提高综合应用能力的实验教学方法探讨

王红航，刘　凯，邓春健，杨健君，路月月

(电子科技大学　中山学院，广东　中山　528402)



提高综合应用能力的实验教学方法探讨

王红航，刘凯，邓春健，杨健君，路月月

(电子科技大学中山学院，广东中山528402)

摘要根据电子、通信等专业应用型人才培养模式要求，分析了传统数字逻辑设计及应用课程实验教学中存在的问题，应用已建成的数字电路/ARM7嵌入式系统多功能教学科研平台，从FPGA外围控制电路的教学入手，探讨如何提高学生综合应用能力。得出一种行之有效，即学生通过不断实践、模仿并最终能达到设计创新的实验教学方法，从而提高了学生综合应用能力。

关键词应用型人才培养；数字电路设计；实验教学方法；教学平台

数字逻辑设计及应用是电子、通信、自动化、计算机等专业的一门重要学科基础课程，是中山学院“3+6”核心课程和重点建设课程，是研究数字系统设计的入门课程，在相关专业都有重要应用。但目前数字逻辑设计及应用实验仍采用传统的试验箱，学生做的实验大部分依然是验证性实验，在实验课上依然要花很多时间在连线上[1]，实验的结果只是看一个现象，其收获也仅仅是对课堂理论知识的一个实体化过程。随着计算机技术、微电子技术的快速发展，传统数字电路课程的教学方法已经不能满足技术发展的需要[2]。如何提高学生的应用能力，除了理论课的各种教学手段外[2-7]，实验教学方法更值得探究。

2013年，学校组织研发了“数字电路/ARM7嵌入式系统多功能教学科研平台”。该平台以现场可编程门阵列(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和丰富的设计资源，可以实现传统数字逻辑电路实验设备的大部分实验，却具有传统实验设备无法实现的大部分功能[8]。该平台能够将数字电路设计下载到FPGA内，通过外围电路控制FPGA，从而验证数字电路设计正确与否。借助该平台，学生得以从繁重的插线工作中解脱出来，得以使用电子设计自动化(electronic design automatic，EDA)技术实现数字电路设计，使设计风格更灵活、设计效率更高效，更重要的是学生能将课程学习与外围电路设计相结合，从而强化实践应用能力。据此，我们探索出一套行之有效的实验教学方法，学生能够不断实践、模仿并最终达到设计创新，从而提高学生的应用能力。下面从4个方面说明该教学平台的使用。

1FPGA输出端口控制电路设计

常见的LED控制电路工作原理和连接方法是：LED正极通过限流电阻R1接电源，负极接FPGA控制端管脚PIN_n。当PIN_n为低电平时，LED发光；为高电平时，LED截止，不发光。有源蜂鸣器控制电路的工作原理和典型连接方法是：蜂鸣器的正极接电源，负极通过PNP三极管接地，PNP三极管的基极接FPGA控制管脚BUZZ。当BUZZ为低电平时，PNP三极管导通，蜂鸣器的负极等同于接地，使得蜂鸣器发出声音；当BUZZ为高电平时，PNP三极管截止，蜂鸣器不响。

通过LED控制电路和蜂鸣器控制电路，让学生理解FPGA输出端口的数值可以由LED的亮与灭或蜂鸣器的响与不响等两种任意对立的状态来判定，也教会学生如何去控制外围设备LED和蜂鸣器。更重要的是，学生通过简单的“验证输出高低电平”实验环节，能够将芯片与外围LED灯、蜂鸣器和三极管的使用相结合，为电路设计打下基础。

上述FPGA输出端口的两种控制电路，一种给予视觉信息，一种给予听觉信息，均可实现高低电平标识，且两种外设均可扩展。对视觉信号LED，若单个LED灯扩展为LED点阵，则可实现LED点阵的各种图形输出，如图形、数字、字母和文字等；对听觉信号蜂鸣器，若FPGA输出信号并非单一的高低电平，而是不同频率的方波信号，则可以实现音频输出，如各种动物的叫声，各种音阶和音色等。这些扩展若变换成课程设计，则只用传授少量的概念和技巧，学生便能轻松完成设计任务。从简单扩展到复杂，扩展到学生的生活领域，中间仅需几个知识点，学生的兴趣便会大大提高，学生的创新意识将会大大增强。

2FPGA输入端口控制电路设计

单个按键控制电路的典型连接方法是：按键一端接FPGA管脚PIN_n，同时通过电阻接电源；另一端接地。当按下按键，FPGA的管脚PIN_n与地相连，按键输出状态为低电平；未按下按键时，由于上拉电阻的作用，按键输出状态为高电平。8位拨码开关的一种电路连接方法是：连接线sw1～sw8分别与FPGA的8条管脚相连接，同时通过上拉电阻与电源相连接；拨码开关一端与连接线sw1～sw8相连，另一端接地。当拨码开关任意键n拨至ON侧，sw n与地相接，sw n读出低电平；反之，sw n通过上拉电阻作用，读出高电平。

通过单个按键控制电路和拨码开关控制电路，让学生理解FPGA输入端口的数值可以由按键或拨码的动作给定，也教会学生如何通过外围电路赋值高低电平于FPGA；更重要的是，学生通过简单的“给定输入高低电平”实验环节，能够将芯片与外围按键、拨码的使用相结合，为电路设计打下基础。

上述FPGA输入端口的控制电路，均通过手动来实现。除此之外，晶振也可赋值FPGA高低电平，只是晶振给予的高低电平一般是指方波，且需要在使用的时候分频或者倍频，方便时序逻辑电路设计。

3FPGA引脚复用

“数字电路/ARM7嵌入式系统多功能教学科研平台”不仅仅作为“基于FPGA 的数字逻辑电路实验教学平台”，还要作为“嵌入式系统教学科研平台”，因此，其中FPGA芯片(cycloneII系列EP2C5Q208C8)208个管脚的使用是弥足珍贵的。试验箱上共有8个LED灯，需要8个FPGA管脚，这8个管脚若只是用来点亮LED灯，则引脚资源匮乏。为了实现更多的功能，点亮8个LED灯的FPGA管脚需要复用。

如图1所示，以单个LED的控制电路为例来说明LED的控制方法，PIN_n对应FPGA的n号管脚，DISP_CS为电源控制管脚。当DISP_CS输出低

图1　LED管控制电路

图2　功能底板七段数码管、矩阵LED片选控制

图3　7段数码管控制电路

电平时PMOS管导通，此时PIN_n控制LED管有效，实验平台功能底板七段数码管、矩阵LED被禁用。图2是功能底板七段数码管和矩阵LED片选控制电路，当DISP_CS输出高电平时NPN管导通，74154芯片使能信号有效，74154芯片正常工作，则7SEG-CS0～7SEG-CS7、DISP-CS0～DISP-CS7输出低电平。7SEG-CS0～7SEG-CS7输出低电平使图3中7段数码管控制电路的PNP管导通，实现通过控制7SEG-D0～7SEG-D7从而控制数码管工作的情况；DISP-CS0～DISP-CS7输出低电平使图4中LED点阵显示控制的PNP管导通，实现通过控制DISP-D0～DISP-D7从而控制LED点阵的发光图形。而DISP-CS0～DISP-CS7正是复用8个LED灯的FPGA管控引脚。

图4　LED点阵显示控制

通过外围电路复用FPGA管脚的生动案例，学生先学会分析，再模仿使用，进而在以后的学习中使用、扩展和创新复用概念，从而提高学生的综合应用实践能力。

4FPGA外围电路参数设置在芯片设计中的应用

图5为74138芯片功能验证电路，输出y[7..0]用LED灯显示。在电路图中将DISP_CS设为低电平，则LED灯正常工作；试验箱上电后蜂鸣器一直响，影响实验室的工作学习环境，可以给蜂鸣器BUZZ一个高电平，达到清除噪声污染的目的。虽然74138芯片功能验证电路非常简单，但是若对“数字电路/ARM7嵌入式系统多功能教学科研平台”不理解，对DISP_CS没有设置，则有可能出现错误的结果。作为显示输出的LED灯、蜂鸣器，几乎在每个实验都有用到，学生会在做实验的过程中，不断分析教学平台外围电路搭建，从陌生到熟悉、模仿、设计，从而达成创新使用。

图5　74138芯片功能验证电路

5结束语

运用“数字电路/ARM7嵌入式系统多功能教学科研平台”，不仅让学生学会分析验证一般芯片功能，还能通过芯片扩展学会其设计应用。更重要的是，教学平台要求学生在使用芯片过程中，真正理解教学平台外围电路搭建，学会在实验中对关键参数进行设置。不仅如此，这些实践体验也有助于学生设计FPGA外围电路(如LED灯、蜂鸣器、按键、拨码、数码管、MOS管和三极管等)，尝试做属于自己的核心板，真正做到学以致用、灵活变通，达到提高综合应用能力的目标。

参 考 文 献

[1]邓春健，石建国，吕燚，等.第七届广东省高等教育成果奖申报——数字逻辑电路教学改革与实验平台建设[R/OL].[2015-02-14].http:www2.zsc.edu.cn/jxcgj/dcj.

[2]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(6)：208-209.

[3]双凯，蔡洪明.基于CPLD/FPGA的数字电路设计方法变革必要性研究[J].现代电子技术，2014，37(7)：139-142.

[4]陈立静.EDA技术在数字电路教学中的应用[J].中国电力教育，2009(2)：83-84.

[5]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.

[6]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.

[7]周文辉，邓春健，黎萍.电气信息类课程中课堂游戏的设计与实践[J].电气电子教学学报，2014，36(6)：81-83.

[8]邓春健，李文生，石建国，等.“数字逻辑电路”教学改革与实验平台建设[J].计算机教育.2009(24)：139-142.

收稿日期:2015-02-26；修改日期: 2015-03-18

基金项目：全国教育信息技术研究“十二五”规划2013年度课题(136240994)；电子科技大学中山学院质量工程建设项目(JXTD201405)。

作者简介：王红航(1979-)，女，硕士，讲师，主要从事数字电路设计相关的教学和科研工作。

中图分类号G642.423

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.036

Discussion on the Experimental Teaching Method to Improve the Comprehensive Application Ability

WANG Honghang，LIU Kai，DENG Chunjian，YANG Jianjun，LU Yueyue

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

AbstractAccording to the requests of the application oriented personnel training mode of electronics，communications and other relevant major，combining the teaching experience，the paper first analyzes the problems of existing traditional experimental teaching of "digital logic design and application"，and then the application of the completed，"digital circuit / Advanced RISC Machines 7(ARM7) embedded system multi-function platform for teaching and research" in this school，from field programmable gates array(FPGA) of the peripheral control circuit teaching.One explores how to improve the students’ ability of comprehensive application.Finally,we obtain an effective experimental teaching method，namely students continue to practice，imitate and reaches the innovation design，so as to improve the students’ comprehensive application ability.

Key wordsapplication talents training;digital circuit design;experimental teaching methods;teaching platform