EDA仿真在電子技術課程教學中的應用

摘要：電子技術課程的特點決定了其是一門理論與實踐緊密結合的課程，在教學中引入新的手段與方法是在該門課程教學改革中必然面臨的一個問題。本文針對這一問題，在傳統理論教學的基礎上利用在科學研究和工程實踐中廣泛采用的仿真技術構建了一套從系統、算法到電路與寄存器級仿真系統。為學生展示一個近于實際的電子系統基本設計流程，在傳統電子技術實驗之外使課堂理論教學擺脫了純理論講解的方式，能夠有效促進教學與實踐的結合。

關鍵詞：EDA；仿真；電子技術；教學

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）15-0068-02

一、引言

電子技術是一門重要的專業基礎課程，不同于電路分析或電路基礎等，其突出特點是集理論與實踐于一體，是一門既需要理論講解，亦須實際動手操作才能深刻體會的基礎技術課程。在電子技術課程的教學中雖然另開設有實驗課，但也存在諸多問題。其一，實驗課程通常過于集中于有限的幾個環節或典型實驗，缺乏普遍性；其二，實驗資源不足，且時間較短，造成只有少數學生能真正有效地進行動手實踐；其三，實驗的方法與手段，包括實驗環境，由于各種原因導致其往往與實際情況脫節。

實際上，在工程實踐中，現代電子系統的研究，包括大型復雜電子系統在內，幾乎都是采用先進行系統建模與仿真（原理或算法仿真），而后進行綜合設計，最后實現的方法。在設計中，對于每一個子系統或子功能，同樣采取先建模仿真，而后設計，最后實現的方式來進行。有鑒于此，我們在電子技術課程理論教學中，引入EDA（EDA：Electronics design automation）仿真，使得純理論教學不僅更加形象生動，而且體現了課程與實踐的緊密結合。通常，對于電子系統的研究而言，仿真可以描述為對研究的實際物理對象進行數學建模，用計算機語言將其轉化為一個軟件化系統；并根據在實際情況下可能產生的輸入條件在計算機中產生對應的輸入信號送入這個軟件化的虛擬系統，再對系統性能進行評估，并據此完善和修正所建模型的參數與結構，最終使得系統達到設計要求。不同于一些課堂中所采用的專為教學設計的仿真軟件，為了使學生能夠了解現代電子系統的設計工具與方法，我們選取了當前主流的EDA工具來構建電子仿真系統，以使教學改革更好地與實踐接軌。

具體而言，我們采用Simulink+ISE+ModelSim的組合，并結合MATLAB與HDL搭建仿真系統。使教師能夠在軟件化的虛擬系統中向學生演示與驗證電子系統的功能，以充分發揮仿真系統高效率、低成本的特點，還能培養學生積極思考、分析問題的能力，增強學習效果。

二、電子技術課程EDA仿真系統

本文所采用的電子技術課程EDA仿真系統由Simulink完成原理與系統級仿真，ISE進行電路設計與綜合優化，使用ModelSim來進行功能與時序仿真。

1.Simulink。Simulink是MathWorks公司推出的用于動態系統的多領域仿真與基于模型的設計工具。通常，Simulink可以作為附加組件集成于MATLAB環境中，也可以獨立安裝和使用。從1984年推出正式版開始，MATLAB逐步成為當今世界公認的科學工程計算領域最為優秀的軟件，給科學研究人員、工程師和學生提供了一個出色的開發環境。與MATLAB的緊密結合增強了Simulink的可擴展性和可重復使用性，它可以直接訪問MATLAB所提供的工具箱和用戶自己的代碼來進行算法研究、仿真，進行可視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制，以及信號屬性和測試輸入數據的定義。Simulink給用戶提供了交互式圖形化工作界面，支持線性和非線性系統，連續和離散時間系統，或是二者的混合系統以及多速率（多采樣率）系統。可對各類系統，包括通信、控制、視頻處理、導航、雷達與圖像處理系統等進行設計、仿真與測試。

2.ISE。ISE是Xilinx公司的FPGA/CPLD開發軟件，它提供給用戶一個集成綜合化的開發環境。ISE集成了眾多著名的FPGA/CPLD設計工具，其采用增量設計流程，支持HDL、原理圖與IP核等多種輸入方式，提高了設計效率與質量。同時，ISE還推出了結構設計向導，能方便地定制數字時鐘管理單元和高速I/O口。對于在電子技術課程中的仿真，ISE中集成的HDL Bencher能夠使師生根據輸入條件方便地生成測試文件；對于時序邏輯電路，其集成的StateCAD可以根據從圖形界面輸入狀態轉移圖而自動生成對應的代碼，從而高效地實現對狀態機的設計。此外，對第三方設計、綜合與驗證軟件的支持越來越完善，擴展和豐富了其應用性。

3.ModelSim。ModelSim是由Model Technology公司開發的電子設計領域最受歡迎的仿真工具之一，其突出特點是其仿真速度快，仿真精度高。ModelSim支持VHDL、Verilog HDL以及二者的混合編程仿真，給用戶提供了最大程度的便利性，它同時也是工業設計領域最通用的仿真器之一。ModelSim集成了性能分析、波形比較、數據流跟蹤以及信號和變量顯示等眾多調試功能，支持行為級與寄存器級描述。

4.仿真系統結構。采用Simulink+ISE+ModelSim方式構建的電子技術課程EDA仿真系統結構如圖1所示。

由圖1可見，該仿真系統主要包括系統/算法級仿真子系統與電路/寄存器級仿真子系統兩大部分。其中，系統/算法級仿真子系統主要借助Simulink平臺實現，其中包含了采用M文件所建立的各類功能模塊，通過S函數規則與Simulink接口。這一子系統完成系統與算法級仿真，主要用于向學生展示較復雜的大型電子系統設計與分析方法或過程。而其中的電路/寄存器級仿真子系統是依靠ISE與ModelSim建立的。依靠平臺提供的原理圖、HDL、IP核或狀態機輸入方式完成電路并輸出仿真結果，主要用于對各種基本電路、門電路、組合邏輯與時序邏輯電路的教學，以及各類典型電路的功能與性能綜合演示，引導學生深入理解理論教學內容。此外，系統還包括了人機接口，以實現對系統的控制及電路、激勵模塊的隨時更新與修正。同時，通過從系統/算法級仿真到電路/寄存器級仿真，并接合人機接口對設計流程的控制這樣一個完整的設計過程，可以使學生對實際設計流程有更切實的了解和體會，有利于以后的學習和實際工作。

三、結論

在電子技術理論教學中引入EDA仿真工具，使學生通過直觀且易學易用的方式進行學習，并且親自動手進行電路、寄存器或算法級的系統搭建，模塊更新等實驗，能夠極大地激發學生的學習能動性和創造力，提高學習效率。同時，由于采用的是當下主流的仿真工具平臺，能夠使學生在學習的同時，接觸到實際的開發應用環境，為今后的進一步深造和工作打下堅實的基礎，達到學習與實際緊密結合的目的。

參考文獻：

[1]田建艷，夏路易.EDA支持下的電子技術教學實踐[J].教育理論與實踐，2005，（6）：54-55.

[2]潘松，黃繼業.EDA技術與VHDL[M].北京：清華大學出版社，2009.

作者簡介：盧剛（1974-），男，四川成都人，博士，講師，研究方向：雷達電子對抗。

摘要：電子技術課程的特點決定了其是一門理論與實踐緊密結合的課程，在教學中引入新的手段與方法是在該門課程教學改革中必然面臨的一個問題。本文針對這一問題，在傳統理論教學的基礎上利用在科學研究和工程實踐中廣泛采用的仿真技術構建了一套從系統、算法到電路與寄存器級仿真系統。為學生展示一個近于實際的電子系統基本設計流程，在傳統電子技術實驗之外使課堂理論教學擺脫了純理論講解的方式，能夠有效促進教學與實踐的結合。

關鍵詞：EDA；仿真；電子技術；教學

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）15-0068-02

一、引言

電子技術是一門重要的專業基礎課程，不同于電路分析或電路基礎等，其突出特點是集理論與實踐于一體，是一門既需要理論講解，亦須實際動手操作才能深刻體會的基礎技術課程。在電子技術課程的教學中雖然另開設有實驗課，但也存在諸多問題。其一，實驗課程通常過于集中于有限的幾個環節或典型實驗，缺乏普遍性；其二，實驗資源不足，且時間較短，造成只有少數學生能真正有效地進行動手實踐；其三，實驗的方法與手段，包括實驗環境，由于各種原因導致其往往與實際情況脫節。

實際上，在工程實踐中，現代電子系統的研究，包括大型復雜電子系統在內，幾乎都是采用先進行系統建模與仿真（原理或算法仿真），而后進行綜合設計，最后實現的方法。在設計中，對于每一個子系統或子功能，同樣采取先建模仿真，而后設計，最后實現的方式來進行。有鑒于此，我們在電子技術課程理論教學中，引入EDA（EDA：Electronics design automation）仿真，使得純理論教學不僅更加形象生動，而且體現了課程與實踐的緊密結合。通常，對于電子系統的研究而言，仿真可以描述為對研究的實際物理對象進行數學建模，用計算機語言將其轉化為一個軟件化系統；并根據在實際情況下可能產生的輸入條件在計算機中產生對應的輸入信號送入這個軟件化的虛擬系統，再對系統性能進行評估，并據此完善和修正所建模型的參數與結構，最終使得系統達到設計要求。不同于一些課堂中所采用的專為教學設計的仿真軟件，為了使學生能夠了解現代電子系統的設計工具與方法，我們選取了當前主流的EDA工具來構建電子仿真系統，以使教學改革更好地與實踐接軌。

具體而言，我們采用Simulink+ISE+ModelSim的組合，并結合MATLAB與HDL搭建仿真系統。使教師能夠在軟件化的虛擬系統中向學生演示與驗證電子系統的功能，以充分發揮仿真系統高效率、低成本的特點，還能培養學生積極思考、分析問題的能力，增強學習效果。

二、電子技術課程EDA仿真系統

本文所采用的電子技術課程EDA仿真系統由Simulink完成原理與系統級仿真，ISE進行電路設計與綜合優化，使用ModelSim來進行功能與時序仿真。

1.Simulink。Simulink是MathWorks公司推出的用于動態系統的多領域仿真與基于模型的設計工具。通常，Simulink可以作為附加組件集成于MATLAB環境中，也可以獨立安裝和使用。從1984年推出正式版開始，MATLAB逐步成為當今世界公認的科學工程計算領域最為優秀的軟件，給科學研究人員、工程師和學生提供了一個出色的開發環境。與MATLAB的緊密結合增強了Simulink的可擴展性和可重復使用性，它可以直接訪問MATLAB所提供的工具箱和用戶自己的代碼來進行算法研究、仿真，進行可視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制，以及信號屬性和測試輸入數據的定義。Simulink給用戶提供了交互式圖形化工作界面，支持線性和非線性系統，連續和離散時間系統，或是二者的混合系統以及多速率（多采樣率）系統。可對各類系統，包括通信、控制、視頻處理、導航、雷達與圖像處理系統等進行設計、仿真與測試。

2.ISE。ISE是Xilinx公司的FPGA/CPLD開發軟件，它提供給用戶一個集成綜合化的開發環境。ISE集成了眾多著名的FPGA/CPLD設計工具，其采用增量設計流程，支持HDL、原理圖與IP核等多種輸入方式，提高了設計效率與質量。同時，ISE還推出了結構設計向導，能方便地定制數字時鐘管理單元和高速I/O口。對于在電子技術課程中的仿真，ISE中集成的HDL Bencher能夠使師生根據輸入條件方便地生成測試文件；對于時序邏輯電路，其集成的StateCAD可以根據從圖形界面輸入狀態轉移圖而自動生成對應的代碼，從而高效地實現對狀態機的設計。此外，對第三方設計、綜合與驗證軟件的支持越來越完善，擴展和豐富了其應用性。

3.ModelSim。ModelSim是由Model Technology公司開發的電子設計領域最受歡迎的仿真工具之一，其突出特點是其仿真速度快，仿真精度高。ModelSim支持VHDL、Verilog HDL以及二者的混合編程仿真，給用戶提供了最大程度的便利性，它同時也是工業設計領域最通用的仿真器之一。ModelSim集成了性能分析、波形比較、數據流跟蹤以及信號和變量顯示等眾多調試功能，支持行為級與寄存器級描述。

4.仿真系統結構。采用Simulink+ISE+ModelSim方式構建的電子技術課程EDA仿真系統結構如圖1所示。

由圖1可見，該仿真系統主要包括系統/算法級仿真子系統與電路/寄存器級仿真子系統兩大部分。其中，系統/算法級仿真子系統主要借助Simulink平臺實現，其中包含了采用M文件所建立的各類功能模塊，通過S函數規則與Simulink接口。這一子系統完成系統與算法級仿真，主要用于向學生展示較復雜的大型電子系統設計與分析方法或過程。而其中的電路/寄存器級仿真子系統是依靠ISE與ModelSim建立的。依靠平臺提供的原理圖、HDL、IP核或狀態機輸入方式完成電路并輸出仿真結果，主要用于對各種基本電路、門電路、組合邏輯與時序邏輯電路的教學，以及各類典型電路的功能與性能綜合演示，引導學生深入理解理論教學內容。此外，系統還包括了人機接口，以實現對系統的控制及電路、激勵模塊的隨時更新與修正。同時，通過從系統/算法級仿真到電路/寄存器級仿真，并接合人機接口對設計流程的控制這樣一個完整的設計過程，可以使學生對實際設計流程有更切實的了解和體會，有利于以后的學習和實際工作。

三、結論

在電子技術理論教學中引入EDA仿真工具，使學生通過直觀且易學易用的方式進行學習，并且親自動手進行電路、寄存器或算法級的系統搭建，模塊更新等實驗，能夠極大地激發學生的學習能動性和創造力，提高學習效率。同時，由于采用的是當下主流的仿真工具平臺，能夠使學生在學習的同時，接觸到實際的開發應用環境，為今后的進一步深造和工作打下堅實的基礎，達到學習與實際緊密結合的目的。

參考文獻：

[1]田建艷，夏路易.EDA支持下的電子技術教學實踐[J].教育理論與實踐，2005，（6）：54-55.

[2]潘松，黃繼業.EDA技術與VHDL[M].北京：清華大學出版社，2009.

作者簡介：盧剛（1974-），男，四川成都人，博士，講師，研究方向：雷達電子對抗。

摘要：電子技術課程的特點決定了其是一門理論與實踐緊密結合的課程，在教學中引入新的手段與方法是在該門課程教學改革中必然面臨的一個問題。本文針對這一問題，在傳統理論教學的基礎上利用在科學研究和工程實踐中廣泛采用的仿真技術構建了一套從系統、算法到電路與寄存器級仿真系統。為學生展示一個近于實際的電子系統基本設計流程，在傳統電子技術實驗之外使課堂理論教學擺脫了純理論講解的方式，能夠有效促進教學與實踐的結合。

關鍵詞：EDA；仿真；電子技術；教學

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）15-0068-02

一、引言

電子技術是一門重要的專業基礎課程，不同于電路分析或電路基礎等，其突出特點是集理論與實踐于一體，是一門既需要理論講解，亦須實際動手操作才能深刻體會的基礎技術課程。在電子技術課程的教學中雖然另開設有實驗課，但也存在諸多問題。其一，實驗課程通常過于集中于有限的幾個環節或典型實驗，缺乏普遍性；其二，實驗資源不足，且時間較短，造成只有少數學生能真正有效地進行動手實踐；其三，實驗的方法與手段，包括實驗環境，由于各種原因導致其往往與實際情況脫節。

實際上，在工程實踐中，現代電子系統的研究，包括大型復雜電子系統在內，幾乎都是采用先進行系統建模與仿真（原理或算法仿真），而后進行綜合設計，最后實現的方法。在設計中，對于每一個子系統或子功能，同樣采取先建模仿真，而后設計，最后實現的方式來進行。有鑒于此，我們在電子技術課程理論教學中，引入EDA（EDA：Electronics design automation）仿真，使得純理論教學不僅更加形象生動，而且體現了課程與實踐的緊密結合。通常，對于電子系統的研究而言，仿真可以描述為對研究的實際物理對象進行數學建模，用計算機語言將其轉化為一個軟件化系統；并根據在實際情況下可能產生的輸入條件在計算機中產生對應的輸入信號送入這個軟件化的虛擬系統，再對系統性能進行評估，并據此完善和修正所建模型的參數與結構，最終使得系統達到設計要求。不同于一些課堂中所采用的專為教學設計的仿真軟件，為了使學生能夠了解現代電子系統的設計工具與方法，我們選取了當前主流的EDA工具來構建電子仿真系統，以使教學改革更好地與實踐接軌。

具體而言，我們采用Simulink+ISE+ModelSim的組合，并結合MATLAB與HDL搭建仿真系統。使教師能夠在軟件化的虛擬系統中向學生演示與驗證電子系統的功能，以充分發揮仿真系統高效率、低成本的特點，還能培養學生積極思考、分析問題的能力，增強學習效果。

二、電子技術課程EDA仿真系統

本文所采用的電子技術課程EDA仿真系統由Simulink完成原理與系統級仿真，ISE進行電路設計與綜合優化，使用ModelSim來進行功能與時序仿真。

1.Simulink。Simulink是MathWorks公司推出的用于動態系統的多領域仿真與基于模型的設計工具。通常，Simulink可以作為附加組件集成于MATLAB環境中，也可以獨立安裝和使用。從1984年推出正式版開始，MATLAB逐步成為當今世界公認的科學工程計算領域最為優秀的軟件，給科學研究人員、工程師和學生提供了一個出色的開發環境。與MATLAB的緊密結合增強了Simulink的可擴展性和可重復使用性，它可以直接訪問MATLAB所提供的工具箱和用戶自己的代碼來進行算法研究、仿真，進行可視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制，以及信號屬性和測試輸入數據的定義。Simulink給用戶提供了交互式圖形化工作界面，支持線性和非線性系統，連續和離散時間系統，或是二者的混合系統以及多速率（多采樣率）系統。可對各類系統，包括通信、控制、視頻處理、導航、雷達與圖像處理系統等進行設計、仿真與測試。

2.ISE。ISE是Xilinx公司的FPGA/CPLD開發軟件，它提供給用戶一個集成綜合化的開發環境。ISE集成了眾多著名的FPGA/CPLD設計工具，其采用增量設計流程，支持HDL、原理圖與IP核等多種輸入方式，提高了設計效率與質量。同時，ISE還推出了結構設計向導，能方便地定制數字時鐘管理單元和高速I/O口。對于在電子技術課程中的仿真，ISE中集成的HDL Bencher能夠使師生根據輸入條件方便地生成測試文件；對于時序邏輯電路，其集成的StateCAD可以根據從圖形界面輸入狀態轉移圖而自動生成對應的代碼，從而高效地實現對狀態機的設計。此外，對第三方設計、綜合與驗證軟件的支持越來越完善，擴展和豐富了其應用性。

3.ModelSim。ModelSim是由Model Technology公司開發的電子設計領域最受歡迎的仿真工具之一，其突出特點是其仿真速度快，仿真精度高。ModelSim支持VHDL、Verilog HDL以及二者的混合編程仿真，給用戶提供了最大程度的便利性，它同時也是工業設計領域最通用的仿真器之一。ModelSim集成了性能分析、波形比較、數據流跟蹤以及信號和變量顯示等眾多調試功能，支持行為級與寄存器級描述。

4.仿真系統結構。采用Simulink+ISE+ModelSim方式構建的電子技術課程EDA仿真系統結構如圖1所示。

由圖1可見，該仿真系統主要包括系統/算法級仿真子系統與電路/寄存器級仿真子系統兩大部分。其中，系統/算法級仿真子系統主要借助Simulink平臺實現，其中包含了采用M文件所建立的各類功能模塊，通過S函數規則與Simulink接口。這一子系統完成系統與算法級仿真，主要用于向學生展示較復雜的大型電子系統設計與分析方法或過程。而其中的電路/寄存器級仿真子系統是依靠ISE與ModelSim建立的。依靠平臺提供的原理圖、HDL、IP核或狀態機輸入方式完成電路并輸出仿真結果，主要用于對各種基本電路、門電路、組合邏輯與時序邏輯電路的教學，以及各類典型電路的功能與性能綜合演示，引導學生深入理解理論教學內容。此外，系統還包括了人機接口，以實現對系統的控制及電路、激勵模塊的隨時更新與修正。同時，通過從系統/算法級仿真到電路/寄存器級仿真，并接合人機接口對設計流程的控制這樣一個完整的設計過程，可以使學生對實際設計流程有更切實的了解和體會，有利于以后的學習和實際工作。

三、結論

在電子技術理論教學中引入EDA仿真工具，使學生通過直觀且易學易用的方式進行學習，并且親自動手進行電路、寄存器或算法級的系統搭建，模塊更新等實驗，能夠極大地激發學生的學習能動性和創造力，提高學習效率。同時，由于采用的是當下主流的仿真工具平臺，能夠使學生在學習的同時，接觸到實際的開發應用環境，為今后的進一步深造和工作打下堅實的基礎，達到學習與實際緊密結合的目的。

參考文獻：

[1]田建艷，夏路易.EDA支持下的電子技術教學實踐[J].教育理論與實踐，2005，（6）：54-55.

[2]潘松，黃繼業.EDA技術與VHDL[M].北京：清華大學出版社，2009.

作者簡介：盧剛（1974-），男，四川成都人，博士，講師，研究方向：雷達電子對抗。