前仍沒有完全實現開放，而學生的專業學習任務較重，課程設置多，很難有整塊的時間和專門的機會通過更多的實驗訓練獲得提高。（4）實驗課程考核的方式單一，除了批閱實驗報告之外，成績評定主要以學生完成實驗的快慢為主，即主要考核學生的學習態度，認真預習的程度及實驗動手操作能力的高低。（5）尚未形成一個有效的綜合教學體系，使模擬與數字電路實驗課程能更好地融入我院的整體教學體系當中。

三、研究思路

基于以上的原因及分析，應結合目前我院的教學體系及專業培養方向，以現有的模擬與數字電路實驗教學為基礎，以“開放式”教學為主要依托，構建“電子技術綜合實驗教學體系”，以求根本解決我院目前模擬與數字電路實驗教學中存在的各種問題。

1.建設電子技術綜合實驗園地[3]。建設電子技術綜合實驗園地是本研究課題要實現的基礎目標，是構建我院電子技術綜合實驗教學體系的基礎。

實驗園地中的實驗項目如圖1所示分為以下幾大組成部分：①實驗基本技能訓練園地，實驗基本技能訓練園地主要包括：如何進行實驗預習，如查找資料，對實驗進行理論分析；實驗操作中的FAQ；實驗總結報告的書寫要求；電路設計仿真軟件的入門；嵌入式C、匯編語言的集成開發環境的使用；VHDL、Verilog等硬件設計語言及ISE開發編譯環境的使用；EDA技術基礎如電路板的原理圖、PCB板圖的設計；電路焊接的基本技能培訓等。將實驗基本技能訓練部分的資源放置于我院的ftp課程網站或學院網站上，根據具體實驗的要求或學生自已的需求下載使用。②專用儀器設備園地，在專用儀器設備園地中，可獲得示波器、萬用表、函數信號發生器、直流穩壓電源、電子技術實驗箱、實驗操作面板等儀器設備的使用說明書，操作實例，操作課件等。③基礎模擬與數字電子技術實驗園地，按照基礎模擬與數字電子技術通用的理論教學，實驗園地可分為四大模塊[4]：模塊A：常用電子元器件，包括電阻、電容、電感、二極管、三極管、場效應管等，模塊A是模擬與數字電子技術的共同基礎。模塊B：模擬電路模塊，包括基本放大器、差動放大器、功率放大器、運算放大器、反饋放大器、信號發生器、直流穩壓電源等，該模塊是模擬電子技術的主要內容，著重讓學生掌握模擬電路的基本概念、基本原理和基本分析方法。模塊C：數字邏輯和數字電路模塊，主要包括邏輯代數基礎、邏輯門電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖產生與整形、大規模集成電路（半導體存儲器、A/D和D/A等）。模塊C是數字電子技術的主要內容，旨在讓學生掌握數電的基本知識及常用數字集成電路，學會邏輯分析和邏輯設計的方法。模塊D：可編程邏輯器件模塊，目前常用的可編程邏輯器件包括EPROM、GAL、FPGA、E2PROM，模塊D是數字電路領域發展較快的一項技術，通過與EDA技術的結合，使通過軟件編程的方法實現硬件設計成為可能。④演示實驗教學園地，將演示實驗教學園地分為三大模塊：模塊A：實物演示實驗教學，實物演示實驗教學是從實驗結果入手的教學方法，有助于從總體設計方面建立深入的宏觀印象，趣味性的結果還有助于激發學生的實驗學習創造的興趣，使學生在充分理解了現有實現方法的基礎上，積極探求不同的實驗思路和解決方案。“實物”既可以包括實驗教師為某項實驗所設計的專用演示電路實驗板，也可以包括學生創新實踐過程中的設計產品，當然也可以是實驗電路搭接后結果的視頻演示。演示實驗教學系統也可以通過多媒體PPT課件，WORD或PDF文檔、視頻的形式集中于我院的FTP課程網站或學院網站上，根據具體實驗的要求或學生自已的需求下載使用。模塊B：虛擬儀器實驗，建設基于Labview的3D電子技術虛擬實驗室。可以滿足學生進行常用儀器設備的熟悉與使用，驗證性實驗的虛擬仿真等。如圖2所示為實驗中心自主開發的“三維虛擬實驗室”軟件系統，目前該系統正在研制。

通過對實物如儀器設備、電子元件等的虛擬，使學生對電子技術實驗形成全方位的了解，為深入實驗做準備，虛擬實驗還可以減少針對儀器設備、電子器件的誤操作，降低設備器件的損耗，延長使用壽命，減少維修維護的工作量。虛擬實驗的教學可以不受時間、空間的限制，學生可以在實驗室開放的時間到實驗室來做實驗，也可以在公共機房安裝有該軟件系統的PC機上完成實驗任務，甚至可以在宿舍、網吧、圖書館等有網絡環境的地方通過網絡進行實驗教學，真正實現實驗教學的“開放式”。模塊C：電路仿真實驗，許多EDA軟件就具有電路仿真功能，針對簡單的驗證性實驗，電路仿真往往顯得特別有效，如RC電路的實驗，實現過程非常簡單。如果在進入實驗室之前就能利用EDA軟件針對不同電阻R和電容C進行電路仿真，根據仿真的結果確定所需要的電阻、電容，就可以大大節省查找器件的時間，降低了在實驗室中找不到該器件的風險，提高的實驗學習的效率，有助于開放教學過程中更高效的使用實驗室。相比于實物演示教學和虛擬實驗教學，電路仿真更顯得專業化。⑤提高性實驗園地，提高性實驗園地的建設是構建“電子技術綜合實驗教學體系”的關鍵，是使電子技術綜合實驗教學能與軟件學院的教學體系和培養目標建立聯系的重要環節，體現硬件實驗教學相對于軟件專業方向學習的重要性和關聯性，實現軟硬兼顧。結合我院本科生教學體系及專業培養方向的實際，以及我院目前開設的51單片機接口與匯編、fpga設計、通信原理、計算機組成原理等與硬件電路密切相關的課程，提高性實驗教學園地包括三大模塊：模塊A：單片機硬件實驗，實驗方式為，設計電路原理圖進行電路仿真（可選）編寫C、匯編程序編譯成HEX文件用編程器寫入MCU實驗箱上搭接電路實現功能制作PCB板（可選）。單片機硬件實驗可以實現基礎的模擬與數字電路、單片機原理及應用、EDA電路設計技術及軟件編程與測試等多門專業課程的綜合。模塊B：FPGA硬件實驗，實驗方式為，設計電路原理圖進行電路仿真（可選）編寫VHDL、Verilog語言程序編譯生成bit文件燒寫到可編程器件內搭接電路實現數字邏輯設計或系統功能。FPGA硬件實驗可以實現基礎的模擬與數字電路（尤其是數字邏輯）、計算機組成原理及體系結構、EDA電路設計技術及軟件編程與測試等多門專業課程的綜合。模塊C：通信原理硬件實驗，通信原理理論課程是我院網絡工程系開設的一門專業課，為了深入這門課程，必須具備堅實的模擬（包括低頻、高頻電子線路）和數字電子技術基礎。目前，我院尚無完善的硬件實驗課程與之匹配，因此可在提高性實驗園地中加入這一模塊。通信原理硬件實驗可以實現基礎的模擬與數字電路（尤其是高頻電子線路與數字邏輯）、網絡技術及軟件編程與測試等多門專業課程的綜合。

四、結論

由以上分析得出如圖3所示的“軟件學院電子技術綜合實驗教學體系”的基本構思。

實驗教師應是電子技術綜合實驗園地的建設者，在利用園地中的各種實驗項目及資源做好基礎及提高性實驗教學的基礎上，承擔實驗園地中實驗方案與任務書的設計工作，在實驗項目開發的過程中，針對不同水平的學生，逐漸形成驗證性，綜合性，設計性實驗教學的層次。做為電子技術綜合實驗園地的使用者的學生，在傳統的課堂教學與“開放式”教學相結合的基礎上，逐漸與實驗教師建立新型的教與學的關系，如：學生自已選擇現有的實驗項目，盡可能的獨立完成實驗，實驗教師僅起到輔助指導的作用；教師根據學生的水平，將現有的多個驗證性實驗綜合，形成實驗方案，引導學生獨立完成；學生獨立設計實驗方案，尋求實驗教師的建議及幫助，盡可能的完全獨立自主的完成電路設計及實驗驗證。實驗園地的建設會為基礎、提高性實驗教學提供更多的實驗素材，有助于豐富實驗教學內容。教學中產生的問題有助于豐富實驗園地中的實驗項目的建設，使教師、學生在進行實踐教學的過程中有更多的選擇，有助于擴展學生的知識面，提高實驗教師的教學水平。總之，三者之間的良性互動將創造一個良好的教學實踐環境，切實提高實驗教學水平和教學質量。

鳴謝：本文受到2013年大連理工大學教學改革項目“立足精英型軟件人才培養目標的電子技術綜合實驗教學體系的構建”項目資助。

參考文獻：

[1]侯加林.全面實施電子技術實驗改革提高學生創新能力[J].實驗室研究與探索，2009，28（1）.

[2]姜寧.高校電子技術綜合實驗開放式教學研究[D].陜西：延安大學，2011.

篇6

關鍵詞：EDA軟件；數字電路；教學；實驗

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)24-1250-03

Research on EDA Software in Teaching of Digital Electronics Technology

WANG Yang,HU Jiang,QIAN Yu-lu

(Department of Electronics and Information,Zhejiang Wanli University,Ningbo 315100,China)

Abstract:Digital electronics technology is an important professional course.It can be propitious to teaching, experiments and course design etc., if EDA software is applied to teaching of Digital electronics technology. It can help students master this course better. Finally, its teaching effect is satisfying.

Key words: EDA software; digital electronics technology; teaching; experiment

1 引言

《數字電子技術》是電子信息類本科生的一門專業基礎必修課。課程的主要任務是使學生掌握數字電子技術的基本概念和基本理論，掌握數字電路的分析和設計方法，應用常用的中、小規模數字集成電路進行邏輯電路設計等。EDA是Electronic design automation的縮寫，即電子設計自動化，是人們進行電子產品設計、開發和制造過程中非常關鍵的一步。隨著現今計算機的普遍應用，將EDA軟件應用到數字電路的教學中，形成虛擬的實驗環境，對于數字電路的理論教學、實驗、課程設計等環節都有顯著的幫助，利于學生們更好的掌握《數字電子技術》這門課程。本文主要是分析了EDA軟件與數電課程結合應用的一些心得，通過EDA工具的使用，提高了學生的學習興趣，達到很好的教學效果，同時利于后續相關課程的學習。

2 EDA軟件在數電理論教學中的應用

在進行數字電路的理論教學時，對于常用時序邏輯功能器件的講解[1]，如對計數器的介紹會牽涉到許多概念，像同步置數（清零）、異步置數（清零）等，這些概念學生在掌握的過程中很容易混淆，但若利用了EDA工具中的Multisim 軟件，一邊講解，一邊演示，會很好的幫助學生理解和掌握。這里我們以4位集成二進制同步加法計數器74LS161器件為例，利用同步置數法構成一個五進制的計數器。利用同步置數端LD歸零，SN-1=S4=100，LD=Q2n由Multisim 軟件得到圖1(a) 所示電路，其中ENR和ENT為使能端，CLR為清零端，將它們接在高電平上； A/B/C/D均接地端；QDQCQBQA為信號從高位到低位的計數器輸出端，其中QC通過74LS04器件的一個非門和同步置數端LOAD相連。當SN-1=QDQCQBQA=0100時，就會有一個0信號給予同步置數端LOAD，在下一個時鐘脈沖的上升沿到達時置入了0000狀態。利用Multisim 軟件可以將整個過程演示出來，對圖1(a)進行仿真，可以看到數碼管上數字的變化為圖1(b)所示；打開示波器XSC1得到圖1(c)。由圖1(b)、1(c)學生們可以清楚的看到如圖1(a)實現了一個五進制的計數器功能，其中0001、0010、0011、0100這4個狀態是由74LS161進行加1實現的，0000狀態是由同步置數得到的。

同樣利用Multisim 軟件，我們也可以演示利用74LS161器件的異步清零法構成的計數器，這樣學生們可以很清楚的比較置數法和清零法二者的差別，更好的對這部分的內容進行理解和掌握。因此，將EDA軟件應用于數電理論教學中，對于理論教學有很好的輔助作用，加深了學生們對于理論課程的理解，獲得良好的教學效果。

3 EDA軟件在數電實驗中的應用

對于數字電路的學習，是離不開實驗教學這個環節的，為了能夠更好的做好實驗，通常要求學生在作實驗前預習實驗內容和實驗步驟等。但僅僅只是粗略的看看實驗指導書，學生很難對整個實驗有系統的認識，在實際的實驗中會過多的依賴教師，這樣很難達到實驗教學的目的，有時甚至會影響到學生們對于這門課程的學習興趣。若我們將Multisim軟件與數電實驗結合起來，在實驗前鼓勵學生利用它建立一個虛擬實驗室[2]，做一次虛擬實驗，幫助學生更好的完成實驗。這里我們以555集成定時器構成多諧振蕩器的實驗為例。實驗的內容是利用555集成定時器構成的多諧振蕩器來產生T=tPH+tPL=1.25s的脈沖信號，其中tPH=1s 。由Multisim軟件，利用電容器的充放電特性，可以得到如圖2(a)的圖形，對其仿真后，打開示波器XSC2，可以看出我們得到了一個tPH=1s，占空系數為80％的脈沖信號，如圖2(b)所示。

從這個虛擬實驗中，學生可以很好的理解555集成定時器元件各個管腳的功能，實驗電路的設計方法，及實驗結果的情況等。因此，通過利用Multisim軟件進行虛擬實驗，可以讓學生更加熟悉實驗內容，減少實驗中不必要的錯誤。在虛擬實驗中得到的結果可以在實際中檢驗；同時在虛擬實驗中遇到的問題，可以帶著問題去到實驗室里做實驗，這樣大大增加了學生的興趣，提高了實驗效果。

4 EDA軟件在數電課程設計中的應用

課程設計的環節對于數字電路教學來說也是非常重要的[3]，它可以幫助學生加深對于整個課程的系統理解；提高學生理論聯系實際的能力；增加學生實際解決問題的能力；促進學生的創新意識和創新能力。將Multisim工具應用于其中，可以幫助學生更好的完成自己的課程設計。例如以設計簡易數字頻率計為課程設計的題目，要求在面包板上實現該電路。要完成這個課程設計，首先學生必須了解測頻的基本原理，如圖3所示，被測頻率fx的信號u1(t)自輸入通道經過整形、放大等形成與周u1(t)期個數相同的計數脈沖進入主控門電路，在門控雙穩態電路開門信號的控制下，將計數脈沖送入計數、鎖存、譯碼、驅動與顯示電路，由半導體發光數碼管顯示出被測頻率fx值。控制電路是控制、協調各單元電路的工作程序[4]，完成頻率的測量。

在清楚電路設計原理的基礎上，學生通常是利用現有的元器件，在面包板上完成電路的設計、搭建、調試、測試等工作，但這樣會存在一些問題，如元器件的損壞、接觸不良；面包板某部分短路；實驗儀器的精度不夠等，這些都會影響學生的設計進度，給學生增加了一些不必的設計難度，但若學生利用Multisim工具，就會大大簡化他們的設計難度。由數字頻率計的設計原理，可以在Multisim軟件中虛擬出整個設計過程。首先，由電路原理得到電路圖，通過仿真，不斷達到設計指標，最終可以得到如圖4(a)所示的電路圖。

然后，可以利用Multisim 8的面包板功能，將其整個電路搭建在虛擬面包板上，如圖4(b)就搭建了上述的設計中的時基電路部分。選擇和實驗室中相同大小的面包板，學生就可以利用軟件的這個功能將完整的電路搭建在這塊虛擬面包板上，利用軟件的“DRC和連接檢查”功能檢查無錯誤后，就可將其搬到實際的面包板上即可。

5 EDA軟件在數電課程中的其它應用

為了更好的培養應用型電子技術人員，我們在數字電路教學的過程中，常會對學生介紹一些課外知識，如PCB板設計等，但是這些講解有時會較空洞，因為學生很難將仿真的電路與實際的PCB版圖聯系在一起，但是我們利用EDA工具中的Ultiboard 8軟件，可以解決這個難題。例如以采樣計數電路為例，首先，利用Multisim軟件可以得到它的電路圖形，如圖5(a)所示；然后利用Ultiboard軟件可以畫出它的PCB版圖[5]，如圖5(b)所示；利用Ultiboard軟件的3D演示功能，學生們可以清楚的看到該PCB版圖制版后的模樣，如圖5(c)所示。這樣對于學生的理解具有很大的幫助，提高了學生的學習興趣，取得了很好的教學效果。

綜上所述，利用EDA軟件可以幫助學生對于數字電路這門課程的學習，不論是在理論教學、實驗教學中，還是在課程設計中，都起到了很好的輔助作用，加深學生們對于課程的理解、認識，獲得良好的教學效果，同時也為今后學習相關課程，如VHDL語言、DSP技術等，打下了堅實的基礎。

參考文獻：

[1] 覃善華,歐陽義芳,吳偉明,等.EWB在《數字電路》教學中的應用.現代電子技術,2004,1:100-102.

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[3] 王毓銀.數字電路邏輯設計[M].北京:高等教育出版社,2002.

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電子設計類實踐課程的教學目的是要學生掌握電子電路的基本設計方法、驗證方法，同時培養學生的實踐能力。本文以交通燈控制電路為例，介紹了電子電路的一般設計方法。設計過程中使用Multisim軟件對理論設計結果進行電路仿真，并對結果進行了分析。通過驗證，該交通燈可以實現現有道路十字路口的交通指揮功能，具有較高的可靠性和一定的實用性。使用Multisim軟件進行電路的設計和仿真，不僅省時，而且可以節約大量的實驗資源，而且可以給枯燥的課堂教學提供生動的教學演示，激發學生的學習興趣，提高教學效果。

【關鍵詞】

Multisim；交通燈；電子設計；仿真

電子設計實踐是我校開設的一系列電子技術實踐類課程，包括電子技術課程設計、電子技術綜合訓練等。課程要求學生應用電子技術課程所學理論知識進行電子電路的綜合設計，完成電路仿真、圖紙繪制與實際電路的焊接等。重視理論與實踐教學相結合是學好此類課程的一個重要方法[1]。因此，就要求學生在完成理論學習之后，要進行系統的實驗驗證與綜合設計，對所學知識從“系統”的角度進行完善，從而促進學生對動手、分析和解決問題的能力培養。電子技術高速發展的今天，各種新型電子器件、電子電路日新月異，僅靠現有實驗條件將無法滿足電子設計實踐課程中電子電路的設計和調試要求[2]，對于這樣一類學科基礎課程的教學效果而言，無疑將受到很大影響，甚至在一定程度上影響了學生創新能力的培養[3]。NI公司的Multisim軟件具有強大的電路分析和電路仿真等基礎功能，并且界面友好、生動，將其虛擬的設計環境引入到理論與實踐教學中，對解決這一問題有著較強的實踐意義。

1Multisim軟件概述

Multisim13是美國NI公司推出的最新電路設計與仿真工具軟件，與早期版本相比，其性能提升的同時，用戶可以根據自己的需求自定義儀器；仿真時的虛擬信號可以通過計算機輸出到實際的硬件電路上；實際硬件電路的結果可通過數據線傳輸回計算機進行分析、處理。Multisim13仿真軟件主要可以完成電路原理圖設計、仿真分析等功能，可對實際模擬/數字電路及模數混合電路進行有效的設計與仿真分析。用戶可以通過其人性化的界面，使用其龐大的虛擬器件、儀表庫，進行絕大部分的電子電路設計與仿真，各種虛擬儀表非常逼真地與電路原理圖放置在同一操作界面上進行各項參數和波形的測試，以圖形化的方式消除了傳統電路仿真的復雜性，幫助教育工作者、學生和工程師使用先進電路分析技術。同時，該軟件可將電路原理圖轉換輸出至PCB設計界面，進行相應的電子電路制板操作[4]。因此，利用Multisim13進行電子電路設計類課程教學時，學生可在虛擬環境中完成原理圖設計，包括元件的選擇、創建，電路參數的調整以及仿真結果的分析等環節，仿真過程中，可以隨時對設計結果進行修正，并利用虛擬的測試儀表進行相關電路特性的測試[5,6]；完成理論設計之后，即可采購元件，進行電路的安裝、調試，優化了電路設計過程，且可以保證達到設計要求。

2簡易交通燈信號控制電路設計

本文以一簡易交通燈信號控制電路為例，說明Multisim13在電子設計課程中應用。該交通燈電路具體功能要求如下：（1）十字路口車輛東西-南北方向交替通行，通行時間一致且可在電路中設置、修改；（2）變換通行車道前，要求當前通行車道黃燈閃爍亮燈5s，每秒一次；（3）亮燈時間均采用LED倒計時的方法顯示。

2.1主要單元電路器件的選擇

2.1.1計數單元的選擇由設計要求可知，所有亮燈時間均需要采用LED顯示器進行倒計時顯示，因此本文采用同步十進制可逆計數器74LS190N構成所需模態的減計數器。在Multisim設計界面，使用快捷鍵Ctrl+W調出放置元件對話框，在彈出的對話框中的Group欄中選擇TTL，Family欄中選擇74LS系列，并在Component欄中找到“74LS190N”并選中，點擊“確定”即可放置所需的計數器元件。設計中，設置撥碼開關，可按要求改變預置數的數值。

2.1.2邏輯切換控制單元由設計要求可知，紅、黃、綠三色交通燈需要在計時過程中實現有規律的切換，且紅色和綠色LED燈都需要保持顯示一定的時間，黃燈則為閃爍5s，每秒一次。設計中采用雙JK觸發器“7473N”實現輸出狀態保持，并配合門電路實現三色燈轉換邏輯。在Multisim設計界面，使用快捷鍵Ctrl+W調出放置元件對話框，在彈出的對話框中的Group欄中選擇TTL，Family欄中選擇74STD系列，并在Component欄中找到“7473N”并選中，點擊“確定”即可放置所需的觸發器元件。

2.2交通燈信號控制電路系統設計簡易交通燈信號控制電路系統的總體設計結果如圖1所示。在Multisim電路設計界面，放置如圖1所示所有需要的元件。電路運行仿真時，假設東西方向綠燈亮、南北方向紅燈亮，通行時間45s通過上方LED倒計時顯示。時間顯示數字“5”時，東西方向車道（當前通行車道）的綠燈切換為黃燈，每秒閃爍亮燈一次，以此提醒司機通行時間將結束，請減速緩行并停車；倒計時結束1s后，LED倒計時顯示預置的通行時間45s，通行車道切換完成。如此循環，實現十字路通信號燈的循環切換控制。通行時間可由用戶通過撥碼開關自行設置（范圍1~99），具體運行效果同前。為了便于快速仿真，電路中的時鐘信號頻率為1kHz，實際電路制作時，應設置相應的時鐘信號產生電路，以便產生標準的秒信號。

3結論

通過Multisim軟件實現此類電路的設計時，學生可以直觀的看到設計結果，并且可以隨時對設計中的問題進行修改，大大縮減電路設計周期，且避免利用實物進行實驗時的不必要浪費，節約成本。在多媒體教學演示過程中，電路的分析過程清晰、直觀、形象、生動，使教學過程中寓教于樂，激發學生的學習熱情。我們還利用該軟件對電子技術類課程進行傳統教學模式改革，使實踐與理論有機結合，有效提高學生在電子電路問題的分析、設計中的應變能力，提高學生的實踐興趣和創新精神，同時也有效提高了電子設計類課程的教學效果。

參考文獻

[1]晏湧,藍波.“任務驅動”教學法在模擬電子技術實驗中的應用[J].實驗技術與管理,2010(11):253-254.

[2]張亞君,陳龍,牛小燕.Multisim在數字電路與邏輯設計實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2008,25(8):108-110,114.

[3]劉君,楊曉蘋,呂聯榮,等.Multisim11在模擬電子技術實驗中的應用[J].實驗室研究與探索,2013,32(2):95-98.

[4]沙春芳.Multisim10在模擬電子技術教學中的應用[J].中國現代教育裝備,2011(3):125-126.

[5]雷躍,譚永紅.用Multisim10提升電子技術實驗教學水平[J].實驗室研究與探索,2009,28(4):24-27.

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基本情況

姓

名：xxx

政治面貌：預備黨員

民

族：漢

籍

貫：xxx

出生年月：xxx

E-mail：xx

聯系電話：xxx

英語水平：CET-6

綜合排名：1/80

就讀學校：xx

所在學院：xxx

本科專業：xxx

通訊地址：xxx

郵編：xxx

獲獎情況

2015年

xxx大學物理競賽二等獎

2015年

第三十二屆全國部分地區大學生物理競賽非物理A類一等獎

2014—2015學年度

校級一等獎學金

2014—2015學年度

校級三好學生

2016年

美國大學生數學建模競賽Successful

Participant

2016年

電子工程學院“科技月創意代碼”比賽最佳創意獎

2015—2016學年度

校級二等獎學金

2015—2016學年度

校級三好學生

2017年

美國大學生數學建模競賽Honorable

Mention

2017年

全國大學生電子設計競賽國家二等獎

科研及競賽活動經歷

1.

xxxx大學大學生創新創業訓練計劃項目（基于xxxxxxx功能實現）

2016.5--2017.5

本項目旨在研究無人機的飛行原理，設計一個面向用戶的噴繪繪制軟件用于控制無人機完成自動噴繪，并對無人機進行改裝，以完成噴繪任務。無人機使用APM2.8飛控，繪制軟件使用C++（PC版）和HTML/PHP（網頁版）編寫。

作為該項目小組骨干技術成員，主要負責前期無人機的調試和試飛，以及繪制軟件的代碼編寫。

2.

全國大學生電子設計競賽

2017.2--2017.9

院內選拔賽成果是以MSP430G2553單片機為核心的頻率特性分析儀。在院內培訓期間，又相繼完成了短距視頻信號無線通信網絡、數字頻率計、可控增益放大器、頻譜儀等。最終參賽選題為調幅信號處理實驗電路，載波頻率為160-500MHz，調制信號為300-5000Hz，中頻為10.7MHZ，技術難點在于前端低噪放的設計和中頻的自動增益控制，我們的作品最終獲得國家二等獎。

作為小組的主要成員，主要負責電路的設計和調試，以及部分代碼編寫任務。

3.

美國大學生數學建模競賽

2017.1

2017年獲得Honorable

Mention獎。題目為設計收費站出口扇入區的形狀。我們將問題分為4個指標：汽車通過時間、收費站吞吐量、建造成本、事故率，主要采用了排隊論與泊松過程的理論進行分析。

作為小組的主要成員，主要負責建模和編程任務。

4.

電子工藝實習（平衡車設計）

2016.9

本實習主要是制作一個以STM32F103單片機為核心的，使用PID控制算法進行平衡調節的平衡小車。通過改進PID算法，以適應小車的特性，實現了能夠在受到強烈干擾的情況下恢復平衡，獲得任課老師的高度認可。

5.

數字電路與邏輯設計實驗（猜拳游戲的設計與實現）

2016.10--2016.11

本實驗旨在熟悉FPGA的開發，使用VHDL語言設計一個猜拳游戲機。獨立完成該實驗，獲得任課老師的高度認可。

6.

數字信號處理實驗

2016.11--2016.12

本實驗旨在熟悉FFT、FIR、IIR的硬件設計，使用匯編語言和C語言設計一個高通濾波器。選擇設計一個50階FIR濾波器，獨立完成該實驗，獲得任課老師的高度認可。

7.

xx學院微信公眾號后臺維護

2015.10--2017.4

從2015年以來，我一直負責xxx學院微信公眾號的后臺技術維護，主要工作有編寫、編輯網頁，修改菜單，添加臨時功能（晚會微信墻等）。（xxxx學院微信的公眾號后臺服務器使用的是PHP語言。）

社團活動參與情況

xx大學電子工程學院學生會宣傳部

干事

xx大學電子工程學院研究生會微信平臺部

干事

xx大學紅十字會志愿服務部

副部長

編程語言和軟件應用情況

掌握C（包括嵌入式開發）、C++、JAVA等軟件編程語言，VHDL硬件編程語言，以及HTML、JSP、PHP、JavaScript等Web開發語言。能夠運用Matlab、ADS、Multisim等軟件，并掌握基本辦公軟件和Adobe系列軟件（Ps、Pr、Au、Ai、Dw、ID）的運用。

篇9

關鍵詞：實踐教學；計算機工程；硬件課程教材設計；嵌入式系統

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913 (2007) 24-0029-03

1引言

2005年底，我國高校有771個“計算機科學與技術”專業點，44萬多在校生。根據各校的辦學理念和培養目標，本專業又可分為五個專業方向：計算機科學、計算機工程、軟件工程、信息系統和信息技術。各個方向的課程設置及教學要求均有所側重，對于傳統的工科院校中的計算機應用技術專業而言，其方向介于計算機科學(CS)和計算機工程(CE)之間，且更偏向于計算機工程。計算機工程方向是計算機科學與電子工程的交叉學科，電類基礎課程較多，大多數院校均開設電路與系統、電工電子學等相關課程。此外，計算機硬件系列課程包括數字邏輯、計算機組成原理和計算機系統結構三門核心課程。

從根本上講，計算機學科是一門技術學科，工程技術的含義遠大于科學的涵義，因而本專業具有實踐性非常強的特點，強調實踐教學體系。許多優秀的計算機專業學生(例如比爾?蓋茨)的成長歷程也說明了計算機實踐能力培養的重要性，因此新世紀的計算機教育不僅要重視扎實的專業基礎理論學習，更要強調硬件開發、軟件設計的能力培養。

2中外計算機專業硬件課程實踐教學對比

為探索工科院校計算機專業硬件系列課程實踐教學改革的方向及實施方法，本文分析了美國斯坦福大學、馬里蘭大學計算機工程專業的課程設置及實踐課程規劃，將其與哈爾濱工程大學計算機科學與技術專業的本科生培養計劃進行比較，詳細結果如表1所示。表2列出了這幾所典型大學計算機專業硬件相關課程實踐學時與理論學時的分配情況。

表1 幾所典型大學計算機工程專業硬件相關課程

表2 幾所大學計算機工程專業硬件相關課程實踐學時分析

通過表1和表2的結果可以看出，我們目前的課程設置情況是合理的，與國際領先大學的計算機工程專業課程設置相符。對于計算機工程專業普遍開設的三門硬件系列課程數字邏輯、計算機組成原理和計算機系統結構均開設了相應的課內實驗或課程設計，對理論課所傳授內容的補充和深化，不但增強學生對課程的理解，同時加強了學生的工程實踐意識，培養學生從事計算機工程相關工作的能力。本專業學生需要學習數字系統和計算機系統的相關知識以及軟件設計方面的知識，前者包括數字邏輯設計、計算機組織、計算機體系結構及對程序設計的支持，后者包括操作系統、編譯器以及程序設計語言的組織等理論。

然而，進一步分析比較各高校的實驗與課程設計的內容可以發現，我們目前的實驗內容設置和課程設計項目設計還比較陳舊，沒有及時根據業界技術的發展進步進行調整，因而未能給理論課提供有力的支撐。綜上所述，我們認為我國高等學校計算機專業硬件系列課程實踐教學內容改革的要求是迫切的，需要根據工業界的技術發展進行實驗內容調整，實驗平臺更新和課程設計項目的重新設計，而設計出符合這一要求的計算機專業硬件課程實踐教材成為這一改革的首要任務。

3硬件課程實踐教材的設計

實驗課教材的設計應從科學技術人員基本技能訓練的總體要求出發，統一安排實驗教學，不能過分強調某一門課程的實驗教學，而要強調綜合能力的培養。實驗課涉及到四種主要能力(觀察能力、思維能力、操作能力、表達能力)的發展必須要協調，其中任何一種能力都不可能單獨地得到發展。教學實驗不僅要讓學生學會本專業必要的基本實驗方法，掌握基本實驗儀器設備的操作技術，還要讓他們學會正確分析實驗結果、處理數據，要加強培養正確的科學態度和嚴密的邏輯思維能力。不但讓學生懂得“應該怎么做”，而且要懂得“為什么要這么做”，更要創造性地思索“還能做什么”。

3.1開放式實驗對教材的要求

開放式實驗教學方法要求給學生獨立思考與動手的充分自由。一般的實驗教材，重點在介紹一個個實驗上，是教師想出的實驗讓學生去實現，并且對于實驗線路、實驗方法、實驗儀器都做了細致的規定，有的講義還把實驗步驟寫得非常細，這樣學生根本不必動腦筋，只要依葫蘆畫瓢即可。這樣的教材束縛了學生的學習積極性，不符合開放式實驗教學的要求。開放式實驗教學使用的教材應具有以下特點：基本實驗詳細，作為引導學生入門的手段；選做實驗、綜合實驗要粗線條，多留些空白，讓學生有充分思考的余地；要把教材內容的重點從介紹一個個實驗轉移到介紹實驗理論、實驗方法上來，實驗選題只要介紹一些典型的例子，選題本身可以留給學生創新。

3.2基于FPGA的硬件系統設計實驗教程

目前，基于FPGA的教學實驗平臺及參考書很多，但是根據我們的調查，適合作為高等學校本科教學使用的較少。因此，改革后的課程體系應更注重對學生創新能力的培養，通過開放性的實驗內容、開放性的實踐環節設計，使學生在探索、研究中學習，切實提高理論聯系實踐解決問題的能力。

利用目前先進的基于現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array)器件的實驗平臺，可以安排數字邏輯、計算機組成原理以及計算機系統結構課程的實驗與實踐內容，培養學生的動手能力和系統觀點，而且開發速度快，可靠性高，實驗的可重復性好。硬件系列實驗與實踐課程應包括基于FPGA的硬件設計所涉及的基本知識、循序漸進的實驗設計、切實可行的實驗步驟、重點模塊的代碼及關鍵實踐環節指導。借鑒國外大學(例如，美國斯坦福大學和馬里蘭大學)計算機工程專業開設的數字系統設計方面的課程內容，結合我國高等院校的本科教學的實際需求及所能提供的實驗環境，精心編寫實驗大綱內容及設計實驗用例。通過浮點運算電路設計、狀態機設計、某個RISC模型機部分模塊的設計等實驗用例的訓練，學生可以建立計算機的整機概念，了解數據在計算機中的表示、傳送路徑、處理以及控制信息是如何完成對計算機系統的控制。而且，通過流水線設計及Cache設計實驗，學生可以了解現代微處理器設計技術。

教程應當配合高等學校的數字邏輯、計算機組成原理、計算機系統等課程的實踐教學環節，突出實用性，所設計的實驗可操作性強，與實踐結合緊密。不僅著眼于基于FPGA的EDA設計方法，更著眼于介紹基于基本的數字邏輯組成的功能部件的基礎上如何構造微處理器，即計算機專業本科教學的重點和特色是計算機的硬件系統組織，而不僅僅是介紹通用的數字電路和數字系統的設計方法，這是我們與微電子等專業相區別之處，也是計算機專業畢業生的特長。

4在硬件課程實踐中加強嵌入式系統設計

隨著嵌入式系統應用飛速地發展，社會對掌握嵌入式技術的人才產生了大量需求，使嵌入式軟、硬件工程師成為未來幾年最為熱門的職業之一。在嵌入式系統硬件設計方面，隨著半導體和微電子工藝技術的進步以及可編程邏輯器件技術的迅速發展，利用先進的EDA工具平臺，在硬件設計中加入包含自主知識產權的硬件邏輯設計，并以FPGA的形式實現功能強大的嵌入式系統，已成為當前嵌入式電子產品設計的主流。實驗課的目的是培養學生良好的實驗素養、基本實驗技能、獨立工作能力、操作能力等。

目前，我校已經與國內外多家嵌入式系統領域實力較強的研究機構和企業建立了穩固的合作關系，與美國Xilinx公司成立了FPGA技術聯合實驗室。對嵌入式系統均有豐富和深厚的理論基礎和實際的項目研發經驗，并具有傳統計算機硬件實驗教學的經驗。另外，從2003年設立嵌入式系統研究方向以來，我校已經先后投入了300多萬元采購了各種先進的嵌入式實驗設備和微機，從硬件環境上已經初步完成了計算機硬件實驗教學改革的準備工作。我們的目標是提高學生計算機硬件實驗的效果，實現“軟硬件實驗環境一體化、實驗平臺綜合化、實驗內容系統化”。構建軟硬件一體化實驗環境有利于培養學生軟硬件綜合素質；綜合的實驗平臺可以進行多課程內容交叉的綜合實驗，有利于培養學生的綜合設計能力；實驗內容的系統化有利于培養學生的系統化設計的思想。

5結論

當前實驗教學改革的趨勢是開放實驗室，實行開放式實驗教學。各個學校的具體做法可能不完全相同，但對于實驗教學改革的基本思路是接近一致的。大家都認為過去實驗教學過于死板，基本上采取“抱著走”的教學方法，大大壓抑了學生實驗學習的積極性，教學效果不理想。經過幾年的教學改革實踐，現在比較一致的看法是：實驗教學不能完全依附于課堂教學，而應該在緊密配合課堂教學的前提下，獨立設課，開放實驗室，發展實驗教學本身的特點，發揮實驗教學培養學生獨立工作能力的優勢，倡導開放式實驗教學法。計算機專業硬件課程的實踐教學需要根據工業界的技術發展進行實驗內容調整，實驗平臺更新和課程設計項目的重新設計。實踐教程應當配合高等學校的數字邏輯、計算機組成原理、計算機系統等課程的實踐教學環節，與實踐結合緊密。為適應社會對嵌入式系統設計和應用人才的迫切需求，還應在傳統的計算機硬件實踐課程中增加嵌入式系統設計方面的內容。

參考文獻

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[2] 范印哲. 教材設計與編寫[M]. 北京：高等教育出版社，1998.

[3] 巨瑛梅. 當代國外教學理論[M]. 北京：教育科學出版社，2004.

[4] 大學計算機課程報告論壇組委會. 大學計算機課程報告論壇文集[M]. 北京：高等教育出版社，2007.

[5] 烏美娜. 教學設計[M]. 北京：高等教育出版社，1994.

作者簡介

姚愛紅(1972-)，女，工學博士，副教授。研究方向：計算機系統結構、嵌入式系統設計技術。

篇10

關鍵詞：微處理器；硬件邏輯；開發系統；管腳映射

中圖分類號：TP386.1 文獻標識碼：B 文章編號：1004-373X(2008)02-068-03

A Design for Universal Research System of Microcontroller Based on CPLD

TANG Xuhui

(School of Electronics & Communication Engineering,Shenzhen Polytechnic College,Shenzhen,518055,China)オ

Abstract：This Paper proposes a method which can map correlative function pins of different type microcontroller to same periphery interface applied circuit flexibly,by CPLD or FPGA and loading different configuration files.It can realize change different types of microprocessor quickly in the circumstances of no changing any hardware of the research system.It can solve the existent problem of different microprocessor needs corresponding research system.

Keywords：microprocessor;CPLD or FPGA;research system;pin mappingオ

1 引 言

在現代通信系統、電子產品設計應用中大都離不開功能強大的微處理器,在應用微處理器進行電子產品設計時,首先就需要選擇合適的微處理器型號。除考慮他的功能、價格等因素外,同時還要考慮他的設計難易程度。為了詳細了解一款微處理器的性能和設計應用技術,開發人員通常都需要事先對微處理器廠家或者第三方設計廠家提供的針對此微處理器芯片設計的開發系統進行前期的研究分析和評估。

然而,由于不同微處理器的對外接口、芯片管腳、模塊和軟件設計方法等都各不相同,因此廠家針對不同的微處理器設計不同的開發實驗板,以至于開發人員在研究不同的微處理器時需要購買不同的開發實驗板或實驗系統。這對于廣大科研人員來說,無形中就加大他們的經濟投入。

雖然不同微處理器的應用技術存在差別,但在開發實驗板的實現原理上都大致相同,現有的開發實驗板的實現功能框圖可描述為如圖1所示。

可見,微處理器提供的各主要功能單元的應用在開發實驗板上都要提供相關的模塊,以供設計者參考設計。但是不同的微處理器的對外管腳和封裝不同,當微處理器型號更換時,整個單板的硬件需要重新設計，盡管開發板中其他接口電路可能是完全相同。這造成了重復設計和人力物力資源的浪費。

2一種新型的可支持多種微處理器的通用開發實驗系統

針對上述情況,提出一種新型設計思路實現支持多種微處理器芯片的通用開發實驗系統。本開發系統的實現技術方案框圖如圖2所示。

本開發系統主要包括微處理器插座（含插座轉換器）、控制轉換模塊、控制邏輯加載單元、微處理器電源選擇模塊、微處理器時鐘選擇模塊、微處理器擴展口、微處理器配置模塊、電源模塊、時鐘模塊、復位模塊、微處理器各功能模塊接口應用電路等功能模塊。下面逐一詳細說明。

2.1微處理器插座（含插座轉換器）

微處理器插座（含插座轉換器）主要用來放置不同的微處理器芯片。他主要圍繞一個標準的間距寬為600 mil的48PIN的雙列直插式插座來實現。在此插座的四周擴展有多個焊接過孔,用來連接主板和插座轉換器。當微處理器芯片是DIP封裝時,只需將其直接插入主板上的此48PIN雙列直插式插座；當微處理器芯片是PLCC封裝時,則芯片需要置于A型插座轉換器內再將插座轉換器插入微處理器插座上。A型插座轉換器主要包含一個PLCC插座和雙排插針,雙排插針直接可以插入微處理器插座上,主要用來完成PLCC封裝向DIP封裝轉換的功能。當微處理器芯片是SMT封裝（SOP，QFP，BGA等）時,則需要將微處理器芯片簡單焊接在B型插座轉換器上。B型插座轉換器主要包含一個小的PCB板和多排插針,微處理器芯片可以焊接在此PCB板上,多排插針則可以固定于此雙列直插式插座和他周圍擴展的用來連接主板和插座轉換器的焊接過孔上。經過這樣的處理,通過微處理器插座結合插座轉換器可以方便地實現在同一塊開發實驗板上快速靈活地更換不同的微處理器芯片。

2.2 控制轉換模塊

主要由硬件邏輯芯片CPLD或者FPGA來實現。用于實現靈活的微處理器信號管腳映射的功能。一方面,來自于微處理器的大部分管腳信號（除了電源信號、內部時鐘振蕩器信號或其他模擬信號之外）連接到此硬件邏輯芯片的部分I/O腳上；另一方面,支持微處理器的各種通用接口應用電路的信號也連接到此硬件邏輯芯片的部分I/O腳上；通過對此硬件邏輯芯片加載運行不同的硬件邏輯軟件,同一通用接口應用電路可以連接到不同種類微處理器的相關信號管腳上。比如,對于UART接口電路,都可以由MAX 3232實現。MAX 3232上的串口輸入/輸出信號管腳是固定的,但是不同微處理器的串口輸入/輸出信號管腳則可能不同（比如有的處理器RXD是10腳,TXD是11腳；而有的處理器的RXD是12腳,TXD是13腳）,通過控制轉換模塊的管腳映射功能可以根據微處理器的型號分別將MAX 3232的輸入腳連接到微處理器的相應引腳（第10腳或第12腳）。于是不同種類微處理器的UART接口都可以連接到同一個UART接口應用電路上。實現相同的開發實驗板可靈活支持多個處理器的目的。

控制轉換模塊的另外一個功能是輸出控制信號,控制將輸入到微處理器電源選擇模塊和微處理器時鐘選擇模塊的不同種類微處理器的電源信號和時鐘信號輸出給相應的電源模塊和時鐘模塊,以保證微處理器的正常工作。

2.3 控制邏輯加載單元

主要完成將計算機后臺提供的不同硬件邏輯軟件加載到控制轉換模塊中的硬件邏輯芯片里。當控制轉換模塊采用CPLD實現時,控制邏輯加載單元實際上只包括一個邏輯加載頭。當控制轉換模塊采用FPGA實現時,由于FPGA內容的掉電易失性,因此此時控制邏輯加載單元除了包括一個邏輯加載頭外,還包括一個帶有FLASH的控制系統。此控制系統通過串口完成將后臺主機上的FPGA加載文件燒寫到控制系統的FLASH中。這樣,整個系統只需加載一次FPGA內容,下次上電后就無需再加載。

2.4 電源模塊及電源選擇模塊

電源模塊輸出的電源電壓包括5 V，3.3 V，2.5 V和1.8 V等。以保證微處理器及其各模塊的正常工作。電源選擇模塊主要完成將電源信號分配到不同種類微處理器的電源引腳的功能。輸入的不同電源信號（5 V，3.3 V或其他電源信號）來自開發實驗主板統一的電源模塊。選擇控制信號則來自于控制轉換模塊輸出的電源控制信號。為減少單板面積,微處理器電源選擇模塊內部主要由模擬開關芯片（比如ADG731，MAX396等）實現。沒有將微處理器的電源信號管腳直接連接到控制轉換模塊的I/O腳的原因是邏輯芯片的I/O腳輸出電流和功率很小,不能滿足各處理器芯片實際工作的需要。為了節省成本,微處理器所需的不同電源信號可以采用線纜通過人工操作的方式接入。這樣帶來的問題是不能實現完全意義上的微處理器自動配置。

2.5 時鐘模塊及時鐘選擇模塊

時鐘模塊由一個有源晶振電路實現,其輸出的時鐘信號送入控制轉換模塊的邏輯芯片的時鐘輸入腳。而且時鐘信號通過分頻后不但可提供給微處理器的時鐘引腳,也可以提供給其他各接口應用電路使用。

時鐘選擇模塊主要完成將外部時鐘振蕩信號分配到不同微處理器的內部時鐘振蕩器信號輸入腳的功能。選擇控制信號則來自于控制轉換模塊輸出的時鐘控制信號。由于時鐘振蕩信號非數字信號,所以不能通過控制轉換模塊的I/O腳來實現,內部也是主要由模擬開關芯片實現。

2.6 微處理器擴展口模塊

主要包括一些多排插針和一個單板連接器。多排插針主要方便于開發者，可采用電纜連接的方式將微處理器的一些控制信號或輸入/輸出信號連接到自己開發的產品單板上。單板連接器則方便于本開發實驗系統的功能升級。針對一些微處理器獨特的功能模塊,比如以太網接口電路和微處理器外存儲模塊電路（包括FLASH/ROM和RAM等）等；或者隨著技術不斷更新,隨新型微處理器出現的新型功能模塊；他們都可采用小板的方式通過此連接器方便地提供給本開發實驗系統。

這里需要特別提及的是：以太網接口應用電路和微處理器擴展的存儲系統等模塊與微處理器型號緊密相關。不同的微處理器提供這些模塊的控制接口的方式差別很大,是不能采用單板上的同一個模塊來與不同類型微處理器直接相連的方式。比如,有的微處理器提供的以太網功能包括MAC和PHY的功能,外部只需要提供變壓器電路和RJ45水晶頭就可以實現以太網通信的功能。但有的處理器提供的以太網處理功能只包括MAC芯片,外部還要提供PHY器件結合變壓器電路和RJ45水晶頭才能實現完整的以太網通信功能。而對于微處理器擴展的存儲系統,由于不同微處理器處理機制不同,有的是地址信號線和數據信號線公用,有的則不是；有的需要鎖存有的則不需要；因此對應的外部接口電路也完全不一樣。因此這些微處理器擴展的外部存儲接口電路（包括FLASH、ROM和RAM等）以單獨的小板的方式來提供。

另外,在此模塊上也提供微處理器的仿真接口。這里主要是指JTAG接口,不同微處理器的JTAG信號管腳是不一樣的,通過控制轉換模塊的管腳映射功能,他們都可以映射到同一個JTAG接口電路相關信號上。有的微處理器的仿真接口是直接通過串口實現。這樣就只需利用UART接口應用電路就可以實現。

2.7 微處理器配置模塊

主要包括撥碼開關和一些上下拉電阻。由于大部分微處理器都指定某些管腳作為模式選擇管腳,用來選擇微處理器的工作模式。因此通過此配置模塊提供的信號管腳高低電平配置功能,就可以方便地實現不同種類微處理器的相應不同工作模式的靈活配置。

2.8 復位模塊及接口應用電路

由復位芯片提供復位信號給控制轉換模塊的邏輯芯片或者單板上的其他各接口應用電路。通過控制轉換模塊處理后的復位信號再送給微處理器的復位腳。

微處理器各接口應用電路主要用來提供一些器件電路用以驗證處理器提供的這些功能模塊,或者用于研究這些功能模塊所對應的軟硬件實現技術等。

另外一種可替代的實現方案,其是將已實現了微處理器插座管腳靈活映射功能的微處理器最小系統獨立出來,作為扣板或者小板來提供,通過連接器直接與開發系統主板連接或者安裝在主板上。開發實驗系統主板上主要提供微處理器的各功能模塊電路或者一些對外接口。因此,此方案實現的通用開發實驗系統主要包括：主板和最小系統扣板（或小板）。

3 主要創新點和現實意義

3.1 主要創新點

(1) 通過硬件邏輯芯片和后臺加載不同的硬件邏輯配置軟件,實現控制不同種類微處理器的相關功能管腳能夠靈活映射連接到同一接口應用電路上；從而達到在不改變開發實驗系統其他任何硬件結構的情況下實現微處理器型號的快速更換,保證了本開發系統的通用性。

(2) 通過設計科學、合理的微處理器插座和插座轉換器實現多種不同封裝的微處理器芯片的靈活更換。

(3) 通過將實現了微處理器插座管腳靈活映射功能的微處理器最小系統獨立出來以小板或扣板的方式來提供給用戶,方便用戶產品的微處理器升級換代,同時也方便用戶進行微處理器的器件選型。

3.2 現實意義

由上述設計可知,對于不同微處理器,都可以采用本文所提供的開發實驗系統來進行研究開發。而無需在研究一款新的微處理器時,就買一套新的開發實驗板,給那些需要研究不同微處理器的軟硬件應用技術的企業和個人節省了巨大的成本開銷。由于不同的開發實驗板的熟悉使用也需要一個過程,若只采用本開發實驗系統,這一熟悉過程也就不需要了。從而大大節省了開發新產品的時間。

另外,若采用將微處理器最小系統作為扣板獨立出來單獨提供給用戶,不但可為用戶的開發應用方便地實現微處理器的升級換代。而且也為用戶提供軟件的開發成本、器件物料成本等多種因素進行全面的分析比較。

參 考 文 獻

［1］何立民.單片機應用系統設計系統配置與接口技術\[M\]. 北京：北京航空航天大學出版社,1999.

［2］胡漢才.單片機原理及其接口技術\[M\].北京：清華大學出版社,1996.

［3］盧毅,賴杰.VHDL與數字電路設計［M］.北京：科學出版社,2001.

［4］曹漢房.數字電路與邏輯設計\[M\].武漢：華中科技大學出版社,2004.

［5］邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法\[M\].北京：清華大學出版社,2004.

［6］Bill Lucas.Configuring the System and Peripheral Clocks in the MC9S08GB/GT\[S\].Freescale Semiconductor,2003.