张 敏　李 昂　马秀娟　陈泽楠　宋立众

哈尔滨工业大学（威海）　山东威海　264209

数字电子技术EDA实验教学平台的实现

张 敏李 昂马秀娟陈泽楠宋立众

哈尔滨工业大学（威海）山东威海264209

数字电子技术EDA实验需要紧密联系课程内容且易于学生掌握的实验教学平台。阐述了如何进行EDA实验平台的建设这一过程，实验平台包括实验箱和实验案例两个部分。EDA实验箱基于XC6SLX9芯片构建。该实验箱包括16个LED、16个按键、8个拨码开关、8个数码管等多种外设。同时配套实验案例层次化，使得初学者能在较短的时间之内，对FPGA形成较为全面的认识，并掌握数字电路的基本原理与开发；该实验箱成本低、教学案例针对数电电子技术教学。

EDA，FPGA实验箱；数字电子技术；XC6SLX9

目前的数字电路实验室采用分立元件实验箱和EDA实验箱进行数电实验。这种实验教学模式的主要缺陷包括：EDA实验箱复杂、短时间难以掌握其使用方法、EDA实验箱没有针对数字电路课程特点而设计，实验案例没有突出数字电子技术知识点。实验箱要能对数字电子技术实验中的教学内容进行验证，同时能进行较复杂的课程设计［1］。

通过EDA技术学习数字电子技术是很重要的。本文所介绍的平台采用美国赛灵思公司的XC6SLX9芯片自行设计了一块FPGA开发系统，包括最小系统及其外围电路模块，并编制了跑马灯、按键扫描、数码管显示、蜂鸣器、VGA接口等一系列程序，便于学生和工程技术人员学习和掌握 FPGA 的使用与开发技术。

1　需求分析

EDA实验箱结构越简单越好，以减少掌握EDA实验箱操作花费的时间；实验案例必须能够表现数字电子技术有关组合电路和时序电路的设计原理；实验现象必须直观和明显，能够以光和声音的形式进行展示数字电子技术原理。

EDA教学平台研发工作由实验箱和配套实验案例设计两部分工作展开，该系统结构如图1所示。

图1　教学平台组成

2　实验箱设计

实验箱由赛灵思公司的XC6SLX9芯片核心板再加上外围电路而构成，为了让实验现象便于表现，加入了大量的人机接口电路（如图2所示）。可以看出FPGA外围包括了声、光、温度、上位机等接口电路，主要包括以下硬件资源：16个LED、16个按键、8个八段数码管、蜂鸣器、VGA接口、串口、温度传感器［2］。

图2　电路系统组成

2.1XC6SLX9核心板组成

核心板由电源电路、时钟电路、下载电路、XC6SLX9芯片四部分组成。

2.1.1电源电路

通过电压转换芯片AMS1117将输入电压转换后得到内核工作电压1.2 V、外部I/O电压3.3 V。具体电路如下图3所示。其中电容C25，C26和C30，C31则主要是对电源进行滤波。

图3　电源电路

2.1.2时钟电路

时钟产生电路如图4所示，时钟为50 MHz。

图4　时钟产生电路

2.1.3下载电路

配置ROM芯片采用XCF04SVO20C，其存储容量为128 M。控制信号用4.7 k电阻上拉以提高电路的驱动能力。图5为配置电路。

图5　配置电路

2.1.4XC6SLX9芯片

赛灵思公司的XC6SLX9芯片作为核心处理芯片，该芯片具有性价比高的优点。

2.2数码管电路

数码管电路图如图6所示，电路板上使用了四个共阴数码管。8个段选和4个位选引脚连接到FPGA的I/O引脚。从电路图中可知：数码管8个段同时点亮时，电流大约40～80 mA，需要NPN型三极管对FPGA管脚信号进行驱动。

图6　数码管电路

2.3按键电路

电路如图7所示，16个按键的一端连接在一起接地，另一端上拉接3.3 V电压。当按键开关不按时FPGA的I/O口为高电平，当按下时，I/O口为低电平。

图7　数码管电路

2.4蜂鸣器电路设计

蜂鸣器驱动电路如图8所示，蜂鸣器的一端连接3.3 V的电源，另一端连接到NPN型三极管的驱动，这样FPGA的I/O管脚向蜂鸣器发送一定频率的方波可以使蜂鸣器发出相应的音调。

图8　蜂鸣器驱动电路

2.5VGA接口电路

VGA接口的1脚、2脚以及3脚分别和红、绿、蓝3条控制线相连，分别串联电阻后连到FPGA的I/O口上，可以显示8种颜色。3脚、4脚、13脚、14脚以及15脚接地，6脚和7脚分别接VGAHS和VGAVS，分别控制着VGA显示器的水平扫描和垂直扫描信号。电路如图9所示。

图8　VGA接口电路

2.6实验平台展示

整个实验平台由计算机、下载器、壳体、开发板组成［3］。赛灵思ISE开发软件使用版本为14.2。如图9所示。其中开发板如图10所示。

图9　实验平台组成

图10　外围电路模块实物图

3　实验案例的建设

案例分为3种教学层次：（1）演示验证实验；（2）设计性实验；（3）创新性实验。每个层次的难度逐渐增大，实验内容图表1所示。

表1　实验开设的明细

整体实验案例难度循序渐进，其中演示验证实验主要包容软件使用和数字电子技术中基本原理。实验案例使用赛灵思ISE软件进行在线编程、调试。主要让学生掌握以下几个工程设计流程：输入、综合、实现、仿真、下载。其中赛灵思ISE可结合第三方软件进行仿真，常用的工具如ModelSim和测试激励生成器HDL Bencher ，Synopsys公司的VCS等。下载即编程在赛灵思ISE中对应的工具是iMPACT。数字电子原理主要包括组合电路设计、时序电路设计、存储器设计等部分知识点［4］。

设计型实验主要让学生根据数字电路原理去设计和使用外围接口，比如LED、按键、蜂鸣器、温度传感器、串口、VGA接口等等资源。如跑马灯实验是利用设计的计数器，实现跑马灯的效果，灯流动的快慢编程调节；八段数码管显示实验让学习者了解数码管动态显示的方法；蜂鸣器实验让学生学习如何向蜂鸣器发送一定频率的方波可以使蜂鸣器发出相应的音调，可以用程序编写出一段音乐来。VGA 显示实验通过 VGA接口显示特定的字符和图形［5］。

创新型实验主要针对比较拔尖的学生和课程设计开设，锻炼学生对学生的综合应用能力，同时鼓励学生进行功能创新。

4　结束语

该EDA教学平台以如何设置数电实验课程内容才能最大程度的培养学生实践水平而展开。其主要优点包括以下几方面。

（1）层次化的实验内容构建、自主开放的实验管理模式，鼓励创新的实验考核方式，工程化、实践化的教学环节，多门课程实验综合应用，实现方法的多样性，采用启发式教学方法激励学生自主学习。

（2）实验方法新颖、内容与社会需求一致，实验教学内容联系课本、实际授课、社会需求三个方面确定，实验通用性好，节约成本，该实验模式既可以进行硬件教学，也可以进行仿真教学。

（3）实验内容采用贯穿化、层次化、弹性化教学，数字电路实验用到了多种软件和多种硬件，实验内容可进行选择。为了满足各种需求，实验分为四个层次：演示验证性实验、设计性实验、综合应用类实验、科技创新类实验。

［1］ 杨海钢，孙嘉斌，王慰.FPGA器件设计技术发展综述［J］.电子与信息学报，2010（3）：714-727.

［2］ 段有艳.基于Xilinx ISE软件平台用VHDL实现FPGA电路设计［J］.昆明冶金高等专科学校报，2006（3）：76-80.

［3］ 于东阳，苏彬.基于Xilinx ISE平台的FPGA电路设计［J］.微处理机，2012（2）：5-7.

［4］ 苏玉萍.《数字电子技术》实验教学改革探析［J］.实验科学与技术，2013（3）：81-83.

［5］ 万毅，《数字电子技术》实践教学评价体系和评价方法的研究［J］.实验科学与技术，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

张敏，硕士，高级工程师。

2015-2016年哈尔滨工业大学（威海）校级研究项目（编号：ITDA10002102）。