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不同数字电路设计方法教学研究

2019/08/28 阅读:

摘要:借助“数字逻辑及数字系统综合实验实训平台”,结合“LED点阵显示汉字”设计案例,用FPGA实现数字电路综合设计教学改革。在目标任务的达成过程中,学生会渐渐意识到不同设计方法的优劣,从而迫切想要改变自己的设计方法,提高自己的设计水平。为更高效率地完成设计,学生能够自觉主动地探索新的知识领域,如饥似渴地学习新的设计方法,从而不断激发学习兴趣,拓宽和延伸设计思路,加强实践动手能力,提升成长型学习思维能力,提高应用型人才的培养质量。

关键字:教学改革;数字电路设计;教学平台;设计方法;应用型人才培养

引言

FPGA(FieldProgrammableGatesArray),既能够实现74系列芯片的功能,也能够实现大规模集成电路CPU系列的功能,即它的功能是可以通过编程实现的。目前,很多学校把使用FPGA实现数字电路功能的设计思路引入到数字电路的教学中[1-8],使得数字电路设计风格更灵活、设计效率更高。我校为实现《数字逻辑及应用》和EDA技术两门课程融合,尝试了很多方法,比如搭建共同的实验平台“数字逻辑及数字系统综合实验实训平台”,使用共同的设计软件QuartusII,《数字逻辑设计及应用》立足于原理图输入法设计数字电路,EDA技术立足于硬件描述语言设计数字电路,这些措施提高了学生对于数字电路设计的历史和发展的认知,但对两种方法彼此之间的借鉴和融合还比较陌生。论文借助“LED点阵显示”案例,探索用原理图输入法设计数字电路的某些弊端,而这些弊端促使学生学习新的设计方法,比如借助HDL描述数字电路,从而更好地促进两门课程的融合。

1实验平台

2015年我校组织研发了“数字逻辑及数字系统综合实验实训平台”,如图1所示。该平台以FPGA(FieldProgrammableGatesArray,现场可编程门阵列)为核心,以综合性、创新性实验为导向,具有丰富的外设接口、丰富的设计资源,借助该平台,学生可以使用EDA(ElectronicDesignAutomatic)技术实现复杂的数字电路设计,不仅能强化实践应用能力[1],且能使设计风格更灵活、设计效率更高。借助该平台,我们开发了一系列的数字电路综合实验设计,提高学生的设计创新和实践应用能力。借助该平台,用原理图实现数字电路设计和用硬件描述语言实现数字电路设计的融合程度越来越高。

2“LED点阵显示”显示字的原理图实现方法

图2为平台中各外设片选信号控制电路,由图2可知,要让LED点阵显示正常工作,需MATRIX-PWR_CS=0,即CS_74HC138=1,ADDR_SEL2~ADDR_SEL0=110。图3为外设“LED点阵显示”电路。由图3可知,在LED点阵显示中,要使LED点阵中LED灯亮,需使其阳极接高电平,阴极接低电平。LED阳极由MATRIX_CS0~MATRIX_CS15控制,若MATRIX_CS*=0,则相应的PNP管导通,3.3V电压加在LED阳极;MATRIX_CS*由U2674154控制,当DISP_CS=1时,NPN管导通,G1=0,74154正常工作;此时控制DISP_SEL0~DISP_SEL3,则可控制相应的MATRIX_CS*=0。LED阴极由A0~A15控制,若A*=0,则低电平加在LED阴极。图4为LED点阵显示“亮”“宇”二字的电路图,其中令buzz=1的目的是让蜂鸣器不响。用两个8count对49.152MHz的晶振进行4096分频,同时disp_sel[3:0]得到0000~1111,意味着MATRIX_CS0~MATRIX_CS15控制的LED点阵显示中32~17行阳极依次为1。用PCtoLCD2002分别生成“亮”“宇”的字模,共32个16位二进制数,其中点阵格式为“阳码”,取模走向为“顺向”,取模方式为“逐行式”。其中“亮”的字模为:“宇”的字模为:将“亮”的字模逆序放在rom_word_word的前16个存储单元,将“宇”的字模逆序放在rom_word_word的后16个存储单元,rom_word_word的地址由74163来实现。由key1控制显示哪个字,当key1=1时,显示“亮”字,当key1=0时,显示“宇”字。

3“LED点阵显示”显示字的硬件描述语言实现方法

在用原理图实现汉字显示时,需要用PCtoLCD2002生成字模,而字模需要一个个手动输入到ROM中去,当需要改变显示的汉字或者当需要显示的字数数目比较多时,设计过程就会显得繁琐、低效,学生渴望改变这种设计方法,提高自己的设计水平。为了能够快速置换不同的字,我们可以借助硬件描述语言对硬件电路进行描述,用语言设计允许我们直接将字模复制粘贴在程序中,设计方法简单、高效。如果在学生学习数字电路课程时,推荐学生用原理图的方法实现数字系统的设计,同时在学生碰到设计过程繁琐低效时,推荐学生使用新的设计方法,可以让学生更高效的学习,学生就会理解成长型学习思维,会明白其实对同一件事情,既可以繁琐低效地完成,也可以简单高效地完成,关键在于我们手中握着什么样的工具,关键在于自己的努力程度。用VerilogHDL显示汉字的源代码如下所示:在dot_word源代码中,ROM的设计使用case语句实现,字的选择显示使用2选1的数据选择器实现,从而将设计者从16位二进制数逐个填入ROM,变成了软件自动选择填入,简单省力。分频器是用两个计数器级联实现,其中一个计数器将系统时钟49.152MHZ进行1000分频,另一个计数器将时钟系统进行16分频,分频系数可以随心所欲的设定,而不必受限于计数器必须是2n的分频系数。点阵LED显示正常工作的设置均用assign语句来实现。

4总结

论文借助自制的“数字逻辑及数字系统综合实验实训平台”,结合“LED点阵显示汉字”设计案例,实现数字电路综合实验设计教学改革。在用原理图实现字模数据填充ROM时,学生会意识到手动填充字模数据的耗时费力,此时教师恰当引导,学生就能够更加简单高效地完成自己的设计,从而意识到只要多努力,多掌握设计工具,就有更多的机会拿到数字电路设计大门的钥匙。这样的教学改革能够促进学生学习思维能力的提升,提高应用型人才培养质量。

参考文献

[1]王红航,刘凯,邓春健,等.提高综合应用能力的实验教学方法探讨[J].实验科学与技术,2016(6):121-124.

[2]杜世民,杨相生,杨润萍,等.基于EDA技术的数字电路综合实验研究[J].实验科学与技术,2012(10):93-96.

[3]王玫,王桂珍,田丽鸿.基于EDA改革数电课程设计,培养学生创新能力[J].电气电子教学学报,2006(8):18-21.

[4]吕燚,邓春健,黄杰勇.利用EDA技术全面改进数字电路课程教学[J].福建电脑,2008(6):208-209.

[5]倪德克,师亚莉,朱旭花.EDA技术在数字电路课程设计教学改革中的探索与实践[J].大学教育,2016(4):118-119.

[6]林智慧,唐亮,何颖.EDA技术与数字电路的融合研究[J].电子测试,2016(23):32-33.

[7]高艳.浅谈数字电路和EDA技术的教学整合[J].内蒙古教育,2016(9):73.

[8]王红航,刘凯,邓春健,等.数字电路和EDA课程融合实践与探讨[J].实验科学与技术,2018(4):165-168.

作者:刘凯 王红航 邓春健 钟远平 陈李胜 路月月 单位:电子科技大学中山学院

不同数字电路设计方法教学研究

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