EDA技术在电子技术系列实践课程中的融合运用

赵艳华， 张惠莉， 佟春明， 张 玲

(1.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109；2.中国海洋大学 工程学院， 山东 青岛 266100)

0 引言

电子设计自动化(EDA)技术是电子设计工程师从事电子元件、产品和系统设计的综合工具，在现代电子科技产业中占有举足轻重的位置。当前国际国内环境下，芯片设计技术成为科技企业创新之本，EDA技术也是芯片设计的基础，是工程师适应新标准、满足不断变化的设计需求所需的必备技能。在应用型和创新型人才培养为目标的高校教学中，“EDA技术”是电气、电子、通信、自动控制等专业普遍开设的专业拓展课程。现代电子工业的迅猛发展，促使高校电子类专业必须进行教学体系与教学内容的改革与创新，EDA技术作为应用技术前沿，故该课程可以起到与相关课程深度融合并引领更新的作用。

1 “EDA技术”课程的特点

“EDA技术”课程以可编程逻辑器件为硬件平台，在数字电子技术学习的基础上，继续深入学习数字电路硬件描述语言，在EDA软件辅助下，完成数字系统设计。由于EDA课程应用普遍性及重要性不断增强，部分高校还设置了SOPC课程。EDA设计具有灵活性高、可仿真、易验证等特点，可以拓展运用到“单片机”、“数字电子技术”等相关课程与实践中。某些高校从十年前就开始探索数字电子技术实验与EDA技术结合[1]，并自主研发适用于本校课程的实验系统，取得了良好效果，但相关课程间的衔接与贯通效果尚未充分发掘。数电实验设备及内容陈旧、电子工艺实习套件单调无用、电子技术课程设计环节效率低下等问题仍然存在。在高水平专业建设背景下，结合我校电气化和测控专业教学实践和近年来的创新创业教育实践，对电子工艺实习、数电实验、电子技术课程设计、创新竞赛及毕业设计各个实践环节进行了EDA技术的融入设计，并付诸于实践，取得了初步效果。

2 “EDA技术”与电子技术实践课程的融合方案

将“EDA技术”以不同形式融合到电子技术类课程中，达到专业课程融汇贯通、互相促进的目的，能够有效地提高教学效率，提升学生的应用设计能力。在我校教学改革实践中，进行了相关课程的融合方案设计，如图1所示。方案目的在于：以EDA技术为载体和手段，实现本科学生EDA应用技术能力由入门到精通的逐步提升，并提高相数电等关课程的学习效率和学习效果。在学生的不同学习阶段，将EDA技术引入各学习环节。根据不同课程的特点和实验要求，穿插融入EDA技术，既能够满足基本实验教学需求，改进实习实验效果，也能够引导学生进行电子工程的创新设计与应用。课堂上采用EDA实验箱，课后采用EDA系统板作为便携开发系统，伴随学生大学学习生活两到三年的时间,实现超过80%的“口袋实验室”和50%的创新创业实践参与率。

2.1 电子工艺实习与“EDA技术”

电子工艺实习的训练目标是让学生了解现代电子产品生产流程与制作工艺，其环节包括电路设计与PCB制版、PCB焊接、产品组装[2]。传统实习项目包括收音机、U盘、机器狗焊接与制作等。以PLD器件为核心的EDA系统板主要器件为表贴封装，其焊接制作能够充分体现现代电子产品加工工艺流程。因此电子工艺实习中，将实习项目进行更新，从电路设计到制作焊接都采用EDA系统板替换沿用多年的收音机或U盘焊接套件，既能够保证电子工艺的实习效果，又能够让学生实习后拥有一套可利用、可开发的EDA系统板。在EDA系统板的设计上，考虑开发需要求和易用性，采用掉电不丢失的CPLD作为核心器件，设置按键、LED灯、蜂鸣器和数码管等简单外设便于进行验证性实验，并将其剩余的输入输出端口以插接口的形式引出备用。

实习结束后，作为实习产品的EDA系统板，保留在学生手中。由指导教师提供教学团队开发的EDA技术初学指导PPT。学生可以利用EDA系统板，开展EDA技术的提前学习和基础实验。学生可采用原理图设计方法，验证各种标准数字电路逻辑，并轻松完成简单的功能电路设计。当前高校电气专业和测控专业二年级以上的学生中，参加各类科技竞赛、科研课题等科技创新活动的学生占到了70%的比例。学生参加竞赛或科研所需要的专业知识和技能，都需要提前自主学习。该EDA系统板可随身携带，对学生的数字电路入门学习具有非常理想的引导效果。这种融合，即提高了实习经费的使用效益，又提升了实习效果和实习质量。

图1 EDA技术与其它课程融合示意

2.2 “EDA技术”与数字电子技术课程的融合

目前，伴随高集成度芯片普遍应用，传统标准逻辑器件应用场合逐步缩减，代之以可编程逻辑器件实现系统数字逻辑处理。相应的，以EDA实验系统代替传统数电实验箱完成数电实验课程成为趋势[3]。EDA系统支持下的数电实验课程设置具有以下优点：

(1)实验可替代性强。对原有数电实验进行统计，可由EDA板替代的实验项目达90%。对于数字器件的外形认知和不同类型逻辑器件电压传输特性测试等实验可以调整课件和实验方法后完成替代。

(2)充分拓展了实验项目。EDA工具软件中，提供了74全系列的标准逻辑器件库，即在同一块系统板上，可以开展所有标准逻辑器件的测试和组合实验。数字电路实验的开展不再受到实验室元件种类的制约。

(3)提高实验效率。EDA实验中，调用元件库方便易行，学生能够在短时间内了解更多的元件功能。尤其当多个元件组合设计时，不需要搭接导线，避免了许多人为的实验故障，提高了实验效率和实验效果。另外，EDA软件仿真功能帮助实验者实现前端验证，易于纠错和电路改正。比较传统数字电路搭建，提高了实验效率。

(4)有助于学生的创新能力培养。EDA实验箱为学生应用型和创新型设计提供了丰富的资源，学生的创新思路不再受限于元器件类型缺乏。

(5)简化教师的实验准备流程，提高教师的实验教学效率。在传统数电试验箱上，每次开展不同的实验项目，需要更换不同的逻辑芯片。实验教师在实验元件替换准备上需要花费较多的时间。采用EDA试验箱后，教师只需要带领学生掌握EDA工具软件中原理图绘制方法和编译流程，就可以开展不同的实验项目，避免硬件元器件频繁替换。同时教师也可以开展更多应用型、创新行实验项目的教学。

由于学生先期实习保有EDA开发板，部分学生尤其是进入实验室跟随教师进行科研创新的学生，会在课余时间自主学习EDA应用开发，为数电实验的开展打下了良好的基础。教师方面，针对EDA技术改进实验PPT，并提前将录制的EDA实验视频指导教程发给学生预习，让学生顺利掌握原理图设计方式，使得最初的EDA工具软件掌握瓶颈很容易突破。

2.3 “EDA技术”与电子技术实践环节相结合

在电子技术的课程设计中，给学生提供两种实现方法进行选择：分立元件搭建或EDA系统板设计。学生根据自身能力和兴趣进行选择，例如对于交通灯控制或数字钟设计，相同的题目，类似的设计解决方案，不同的实现方法，使学生充分发挥主观能动性，完成自己的课程设计内容。EDA系统板因其内部资源丰富，能够让学生不受元器件限制，有机会完成更为复杂的数字系统设计。实践中会有80%的学生选择EDA开发板的设计方式。课程设计结束进行考核时，要求学生介绍各自的设计方案，这样学生可以从他人的设计方案中对比了解不同方案的优缺点，对设计内容理解更加深入。EDA技术的实现方法，更接近于现实应用，也让学生掌握了更加适应社会需要的应用技能。

2.4 “EDA技术”课程学习与课程设计实践

“EDA技术”课程的学习，是学生系统掌握EDA技术的关键阶段。在前期课程中有了原理图设计的简单应用基础后，EDA课程中要重点针对硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)、系统设计方法、逻辑描述原则等理论性内容进行讲解，使学生在感性认识之后，对数字系统设计形成更深的理性认识，做到真正的理解与掌握。学时安排方面，实验学时占到EDA课程总学时的50%。在以培养学生应用能力为目标的课程教学中，将实验环节分为：基本实验、拓展实验和创新实验三种类型。拓展实验是在每个实验的基本目标之后增加拓展要求，为学有余力的学生提供发挥空间。创新实验是提出实验项目，不限定解决方案，激励学生充分发挥创造力，用不同方法解决相同的技术问题，并鼓励学生充分发挥其功能，从而获得更高的实验技能成绩。

EDA课程设计环节，要求学生使用HDL语言进行综合系统设计，解决实际应用问题。课程设计是学生对数字系统设计的一次内化理解与提高。课程设计题目具有综合性，在内部资源上，既要有组合逻辑电路运用，又要有时序逻辑电路运用；外部资源上，尽可能多的结合外部器件，包括各种输入方式和输出响应方式、A/D和D/A转换器件。

2.5 “EDA技术”用于创新竞赛、毕业设计与实习

毕业设计和创新竞赛中采用EDA技术，是对“EDA技术”课程学习效果的综合检验，是在教师指导下，学生进入自由发挥的创新设计阶段。EDA技术因其良好的高速性和并行性，在电子系统设计中具有不可比拟的优势，例如数字滤波算法的实现、高速数据采集与存储、高速数据处理等方面均需运用FPGA器件。因此在毕业设计和创新竞赛中EDA技术频繁运用。通过课程融合的教学改革与尝试，在毕业设计中，学生可以很好地运用EDA技术，进一步深入学习SOPC技术，开展毕业设计，完成各类设计题目。各类电气、电子、嵌入式和机器人竞赛中，EDA技术也越来越发挥重要作用，如直接数字信号合成、高速信号源、图像信息处理、数据通讯编解码等技术常在竞赛中运用。

毕业实习阶段，测控专业进入测试仪器生产企业，了解示波器、逻辑分析器等仪器设备的产品设计方案，其中基于FPGA的EDA技术是产品的核心技术环节。学生结合几年来对EDA技术的了解，对产品有深刻的认识，对EDA知识也有融会贯通、总结提升的学习效果。

3 结语

本文所述“EDA技术”课程融合应用的教学方案，既能保证各门课程的独立性，又能增强课程间的联系，使学生对数字电子技术的学习步步深入，最终做到融会贯通。EDA技术融合运用于电子技术各实践环节，具有良好地可实施性，提升教学投入效益，有效增强学生的设计能力和创新能力，提升学生就业的综合竞争力。以学生为中心，形成以课程为核心的教学团队，完善线上线下教学资源，让学生完成“一条龙”式的知识脉络学习。随着EDA技术的发展、实验设备的进一步更新完善和教学资源的逐步拓展，课程融合能够更好地提高学生的应用设计能力和创新能力，是电子技术课程与EDA课程改革的可行方向。