基于EDA的数字电子技术实验及其应用

2013-12-19钟晓旭

宿州学院学报 2013年2期

钟晓旭

安徽交通职业技术学院城市轨道交通与信息工程系，安徽合肥，230051

数字电子技术实验，一直以来都是高校电类专业的核心实验课程之一，具有较强的实践性。而在实际的实验过程中，怎样凸显其实践性特征，是一个急需解决的问题[1]。近些年，许多学者与高校以实验教学作为教学创新的突破点，探索出了与自身特征相适宜的实验教学模式[2]。EDA技术，也就是电子设计自动化技术，可以为数字电子技术实验提供合理的、科学的平台，将电子设计自动化技术引入到数字电子技术实验当中，可以大幅度提升学员的实践应用能力。

1 EDA技术

EDA技术，经过了三个主要发展过程[3]：(1)CAD,计算机辅助设计阶段；(2)CAE,计算机辅助工程设计阶段；(3)EDA，电子设计自动化阶段。就EDA的概念也有广义与狭义两种定义。广义来讲，EDA指的是现代电子自动化设计技术；狭义来讲，EDA就是简单地以计算机为基础，以可编程元器件为设计对象，借助于硬件编程语言，以EDA软件作为系统开发平台，以实验系统作为设计的工具。采用合适的EDA开发软件，自动地完成系统的硬件设计，从而得到具有一定功能的IES、集成电子系统或者ASIC等专用芯片。

1.1 常用的EDA软件

现阶段，国内流行的、市场占有率高的EDA软件主要有6种[4]：EWB、Multisim、Max+PlusⅡ、QuartusⅡ、Protel和Matlab。

EWB:是加拿大NI公司开发出来的，应用在电子线路仿真领域，属于虚拟电子的工作台开发工具，后来升级成为“Multisim”。

Multisim:给出了类型相对完善、实用性更强的虚拟电子库，以及一些名牌电子器件制造商产品的功能仿真。其人机交互界面合理，操作简单，可以实现创建电路图、电路的分析与仿真，并对其结果进行分析输出的完整功能。已经十分接近于实际的实验系统，可以实现实验数据的打印输出、绘制仿真结果曲线、列举元器件清单等功能，在电路设计过程中十分有用，功能强大、实用。

Max+PlusⅡ:是Altera公司开发出来的，是目前应用范围最广的EDA工具。其集成了几种强大的功能：(1)电路的设计输入；(2)编译仿真；(3)编程下载。可以应用于电路的设计、功能测试与功能演示场合。其设计输入具有多种方式，可实现电路的时序分析，实验结果简单、直观。

QuartusⅡ:是Altera公司开发出来的，它继承了Max+PlusⅡ开发工具中的所有设计功能以及电子元件数据库[5]，在此基础上，新增了多种功能以及FPGA设备，对很多硬件编程语言兼容，具有很多高级的编程接口，与高级编程语言实现互联。可进行多层次的仿真实验，在数字电子技术实验中占有重要地位。

Protel软件:是目前国内最为普及的电路设计软件，可以实现这几种功能：(1)绘制电路原理图；(2)模拟电路仿真；(3)数字电路仿真；(4)混合信号仿真；(5)多层电路板的设计；(6)可编程电子元件设计；(7)图标生成等，在电路板的设计过程中应用广泛。通过对电子元器件、电路布局以及焊接技术的学习，可以提升学习者的电路设计能力以及实际的工程应用能力。

Matlab：是Math Works公司开发出来的，属于高效的工程设计工具[6]。该软件集成有概率设计、电路的建模与仿真、算法设计等功能。其中的动态建模仿真工具包Simulink是Mtalab软件的一大亮点。其借助于Matlab软件极其强大的计算能力，并开发了交互仿真功能，可以实现动态仿真结果的直观显示，在动态建模、仿真时，是最值得推荐的工具。

1.2 各种EDA软件工具的特点

目前的EDA软件，虽然功能比较接近，但是各有各的特色。Multisim十分擅长于组合逻辑电路的设计;QuartusⅡ在研发完善的数字系统时特别有效；Matlab具有极其强大的动态仿真功能；Protel可以实现电路的自主设计，实践意义显著，具有理论联系实际的效果。因而，对于数字电子技术中的不同功能需要，可以合理地选取EDA工具。如图1所示，根据不同的设计需要所选取的EDA设计工具。

图1 设计需要与所对应的EDA工具

2 基于EDA技术的实验构架

目前，国内的一些研究机构已开发出了虚拟的实验平台以及完整的数字电子技术的实验平台。就实验内容来说，它使得虚拟实验内容更为丰富、灵活，可以实现一些不具有实际条件的模拟实验。

图2 基于EDA的实验平台构架

2.1 虚拟的数字电子技术的实验构架

本文选取几种常用的EDA开发工具[7]：Multisim、QuartusⅡ、Protel和 Matlab来建立虚拟的数字电子技术的实验平台。其中，该虚拟的数字电子技术实验平台由两部分构成，第一部分：基于EDA的学习平台，其中主要是实验的仿真功能块；第二部分：虚拟的实验平台，主要是实验平台信息的管理功能块以及实验的管理与评估功能块。这两部分功能块之间需要进行信息的交互，从而构建起具有完善功能的、虚拟的、基于EDA技术的数字电子技术实验平台。具体的实验平台构架见图2所示。

2.2 各模块框架

基于EDA的实验平台，其实验仿真功能块主要由4个部分构成[8]：(1)获取项目信息；(2)基础学习；(3)虚拟实验的完成；(4)实验结果的处理等。实验参与人员借助于该虚拟实验平台得到相关的实验内容，通过基础学习，选取合适的EDA工具，完成将要进行的实验内容，并将其实验的数据、图表以及一些原程序代码、实验中间图纸、仿真参数以及仿真结果进行保存或者纸质输出，并将其上传至数据库，便于以后查阅使用。如图3为实验仿真功能块的实现路径图。

图3 实验仿真功能块的实现结构

其中，基础学习由4个部分构成:(1)EDA工具学习；(2)学习软件编程语言；(3)熟悉实验器件；(4)实验理论知识学习等。EDA工具为Multisim、QuartusⅡ、Protel和Matlab。编程语言是现在应用最多的汇编语言以及VHDL两种语言。实验器件主要是一些常用的数字芯片等。此外，系统中还可以下载到完善的数字实验设计案例，案例中具有明晰的系统设计路线，以及系统中的关键技术介绍等，便于实验人员对数字系统的深刻理解，以及设计能力的提升。

实验的管理与评估功能块也是由4个部分构成：(1)实验项目内容发布；(2)获得实验项目完成信息；(3)试验项目的批阅；(4)实验信息的管理。管理人员第一步需要将实验内容借助于该实验平台发送给相关的实验人员。待实验人员完成实验项目以后，需要对实验结果进行拷贝，并将其录入到数据库中。图4为管理与评估功能块的组成结构。