EDA技术在数字电子实验设计中的合理应用分析

2018-04-11孙进辉

实验室研究与探索 2018年2期

孙进辉

(中国人民武装警察部队学院训练部，河北廊坊 065000)

0　引　言

数字电子实验作为高校电子信息专业一门重要的课程，该课程具有理论性、实践性较强的特点，其主要任务是培养应用型电子技术人才。随着计算机及其相关技术的发展，高校数字电子实验教学环境不断变化，教育者和学生面临新的发展机遇和挑战。现阶段，传统数字电子实验教学无法适应现代教育发展趋势，制约教育现代化发展，改革传统教学方法和内容势在必行。电子设计自动化(Electronic Design Automation, EDA)技术是新兴的电子设计自动化工具，该技术有利于改变传统数字电子实验教学模式，能提升数字电子实验教学质量、满足培养创新型人才的需求，成为数字电子技术实验设计的重要工具[1-3]。本研究详细介绍EDA技术及设计流程，探究在数字电子实验系统中引入EDA技术的优势，以期提升教学效果,培养学生的实践操作能力。

1　EDA技术及设计流程

1.1　EDA技术的概念

EDA技术有狭义和广义之分，广义EDA技术就是现代电子设计技术，狭义概念下的EDA技术是指以计算机为平台，依托大规模可编程逻辑器件，借助EDA软件开发工具和实现系统展开设计，自动实现硬件设计过程，最终集成专用芯片ASIC或IES[4]。EDA技术代表新时期电子设计技术新的发展方向，其主要特征是设计者以计算机为工具，遵循自顶向下的设计方法完成整个设计[5]。同时，借助先进开发工具自动完成分割、优化、仿真等操作，这被称作数字逻辑电路高层次设计方法。这种设计方案便于设计者修改相应软件，能够预知设计结果，大大提升系统设计效率，缩短产品开发周期，降低系统开发成本。

1.2　不同EDA软件的特点

现阶段，国内广泛使用的EDA软件分别为EWB、Protel、Multisim、Matlab等，EWB最早由加拿大NI公司研究的，用于电子线路仿真的软件，后经过发展升级为Multisim[6]。Multisim为用户提供种类齐全，符合实际电子设备和相关电子产品的数据库仿真系统，它能将电路图创建、仿真分析及其结果集成起来，犹如一个真实的实验平台，也可直接完成打印实验数句、原理图等操作，是广泛用于电路设计优秀的EDA软件[7]。Protel是一种功能强大的电路设计系统，该软件在国内普及率较高，具有绘制电路原理图、设计可编程逻辑器件、生成相应图表等功能。通过使用该软件学习线路布局、焊接工艺等，有利于提升学生的综合设计和实践操作能力。Matlab作为一种高效的工程计算语言，这种软件能实现概念设计、建模仿真等功能。动态建模仿真工具是基于Matlab环境的分支产品，它依托Matlab强大的计算功能，结合交互好用的仿真界面及功能，并运用虚拟设备直观展现仿真动态结果，成为动态建模和仿真实验中广泛应用的软件包之一。必须注意，上述EDA工具软件的功能非常接近，但又具有各自的优势。Multisim具有便捷的操作界面，创建电路、挑选元器件等均可直接从屏幕图形中选取，它不仅能够弥补元器件短缺、规格不达标等情况，也可借助软件中的各类分析方法，帮助学生快速掌握所学内容，加深对所学概念和原理的理解，进而培养学生的创新能力[8]。同时，该软件工具尽可能扩充元件数据库，特别是增加与现实元件相对应的元件模型，增强仿真电路的实用性。Matlab作为高级矩阵/阵列语言，具备强大设计和动态建模功能。Protel有利于学生独立制作电路，锻炼学生动手操作能力。因此，学生可以灵活挑选不同的EDA软件展开设计。

1.3　EDA技术设计步骤

从设计方法上分析，EDA技术把传统电路设计硬件、调试、焊接等步骤在计算机上自动完成，为数字电子设计带来根本性变革，流程见图1。①输入：一个实验项目由单个或多个源文件组合而成，这些文件可以是原理图文件、混合输入文件等。②综合：借助EDA软件综合器把VHDL软件与硬件进行挂钩，这是软件转变成硬件电路的关键。综合器对源文件实施综合处理，就是针对某个FPGA/CPLD供应商的产品。EDA技术能够提供良好的优化和逻辑综合功能，它能把设计者制作的逻辑级电路图转换成门级电路，并生成相对应的时序分析文件或各类报表。③合理布局：综合处理后，借助FPGA/CPLD布局/布线适配器把网表文件对某个目标器件执行逻辑映射处理，具体包括逻辑分割、优化、布局等。必须注意，处理后的适配对象应与器件结构细节相互对应。④仿真处理：下载编程前，采用EDA工具对适配所得结果实施模拟测试，即：进行仿真处理。EDA工具能够完成时序和功能不同级别的仿真测试。其中，时序仿真是依据适配所得网表文件实施仿真处理，这是最接近真实物体运行特性的仿真操作，整个仿真过程要充分考虑器件硬件特性。因此，采用EDA技术实施仿真处理其精度高得多。功能仿真是指对涉及描述的逻辑功能开展测试模拟，从而了解其实现功能是否达到原设计要求。⑤通过仿真实验确定设计基本达标后，将适配生成的文件采用Byteb laster下载电缆线下载至FPGA/CPLD器件内，便于实时硬件调试、验证操作。上述环节完成后，将包含载入FPGA或CPLD硬件系统实施统一测试，便于检验设计项目在系统上的操作情况，及时发现设计中出现的问题并改进整个实验[9-11]。

图1EDA开发设计流程

2　EDA技术的使用优势

2.1　有利于提升教学效果

实验教学中应用EDA技术，其主要依托计算机完成各项操作，即使没有进行实验研究工作，也可顺利完成相关设计，整个实验所有数据和文件在设计完成后保存下来。在数字技术电子实验中应用EDA技术，有助于教育者解决传统实验教学中存在的问题，不仅可以改善实验教学效果，也能提升实验的可信度。同时，学生在实验操作中可针对自己不理解的地方进行提问，或依据自身的思维展开设计，无需担心设计失败损坏仪器等问题，提升实验教学效果。

2.2　有利于锻炼学生的实践操作能力

在数字电子实验中运用EDA技术，能够便捷的进行电路调试，且开发时间短，这些优势均能帮助学生深入了解电子设计的关键。同时，学生借助该平台开展综合性实验，能获得较好的实验结果，对于激发学生学习的兴趣和积极性，帮助学生掌握实验方法和知识，拓展学生学习思维都将产生积极的影响[12-13]。

3　基于EDA技术设计虚拟实验系统

传统数字电子实验采用中小规模集成电路开展实验，用导线搭接或实验箱完成整个实验操作，但这种实验容易出现电接触性能不佳、损耗大、效率低等问题。同时，在实验教学中如果出现问题，老师要耗费大量时间帮助学生检查连线错误，排除技术、工艺等障碍，这种情况不仅浪费教学时间，也会在不同程度上削弱学生学习的积极性[14]。因此，越来越多的高校开始自主研发虚拟实验系统，用来辅助数字电子实验教学。从实验内容角度分析，使实验课程更灵活、更加便捷的实施教学任务。除此以外，该系统允许每位学生尝试不同方案进行设计，有利于拓展学生的思维空间，进而激发他们的创造力和想象力。

3.1　系统总体框架

在传统数字电子实验教学中，一台仪器分配给某位学生使用，一般准备实验需要花费大量时间，学生真正使用实验设备、进行实验的时间较少，这会不同程度上浪费实验资源。由此可知，传统实验教学方法已无法适应高校发展步伐，改革数字电子实验操作成为急需解决的问题。本设计的数字电子虚拟实验系统主要包含学习系统和虚拟实验室两个部分，借助Quartusll、Matlab等EDA软件完成开发和建设工作。其中，学习系统支持学生开展仿真实验，开发者在虚拟实验室内配置信息管理、评价管理和教师管理模式，上述功能组成一个完整的虚拟实验教学系统，系统架构见图2。

图2基于EDA技术构建虚拟实验平台

3.2　各模块功能

建立虚拟实验教学系统是一项复杂的工程，为保障系统日后的运行质量和效率，系统运行要配备恰当的网络结构。因虚拟实验教学系统均基于校园网开发而来的，适用范围较小，且系统要求具有较强交互性、实时性的特点，针对上述要求，本设计选用C/S方式，这种模式可在客户端实现丰富的交互效果。根据真实实验教学流程，考虑到数字电子实验的设计、实施、评价及计算机平台特点，将整个虚拟实验教学系统划分为实验仿真、管理与评价等模块。

(1)平台信息管理模块。该模块是虚拟实验教学系统的前台，也是教学与管理模块的具体展现部分，教学管理是否到位，都会在实验平台上展现出来。该模块具有注册、登录、管理实验信息、故障处理功能，其核心任务是管理好日常实验信息，例如：实验学生的注册、登录操作、下载实验项目、管理人员维修故障等。用户必须通过注册和身份验证，用户在注册操作中，需要准确填写用户注册信息，通过系统审核注册信息会自动存储在数据库内。如果用户需要进入虚拟实验系统，只需在登录界面输入准确的账号和密码即可。若登录账号与密码输入错误，系统会自动跳转至重新登录界面，验证成功才能在虚拟实验平台进行多种实验操作[15]。

(2)基础学习模块。该模块主要由仪器与理论学习、EDA工具学习、硬件编程学习等部分组成，其中EDA学习主要学习DSP、QuartusII、Protel等优秀仿真工具，为数字电路理论学习、数字电路设计等提供良好的学习和仿真环节。通过上述工具的学习，能有效提高学生电路设计的能力。众所周知，虚拟实验系统建立是否成功，主要受教学资源、新技术应用、案例构建等因素的影响。其中，案例构建尤为重要，在设定教学大纲时，不仅要考虑新的理论和技术，也应考虑不同阶段学生理论水平及接受能力，提升学生的学习兴趣和积极性。因此，基础学习模块为学习者提供完整的数字设计案例，例如：交通灯控制系统、数据采集系统、摄像监控系统等，有利于学生充分掌握数字电子实验系统，培养他们的设计能力[16]。

(3)学生实验仿真模块。该模块主要划分为获取信息、基础学习、开展或保存虚拟实验、发送实验结果等子模块，学生通过虚拟实验室获得本次实验任务及相关信息，在基础学习后挑选所需的EDA工具软件开始虚拟实验。实验完成后，及时保存实验结果，例如：原理设计图、程序代码等，并把自己的实验过程和结果上传给老师检查。该模块框架见图3。

(4)教师管理与评价。该模块的功能有发布实验内容、获取实验项目信息、批阅试验项目、管理学生信息等，见图4。教师先依据实验教学任务在虚拟实验平台上向学生展示实验内容，便于学生开展针对性的实验操作。待学生完成整个实验后，教师在获取上传的信息并实施修改，把批阅结果反馈给学生[17]。

图3实验仿真模块主要功能

图4教师管理与评估模块功能结构

4　结　语

综上所述，数字电子虚拟实验系统是一个新型实验教学模式，它能为学生提供人性化、实践性、开放性强的实验教学环境，对于改善数字电子实验教学产生积极影响。本研究以EDA技术为依托，在分析了EDA技术在数字电子实验教学中优越性的基础上，提出以EDA技术构建虚拟实验系统及其主要功能模块，以期为数字电子实验教学提供一定借鉴和参考。

参考文献(References)：

[1]刘力.在电子实验教学中引入EDA技术的探索[J].电子制作,2014,21(15):80.

[2]赵周.EDA技术在数字电子技术实验中的应用分析[J].电子制作,2016(5):36.

[3]于卫卫,王国永,王剑.EDA技术在数字电子技术试验中的应用[J].数字技术与应用,2016(8):125.

[4]胡灿.EDA技术在数字电子技术实验中的运用[J].通讯世界,2016,13(1):213.

[5]符继征.浅析EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].赤峰学院学报(自然科学版),2016(8):41-42.

[6]高玉娜.基于EDA的实验教学探索[J].电脑知识与技术,2015,11(15):80-81.

[7]张玉伽.EDA技术在电工电子技术课程教学中的应用[C]//黑龙江省高等教育学会2016年学术年会暨理事工作会论文集(下册),2016.

[8]宋放.浅谈EDA技术在电类实验教学中的应用[J].中国新技术新产品,2013,29(20):15-16

[9]王彩凤，胡波，李卫兵,等.EDA技术在电工电子技术课程教学中的应用[C].黑龙江省高等教育学会2016年学术年会暨理事工作会论文集(下册),2016.

[10]韦凡捷.EDA技术在数字电子技术实验中的实践[J].数字技术与应用,2015(9):219.

[11]秦晨.刍议EDA技术在数字技术实验中的运用[J].科技展望,2016(9):167.