田淑珍， 楊士強， 董代潔

(清華大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系， 北京 100084)

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創(chuàng)意型數(shù)字邏輯設(shè)計實驗

田淑珍， 楊士強， 董代潔

(清華大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系， 北京 100084)

介紹數(shù)字邏輯實驗教學(xué)中探索理論與實踐如何更好的結(jié)合，并將新的CPLD技術(shù)溶于教學(xué)中，結(jié)合開放、半開放設(shè)計方式，充分發(fā)揮學(xué)生的無限想象力，在近年的數(shù)字邏輯實驗中取得了新的創(chuàng)新成果。該文介紹了創(chuàng)意型數(shù)字邏輯實驗的總體思路、列舉了一些案例以及教學(xué)的總體效果。

數(shù)字邏輯設(shè)計； 數(shù)字邏輯實驗； 創(chuàng)意型； 創(chuàng)新性； CPLD

“數(shù)字邏輯”是大學(xué)計算機(jī)及電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它是其他硬件課程先修課，是硬件設(shè)計的基礎(chǔ)，理論與實踐的容量都較大。數(shù)字邏輯實驗早期使用分立元件實現(xiàn)簡單的邏輯電路，如用74系列的器件實現(xiàn)各種組合邏輯和時序邏輯電路，器件之間使用面包板連線連接，后來采用了簡單的可編程邏輯器件PAL和GAL來實現(xiàn)邏輯電路的部分功能，但還是采用面包板連接的方式[1]。隨著半導(dǎo)體及可編程技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了CPLD、FPGA等規(guī)模較大的可編程器件，在這種情況下，數(shù)字邏輯設(shè)計引用了EDA技術(shù)，整體的邏輯電路可以集成在一個器件內(nèi)實現(xiàn)，使數(shù)字邏輯電路設(shè)計上了一個新的臺階。但是設(shè)計大體是局限在同一種實驗平臺上，對于一些極富創(chuàng)意的設(shè)計還不能完全滿足。在這種情況下我們引入了全開放式數(shù)字邏輯實驗或半開放式實驗，在此我們統(tǒng)稱為創(chuàng)意型實驗[2-3]。

1 創(chuàng)意型數(shù)字邏輯設(shè)計實驗的思路

創(chuàng)意型數(shù)字邏輯實驗概念的引入是為了滿足學(xué)生的創(chuàng)新愿望，鼓勵學(xué)生將奇思妙想付諸實踐，同時在有限的課程時間段內(nèi)達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。為此，我們進(jìn)行了幾年的摸索和實踐。一開始是吸納課程中的一小部分學(xué)生做一些全開放式的實驗，完全脫離于實驗室提供的實驗平臺，從設(shè)計電路到PCB的制作都由學(xué)生獨立完成，達(dá)到了非常好的效果。但這種做法不能夠在所有學(xué)生中實施，只適合一部分動手能力較強的學(xué)生。為了讓所有的學(xué)生都有機(jī)會進(jìn)行一些創(chuàng)意型的工作，除保留一小部分學(xué)生選擇全開放設(shè)計方式外，大部分學(xué)生可以選擇半開放設(shè)計方式，它是用實驗室提供的實驗平臺和學(xué)生自己設(shè)計的部分內(nèi)容相結(jié)合來完成設(shè)計的[4]。實驗平臺包括可編程器件CPLD、基本的供電、時鐘以及簡單的接口，同時可編程器件還提供開放的IO端口，這些IO端口可以通過延長線、接插件等擴(kuò)展為不同的接口功能。學(xué)生主要的邏輯設(shè)計在CPLD內(nèi)完成，被控接口由學(xué)生自己設(shè)計。這種做法既節(jié)省了一定的設(shè)計工作量，又讓學(xué)生有發(fā)揮想象力的余地，達(dá)到好的教學(xué)效果[5-7]。

2 創(chuàng)意型數(shù)字邏輯設(shè)計實驗平臺介紹

實驗平臺采用Altera公司的型號為EPM240T100C5的CPLD作為主芯片 ，還包括供電電源、系統(tǒng)時鐘、通用邏輯器件區(qū)、DIP開關(guān)、PUSH按鈕、彩燈陣列和數(shù)碼管等，同時預(yù)留了16位的IO端口作為擴(kuò)展端口。彩燈陣列的管腳已直接連接到EPM240上，數(shù)碼管、發(fā)光二極管、DIP開關(guān)、PUSH按鈕直接與CPLD的IO相連，通用邏輯器件陣列是由10個接插件組成，支持實驗中的通用邏輯器件(主要是74系列的器件)的安裝，每個管座的管腳都被引出到一個臺階插座上，可以通過連接線將管腳連接起來形成所需電路，學(xué)生自設(shè)計部分通過擴(kuò)展的IO端口與CPLD連接，通過CPLD內(nèi)部設(shè)計對外部的自設(shè)計接口進(jìn)行控制。圖1為實驗平臺的結(jié)構(gòu)圖[8]。

圖1 實驗平臺結(jié)構(gòu)圖

3 創(chuàng)意型數(shù)字邏輯設(shè)計案例

3.1 數(shù)字調(diào)音器的設(shè)計(半開放式設(shè)計舉例)

3.1.1 數(shù)字調(diào)音器的功能

調(diào)音器是一種幫助樂器校準(zhǔn)音高的工具，它的主體功能是聽到一個音后顯示出該音的音高以及該音與它最接近的標(biāo)準(zhǔn)音高的差距。其設(shè)計主要功能是：

(1) 接收到一個音，燈陣將顯示出一個字母和一個顯示條.字母為C、D、E、F、G、A、B，對應(yīng)音樂標(biāo)準(zhǔn)音中的do、re、mi等音。顯示條長短表示實際音與顯示的標(biāo)準(zhǔn)音的差值。

(2) 當(dāng)燈陣上顯示某個音高時(如C)，按開關(guān)1后蜂鳴器開始發(fā)聲，聲音的頻率為顯示出的標(biāo)準(zhǔn)音高(如C對應(yīng)440 Hz)，按遙控器上的鍵或開關(guān)2，可以提高蜂鳴器發(fā)出聲音的音高，共分7級，分別對應(yīng)CDEFGAB 7個音高。

(3) 按開關(guān)3改變調(diào)節(jié)狀態(tài)，調(diào)節(jié)狀態(tài)改變后再按遙控器上的鍵或開關(guān)2則降低蜂鳴器發(fā)出的聲音音高，共分7級，分別對應(yīng)CDEFGAB 7個音高[9]。

3.1.2 功能模塊

如圖2所示，數(shù)字調(diào)音器的功能，在結(jié)構(gòu)上分為主體部分(在實驗平臺上完成)和擴(kuò)展部分：

圖2 數(shù)字調(diào)音器的功能模塊

(1) 擴(kuò)展部分為聲音輸入傳感器和蜂鳴器，以及紅外遙控接收，這部分的模塊負(fù)責(zé)聲音的讀入和輸出，接收遙控指示，在硬件上采用購置的蜂鳴器和聲音讀入器，通過接插件與主體實驗板連接。

(2) 主體功能在實驗平臺上的CPLD片內(nèi)設(shè)計，并由實驗平臺上的輸入輸出控制開關(guān)以及燈陣顯示配合完成。CPLD內(nèi)部設(shè)計有以下幾個功能組成：

① 聲音采集及音高判斷模塊。設(shè)定0.1 s的采樣周期，通過檢驗采樣周期內(nèi)聲音傳感器模擬量輸出信號的正跳變次數(shù)計算聲音的頻率。通過頻率大小，產(chǎn)生不同的輸出信號。

② 顯示模塊。根據(jù)聲音傳感模塊的輸出信號，設(shè)置12×8的顯示矩陣。通過掃描方式，每次向8×8LED燈陣輸入顯示矩陣的一行作為顯示碼，八個時間脈沖為一個周期(5 MHz)進(jìn)行掃描，顯示出相應(yīng)圖案。

③ 發(fā)聲模塊。將聲音模塊輸出信號作為初始頻率信號，由遙控模塊和開關(guān)控制頻率信號的上升或下降。根據(jù)頻率信號和音高-頻率表，調(diào)整輸出序列周期，以改變蜂鳴器聲音頻率。

④ 遙控模塊。接受紅外接收器信號，當(dāng)信號出現(xiàn)一次正跳變后輸出一個信號。每次輸出信號后有0.25 s的延遲，延遲后接受第二次紅外接收器信號。

⑤ 主體控制。集成4個模塊，將相應(yīng)信號進(jìn)行連接。由開關(guān)控制發(fā)聲模塊使能端。

3.2 運動三維顯示設(shè)備的設(shè)計(全開放式設(shè)計舉例)

3.2.1 運動三維顯示設(shè)備的功能

運動三維顯示設(shè)備是通過電機(jī)驅(qū)動PCB 板高速旋轉(zhuǎn),在特定角度點亮板上的特定彩燈,實現(xiàn)三維顯示的效果。

3.2.2 功能模塊

運動三維顯示設(shè)備的設(shè)計采用完全自制的方式設(shè)計，總體設(shè)計框架包括帶有CPLD和彩燈陣列的PCB板、與PCB板接口的電機(jī)，如圖3所示。PCB板與電機(jī)連接，電機(jī)轉(zhuǎn)動時帶動PCB板旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的PCB 板上設(shè)置了一個紅外接收器,接收下方固定位置紅外發(fā)射器的信號,通過兩次信號的時間差計算速度，從而計算當(dāng)前旋轉(zhuǎn)的角度。針對每一個特定角度,從CPLD內(nèi)的UFM 中讀取預(yù)先由軟件計算出的各幀圖形數(shù)據(jù),顯示在燈陣上。彩燈陣列上不同的燈的顯示狀況導(dǎo)致不同的三維顯示效果?？刂拼a在CPLD內(nèi)實現(xiàn)，采用Verilog語言設(shè)計。

圖3 運動三維顯示設(shè)備設(shè)計框架

4 教學(xué)效果

創(chuàng)意型實驗概括起來，有如下幾個方面的效果：

(1) 加深了對課本知識的理解和掌握。

(2) 通過查閱資料，大大提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

(3) 很好地實現(xiàn)了學(xué)生興趣與課程內(nèi)容的結(jié)合，將知識與實踐相結(jié)合的能力，使學(xué)生擺脫了對硬件的恐懼。

(4) 在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛質(zhì)方面，起到了非常好的作用，為以后進(jìn)一步在學(xué)術(shù)和工程領(lǐng)域的研究打下了基礎(chǔ)。

(5) 這是進(jìn)入大學(xué)以來由學(xué)生自己創(chuàng)意、自己設(shè)計實現(xiàn)的第一個作品，當(dāng)成果出來后，學(xué)生充滿了成就感。在這個過程中也使學(xué)生了解到，真正的科技魅力在于它的應(yīng)用，而所有應(yīng)用的實現(xiàn)并不總是來自于思考，還來自于真正的動手和融入實際[10-12]。

圖4、圖5為學(xué)生制作的運動三維顯示設(shè)備顯示成果和成品。

圖4 運動三維顯示設(shè)備顯示效果

圖5 運動三維顯示設(shè)備成品

5 結(jié)束語

數(shù)字邏輯實驗以實踐教學(xué)的理念和任務(wù)為指導(dǎo)，為達(dá)到最好的教學(xué)效果，多年來一直在探索創(chuàng)新之路。創(chuàng)意型實驗是將理論知識應(yīng)用到實踐中的最好渠道，同時也是檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)能力、應(yīng)用能力的最好方法，給學(xué)生提供了創(chuàng)意的空間、展示的平臺，增進(jìn)了師生之間的溝通、學(xué)生之間的交流，鍛煉了學(xué)生分析和解決問題的能力、宏觀把握微觀分析的能力，以及把想法付諸實現(xiàn)的能力。

References)

[1] 唐志強. 計算機(jī)專業(yè)數(shù)字邏輯實驗的改革與創(chuàng)新[J].實驗室研究與探索, 2013, 32(10):182-184.

[2] 徐瓊燕. 數(shù)字電路及EDA實驗系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用[D].南昌：南昌大學(xué)，2008.

[3] 馬曉虹，尹向雷. 數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)的改革與探索[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29(10)：172-174.

[4] 趙成，李莉，冼立勤，等. 關(guān)于數(shù)字電路實驗教學(xué)改革的思考[C]//北京高教學(xué)會實驗室工作研究會2010年學(xué)術(shù)研討會論文集(上冊).2010.

[5] 劉勝. 基于Proteus的數(shù)字電路虛擬實驗室建設(shè)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012(6)：85-87.

[6] 熊娟，張曉伏. 談數(shù)字電路實驗教學(xué)的改革[J].天中學(xué)刊, 2008(4)：113-114.

[7] 張詠梅. 基于EDA技術(shù)的數(shù)字邏輯電路層次化實驗教學(xué)的研究[J].實驗技術(shù)與管理，2005，22(7)：74-76.

[8] 全成斌.數(shù)字邏輯彩燈實驗[EB/OL].百度文庫, http://wenku.baidu.com/view/dea3cf3783c4bb4cf7ecd114.html.

[9] 張漫. 基于FPGA的吉他調(diào)音器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2013(6)：87-91.

[10] 盧明智，劉晉峰.數(shù)字電路創(chuàng)意實驗[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[11] 寧彬. 基于“211”模式的計算機(jī)專業(yè)應(yīng)用型實踐教學(xué)體系構(gòu)建[J].計算機(jī)教育,2013(6)：101-103.

[12] 薛延俠. “數(shù)字電路”實驗教學(xué)的創(chuàng)新與研究[J].實驗室研究與探索，2007,26(2)：84-86.

Creative digital logic design experiment

Tian Shuzhen, Yang Shiqiang, Dong Daijie

(Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

This article in the long-term digital logic experiment teaching theory and practice introduces how to better combine and dissolve the teaching of new technologies, to give full play to the infinite imagination of young students in digital logic recent experiments, and to obtain the fruit of countless innovations. This article describes the general idea of creative digital logic experiments, and cites a number of cases and the overall effect of teaching.

digital logic design; digital logic experiment; creation; innovation; CPLD

2014- 06- 18

田淑珍(1966—)，女，北京，學(xué)士，工程師，主要研究方向為計算機(jī)和電子技術(shù).

E-mail：tiansz@tsinghua.edu.cn

G642.423

B

1002-4956(2015)2- 0036- 03