VHDL與微機接口設計教學改革初探

張俊梅 王東林 燕 飛 闞江明

北京林業大學 北京 100083

VHDL與微機接口設計教學改革初探

張俊梅 王東林 燕 飛 闞江明

北京林業大學 北京 100083

探討了研究生課程VHDL與微機接口設計的設置、課程教學方法的改革、實踐教學方法等方面的改革嘗試，以形成該課程的教學模式。通過教學改革，提高課程的教學效果，注重研究生微機接口設計綜合能力的培養。

硬件描述語言；微機接口；教學改革

我校機械電子工程、控制理論與控制工程及森林工程等學科的研究生在本科階段均學過數字電路、微機原理及接口技術等相關課程，而對于電子設計自動化的內容掌握甚少，考慮到培養目標和學生就業的需要，我們將電子設計能力確定為機械電子工程、控制理論與控制工程學科研究生的主干輔助技能來培養，開設了VHDL與微機接口設計研究生課程，該課程將電子設計領域的流行技術—可編程邏輯器件設計與微機接口設計內容結合起來，主要學習可編程器件原理、硬件描述語言(VHDL)基礎及其程序結構，并以常用的微機接口電路為核心講述基于VHDL語言的數字系統電路設計方法，為設計大型復雜電路打下基礎。從教學效果來看，學生的學習興趣和電子設計技能得到了極大的提升。

1 課程教學方法改革

該課程每年春季開設，共32學時(其中課堂教學26學時，實踐教學6學時)。由于該課程在教學過程中要求學生首先掌握VHDL語言基本語法及MAXPLUSII軟件使用等基本知識，而且教學對象又是已經具備了一定學習技能的碩士研究生，所以在教學時絕不能照搬本科生以講授為主的教學方法。

該課程在教學過程中要多次用到MAXPLUSII軟件來仿真編程的結果，所以上課地點選擇在我院專門的計算機仿真實驗室，在授課過程中學生每人擁有一臺電腦，可以打開MAXPLUSII軟件并通過NETMEETING與任課教師同步進行相關VHDL語言基本語法、基本語句、程序結構等的仿真。這樣教與學的方法可以保證學生邊學邊實踐，比單純講述或演示更有效地提高學生的理解力。

針對研究生學習的特點，在教學過程中留大量課后查閱文獻資料的作業(包括相關英文資料)，如有關芯片的內部結構資料、應用實例等均讓學生利用1周時間分組查閱，下次上課分享所查閱的資料。如2011年春季教學時，學生準備了基于VHDL的樓梯燈控制、密碼鎖控制、分頻器設計、數字鐘設計等應用范例，以幻燈的形式匯報并進行分組討論，通過這一環節對提高研究生分析問題、解決問題及講解問題的能力起到了很好的鍛煉作用。

在課程教學中，以大作業的形式要求學生完成一定的設計仿真，如編碼器、奇偶校驗器、數據選擇器等，為后續的系統設計打下了良好的基礎。

2 實踐教學改革

2.1 實驗教學的基本情況

該課程有6學時的實踐教學環節，實驗設備有北理工達盛的CPLD開發板和實驗箱。在課堂教學的基礎上，學生已經完全熟悉了VHDL語言以及相應接口(如并行接口芯片8255、定時器/計數器芯片8253)的設計。

2.2 實驗教學的設計

在實驗中，按照循序漸進的原則，首先要求學生在實驗箱上完成簡單的系統設計，如觸發器、計數器、選擇器等功能設計及實現，通過基礎實驗的設計，學生能夠掌握程序編譯鏈接、CPLD芯片管腳分配、下載調試等基本過程。在基礎實驗完成之后，要求學生進行綜合系統的設計，如簡單交通燈控制系統的設計、電子表系統設計等。在綜合系統設計中要求學生完成電路圖的設計、繪制，器件的采購及調試等。學生可以用CPLD開發板和通用板聯合調試，如在調試設計的采集系統時，學生將12位A/D芯片等安裝在通用板上，聯合利用實驗箱上的CPLD開發板、LED顯示電路及按鍵輸入電路等來完成數據采集的控制和顯示，從而避免了不必要的焊接等工序，加快了調試的進度。該課程的實驗環節要求學生結合自己的研究方向或專業領域相關課題的一部分控制任務來進行設計，如無線傳感網絡節點的設計、木材厚度檢測等，此環節有利于拓寬學生的研究思路。

針對研究生的實驗教學采用的都是以自主設計為主的方式，要求學生從題目中選擇或自行提出設計問題，經過與任課教師討論方案后分組獨立完成，在整個實驗過程中任課教師只就關鍵問題予以指導。在實驗結束后，要求學生進行答辯并撰寫詳盡的設計報告。

通過這種層次化實驗教學的培養，增強了學生學習該課程的興趣、有效地提高了研究生的設計水平以及自主研究能力，同時也促使任課教師不斷掌握電子設計自動化專業的前沿知識，拓寬了任課教師的教學思路。

3 考核環節建設

考慮到本課程的教學特點，改革考核辦法，改變傳統的考試重知識、輕能力輕技能的做法，將課堂仿真及實驗內容納入考核范圍，不僅使學生學習效果的評價方法更加合理，同時也可以合理體現研究生通過軟件的方法來高效地完成硬件設計方法以解決實際工程問題的能力和水平，促進研究生實踐的積極性，提高研究生自主研究和創新實踐的環境和氛圍。具體的做法是，課堂仿真及作業占15%，實踐考核中學生動手能力、答辯講解中的表述能力等占20%，最終的考核環節占65%。通過多環節的考核，督促了學生主動學習的意識，端正了學生的學習態度。

4 通過教學交流，加強師資隊伍建設

師資隊伍的建設對教學過程的有效實施具有重要的作用，我們在課程體系建立的時候非常重視這方面的建設。通過參加相關課程的培訓、走訪著名高校、參加國際國內學術會議等促進教學交流，學習借鑒兄弟院校的教學、實踐方面的舉措，從而有效地提高我們的教學效果。隨著我校2011版教學計劃的修訂，我們已經建立了電子設計自動化系列課程從本科教學到研究生教學的體系，教學團隊中有3名教師具有博士學歷。

5 結束語

通過各方面的改革探索，確定了研究生課程VHDL與微機接口設計的課程教學內容、教學方法及實踐教學等環節的銜接及相關教學內容的修訂，對提高研究生的設計水平以及自主研究能力起到很好的作用。

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[3] 白瑞林,屈百達.工科研究生培養跨越式發展的若干對策[J].無錫教育學院學報,2004,24(2):32-35.

Teaching reform of VHDL and interface design for microcomputer

Zhang Junmei, Wang Donglin, Yan Fei, Kan Jiangming
Beijing forestry university, Beijing, 100083, China

This paper focused on the teaching method, practice reforming of VHDL and interface design for microcomputer. The reform result is useful to improve the effect of the teaching and the design ability of the master student.

VHDL; interface design for microcomputer; teaching reform

2011-11-24

張俊梅，博士，副教授。

北京林業大學“211工程”三期研究生創新人才培養建設計劃子項目資助。