張俊梅 王東林 燕 飛 闞江明

北京林業(yè)大學(xué) 北京 100083

VHDL與微機(jī)接口設(shè)計(jì)教學(xué)改革初探

張俊梅 王東林 燕 飛 闞江明

北京林業(yè)大學(xué) 北京 100083

探討了研究生課程VHDL與微機(jī)接口設(shè)計(jì)的設(shè)置、課程教學(xué)方法的改革、實(shí)踐教學(xué)方法等方面的改革嘗試，以形成該課程的教學(xué)模式。通過教學(xué)改革，提高課程的教學(xué)效果，注重研究生微機(jī)接口設(shè)計(jì)綜合能力的培養(yǎng)。

硬件描述語言；微機(jī)接口；教學(xué)改革

我校機(jī)械電子工程、控制理論與控制工程及森林工程等學(xué)科的研究生在本科階段均學(xué)過數(shù)字電路、微機(jī)原理及接口技術(shù)等相關(guān)課程，而對于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的內(nèi)容掌握甚少，考慮到培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生就業(yè)的需要，我們將電子設(shè)計(jì)能力確定為機(jī)械電子工程、控制理論與控制工程學(xué)科研究生的主干輔助技能來培養(yǎng)，開設(shè)了VHDL與微機(jī)接口設(shè)計(jì)研究生課程，該課程將電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的流行技術(shù)—可編程邏輯器件設(shè)計(jì)與微機(jī)接口設(shè)計(jì)內(nèi)容結(jié)合起來，主要學(xué)習(xí)可編程器件原理、硬件描述語言(VHDL)基礎(chǔ)及其程序結(jié)構(gòu)，并以常用的微機(jī)接口電路為核心講述基于VHDL語言的數(shù)字系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方法，為設(shè)計(jì)大型復(fù)雜電路打下基礎(chǔ)。從教學(xué)效果來看，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和電子設(shè)計(jì)技能得到了極大的提升。

1 課程教學(xué)方法改革

該課程每年春季開設(shè)，共32學(xué)時(shí)(其中課堂教學(xué)26學(xué)時(shí)，實(shí)踐教學(xué)6學(xué)時(shí))。由于該課程在教學(xué)過程中要求學(xué)生首先掌握VHDL語言基本語法及MAXPLUSII軟件使用等基本知識(shí)，而且教學(xué)對象又是已經(jīng)具備了一定學(xué)習(xí)技能的碩士研究生，所以在教學(xué)時(shí)絕不能照搬本科生以講授為主的教學(xué)方法。

該課程在教學(xué)過程中要多次用到MAXPLUSII軟件來仿真編程的結(jié)果，所以上課地點(diǎn)選擇在我院專門的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)室，在授課過程中學(xué)生每人擁有一臺(tái)電腦，可以打開MAXPLUSII軟件并通過NETMEETING與任課教師同步進(jìn)行相關(guān)VHDL語言基本語法、基本語句、程序結(jié)構(gòu)等的仿真。這樣教與學(xué)的方法可以保證學(xué)生邊學(xué)邊實(shí)踐，比單純講述或演示更有效地提高學(xué)生的理解力。

針對研究生學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中留大量課后查閱文獻(xiàn)資料的作業(yè)(包括相關(guān)英文資料)，如有關(guān)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)資料、應(yīng)用實(shí)例等均讓學(xué)生利用1周時(shí)間分組查閱，下次上課分享所查閱的資料。如2011年春季教學(xué)時(shí)，學(xué)生準(zhǔn)備了基于VHDL的樓梯燈控制、密碼鎖控制、分頻器設(shè)計(jì)、數(shù)字鐘設(shè)計(jì)等應(yīng)用范例，以幻燈的形式匯報(bào)并進(jìn)行分組討論，通過這一環(huán)節(jié)對提高研究生分析問題、解決問題及講解問題的能力起到了很好的鍛煉作用。

在課程教學(xué)中，以大作業(yè)的形式要求學(xué)生完成一定的設(shè)計(jì)仿真，如編碼器、奇偶校驗(yàn)器、數(shù)據(jù)選擇器等，為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

2 實(shí)踐教學(xué)改革

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本情況

該課程有6學(xué)時(shí)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備有北理工達(dá)盛的CPLD開發(fā)板和實(shí)驗(yàn)箱。在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，學(xué)生已經(jīng)完全熟悉了VHDL語言以及相應(yīng)接口(如并行接口芯片8255、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器芯片8253)的設(shè)計(jì)。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)中，按照循序漸進(jìn)的原則，首先要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)箱上完成簡單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、選擇器等功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠掌握程序編譯鏈接、CPLD芯片管腳分配、下載調(diào)試等基本過程。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)完成之后，要求學(xué)生進(jìn)行綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如簡單交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電子表系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。在綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求學(xué)生完成電路圖的設(shè)計(jì)、繪制，器件的采購及調(diào)試等。學(xué)生可以用CPLD開發(fā)板和通用板聯(lián)合調(diào)試，如在調(diào)試設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生將12位A/D芯片等安裝在通用板上，聯(lián)合利用實(shí)驗(yàn)箱上的CPLD開發(fā)板、LED顯示電路及按鍵輸入電路等來完成數(shù)據(jù)采集的控制和顯示，從而避免了不必要的焊接等工序，加快了調(diào)試的進(jìn)度。該課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)要求學(xué)生結(jié)合自己的研究方向或?qū)I(yè)領(lǐng)域相關(guān)課題的一部分控制任務(wù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，如無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、木材厚度檢測等，此環(huán)節(jié)有利于拓寬學(xué)生的研究思路。

針對研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用的都是以自主設(shè)計(jì)為主的方式，要求學(xué)生從題目中選擇或自行提出設(shè)計(jì)問題，經(jīng)過與任課教師討論方案后分組獨(dú)立完成，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中任課教師只就關(guān)鍵問題予以指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生進(jìn)行答辯并撰寫詳盡的設(shè)計(jì)報(bào)告。

通過這種層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣、有效地提高了研究生的設(shè)計(jì)水平以及自主研究能力，同時(shí)也促使任課教師不斷掌握電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化專業(yè)的前沿知識(shí)，拓寬了任課教師的教學(xué)思路。

3 考核環(huán)節(jié)建設(shè)

考慮到本課程的教學(xué)特點(diǎn)，改革考核辦法，改變傳統(tǒng)的考試重知識(shí)、輕能力輕技能的做法，將課堂仿真及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容納入考核范圍，不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價(jià)方法更加合理，同時(shí)也可以合理體現(xiàn)研究生通過軟件的方法來高效地完成硬件設(shè)計(jì)方法以解決實(shí)際工程問題的能力和水平，促進(jìn)研究生實(shí)踐的積極性，提高研究生自主研究和創(chuàng)新實(shí)踐的環(huán)境和氛圍。具體的做法是，課堂仿真及作業(yè)占15%，實(shí)踐考核中學(xué)生動(dòng)手能力、答辯講解中的表述能力等占20%，最終的考核環(huán)節(jié)占65%。通過多環(huán)節(jié)的考核，督促了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)，端正了學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度。

4 通過教學(xué)交流，加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)

師資隊(duì)伍的建設(shè)對教學(xué)過程的有效實(shí)施具有重要的作用，我們在課程體系建立的時(shí)候非常重視這方面的建設(shè)。通過參加相關(guān)課程的培訓(xùn)、走訪著名高校、參加國際國內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議等促進(jìn)教學(xué)交流，學(xué)習(xí)借鑒兄弟院校的教學(xué)、實(shí)踐方面的舉措，從而有效地提高我們的教學(xué)效果。隨著我校2011版教學(xué)計(jì)劃的修訂，我們已經(jīng)建立了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化系列課程從本科教學(xué)到研究生教學(xué)的體系，教學(xué)團(tuán)隊(duì)中有3名教師具有博士學(xué)歷。

5 結(jié)束語

通過各方面的改革探索，確定了研究生課程VHDL與微機(jī)接口設(shè)計(jì)的課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及實(shí)踐教學(xué)等環(huán)節(jié)的銜接及相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的修訂，對提高研究生的設(shè)計(jì)水平以及自主研究能力起到很好的作用。

[1] 李德明,易藝,江國強(qiáng).EDA技術(shù)與應(yīng)用課程[J].科技教育創(chuàng)新,2011,2:196-198.

[2] 楊春玲,蔡惟錚,楊泉.非電類研究生數(shù)字集成電子技術(shù)的改革與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2001,23(4):26-27.

[3] 白瑞林,屈百達(dá).工科研究生培養(yǎng)跨越式發(fā)展的若干對策[J].無錫教育學(xué)院學(xué)報(bào),2004,24(2):32-35.

Teaching reform of VHDL and interface design for microcomputer

Zhang Junmei, Wang Donglin, Yan Fei, Kan Jiangming
Beijing forestry university, Beijing, 100083, China

This paper focused on the teaching method, practice reforming of VHDL and interface design for microcomputer. The reform result is useful to improve the effect of the teaching and the design ability of the master student.

VHDL; interface design for microcomputer; teaching reform

2011-11-24

張俊梅，博士，副教授。

北京林業(yè)大學(xué)“211工程”三期研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)建設(shè)計(jì)劃子項(xiàng)目資助。