“数字逻辑电路”教学改革与实验平台建设

邓春健 李文生 石建国 杨 亮 吕 燚 刘 伟

摘要:本文首先分析传统“数字逻辑电路”教学存在的问题,然后从理论教学及实验教学两方面内容来探讨教学改革方法。在理论教学部分,提出对传统理论教材大胆改革并适当取舍,研究本课程与工程实践的切入点,大量引入工程实例和新的教学内容;在实验手段上,提出摒弃传统的以验证实验为目的的数字逻辑电路实验设备,设计以综合性实验为目的的基于FPGA的数字逻辑电路实验教学平台。

关键词:EDA技术;现场可编程逻辑器件;教学改革

中图分类号:G642 文献标识码:A

“数字逻辑电路”课程在高等院校电气信息类学科各专业教育中的作用举足轻重,一方面,它是电气信息类学科最重要的专业基础课之一,是学生巩固理论知识,学好众多专业课程的基础,将影响学生对以后专业课程的学习兴趣;另一方面,它具有极强的逻辑性和实用性,通过这门课程的学习,可以培养学生动手能力和创新能力。目前,懂数字电路设计、FPGA的专业人才备受用人单位青睐,这赋予了“数字逻辑电路”课程教学更加重要的现实意义。

然而,高等院校“数字逻辑电路”教学存在教学效果不明显,学生收获甚小等问题。理论课的学习最终是为培养和提高学生的动手能力和创新能力。但不少学生反映,他们在这门课程上花费了很多时间,认为“学得不错”,课本中较难的题目也都能很快作答,只是到了实践环节,特别遇到实际工程,就感觉束手无策。

教学活动中应当强调给学生留有足够的想象空间,引导学生培养逻辑思维能力和创新应用、开发数字逻辑电路器件的能力。通过课程的教学,使学生掌握逻辑代数和逻辑设计基础理论,掌握数字逻辑电路分析和数字逻辑电路设计的基本方法,为他们今后在信息技术天地中驰骋奠定坚实的硬件基础。为此,我们以“实用、有趣、建立学生自信”为指导思想,探索数字逻辑电路理论及实验教学改革方法。从理论教学、实验教学等方面对“数字逻辑电路”教学进行大胆改革,摒弃陈旧的教学内容和落后的教学手段,在实验环节,以活泼的实验来促进理论教学,调动学生主动性。

1传统数字逻辑电路教学存在问题分析

我们曾经设计了一些数字逻辑电路工程应用中较为基础的例子,通过多种形式向多所院校相关专业的本科生、研究生做过一次非正式调查,要求被调查者使用数字电路逻辑模块,实现如下设计:

(1) 设计电子开关,当键盘按下,LED灯亮,再次按下LED灯灭,再按下亮。要求采用3种以上方式,需要考虑消除按键信号中的毛刺。

(2) 用8路拨码开关和一个按键设计一个密码锁,通过拨码开关设置密码,按下按键作为确认,如果密码输入3次错误,密码锁失效。

(3) 实现一个秒表,已知:6个共阳极七段码的a,b,c,d,e,f,g分别相连,其中各七段码的共阳端分别引出。

(4) 给定一段乐谱,用蜂鸣器实现乐谱的播放。

(5) 设计一个串行通信模块,实现数据到PC的传输,要求9600波特率,无校验位。

(6) 以555电路为基础,用手指作为启动源,当手触摸电路后,LED灯亮10秒后熄灭。

(7) 一块8x8的点阵LED,设行为x,列为y,(0≤x≤7,0≤y≤7),当y0为高,x0为低,坐标为(x0,y0)对应的LED灯亮,请实现不断变化的英文字母和阿拉伯数字的显示。

(8) 控制DAC0832实现一个锯齿波、三角波,要求信号周期可调。

调查结果显示,只有少数可以使用数字逻辑模块实现其中的个别设计;多数学生对上述工程实例束手无策;部分学生表示如果借助“硬件描述语言”可以实现。基础的工程应用设计尚且如此,可以想象实现更为复杂的数字逻辑电路工程的情况。经过分析,我们认为原因在于“数字逻辑电路”教学存在如下问题:

(1) 理论课内容充斥以技巧性解题为目标的题型,学生很难把抽象知识和实践结合应用;

(2) 现有教材的内容多与其它课程孤立,很少注重和其它课程的联系和延伸;

(3) 教材内容滞后于科学技术发展,和实际工作严重脱节;

(4) 以旧式实验箱、接线板实验设备为代表的传统数字逻辑电路实验设备仍旧广泛地在高校使用,实验手段落后。

传统实验设备是采用固定数字逻辑电路芯片搭建的实验,学生只能按教科书设计的实验内容按固定的套路做验证性的实验,无法支持综合性、创新性的实验,学生把大部分时间都花在接线连线上,实验结果只能看到实验现象而已,很难真正提高数字逻辑电路设计能力。

针对传统数字电路的不足,我们从优化理论教学手段和内容、实验教学改革和建设两方面着手,对数字电路理论教学和实验教学大胆改革。

2优化理论教学手段和内容

传统数字逻辑电路理论教学最明显的特征是和实践脱钩,内容生硬,学生很难把抽象的知识和实践结合并具体应用,为解决这一问题,我们抛弃传统的教科书主要或纯粹考学生做题能力为目的的教学思路,大量引入活泼生动的教学实例和相关的工程应用。

同时,项目组从工程实践中总结大量素材,设计的教学内容力求接近工程实践,又带有一定的趣味性和启发性,让学生知道如何将学到的知识点应用到工程实践中,这是本项目与传统数字逻辑电路理论教学的不同之处,具体表现在如下几个方面。

2.1内容活泼,摒弃呆板的教学描述

案例1:教材讲述74138和计数器的应用时引用的是“8路脉冲分配器电路”的例子,“脉冲分配器”名称描述过于抽象和呆板。如果把这个电路稍微改造一下,把图1中74138的输出端都接入LED灯,那么这个电路就是一个很形象直观的“跑马灯”控制电路,学生理解起来会更容易,同时也能明确“脉冲分配”概念。

案例2:教材讲述74151以及计数器的应用时,引用的是“11100100序列产生器”的例子,如图2所示。“11100100序列产生器”本身就是一个古板的名词,如果把这个电路稍微改造一下,74151的输出接蜂鸣器,74151的八路数据输入端接乐音频率,那么这个电路就可以播放一段音乐,如果结合存储乐谱的ROM就成了一个能播放音乐的音乐盒,学生对这样的例子往往表现出浓厚的兴趣和“动手”实现的欲望。

2.2突出实践意义,注重联系实际,并通过展开引导来启发学生创新

案例3:教材在说明555电路的作用时,其中有一个555构成单稳态触发器的实例,如图3所示,学生学后经常反映印象不深刻,不知如何应用。

在授课时,为帮助学生理解,我们是这样提示学生的:

(1) 如果你的手指摸一下VI处会有什么情况发生?

——因为人手的静电,会导致Vo产生一个高电平宽度为Tw的信号。

(2)Tw这个信号如果接一个LED灯呢,可以应用在什么地方?

——原来可以手一摸VI,就可以让一个LED灯亮Tw秒,这正是触摸开关啊。

(3) 我们知道Tw=RCln3,假设我们不知道电容C的值,那么这个电路可否用于测量电容容值的方法呢?

——通过公式可以说明,如果知道R以及Tw,电容值就确定下来,这个电路可以用于某些电容式传感器的测量中。

2.3注重与其它课程的联系

案例4:在讲授移位寄存器的时候,传统教材一般都只说明移位寄存器的级联方法,并没有通过联系其它课程突出移位寄存器的应用价值。

在授课时,通过74198级联构成的16位左移寄存器,如图4所示,如果结合计算机通信原理的异步串行通信协议对这个电路稍微修改一下,那么这个电路就是一个和PC机串口通信接口的电路。学生原本觉得玄奥的与PC机通信以及异步通信协议原来这么容易实现。

2.4联系PC机的软件开发语言鼓励学生设计软硬件结合作品

在教学过程,鼓励学生制作软硬件结合的作品,如让学生学习Delphi、C++builder等软件开发工具设计软件,并把软件和数字电路平台结合起来。例如把电位器作为游戏中飞机的方向盘,其AD值通过串口传输到PC机的游戏软件中,实现对飞机飞行的控制;拨码开关值传输到PC软件,实现对图片的选择播放。

2.5改善课堂教学手段,关注新技术发展,引入新的设计手段

在理论教学初期,设计了很多模拟数字电路功能的“软件芯片”,通过在课堂PC机演示“芯片”功能,帮助学生对知识点的理解和课程入门;随后逐渐通过EDA工具仿真,来帮助学生加深对课程的印象。与实际工程应用联系不大且难于理解的内容,我们适当取舍,甚至略弃,减少学生学习课程时的挫折感。

现代数字逻辑电路的发展对传统的数字逻辑电路设计模式影响深远,很多传统数字逻辑电路的设计方法已经被淘汰甚至被彻底颠覆。在教学中,我们适当加大硬件描述语言的学习比重,鼓励学生采用硬件描述语言实现电路设计,并要求学生掌握EDA工具QuartusII软件,让学生体会现代的数字逻辑电路的设计方法。

3实验教学平台改革和建设

电子技术实验,大部分院校采用各类实验箱(或面包版),实验过程学生要完成电路搭建、结果验证,可扩展性差,实验种类是固定的、功能也十分有限。对于一些小型电路,各类实验箱还能完成实验,但对于稍微复杂一些的电路就难以支持了,往往由于芯片短缺、实验箱长期使用导致接触不良,加上电路连接过于复杂,使得故障难以查找。在实际实验过程中,学生往往把大部分时间浪费在接线上,看到的却是单一枯燥的实验现象,学生难以发挥主动性,开展综合性、设计性、创新性实验,而且电路搭建成功率低,导致学生对实验的兴趣下降,影响实际教学效果。因此如果没有良好的实验设备支撑,学生无法真正掌握理论知识,更谈不上规模较大的工程实例。

针对这一情况,我们以教材为依据,开发以综合性、创新性实验为目的的基于FPGA的数字逻辑电路实验教学平台。该平台可以实现传统数字逻辑电路实验设备的大部分实验,却具有传统实验设备无法实现的大部分功能,如图5所示,该平台具有如下特点:

(1) 该平台以FPGA为核心,以综合性、创新性实验为导向,具有丰富的外设接口、丰富的设计资源,可以实现传统数字逻辑电路实验设备的大多功能,却有传统实验设备所不具备的大部分功能,不仅可以实现传统实验,另外我们在该平台的基础上做了很多特色的开发,供学生学习和提高。该平台可以支持如AD转换、DA转换实验,555电路等传统实验;提供了丰富的外设接口,如串口、

VGA显示器接口、PS2接口;借助该实验平台可以做出很多活泼的功能实验,如音乐播放功能、红外报警功能、触摸灯等。

(2) 该平台借助EDA工具,学生得以从繁重的插线工作解脱出来,具有灵活的设计风格、高效的设计效率,这是传统数字逻辑电路实验箱无法比拟的。

(3) 该平台以及实验设置是专门针对高校数字逻辑电路课程和大学生心理设计的实验教学系统。

实验过程中,学生可以借助EDA工具直接通过仿真实现设计,并下载到平台运行,脱离传统实验设备实验过程中的硬件的干扰,把学生从繁重的插线中解脱出来。另外各种丰富的数字逻辑模块以及表达丰富的硬件描述语言给了学生良好的发挥空间,配合理论教学方法,学生很快就能够进行实际工程应用开发。

4结语

“数字逻辑电路”教学改革进行以来,我院数字电路教学收效明显,在我院受训班级中起到了意想不到的效果,学生的动手能力明显增强,许多本科学生能够作出让研究生都汗颜的作品来。另外基于FPGA的数字逻辑电路实验教学平台批量生产,在该平台接受训练的班级、学生人数不断增多,许多兄弟院校使用了该实验平台后,也取得了不错的效果。

参考文献:

[1] 吕燚,邓春健,黄杰勇. 利用EDA技术全面改进数字电路课程教学[J]. 福建电脑,2008,24(6):208-209.

[2] 黄杰勇,邓春健. 基于Verilog HDL的数字逻辑电路教学改革与探索[J]. 计算机教育,2008(16):59-60.

[3] 黄杰勇,邓春健. 数字逻辑电路与语言相结合的教学方法探索[J]. 现代计算机,2008(11):56-58.

[4] 邓元庆,关宇,贾鹏. 数字设计基础与应用[M]. 北京:清华大学出版社,2006.

[5] 汤永华,李晓游,孙洪林,等. 基于EDA技术的数电课程设计新模式的探索与实践[J]. 实验室技术与管理,2008,25(1): 124-126.

Reform of the Digital Logic Circuit Teaching and Construction of Experiment Platform

DENG Chun-jian, LI Wen-sheng, SHI Jian-guo, YANG Liang, LV Yi, LIU Wei

(University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan Institute, Zhongshan 528402, China)

Abstract: The paper analyzes existing problem of conventional digital logic circuit course, then discusses the theoretical and experimental teaching methods of digital logic circuit. In theoretical teaching, traditional theory of teaching materials are reformed boldly and selected appropriately, besides, many project examples and new teaching materials are introduced. In experimental teaching, the digital logic circuit traditional experiment equipment at the purpose of verification experiment is abandoned, and digital logic circuit experiment platform based on FPGA which aimed at comprehensive experiment is designed.

Key words: EDA technology; FPGA; reform of teaching