多功能74系列芯片模擬器在數(shù)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

張　敏, 彭志遠(yuǎn), 陳澤南, 徐　慧， 馬秀娟

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 山東 威海　264209)

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多功能74系列芯片模擬器在數(shù)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

張敏, 彭志遠(yuǎn), 陳澤南, 徐慧， 馬秀娟

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心, 山東 威海264209)

采用EDA技術(shù)自制了74系列芯片模擬器,并且設(shè)計(jì)了與該模擬器對(duì)應(yīng)的教學(xué)方法與案例。該芯片模擬器能夠模擬DIP12 、DIP14、DIP16、DIP18、DIP20封裝尺寸的任意74邏輯芯片,能夠一次編程通過開關(guān)切換出4種芯片邏輯。通過讓學(xué)生使用芯片模擬器,使得學(xué)生理解了數(shù)字電子技術(shù)和EDA之間的關(guān)系,培養(yǎng)了學(xué)生利用數(shù)電原理進(jìn)行EDA設(shè)計(jì)的能力。同時(shí)該芯片模擬器與其教學(xué)方法的使用幾乎不影響傳統(tǒng)數(shù)電教學(xué)的授課安排。

數(shù)字電子技術(shù)； 芯片模擬器； EDA設(shè)計(jì)； 分立元件； 74系列芯片

1　數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足

目前一般采用分立元件+分立元件實(shí)驗(yàn)箱+EDA設(shè)計(jì)+FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編門陣列)實(shí)驗(yàn)箱的聯(lián)合方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),采用74系列分立元件幫助學(xué)生理解數(shù)字電子原理和邏輯門的概念。

現(xiàn)有方式存下列不足:(1)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)沒有達(dá)到將分立元件與FPGA、數(shù)電理論與EDA開發(fā)技術(shù)相結(jié)合的效果；目前數(shù)字電路教材編排大都按照數(shù)字電路基本理論+EDA方式組成，但教材本身缺少讓兩種技術(shù)連貫的方法、實(shí)驗(yàn)中也沒有讓二者統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)方法,因此學(xué)生不易掌握利用數(shù)電原理設(shè)計(jì)FPGA的方法,而且也沒有建立正確的數(shù)電概念和方向；(2)分立元件的使用范圍越來越小,廠家逐步停產(chǎn)、購(gòu)買變得越來越困難、價(jià)格越來越高,教學(xué)的使用成本越來越高；(3)分立元件若損毀,將無法修復(fù),只能做丟棄處理；(4)各分立元件之間功能不能替換，為了進(jìn)行數(shù)電的功能設(shè)計(jì),需購(gòu)買多種74系列元件，使用中往往造成某種型號(hào)芯片數(shù)量不足,而另一種芯片大量積壓的現(xiàn)象；(5)學(xué)生缺少課外實(shí)踐的硬件與配套軟件；(6)FPGA實(shí)驗(yàn)箱對(duì)數(shù)電教學(xué)過于復(fù)雜,學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)的學(xué)時(shí)超出了數(shù)電原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)安排[1]。

2　解決方案設(shè)計(jì)

數(shù)字電子技術(shù)正處在變革的時(shí)期,EDA設(shè)計(jì)+FPGA開發(fā)方式逐步替代傳統(tǒng)卡諾圖+分立元件開發(fā)方式,開發(fā)方式變化巨大，然而數(shù)字電子的基本原理變化卻不大。為了表現(xiàn)數(shù)電基本原理,在教學(xué)過程中往往采用分立元件進(jìn)行原理教學(xué),但分立元件在生產(chǎn)實(shí)踐中已經(jīng)較少使用。數(shù)電EDA部分的教學(xué)一般采用FPGA實(shí)驗(yàn)箱。這二種教學(xué)關(guān)系類似油和水,獨(dú)立進(jìn)行,沒有融合,缺少貫穿。這是高校數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中一個(gè)突出問題[2]。EDA+FPGA教學(xué)方法應(yīng)該讓學(xué)生掌握根據(jù)數(shù)電原理進(jìn)行設(shè)計(jì),然后通過EDA工具實(shí)現(xiàn)這一方法。實(shí)際中由于FPGA和分立元件技術(shù)上的不連貫,初學(xué)者難理解EDA和數(shù)字電子技術(shù)原理的關(guān)系。

為此，本文首先設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字芯片模擬器,讓學(xué)生通過使用芯片模擬器對(duì)應(yīng)的軟件和實(shí)驗(yàn),使學(xué)生理解了數(shù)字電子原理與EDA技術(shù)之間的關(guān)系。

本設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足,提出了一種結(jié)構(gòu)合理、使用方便,特別適用于教學(xué)、科研的數(shù)字電路多功能芯片模擬器及其使用方法。本設(shè)計(jì)最大特點(diǎn)是讓學(xué)生自己用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)74系列分立器件芯片,然后將設(shè)計(jì)好的芯片模擬器在分立元件實(shí)驗(yàn)箱搭建小型數(shù)字系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)一種將EDA技術(shù)和數(shù)電原理、分立元件和CPLD相互結(jié)合的方法。這種方法優(yōu)點(diǎn)是不改變數(shù)電當(dāng)前的教學(xué)流程,只需在分立元件實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)環(huán)節(jié)和EDA教學(xué)之間插入如何使用芯片模擬器的教學(xué)環(huán)節(jié)即可。

3　芯片模擬器設(shè)計(jì)

數(shù)電模擬器具有多功能性和靈活性:能夠?qū)?4全系列的功能邏輯進(jìn)行模擬;能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)DIP12、DIP14、DIP16、DIP18、DIP20封裝尺寸的模擬,且配有一鍵轉(zhuǎn)換芯片功能按鍵,通過調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷,使芯片模擬器轉(zhuǎn)換成不同的芯片功能；能夠作為數(shù)字信號(hào)源使用;能夠?qū)?shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱功能進(jìn)行輔助測(cè)試；在使用時(shí),可以讓學(xué)生根據(jù)芯片模擬器參考原理圖自己繪制PCB,也可以提供現(xiàn)成的PCB讓學(xué)生進(jìn)行焊接和調(diào)試,在課堂上讓學(xué)生利用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)74系列芯片,并進(jìn)行仿真、下載,同時(shí)還可以滿足學(xué)生課外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)下載的需求；學(xué)生可利用自己設(shè)計(jì)的芯片在分立元件實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行更高層次的行為級(jí)設(shè)計(jì)。

如圖1所示,數(shù)電多功能芯片模擬器由EPM3032、LED顯示電路、時(shí)鐘電路、下載調(diào)試電路、微動(dòng)撥碼電路、引腳選通接地電路組成。程序通過EPM3032寫入,作用于其他各個(gè)模塊。

圖1　芯片模擬器框圖

電源電路(見圖2)與EPM3032相連接,用于產(chǎn)生芯片所需的穩(wěn)定工作電壓,采用基于AMS1117 3.3V穩(wěn)壓芯片,為CPLD(EPM3032)提供穩(wěn)定的工作電壓。

圖2　電源電路

時(shí)鐘電路提供時(shí)鐘信號(hào)源及方便時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì),為CPLD提供時(shí)鐘源,電路組成包括晶振、電容C2、電阻R5和1 MHz的有源晶振，如圖3所示。

圖3　時(shí)鐘電路

下載調(diào)試電路用于下載代碼及調(diào)試,采用標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，如圖4所示。

LED顯示電路用于指示芯片和晶振工作是否正常、能夠指示模擬器當(dāng)前邏輯功能。

微動(dòng)撥碼電路用于切換芯片功能,通過軟硬件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)芯片功能的一鍵轉(zhuǎn)換。手動(dòng)調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)的通斷,進(jìn)而影響CPLD引腳的高低電平；CPLD根據(jù)變化調(diào)整內(nèi)部不同74芯片的切換。引腳、輸入和輸出切換利用三態(tài)門實(shí)現(xiàn)。微動(dòng)撥碼電路與內(nèi)部邏輯作用使得模擬器能夠真正具有74全系列芯片模擬的效果。此外電路配有2個(gè)LED,用于指示芯片和時(shí)鐘源工作狀況,也可進(jìn)行快速查錯(cuò)。跳接電阻使得芯片模擬器能夠從DIP12 、DIP14、DIP16、DIP18、DIP20等封裝形式轉(zhuǎn)換,同時(shí)保證不同封裝情況下供電和接地正確。電路如圖5所示[3-5]。

圖4　下載調(diào)試電路

圖5　微動(dòng)開關(guān)與DIP切換電路

4　軟件與教學(xué)方法設(shè)計(jì)

模擬器(見圖6)在不重新燒寫程序的情況下最多能模擬4種類型74系列芯片。如果多次編程燒寫EMP3032,可實(shí)現(xiàn)74全系列邏輯功能。通過撥碼開關(guān)和特定程序,從而模擬器有一鍵轉(zhuǎn)換芯片功能開關(guān),調(diào)節(jié)二位微動(dòng)開關(guān)組合關(guān)系,使芯片模擬器能輕松轉(zhuǎn)換成4種不同的芯片功能,并且上面有2個(gè)LED功能指示燈,利用LED燈的亮滅組合能夠?qū)崟r(shí)地指示當(dāng)前邏輯功能。此外，芯片模擬器能夠作為數(shù)字信號(hào)源使用,用于對(duì)數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱的檢修,也能夠作為激勵(lì)源構(gòu)建大規(guī)模數(shù)字邏輯電路[6]。

圖6　芯片模擬器組成

本設(shè)計(jì)還提出了一種數(shù)字電路多功能芯片模擬器的使用方法,包括以下步驟:

步驟1:學(xué)生根據(jù)芯片模擬器參考原理圖自己繪制PCB、制作PCB、焊接,或者提供現(xiàn)成的PCB讓學(xué)生進(jìn)行焊接和調(diào)試；

步驟2:調(diào)試完成后,將FPGA/CPLD仿真器與芯片模擬模擬器進(jìn)行連接；

步驟3:利用計(jì)算機(jī)USB口或者外部電源對(duì)芯片模擬器供電；

步驟4:參考實(shí)驗(yàn)案例程序模板,利用74系列真值表設(shè)計(jì)分立元件,具體芯片型號(hào)有74138、74161、74112、74374等,按照芯片的管腳定義對(duì)模擬器進(jìn)行管腳分配；學(xué)生可以設(shè)計(jì)多種74系列芯片,然后通過對(duì)圖6的電阻短接構(gòu)建對(duì)應(yīng)的DIP封裝,同時(shí)可以通過撥碼開關(guān)選擇對(duì)應(yīng)的邏輯功能；

步驟5:根據(jù)芯片模擬器管腳對(duì)設(shè)計(jì)的邏輯進(jìn)行仿真、編譯、下載等教學(xué),燒寫入芯片模擬器中。

步驟6:將燒錄好的芯片模擬器、分立元件在分立元件實(shí)驗(yàn)箱上面進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)搭接，比如表決器、減法器、搶答器等電路。

本設(shè)計(jì)在使用時(shí),首先根據(jù)74系列芯片真值表對(duì)設(shè)計(jì)好的芯片模擬器進(jìn)行邏輯測(cè)試,測(cè)試通過后按照分立元件方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),否則需重新進(jìn)行EDA邏輯設(shè)計(jì)。也可以在課堂上讓學(xué)生利用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)74系列芯片,并且進(jìn)行仿真、下載,同時(shí)還可以滿足學(xué)生課外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)下載；在分立元件實(shí)驗(yàn)箱上,學(xué)生可利用自己設(shè)計(jì)的芯片,進(jìn)行更高層次的功能設(shè)計(jì)[7-10]。

5　實(shí)際效果

最后制作出的芯片模擬器尺寸只有5 cm×1.8 cm,其寬度比DIP封裝的寬度略寬。通過圖7可以看出,芯片功能切換在DIP座上的微動(dòng)開關(guān),工作狀態(tài)指示LED在DIP中間,邏輯下載在PCB最右邊。整個(gè)外形酷似一把小鑰匙。

圖7　芯片模擬器實(shí)物

圖8為芯片模擬器在分立元件實(shí)驗(yàn)箱實(shí)際連接圖,該電路實(shí)現(xiàn)了74160自動(dòng)計(jì)數(shù)功能。實(shí)際使用芯片模擬器可以單獨(dú)使用,也可以和分立芯片混合使用。芯片模擬器的使用對(duì)傳統(tǒng)課程安排沒有影響，但是學(xué)生經(jīng)歷了自己設(shè)計(jì)芯片、連接、調(diào)試,最后實(shí)現(xiàn)了特定的功能這一完整過程，對(duì)EDA和數(shù)字電路的認(rèn)識(shí)得到了提高[11]。

圖8　芯片模擬器在分立元件實(shí)驗(yàn)箱實(shí)際連接圖

6　結(jié)語

本設(shè)計(jì)成果作為分立元件+EDA實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)方法的補(bǔ)充,可以彌補(bǔ)74系列分立元件的問題和不足，能讓學(xué)生在理解數(shù)電基本原理情況下,利用EDA工具進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練。該設(shè)計(jì)用FPGA芯片代替74系列分立元件是大勢(shì)所趨,教學(xué)方法與時(shí)俱進(jìn)[12]。

本設(shè)計(jì)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),利用小型的CPLD器件EPM3032為核心,通過下載電路、電源接口、DIP管座、微動(dòng)開關(guān)等實(shí)現(xiàn)了芯片模擬器。該模擬器價(jià)格便宜,僅需10元左右即可制作出一個(gè)能模擬多款芯片的設(shè)備,并將教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)裝置、實(shí)訓(xùn)設(shè)備多方面的功能合為一體,不僅節(jié)約了成本，節(jié)約了空間,設(shè)備操作性強(qiáng)；而且方便攜帶,學(xué)生只需一臺(tái)電腦即可課后自主做實(shí)驗(yàn),具有直觀性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、體積小等顯著優(yōu)點(diǎn)。

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Application of multifunctional 74-series chip simulator in experimental teaching for digital electronic technology

Zhang Min, Peng Zhiyuan, Chen Zenan, Xu Hui， Ma Xiujuan

(Electrical and Electronic Experiment Teaching Center, Harbin Institute of Technology (Weihai), Weihai 264209,China)

This article invents a cheap and small chip simulator to resolve the disjointed problems in teaching for digital electronic technology, including the gap between teaching of basic principle and usage of EDA design,the miss of transition stage from discrete-component design to PLC design. This article introduces each part of the simulator in detail and provides a relevant teaching method with examples. The simulator can simulate any 74 series logic chip with DIP package,whose size varies from 12 to 20. By once programming, it can change one of four logic functions by a switch. It can enhance students’ ability in EDA design and the relevant teaching method has almost no effect on traditional teaching plan.

digital electronic technology; chip simulator; EDA design; discrete components; 74 series chips

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.018

2015-11-15修改日期：2015-12-28

2015—2016年哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)校級(jí)研究項(xiàng)目(ITDA10002102)

張敏(1976—)，男，甘肅蘭州，碩士，高工，信息與信號(hào)處理.

E-mail:1713602230@qq.com

G642.O；TN79

A

1002-4956(2016)6-0066-04

儀器設(shè)備研制與應(yīng)用