“數字邏輯電路”教學改革與實驗平臺建設

鄧春健 李文生 石建國 楊 亮 呂 燚 劉 偉

摘要:本文首先分析傳統“數字邏輯電路”教學存在的問題,然后從理論教學及實驗教學兩方面內容來探討教學改革方法。在理論教學部分,提出對傳統理論教材大膽改革并適當取舍,研究本課程與工程實踐的切入點,大量引入工程實例和新的教學內容;在實驗手段上,提出摒棄傳統的以驗證實驗為目的的數字邏輯電路實驗設備,設計以綜合性實驗為目的的基于FPGA的數字邏輯電路實驗教學平臺。

關鍵詞:EDA技術;現場可編程邏輯器件;教學改革

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A

“數字邏輯電路”課程在高等院校電氣信息類學科各專業教育中的作用舉足輕重,一方面,它是電氣信息類學科最重要的專業基礎課之一,是學生鞏固理論知識,學好眾多專業課程的基礎,將影響學生對以后專業課程的學習興趣;另一方面,它具有極強的邏輯性和實用性,通過這門課程的學習,可以培養學生動手能力和創新能力。目前,懂數字電路設計、FPGA的專業人才備受用人單位青睞,這賦予了“數字邏輯電路”課程教學更加重要的現實意義。

然而,高等院校“數字邏輯電路”教學存在教學效果不明顯,學生收獲甚小等問題。理論課的學習最終是為培養和提高學生的動手能力和創新能力。但不少學生反映,他們在這門課程上花費了很多時間,認為“學得不錯”,課本中較難的題目也都能很快作答,只是到了實踐環節,特別遇到實際工程,就感覺束手無策。

教學活動中應當強調給學生留有足夠的想象空間,引導學生培養邏輯思維能力和創新應用、開發數字邏輯電路器件的能力。通過課程的教學,使學生掌握邏輯代數和邏輯設計基礎理論,掌握數字邏輯電路分析和數字邏輯電路設計的基本方法,為他們今后在信息技術天地中馳騁奠定堅實的硬件基礎。為此,我們以“實用、有趣、建立學生自信”為指導思想,探索數字邏輯電路理論及實驗教學改革方法。從理論教學、實驗教學等方面對“數字邏輯電路”教學進行大膽改革,摒棄陳舊的教學內容和落后的教學手段,在實驗環節,以活潑的實驗來促進理論教學,調動學生主動性。

1傳統數字邏輯電路教學存在問題分析

我們曾經設計了一些數字邏輯電路工程應用中較為基礎的例子,通過多種形式向多所院校相關專業的本科生、研究生做過一次非正式調查,要求被調查者使用數字電路邏輯模塊,實現如下設計:

(1) 設計電子開關,當鍵盤按下,LED燈亮,再次按下LED燈滅,再按下亮。要求采用3種以上方式,需要考慮消除按鍵信號中的毛刺。

(2) 用8路撥碼開關和一個按鍵設計一個密碼鎖,通過撥碼開關設置密碼,按下按鍵作為確認,如果密碼輸入3次錯誤,密碼鎖失效。

(3) 實現一個秒表,已知:6個共陽極七段碼的a,b,c,d,e,f,g分別相連,其中各七段碼的共陽端分別引出。

(4) 給定一段樂譜,用蜂鳴器實現樂譜的播放。

(5) 設計一個串行通信模塊,實現數據到PC的傳輸,要求9600波特率,無校驗位。

(6) 以555電路為基礎,用手指作為啟動源,當手觸摸電路后,LED燈亮10秒后熄滅。

(7) 一塊8x8的點陣LED,設行為x,列為y,(0≤x≤7,0≤y≤7),當y0為高,x0為低,坐標為(x0,y0)對應的LED燈亮,請實現不斷變化的英文字母和阿拉伯數字的顯示。

(8) 控制DAC0832實現一個鋸齒波、三角波,要求信號周期可調。

調查結果顯示,只有少數可以使用數字邏輯模塊實現其中的個別設計;多數學生對上述工程實例束手無策;部分學生表示如果借助“硬件描述語言”可以實現。基礎的工程應用設計尚且如此,可以想象實現更為復雜的數字邏輯電路工程的情況。經過分析,我們認為原因在于“數字邏輯電路”教學存在如下問題:

(1) 理論課內容充斥以技巧性解題為目標的題型,學生很難把抽象知識和實踐結合應用;

(2) 現有教材的內容多與其它課程孤立,很少注重和其它課程的聯系和延伸;

(3) 教材內容滯后于科學技術發展,和實際工作嚴重脫節;

(4) 以舊式實驗箱、接線板實驗設備為代表的傳統數字邏輯電路實驗設備仍舊廣泛地在高校使用,實驗手段落后。

傳統實驗設備是采用固定數字邏輯電路芯片搭建的實驗,學生只能按教科書設計的實驗內容按固定的套路做驗證性的實驗,無法支持綜合性、創新性的實驗,學生把大部分時間都花在接線連線上,實驗結果只能看到實驗現象而已,很難真正提高數字邏輯電路設計能力。

針對傳統數字電路的不足,我們從優化理論教學手段和內容、實驗教學改革和建設兩方面著手,對數字電路理論教學和實驗教學大膽改革。

2優化理論教學手段和內容

傳統數字邏輯電路理論教學最明顯的特征是和實踐脫鉤,內容生硬,學生很難把抽象的知識和實踐結合并具體應用,為解決這一問題,我們拋棄傳統的教科書主要或純粹考學生做題能力為目的的教學思路,大量引入活潑生動的教學實例和相關的工程應用。

同時,項目組從工程實踐中總結大量素材,設計的教學內容力求接近工程實踐,又帶有一定的趣味性和啟發性,讓學生知道如何將學到的知識點應用到工程實踐中,這是本項目與傳統數字邏輯電路理論教學的不同之處,具體表現在如下幾個方面。

2.1內容活潑,摒棄呆板的教學描述

案例1:教材講述74138和計數器的應用時引用的是“8路脈沖分配器電路”的例子,“脈沖分配器”名稱描述過于抽象和呆板。如果把這個電路稍微改造一下,把圖1中74138的輸出端都接入LED燈,那么這個電路就是一個很形象直觀的“跑馬燈”控制電路,學生理解起來會更容易,同時也能明確“脈沖分配”概念。

案例2:教材講述74151以及計數器的應用時,引用的是“11100100序列產生器”的例子,如圖2所示。“11100100序列產生器”本身就是一個古板的名詞,如果把這個電路稍微改造一下,74151的輸出接蜂鳴器,74151的八路數據輸入端接樂音頻率,那么這個電路就可以播放一段音樂,如果結合存儲樂譜的ROM就成了一個能播放音樂的音樂盒,學生對這樣的例子往往表現出濃厚的興趣和“動手”實現的欲望。

2.2突出實踐意義,注重聯系實際,并通過展開引導來啟發學生創新

案例3:教材在說明555電路的作用時,其中有一個555構成單穩態觸發器的實例,如圖3所示,學生學后經常反映印象不深刻,不知如何應用。

在授課時,為幫助學生理解,我們是這樣提示學生的:

(1) 如果你的手指摸一下VI處會有什么情況發生?

——因為人手的靜電,會導致Vo產生一個高電平寬度為Tw的信號。

(2)Tw這個信號如果接一個LED燈呢,可以應用在什么地方?

——原來可以手一摸VI,就可以讓一個LED燈亮Tw秒,這正是觸摸開關啊。

(3) 我們知道Tw=RCln3,假設我們不知道電容C的值,那么這個電路可否用于測量電容容值的方法呢?

——通過公式可以說明,如果知道R以及Tw,電容值就確定下來,這個電路可以用于某些電容式傳感器的測量中。

2.3注重與其它課程的聯系

案例4:在講授移位寄存器的時候,傳統教材一般都只說明移位寄存器的級聯方法,并沒有通過聯系其它課程突出移位寄存器的應用價值。

在授課時,通過74198級聯構成的16位左移寄存器,如圖4所示,如果結合計算機通信原理的異步串行通信協議對這個電路稍微修改一下,那么這個電路就是一個和PC機串口通信接口的電路。學生原本覺得玄奧的與PC機通信以及異步通信協議原來這么容易實現。

2.4聯系PC機的軟件開發語言鼓勵學生設計軟硬件結合作品

在教學過程,鼓勵學生制作軟硬件結合的作品,如讓學生學習Delphi、C++builder等軟件開發工具設計軟件,并把軟件和數字電路平臺結合起來。例如把電位器作為游戲中飛機的方向盤,其AD值通過串口傳輸到PC機的游戲軟件中,實現對飛機飛行的控制;撥碼開關值傳輸到PC軟件,實現對圖片的選擇播放。

2.5改善課堂教學手段,關注新技術發展,引入新的設計手段

在理論教學初期,設計了很多模擬數字電路功能的“軟件芯片”,通過在課堂PC機演示“芯片”功能,幫助學生對知識點的理解和課程入門;隨后逐漸通過EDA工具仿真,來幫助學生加深對課程的印象。與實際工程應用聯系不大且難于理解的內容,我們適當取舍,甚至略棄,減少學生學習課程時的挫折感。

現代數字邏輯電路的發展對傳統的數字邏輯電路設計模式影響深遠,很多傳統數字邏輯電路的設計方法已經被淘汰甚至被徹底顛覆。在教學中,我們適當加大硬件描述語言的學習比重,鼓勵學生采用硬件描述語言實現電路設計,并要求學生掌握EDA工具QuartusII軟件,讓學生體會現代的數字邏輯電路的設計方法。

3實驗教學平臺改革和建設

電子技術實驗,大部分院校采用各類實驗箱(或面包版),實驗過程學生要完成電路搭建、結果驗證,可擴展性差,實驗種類是固定的、功能也十分有限。對于一些小型電路,各類實驗箱還能完成實驗,但對于稍微復雜一些的電路就難以支持了,往往由于芯片短缺、實驗箱長期使用導致接觸不良,加上電路連接過于復雜,使得故障難以查找。在實際實驗過程中,學生往往把大部分時間浪費在接線上,看到的卻是單一枯燥的實驗現象,學生難以發揮主動性,開展綜合性、設計性、創新性實驗,而且電路搭建成功率低,導致學生對實驗的興趣下降,影響實際教學效果。因此如果沒有良好的實驗設備支撐,學生無法真正掌握理論知識,更談不上規模較大的工程實例。

針對這一情況,我們以教材為依據,開發以綜合性、創新性實驗為目的的基于FPGA的數字邏輯電路實驗教學平臺。該平臺可以實現傳統數字邏輯電路實驗設備的大部分實驗,卻具有傳統實驗設備無法實現的大部分功能,如圖5所示,該平臺具有如下特點:

(1) 該平臺以FPGA為核心,以綜合性、創新性實驗為導向,具有豐富的外設接口、豐富的設計資源,可以實現傳統數字邏輯電路實驗設備的大多功能,卻有傳統實驗設備所不具備的大部分功能,不僅可以實現傳統實驗,另外我們在該平臺的基礎上做了很多特色的開發,供學生學習和提高。該平臺可以支持如AD轉換、DA轉換實驗,555電路等傳統實驗;提供了豐富的外設接口,如串口、

VGA顯示器接口、PS2接口;借助該實驗平臺可以做出很多活潑的功能實驗,如音樂播放功能、紅外報警功能、觸摸燈等。

(2) 該平臺借助EDA工具,學生得以從繁重的插線工作解脫出來,具有靈活的設計風格、高效的設計效率,這是傳統數字邏輯電路實驗箱無法比擬的。

(3) 該平臺以及實驗設置是專門針對高校數字邏輯電路課程和大學生心理設計的實驗教學系統。

實驗過程中,學生可以借助EDA工具直接通過仿真實現設計,并下載到平臺運行,脫離傳統實驗設備實驗過程中的硬件的干擾,把學生從繁重的插線中解脫出來。另外各種豐富的數字邏輯模塊以及表達豐富的硬件描述語言給了學生良好的發揮空間,配合理論教學方法,學生很快就能夠進行實際工程應用開發。

4結語

“數字邏輯電路”教學改革進行以來,我院數字電路教學收效明顯,在我院受訓班級中起到了意想不到的效果,學生的動手能力明顯增強,許多本科學生能夠作出讓研究生都汗顏的作品來。另外基于FPGA的數字邏輯電路實驗教學平臺批量生產,在該平臺接受訓練的班級、學生人數不斷增多,許多兄弟院校使用了該實驗平臺后,也取得了不錯的效果。

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[4] 鄧元慶,關宇,賈鵬. 數字設計基礎與應用[M]. 北京:清華大學出版社,2006.

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Reform of the Digital Logic Circuit Teaching and Construction of Experiment Platform

DENG Chun-jian, LI Wen-sheng, SHI Jian-guo, YANG Liang, LV Yi, LIU Wei

(University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan Institute, Zhongshan 528402, China)

Abstract: The paper analyzes existing problem of conventional digital logic circuit course, then discusses the theoretical and experimental teaching methods of digital logic circuit. In theoretical teaching, traditional theory of teaching materials are reformed boldly and selected appropriately, besides, many project examples and new teaching materials are introduced. In experimental teaching, the digital logic circuit traditional experiment equipment at the purpose of verification experiment is abandoned, and digital logic circuit experiment platform based on FPGA which aimed at comprehensive experiment is designed.

Key words: EDA technology; FPGA; reform of teaching