摘要：随着电子技术的发展，数字电路实验软硬件平台发生了很大的变化，在数字电路实验教学中，需要根据实验内容合理选择数字电路实验平台和仿真软件。文中列举了几种实验平台及仿真软件的特点，结合具体的数字电路实验内容提出了选择实验平台的方法，同时还结合不同的实验平台在实验教学方法上提出了自己的几点改进意见。
关键词：实验教学；实验平台；仿真软件；教学方法
作者简介：覃洪英（1979-），女，土家族，湖北来凤人，长江大学电子信息学院，讲师。（湖北 荆州 434023）
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）34-0134-02
随着现代电子技术的发展，特别是计算机和大规模集成电路制造技术的迅速发展，数字电路的教学与信息技术的关系越来越紧密，数字电路实验平台也从传统的实验箱发展为现在由大规模可编程逻辑器件构成的FPGA（现场可编程门阵列）实验箱。实验平台的多样化和先进化使数字电路实验的教学内容更加丰富，教学形式更加灵活，但也带来了更多的挑战。在众多的软硬件实验平台中如何选择合适的教学平台，如何合理安排教学内容，如何改变教学方法使学生在有限的时间内掌握重要的数字电路理论知识，能运用不同的实验方法解决数字电路相关的问题，这些都是很多老师一直在不断探讨和实践的问题。文中根据这几年学院实验示范中心数字电路实验教学改革的经验提出了自己的一些见解。
一、数字电路实验平台的分类及作用
1.硬件实验平台的分类及作用
数字电路实验箱是数字电路不可或缺的数字电路实验硬件平台，一般的数字电路实验箱提供了简单的电源接口，不同引脚数的芯片插槽，发光二极管，波码开关等，如基本逻辑门功能的测试、组合逻辑电路、时序逻辑电路等基础的实验内容都可以在实验箱上完成。实验箱通常具有一定的规格，其插槽及各种元件数量都是有限的。要适应种类更多、功能更复杂的实验内容可以采用面包板，面包板结构很简单，只提供了一系列的插孔。要实现功能更复杂的电路，只需要增加面包板的面积就可以了。但采用面包板进行实验，接线要花费很多时间，板子使用时间稍长还很容易出现接触不良的情况，这给调试带来了很大的不便。现在也有带有一小块面包板的实验箱，当实验箱上的资源不够用时，可以通过面包板适当扩展实验内容，这大大增强了实验箱的灵活性。但面包板的面积有限，对于功能比较复杂的电路，在一台实验箱上难以完成。随着大规模、超大规模集成电路的飞速发展，出现了现场可编程门阵列FPGA，一块小小的FPGA芯片，就可以实现十分复杂的数字逻辑电路的功能，只要增加部分外围电路，甚至可以实现视频处理、嵌入式系统等强大的功能。由FPGA及一些外围电路构成的FPGA数字电路实验箱，大大方便了数字电路实验及其设计。只要熟悉FPGA相关开发软件的使用，掌握FPGA开发语言VHDL或VerilogHDL硬件描述语言，则可在FPGA实验箱上实现功能更强、更复杂的数字系统。
2.软件平台的分类及作用
除了采用实验箱或面包板进行实验，数字电路也可采用EDA软件进行电路仿真，利用软件提供的虚拟元器件和芯片完成电路的连接，并可以利用虚拟的测量仪器来分析和观察实验结果，从而使实验变得更加方便和灵活，每个学生都可以建立自己的虚拟电路实验室。现在实现电路仿真的软件很多，主要有PSPICE、EWB、Multisim、proteus等软件。SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是功能很强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，在国内普遍使用。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，都可以得到精确的仿真结果，并可以自行建立元器件及元器件库。EWB（Electronic Workbench）软件相对于其他EDA软件，它比较小巧（只有16M）。但它对模数电路的混合仿真功能却十分强大，几乎100%地仿真出真实电路的结果，并且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器和电压表、电流表等仪器仪表。它的界面直观，易学易用。它的很多功能模仿了SPICE的设计，但分析功能比PSPICE稍少一些。Multisim是一个集原理电路设计和电路功能测试为一体的虚拟仿真软件。该软件中的元器件库提供了数千种电路元器件供实验选用。其虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验室用的通用仪器，如数字万用表、函数信号发生器、示波器、直流电源。而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。它具有较为详细的电路分析功能，可以设计、测试和演示各种电子电路。[1]Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。Proteus从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，还增加了Cortex和DSP系列处理器。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
采用FPGA进行数字系统的设计必须要能熟练运用其开发软件，熟悉其整个设计过程。目前的FPGA主要生产厂商有Altera公司和Xilinx公司，Altera公司的开发软件是MaxplusII和QuartusII，Xilinx公司的开发软件是ISE。MaxplusII是Altera公司推出的第三代PLD开发系统（Altera第四代PLD开发系统被称为Quartus，主要用于设计6万-100万门的大规模CPLD/FPGA）。使用MaxplusII的设计者不需精通器件内部的复杂结构。设计者可以用自己熟悉的设计工具（如原理图输入或硬件描述语言）建立设计，MAX+PLUSII把这些设计自动转换成最终所需的格式。其设计速度非常快。对于一般几千门的电路设计，使用MaxplusII，从设计输入到器件编程完毕，用户拿到设计好的逻辑电路，大约只需几小时。设计处理一般在数分钟内完成。[2]Xilinx作为当今世界上最大的FPGA/CPLD生产商之一，其开发的软件也不断的更新换代，由早期的Foundation系列逐步发展到目前的ISE9.x系列。ISE是集成综合环境的缩写，它是Xilinx FPGA/CPLD的综合性集成设计平台，该平台集成了设计、输入、仿真、逻辑综合、布局布线与实现、时序分析、芯片下载与配置、功率分析等几乎所有设计流程所需工具。
二、根据不同实验内容合理选择实验平台
面对功能各异、种类丰富的数字电路实验平台和仿真软件，在数字电路实验教学中，需要根据实验内容合理进行选择。数字电路教学，重点是要让学生掌握数字电路的分析和设计方法，了解常用的中规模集成芯片的功能和使用方法。在数字电路实验中，对于一些简单的实验内容，特别是需要我们熟悉常用中规模集成芯片使用的实验内容，我们应选择在数字电路实验箱上进行实验。比如集成逻辑门功能的测试、A/D和D/A转换实验、555定时器的应用等实验，这些实验连线不多，所用芯片很少，实验的目的主要是加深学生对相关芯片功能的了解，掌握其使用方法。对于组合逻辑电路、时序逻辑电路这种所用芯片稍多的实验，最好选择面包板接线调试。选择面包板，学生可以根据电路结构合理放置芯片的位置，自由布局布线，使电路搭建的更加整齐，方便调试。只要认真完成前面这几项实验，学生对常用芯片的功能已有基本的了解，对简单电路的设计过程，芯片的选择方法，电路的调试方法已有基本的掌握。对于更复杂的电路设计性实验，如数字钟、频率计、出租车计价器等实验，就不需要再花很多时间去选择芯片，在面包板上接线调试了，这些实验完全可以在FPGA实验箱上完成。现在一般的数字控制系统，通常都不完全由分立元件构成，而是结合单片机、DSP、可编程控制器、大规模可编程逻辑器件共同构成。因此，学生在学习数字电路这门课程时，掌握VHDL或VerilogHDL硬件描述语言，学会用FPGA实现数字控制系统的设计也是很重要的一个环节。采用FPGA进行数字电路的设计，学生不用选择具体的逻辑芯片，也不需要自己慢慢搭建电路，只需要在明确了设计的目标和要求后，采用硬件描述语言或原理图输入的方式描述设计的功能，在设计仿真正确后，则可直接下载到FPGA中实现整个设计。在教学中，先要安排一定的课时给学生讲解硬件描述语言的语法知识及相应开发软件的使用方法，在实验过程中结合具体的实验内容再做详细讲解，通过一两个实例让学生在理解具体设计思路、设计方法的基础上熟悉整个基于FPGA的设计过程。
使用硬件实验平台，通常学生必须进入实验室才能完成整个实验，因为实验箱，调试观察实验要用的万用表、直流稳压电源、函数发生器都需在实验室使用。这使实验相对不够灵活方便。若使用仿真软件，则可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，使设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便，不消耗实验成本，速度快、效率高。学生可以随时在任意装有该软件的计算机上进行实验设计和测试，可以充分调动学生的学习积极性和主动性，达到较好的实验效果。[3]
关于仿真软件的选择主要以学校机房安装的软件为参考，教师在教学的过程中通常根据学校的实际情况选择了一种固定的仿真软件。比如我院采用Proteus仿真软件，那么在教学中也会让学生使用该软件。其实各种电路的仿真软件的使用方法都大同小异，只是在功能的强弱及多样化上有些不同。但学生选择教学中使用的软件，在软件运行中遇到问题可以更快捷更方便的获得老师的帮助。采用FPGA实验箱进行设计，同样可以利用MaxplusII或QuartusII软件（QuartusII软件比MaxplusII软件功能更强大，在使用方法上这两种软件几乎完全一样，一般不必限制学生必须使用哪一种）先进行代码的编写、编译及仿真调试，只有最后的引脚锁定及下载到FPGA上硬件实现才需要进入实验室完成。
三、结合不同实验平台改进教学方法
实验的最终目标是让学生加深对理论知识的理解，提高分析问题和解决问题的能力，加强自己的动手能力和工程应用能力。如何尽量使更多的学生达到这一目标，这是老师们一直面临的艰巨任务和挑战。结合不同的实验平台，需要采用不同的方法。采用数字电路实验箱进行实验，在做每个实验前，先告诉学生具体的实验内容，要求学生通过Proteus仿真软件对实验电路进行仿真，观察实验现象，记录实验结果。在进入实验室后，由老师抽查学生实验仿真中遇到的问题，对实验的理解，以及实验的结果等情况。那么在实际操作中，老师只要重点告诉学生操作方法和注意事项，学生在已经熟悉整个实验的情况下操作会更容易，印象会更深刻，也更容易掌握实验的方法和技巧。若采用FPGA实验箱进行实验，前期在讲解硬件描述语言的基本语法知识及开发软件的使用时，不用花太多时间，重点是把整个语言的架构和软件的操作过程说清楚，至于具体的语法知识，不需要做太详细的讲解。没有自己动手和思考，一般的学生都不会对所学的内容有较深刻的认识，具体的语法知识可以在做实验时通过实例详细讲解。最初的FPGA实验选择简单的实验内容，比如组合逻辑电路实验和时序逻辑电路实验。一方面，在进行FPGA实验时，通过选择一部分与面包板上所做实验一样的内容，可以让学生更深刻的体会到两种实验平台在设计方法、实验操作步骤上的不同，更好地领悟FPGA设计的特色和特点；另一方面，在组合逻辑电路和时序逻辑电路的FPGA实验教学中，不需要让学生自己编写代码，直接给出电路设计的几种不同方案的代码给学生详细讲解。这样既结合了具体的实验内容，也讲解了相关的“WHEN语句”、“CASE语句”、“IF语句”等语句的语法知识。在讲解后马上让学生进行编译仿真调试，观察实验结果，然后再修改设计要求，让学生在之前代码基础上做修改以实现新的设计要求。对于综合设计性的实验项目，可先对设计进行功能划分，要求学生根据设计要求，按功能分块进行设计，分块设计完成后，再进行整体设计。例如出租车计价器控制电路的设计实验，[4]要求设计的出租车计价器能模拟汽车启动、暂停、停止等状态，具有正常计费、将车费和里程动态显示出来的功能。根据出租车计价器的基本功能，可以将出租车计价器控制电路划分为计费电路模块、进制转换模块和数据选择译码显示模块三个部分。[5]其模块图如图1所示，根据模块图，学生可以一步一步依次完成每个模块的设计和验证，最后再进行整体设计。当然，实现出租车计价器设计的方法很多，这里仅给出了其中一种设计方案。
四、结语
数字电路作为电类和部分非电类工科专业学生必修的一门专业基础课，是一门集知识和技能于一体、实践性很强的课程。数字电路实验作为该课程的一部分，担负着巩固理论知识，培养学生动手能力和创新能力的重任。在电子技术日新月异的形势下，新的技术、新的实验方法要不断的融入到数字电路实验的教学中去。[6]在数字电路实验教学中，将传统的实验平台和FPGA实验平台有机结合，根据不同的实验内容选择不同的实验平台，采用不同的教学方法，可以让学生在有限的时间内更好地掌握传统及现代的实验方法，提高动手能力，加深对理论知识的理解。
参考文献：
[1]曾思明.Multisim10.0在数字电路实验教学中的应用[J].中国现代教育装备,2010,(23).
[2]华清远见嵌入式培训中心.FPGA应用开发入门与典型实例[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[3]鲍宁宁.关于优化数字电路实验教学体系对培养学生创新能力的探讨[J].实验室科学,2011,14(2).
[4]佘新平.数字电路设计·仿真·测试[M].武汉:华中科技大学出版社,2010.
[5]凌璟.基于VHDL的出租车计价器设计[D].苏州:苏州大学,2009.
[6]康华光.电子技术基础数字部分（第四版）[M].北京:高等教育出版社,2000.
（责任编辑：刘丽娜）