電子設計自動化課程仿真化教學初探

奚洋

摘 要：隨著可編程邏輯器件的普及，很多中職、高職學校中開設了相關的課程，但是實驗設備的使用也帶來了一些問題，本文分析了使用硬件設備開展EDA課程教學中存在的一些問題，同時對使用仿真軟件開展EDA課程的教學的優點和可行性進行了探討，可編程邏輯器件（PLD）可以按照設計者的需要靈活配置其功能，同時在先天結構上擁有比其他微控制器更出色的處理速度，非常適合現在任務復雜的電子系統的設計需要?，F在，PLD器件已經成為了很多復雜電子系統中一個不可或缺的核心部分。

關鍵詞：電子設計；課程仿真化教學

中圖分類號：G482文獻標志碼：A文章編號：2095-9214（2016）11-0157-01

現在很多中職、高職院校都針對電子技術的這個潮流，開設了PLD相關的課程，一般會叫做“電子設計自動化技術”（EDA技術），或者做為“電子CAD”課程一部分來進行講授。主要講授的內容是硬件描述語言的使用，如VHDL。

一、基于硬件的EDA課程教學中存在的問題

傳統上來講，硬件描述語言程序所描述的功能要需要通過相關軟件平臺適配到PLD上才能看到具體的功能，但是，基于硬件的實驗教學會不可避免的帶來以下一些問題：

（一）產生設備損耗。電子元件本身有使用壽命，當實驗設備電路上的某個元件到了壽命或者在實驗操作中被損壞，整個設備就可能失去作用。這樣以來，如果不及時補充，運行正常的實驗設備就會隨著使用時間的增加而逐漸減少，直到無法支持正常實驗教學。

（二）運行情況不穩定。實際上，任何實驗室都不可能保證每臺進行實驗的設備都運行良好，如果硬件方面出現問題，實驗效果就無法出現。而當堂排除硬件問題是幾乎是不可能的，因為不僅檢測故障麻煩，而且維修也要花費大量時間。一旦出現了這種情況，實驗中的顯示運行結果這重要的一環就無法實現了，這對教學效果會產生不良的影響。

（三）操作比較繁瑣。在EDA教學中涉及到很多程序，但是內容和功能簡單的還是居多。如果是在教學中進行演示，那么用專門的設備來觀察這些簡單程序的結果（如門電路之類）就顯得非常繁瑣，會把課堂教學時間浪費在設備的操作上。

（四）建設升級成本高

PLD器件本身就不便宜，基于PLD的EDA教學實驗設備往往比較昂貴，添置可以供一個教學班使用的EDA實驗設備（15臺）往往需要幾十萬，這給學校帶來比較大的資金壓力。同時，電子設計自動化技術和PLD器件發展速度也非?？?，實驗設備的升級換代對資金不充裕的學校來講也是個很大的問題。

二、使用仿真軟件開展EDA教學的優點分析

采用軟件仿真開展實驗教學是解決上述問題的一個可行方案。電路仿真軟件從出現到現在已經有近20年的時間了，功能已經比較成熟，通過這些仿真軟件，用戶可以使用豐富的虛擬動態顯示設備、虛擬交互輸入設備和虛擬測量儀表，能實時的進行輸入，并可以觀察到逼真的電路和程序運行結果。

對于EDA課程的實驗，如果能開展基于軟件平臺的仿真實驗教學，那么相比于使用硬件平臺進行實驗帶來的一些問題，其擁有以下一些優點：

（一）成本得到控制。現在計算機都已經各院校中普及，計算機機房都配置的比較多了，使用仿真軟件開展實驗教學不會帶來太多額外的成本。

（二）沒有損耗問題。實驗運行在電腦上，無論怎么重復或者嘗試實驗都不會產生損耗。

（三）方便開展教學。不管是復雜的還是簡單的硬件描述語言程序，都可以很快且非常直觀的看到運行的結果，非常適合在教學中教師進行演示或學生對教學程序的功能進行驗證。

（四）有效節省硬件損耗。如果有可以使用的硬件設備，在使用設備之前先通過仿真來檢驗程序的話，可以有效的減少在硬件上調試的時間，保證操作的成功，從而減少硬件的使用損耗。

（五）方便學生自學。有了可視化的仿真手段，學生就可以使用自己的計算機完成程序功能的驗證，在一定程度上可以擺脫對學校實驗設備的依賴，便于開展自學。

三、使用仿真軟件開展EDA教學的可行性分析

能對EDA教學中常用的VHDL硬件編程語言進行仿真的常見仿真軟件有Multisim和TINA pro。

筆者對EDA課程典型實驗項目進行了分析，并以TINA pro為平臺，對使用仿真軟件開展EDA教學（基于VHDL語言）的實驗開出率進行了分析。

經過對《EDA技術實驗與課程設計》（曹昕燕，清華大學出版社，2006），《可編程邏輯器件與VHDL語言》（程云長，科學技術出版社，2008），《VHDL電路設計》（雷伏容，清華大學出版社，2007），《電子設計自動化技術》（張永生，機械工業出版社，2008）等教材的綜合分析，可以將EDA課程中的典型實驗項目分4大類，共14個實驗項目，分別為：

（一）PLD開發軟件操作。1、PLD開發軟件原理圖輸入及綜合仿真；2、PLD開發軟件波形輸入及綜合仿真；3、PLD開發軟件的文本輸入及綜合仿真。

（二）硬件下載。1、PLD器件下載。

（三）硬件描述語言編程實驗。1、譯碼器編程；2、編碼器編程；3、比較器編程；4、選擇器編程；5、加法器編程；6、觸發器編程；7、多種寄存器編程；8、多種計數器編程；9、多種存儲器編程。

（四）課程設計或課程實訓。在上述實驗項目中，PLD開發軟件操作中的3個實驗項目是依靠PLD開發軟件完成，其余11個實驗項目，中除了硬件下載操作無法依靠仿真軟件完成，其余10個（類）在EDA課程教學中處于主要地位的硬件描述語言編程實驗項目都可以在TINA pro軟件環境下，依托軟件自帶VHDL仿真功能和自身的模擬電路和數字電路的仿真功能完成仿真實驗，實驗項目的開出率可以達到93%，能夠滿足EDA課程教學的需要。

四、結論

通過上述分析可以看出，使用合適的仿真軟件應用在EDA課程的教學上可以有效的解決使用硬件實驗設備時帶來的不可避免的設備損耗、使用成本、和其它的一些問題，同時在課程教學上，可以滿足課程實驗教學和教學演示的需要，保證教學效果，是值得在EDA課程教學中進行推廣的教學方法。

（作者單位：咸寧職業技術學院）

基金項目：咸寧市教育局2016年度職業教育電子技術類科研課題“電子技術類課程仿真化教學研究”（2016sjw05）

參考文獻：

[1]張永生.電子設計自動化技術[M].機械工業出版社，2008.

[2]龔蘭芳.VHDL硬件描述語言教學探討[J].廣東水利電力職業技術學院學報，2009.12.

[3]楊莎，李良榮.基于Tina Pro的地方高校電子設計教學研究[J].遵義師范學院學報，2010.8.