數字電子技術EDA實驗教學平臺的實現

張 敏　李 昂　馬秀娟　陳澤楠　宋立眾

哈爾濱工業大學（威海）　山東威海　264209

數字電子技術EDA實驗教學平臺的實現

張 敏李 昂馬秀娟陳澤楠宋立眾

哈爾濱工業大學（威海）山東威海264209

數字電子技術EDA實驗需要緊密聯系課程內容且易于學生掌握的實驗教學平臺。闡述了如何進行EDA實驗平臺的建設這一過程，實驗平臺包括實驗箱和實驗案例兩個部分。EDA實驗箱基于XC6SLX9芯片構建。該實驗箱包括16個LED、16個按鍵、8個撥碼開關、8個數碼管等多種外設。同時配套實驗案例層次化，使得初學者能在較短的時間之內，對FPGA形成較為全面的認識，并掌握數字電路的基本原理與開發；該實驗箱成本低、教學案例針對數電電子技術教學。

EDA，FPGA實驗箱；數字電子技術；XC6SLX9

目前的數字電路實驗室采用分立元件實驗箱和EDA實驗箱進行數電實驗。這種實驗教學模式的主要缺陷包括：EDA實驗箱復雜、短時間難以掌握其使用方法、EDA實驗箱沒有針對數字電路課程特點而設計，實驗案例沒有突出數字電子技術知識點。實驗箱要能對數字電子技術實驗中的教學內容進行驗證，同時能進行較復雜的課程設計［1］。

通過EDA技術學習數字電子技術是很重要的。本文所介紹的平臺采用美國賽靈思公司的XC6SLX9芯片自行設計了一塊FPGA開發系統，包括最小系統及其外圍電路模塊，并編制了跑馬燈、按鍵掃描、數碼管顯示、蜂鳴器、VGA接口等一系列程序，便于學生和工程技術人員學習和掌握 FPGA 的使用與開發技術。

1　需求分析

EDA實驗箱結構越簡單越好，以減少掌握EDA實驗箱操作花費的時間；實驗案例必須能夠表現數字電子技術有關組合電路和時序電路的設計原理；實驗現象必須直觀和明顯，能夠以光和聲音的形式進行展示數字電子技術原理。

EDA教學平臺研發工作由實驗箱和配套實驗案例設計兩部分工作展開，該系統結構如圖1所示。

圖1　教學平臺組成

2　實驗箱設計

實驗箱由賽靈思公司的XC6SLX9芯片核心板再加上外圍電路而構成，為了讓實驗現象便于表現，加入了大量的人機接口電路（如圖2所示）。可以看出FPGA外圍包括了聲、光、溫度、上位機等接口電路，主要包括以下硬件資源：16個LED、16個按鍵、8個八段數碼管、蜂鳴器、VGA接口、串口、溫度傳感器［2］。

圖2　電路系統組成

2.1XC6SLX9核心板組成

核心板由電源電路、時鐘電路、下載電路、XC6SLX9芯片四部分組成。

2.1.1電源電路

通過電壓轉換芯片AMS1117將輸入電壓轉換后得到內核工作電壓1.2 V、外部I/O電壓3.3 V。具體電路如下圖3所示。其中電容C25，C26和C30，C31則主要是對電源進行濾波。

圖3　電源電路

2.1.2時鐘電路

時鐘產生電路如圖4所示，時鐘為50 MHz。

圖4　時鐘產生電路

2.1.3下載電路

配置ROM芯片采用XCF04SVO20C，其存儲容量為128 M。控制信號用4.7 k電阻上拉以提高電路的驅動能力。圖5為配置電路。

圖5　配置電路

2.1.4XC6SLX9芯片

賽靈思公司的XC6SLX9芯片作為核心處理芯片，該芯片具有性價比高的優點。

2.2數碼管電路

數碼管電路圖如圖6所示，電路板上使用了四個共陰數碼管。8個段選和4個位選引腳連接到FPGA的I/O引腳。從電路圖中可知：數碼管8個段同時點亮時，電流大約40～80 mA，需要NPN型三極管對FPGA管腳信號進行驅動。

圖6　數碼管電路

2.3按鍵電路

電路如圖7所示，16個按鍵的一端連接在一起接地，另一端上拉接3.3 V電壓。當按鍵開關不按時FPGA的I/O口為高電平，當按下時，I/O口為低電平。

圖7　數碼管電路

2.4蜂鳴器電路設計

蜂鳴器驅動電路如圖8所示，蜂鳴器的一端連接3.3 V的電源，另一端連接到NPN型三極管的驅動，這樣FPGA的I/O管腳向蜂鳴器發送一定頻率的方波可以使蜂鳴器發出相應的音調。

圖8　蜂鳴器驅動電路

2.5VGA接口電路

VGA接口的1腳、2腳以及3腳分別和紅、綠、藍3條控制線相連，分別串聯電阻后連到FPGA的I/O口上，可以顯示8種顏色。3腳、4腳、13腳、14腳以及15腳接地，6腳和7腳分別接VGAHS和VGAVS，分別控制著VGA顯示器的水平掃描和垂直掃描信號。電路如圖9所示。

圖8　VGA接口電路

2.6實驗平臺展示

整個實驗平臺由計算機、下載器、殼體、開發板組成［3］。賽靈思ISE開發軟件使用版本為14.2。如圖9所示。其中開發板如圖10所示。

圖9　實驗平臺組成

圖10　外圍電路模塊實物圖

3　實驗案例的建設

案例分為3種教學層次：（1）演示驗證實驗；（2）設計性實驗；（3）創新性實驗。每個層次的難度逐漸增大，實驗內容圖表1所示。

表1　實驗開設的明細

整體實驗案例難度循序漸進，其中演示驗證實驗主要包容軟件使用和數字電子技術中基本原理。實驗案例使用賽靈思ISE軟件進行在線編程、調試。主要讓學生掌握以下幾個工程設計流程：輸入、綜合、實現、仿真、下載。其中賽靈思ISE可結合第三方軟件進行仿真，常用的工具如ModelSim和測試激勵生成器HDL Bencher ，Synopsys公司的VCS等。下載即編程在賽靈思ISE中對應的工具是iMPACT。數字電子原理主要包括組合電路設計、時序電路設計、存儲器設計等部分知識點［4］。

設計型實驗主要讓學生根據數字電路原理去設計和使用外圍接口，比如LED、按鍵、蜂鳴器、溫度傳感器、串口、VGA接口等等資源。如跑馬燈實驗是利用設計的計數器，實現跑馬燈的效果，燈流動的快慢編程調節；八段數碼管顯示實驗讓學習者了解數碼管動態顯示的方法；蜂鳴器實驗讓學生學習如何向蜂鳴器發送一定頻率的方波可以使蜂鳴器發出相應的音調，可以用程序編寫出一段音樂來。VGA 顯示實驗通過 VGA接口顯示特定的字符和圖形［5］。

創新型實驗主要針對比較拔尖的學生和課程設計開設，鍛煉學生對學生的綜合應用能力，同時鼓勵學生進行功能創新。

4　結束語

該EDA教學平臺以如何設置數電實驗課程內容才能最大程度的培養學生實踐水平而展開。其主要優點包括以下幾方面。

（1）層次化的實驗內容構建、自主開放的實驗管理模式，鼓勵創新的實驗考核方式，工程化、實踐化的教學環節，多門課程實驗綜合應用，實現方法的多樣性，采用啟發式教學方法激勵學生自主學習。

（2）實驗方法新穎、內容與社會需求一致，實驗教學內容聯系課本、實際授課、社會需求三個方面確定，實驗通用性好，節約成本，該實驗模式既可以進行硬件教學，也可以進行仿真教學。

（3）實驗內容采用貫穿化、層次化、彈性化教學，數字電路實驗用到了多種軟件和多種硬件，實驗內容可進行選擇。為了滿足各種需求，實驗分為四個層次：演示驗證性實驗、設計性實驗、綜合應用類實驗、科技創新類實驗。

［1］ 楊海鋼，孫嘉斌，王慰.FPGA器件設計技術發展綜述［J］.電子與信息學報，2010（3）：714-727.

［2］ 段有艷.基于Xilinx ISE軟件平臺用VHDL實現FPGA電路設計［J］.昆明冶金高等專科學校報，2006（3）：76-80.

［3］ 于東陽，蘇彬.基于Xilinx ISE平臺的FPGA電路設計［J］.微處理機，2012（2）：5-7.

［4］ 蘇玉萍.《數字電子技術》實驗教學改革探析［J］.實驗科學與技術，2013（3）：81-83.

［5］ 萬毅，《數字電子技術》實踐教學評價體系和評價方法的研究［J］.實驗科學與技術，2013（5）：122-124，143.

The Establishment of a Throughout and Hierarchical Teaching Mode for Digital Electronic Technology Experiment

Zhang Min， Li Ang， Ma Xiujuan， Chen Zenan， Song Lizhong
Harbin Institute of Technology （WeiHai） ， WeiHai， 264209， China

For the EDA experiment of Digital Electronic Technology， an experimental teaching platform liked closely to course content and easier to use by students is significant. This thesis presents the construction of the EDA experimental platform， which consists of experimental box and experimental case. The EDA experimental box， based on the XC6SLX9 chip， is equipped with peripherals including 16 LEDs， 16 push-buttons， 8 dip switches and 8 Nixie tubes at low cost. As for the supporting experimental case， it is designed for the Digital Electronic Technology teaching specifcally and hierarchically， thus enabling students to fully understand the FPGA and the basic knowledge and development of digit circuits in a short time.

EDA ， FPGA experimental box； digital electronic technology； XC6SLX9

2016-03-18

張敏，碩士，高級工程師。

2015-2016年哈爾濱工業大學（威海）校級研究項目（編號：ITDA10002102）。