EDA技术在独立学院数字电子技术实验教学中的应用

伍艳琼+潘宇

摘 要： 將EDA技术应用于数字电子技术实验教学，提高了实验过程的可操作性，通过编程使学生对逻辑关系有更深入的理解，有利于独立学院对应用型人才的培养。本文介绍了EDA技术的设计流程，并通过用于驱动共阴极七段数码管的显示译码器作为设计实例，阐述了EDA技术在数字电子技术实验教学的应用。

关键词： EDA技术；Quartus II；数字电子技术；显示译码器

数字电子技术是通信工程、电子信息工程、自动化等专业的专业基础课，具有逻辑性强、内容抽象、理论与实践紧密结合等特点。传统的数字电子技术的实验教学，主要以实验箱为平台，通过选择芯片类型，完成简单的电路接线来验证、分析数字电路的功能[1]。这种实验方法尽管直观，但不利于学生理解电路的设计思路和方法，更由于实验室芯片类型有限，从而在一定程度上影响了学生的实践和创新能力的培养。而独立学院定位为培养高层次应用型人才，工科专业应用型人才培养应注重培养过程的开放性与实践性，注重培养学生实践和创新能力[2]。

而电子设计自动化技术（Electronic Design Automation，EDA） 以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上（Quartus II、MAX +PLUS II、Proteus、Multisim 8等），通过逻辑电路图或硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真， 直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作[3-5]。若采用逻辑电路图作为设计输入，则很好地解决了传统的实验教学中芯片类型受限的问题；如采用硬件描述语言作为设计输入，则更有利于学生理解逻辑关系。因此，EDA技术在数字电子技术实验中应用，更能满足独立学院对应用型人才培养的需要。

1 EDA设计流程

EDA技术作为现代电子设计技术的核心，被各类库所支持，能够完成各种自动设计过程，大大降低设计成本、缩短设计周期。EDA设计流程是自顶向下的设计方法，图1是基于EDA软件的FPGA/CPLD开发流程框图[6]。

1.1设计输入

将设计项目的功能要求以一定的方式输入计算机，通常以图形输入、HDL文本输入作为输入方法。

1.2综合

综合将电路的高级语言转换成低级的，可与FPGA/CPLD的基本结构相映射的网表文件或程序，把软件设计的HDL描述与硬件结构挂钩，是软件转化为硬件电路的关键步骤。

1.3适配

将网表文件配置给指定的目标器件，产生下载文件，如JEDEC或SOF等格式的文件。

1.4仿真

在编程下载前必须对适配生成的结果进行模拟测试 ，以验证设计、排除错误。通常有两种不同级别的仿真测试：时序仿真和功能仿真。

1）时序仿真，仿真文件包含了器件硬件特性参数，如精确的硬件延迟信息，接近真实器件运行特性，仿真精度高。

2）功能仿真，直接测试HDL、原理图或其他描述形式的逻辑功能，验证是否满足设计要求，而不涉及任何具体器件的硬件特性。

1.5编程下载及硬件测试

将适配后生成的下载或配置文件通过编程器或编程电缆向FPGA或CPLD下载，并进行硬件调试和验证，以排除错误、改进设计。

2 EDA技术在数字电子技术实验教学中的应用实例

以基于Altera公司的Cyclone II系列的EP2C5Q208C8实验板和Quartus II 8.1 设计一个用于驱动共阴极七段数码管的显示译码器为例，来讨论EDA技术在数字电子技术实验中的具体应用。

2.1 七段数码管

用七个发光二极管按图2结构排列即构成七段数码管，当二极管的阳极和阴极间压降大于二极管导通电压时，二极管导通发光；反之截止。图3为共阴极接法，能驱动显示段发光的电平为高电平1。例如，当显示译码器输入为“1011”时，可设计将其显示为“b”，对应的显示译码器输出便为“0011111”，由此可列出显示译码器的真值表。

2.2 用VHDL实现显示译码器的设计

根据真值表，共阴极显示译码器VHDL代码如下：

LIBRARY IEEE；

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

ENTITY Dec7s IS

PORT（A3，A2，A1，A0： IN BIT；

Ya，Yb，Yc，Yd，Ye，Yf，Yg： buffer BIT）；

END；

ARCHITECTURE one OF Dec7s IS

BEGIN

PROCESS（A3，A2，A1，A0）

VARIABLE A ： BIT_VECTOR（3 DOWNTO 0）；

VARIABLE Y ： BIT_VECTOR（6 DOWNTO 0）；

BEGIN

A ：= （A3&A2&A1&A0）；

Y ：= （Ya&Yb&Yc&Yd&Ye&Yf&Yg）；

CASE A IS

WHEN "0000"=> Y：="1111110"；

WHEN "0001"=> Y：="0110000"；

WHEN "0010"=> Y：="1101101"；

WHEN "0011"=> Y：="1111001"；

WHEN "0100"=> Y：="0110011"；

WHEN "0101"=> Y：="1011011"；

WHEN "0110"=> Y：="1011111"；

WHEN "0111"=> Y：="1110000"；

WHEN "1000"=> Y：="1111111"；

WHEN "1001"=> Y：="1111011"；

WHEN "1010"=> Y：="1110111"；

WHEN "1011"=> Y：="0011111"；

WHEN "1100"=> Y：="1001110"；

WHEN "1101"=> Y：="0111101"；

WHEN "1110"=> Y：="1001111"；

WHEN "1111"=> Y：="1000111"；

WHEN OTHERS=>NULL；

END CASE； Ya<=Y（6）；Yb<=Y（5）；Yc<=Y（4）；Yd<=Y（3）；Ye<=Y（2）；Yf<=Y（1）；Yg<=Y（0）；

END PROCESS；

END one；

2.3显示译码器的时序仿真

由图4验证仿真时间為19.2us处时，输入A3A2A1A0=“1001”时，YaYg为“1111011”，即显示‘9；并可依次验证其他数值显示均正确。

2.4显示译码器的硬件测试

本测试在Cyclone II系列的EP2C5Q208C8芯片上完成，将引脚锁定至芯片并进行编程下载后，将显示译码器输入A3A2A1A0分别连接拨码开关K4K3K2K1，输出YaYg分别连接ag，便可通过设定K4K3K2K1的取值，依次验证译码的正确性。

3结束语

将EDA技术应用至独立学院《数字电子技术》实验中，不仅解决了传统实

验教学芯片类型受限的问题，通过利用VHDL或Verilog HDL等硬件描述语言设计器件，还锻炼了学生的逻辑思维和硬件描述语言表达能力，能更深入理解器件的工作原理，最后编程下载到FPGA中进行硬件测试，进一步加深学生对实验的理解，从而大大提高教学效果和效率，也更能体现独立学院注重培养学生的实践和创新能力。

参考文献

[1] 张广华.EDA技术与数字电子技术教学的有机整合[J].福建商业高等专科学校学报，2010，10（5）：47-53.

[2] 仲一虎.内涵建设下的独立学院工科应用型人才培养质量保障路径探析[J].吉林省教育学院学报，2016，10（32）：132-134.

[3] 王彩凤，胡波，李卫兵，杜玉杰.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].实验科学与技术，2011，2（9）：4-6.

[4] 李玉华.EDA技术与电子技术实验教学结合的探讨[J].长春师范学院学报（自然科学版），2013，12（23）：330-332.

[5] 廖慧惠.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].菏泽学院报，2017，4（39）：103-106.

[6] 潘松，黄继业.EDA技术实用教程—VHDL版（第四版）[M].北京：科学出版社， 2010：11-21.