馮學(xué)妮，宋喜佳，郝亞茹，鄧招奇

（1.電子科技大學(xué)中山學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 中山 528402；2.中山市啟航技工學(xué)校 電梯教研組，廣東 中山 528402）

0 引 言

數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)、電子信息等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其特點(diǎn)是既有非常抽象的邏輯代數(shù)知識(shí)，又有較具體的工程實(shí)踐應(yīng)用。不但要求學(xué)生掌握數(shù)字電路的基本原理和設(shè)計(jì)方法，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)字電路的分析、設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用的工程能力，因此數(shù)字電路課程的實(shí)驗(yàn)課和理論課同等重要。建設(shè)覆蓋范圍廣、靈活性好、使用效率高、接近實(shí)戰(zhàn)的“立體化”數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室，對(duì)鞏固數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識(shí)、提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力有顯著的促進(jìn)作用[1-3]。

目前高校建設(shè)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案主要分為兩類，分別是傳統(tǒng)的基于物理實(shí)驗(yàn)箱的硬件實(shí)驗(yàn)室和基于Multisim等仿真軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)室。而傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室的物理實(shí)驗(yàn)箱或者由面包板和若干不同類型的74系列MSI芯片組成，或者由現(xiàn)代可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）配合電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件組成[4]。由于FPGA+EDA軟件的物理實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)方案能擺脫繁瑣的物理連線和手工查錯(cuò)過(guò)程，使學(xué)生能夠把主要精力集中在邏輯的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上，因此我校數(shù)字電路硬件實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)箱采用該建設(shè)方案。虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)根據(jù)所用仿真軟件的不同，可基于 Multisim、Protues、MATLAB或 Labview 等軟件，并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行建設(shè)[3，5-6]。鑒于我校在模擬電子電路的課程中已采用Multisim軟件進(jìn)行仿真教學(xué)，學(xué)生較熟悉該軟件，不需要投入更多的軟件學(xué)習(xí)成本，故主要基于Multisim軟件建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。常見(jiàn)建設(shè)方案分類及采用的雙軌建設(shè)方案見(jiàn)圖1。

1 雙軌建設(shè)方案的優(yōu)勢(shì)分析

在數(shù)字電路的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，基于傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)箱的硬件實(shí)驗(yàn)和基于Multisim等仿真軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)各有優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是更貼近項(xiàng)目實(shí)際、學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，可以接觸并掌握各種實(shí)際工程項(xiàng)目的細(xì)節(jié)，能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力，建立敢于嘗試、挑戰(zhàn)實(shí)際工程項(xiàng)目的信心。然而在傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)也有如下缺點(diǎn)。

圖1 數(shù)電實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)建設(shè)方案分類及雙軌建設(shè)方案

學(xué)生只能根據(jù)給定的硬件電路連接進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，無(wú)法修改已固化的電路連接，靈活性不夠，學(xué)生思維受到這些硬件條件的約束，限制了學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，教師和學(xué)生的很多精力耗費(fèi)在繁瑣細(xì)微的硬件檢錯(cuò)過(guò)程中（如檢查器件連線關(guān)系是否正確、連接點(diǎn)是否穩(wěn)固牢靠、硬件芯片選型是否正確、下載線或下載器是否損壞等）。

與學(xué)生的人數(shù)相比，實(shí)驗(yàn)箱的數(shù)量不足，主要原因?yàn)椋孩偃珖?guó)各高校近些年普遍擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)增長(zhǎng)較快；②實(shí)驗(yàn)室面積有限，難以容納足量的實(shí)驗(yàn)箱；③學(xué)生沒(méi)有工程常識(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)不規(guī)范操作，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)箱的損壞速度快，遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)驗(yàn)箱的維修速度，這也會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和維修成本非常高。

硬件實(shí)驗(yàn)箱沒(méi)有配套的軟件支持，或者配套的軟件操作不便、不夠人性化，學(xué)生的學(xué)習(xí)成本高，熟悉和掌握硬件實(shí)驗(yàn)資源耗時(shí)長(zhǎng)。

學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)空受限，通常只能在上實(shí)驗(yàn)課時(shí)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，無(wú)法將物理實(shí)驗(yàn)箱帶離硬件實(shí)驗(yàn)室，無(wú)法在宿舍或者普通教室進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)練習(xí)。學(xué)習(xí)時(shí)間的不足會(huì)影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，也會(huì)極大打擊學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的積極性。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室很好地解決了傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室的上述問(wèn)題，具有靈活性高、操作方便、支持修改仿真電路設(shè)計(jì)，使用不受學(xué)生人數(shù)、學(xué)習(xí)時(shí)空的限制，能夠大幅降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和維護(hù)經(jīng)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是由于仿真軟件普遍具有容錯(cuò)性設(shè)計(jì)，通常會(huì)忽略許多實(shí)際工程項(xiàng)目在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中遇到的細(xì)節(jié)問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法學(xué)習(xí)和體會(huì)這些繁瑣細(xì)微的工程常識(shí)，如短路問(wèn)題、共地問(wèn)題、各電學(xué)元件（如電壓源、電阻、電容等）的數(shù)值匹配問(wèn)題等。與此同時(shí)，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，學(xué)生還很難學(xué)習(xí)到快速分析、定位并修復(fù)實(shí)際硬件問(wèn)題的技術(shù)和技巧。

因此，對(duì)傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行雙軌并行建設(shè)，讓二者相互配合、取長(zhǎng)補(bǔ)短，才能充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，形成更強(qiáng)大的合力，達(dá)到更有效地服務(wù)廣大師生的目的，見(jiàn)表1。

2 實(shí)驗(yàn)室雙軌建設(shè)方案的具體實(shí)施

雙軌建設(shè)的重點(diǎn)是硬件實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)室的主要功能模塊、電路設(shè)計(jì)等方面保持一致性和互補(bǔ)性。

學(xué)校硬件實(shí)驗(yàn)室主要采用FPGA+EDA的建設(shè)方案，F(xiàn)PGA的型號(hào)選擇需要綜合考慮成本、產(chǎn)量、國(guó)內(nèi)購(gòu)買難易程度、技術(shù)熟悉度等多個(gè)維度，由于長(zhǎng)期使用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone II系列FPGA，故自主研制的硬件實(shí)驗(yàn)箱本次選型為較熟悉的FPGA芯片EP2C5Q208C8。該實(shí)驗(yàn)箱的俯視圖和簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 我校硬件實(shí)驗(yàn)箱的俯視圖和簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)框圖

從圖2可見(jiàn)，硬件試驗(yàn)箱采用底板+核心板的分離設(shè)計(jì)，其中LED顯示模塊、晶體起振電路、FPGA處于核心板，其他功能模塊則主要分布在底板上。

2.1 數(shù)碼管顯示模塊

硬件實(shí)驗(yàn)箱的數(shù)碼顯示模塊設(shè)計(jì)選用4線-16線譯碼器74154的8個(gè)輸出Y0N-Y7N作為8個(gè)數(shù)碼管的位選信號(hào)，LED與數(shù)碼管模塊的Toggle控制信號(hào)DISP_CS、74154的4個(gè)譯碼輸入信號(hào)DISP-SEL0至DISP-SEL4、數(shù)碼管的段選信號(hào)DISP-D0至DISP-D7分別連接在FPGA不同的輸出引腳上，見(jiàn)圖3。

與硬件實(shí)驗(yàn)箱的電路設(shè)計(jì)相配合，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中提供了兩個(gè)數(shù)碼管的靜態(tài)顯示電路和動(dòng)態(tài)掃描電路供學(xué)生參考、并進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)，見(jiàn)圖4。

2.2 矩陣按鍵輸入模塊

物理實(shí)驗(yàn)箱的矩陣按鍵模塊共3行4列。與硬件實(shí)驗(yàn)箱的電路設(shè)計(jì)相配合，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中提供了3×4矩陣的仿真電路，見(jiàn)圖5。當(dāng)然，實(shí)際教學(xué)過(guò)程中可根據(jù)學(xué)生的接受能力將矩陣按鍵的維度進(jìn)行靈活修改（如修改成2×3的矩陣）。

圖3 傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)箱數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路

圖4 仿真實(shí)驗(yàn)中數(shù)碼管靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描電路的對(duì)比

3 基于傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)室與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的互補(bǔ)教學(xué)舉例

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行漸進(jìn)、迭代式的原理講解

以數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示為例（如在硬件實(shí)驗(yàn)箱上用8個(gè)數(shù)碼管顯示“76543210”），其實(shí)現(xiàn)過(guò)程涉及大量的專業(yè)知識(shí)（如七段數(shù)碼管的基本結(jié)構(gòu)和數(shù)字顯示原理、共陰極和共陽(yáng)極的區(qū)別、顯示譯碼器7448或7447的工作原理、位碼和段碼的動(dòng)態(tài)配合過(guò)程等）。因此，很多學(xué)生在第一次接觸數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示時(shí)難以理解其實(shí)現(xiàn)原理和工作過(guò)程。利用仿真軟件可以靈活修改電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示過(guò)程進(jìn)行漸進(jìn)、迭代式的講解。

（1）講解單個(gè)數(shù)碼管的顯示原理。以共陽(yáng)極數(shù)碼管為例，在數(shù)碼管陽(yáng)極獲得正電位（位碼）以后，為數(shù)碼管的a-g各段碼控制位提供不同的高低電平組合（段碼），觀察數(shù)碼管的顯示結(jié)果。

（2）增加顯示譯碼器（如7447），將7447的譯碼輸出結(jié)果作為數(shù)碼管的段碼，觀察和總結(jié)7447的輸入和數(shù)碼管顯示數(shù)字的對(duì)應(yīng)關(guān)系和工作原理。

（3）再增加一個(gè)數(shù)碼管，讓這兩個(gè)數(shù)碼管采用靜態(tài)顯示的方法顯示不同的數(shù)字，如“10”，見(jiàn)圖4（a）。

（4）增加譯碼器（如74138，或者74154）和PNP型晶體管（見(jiàn)圖4（b）），用譯碼器不同的兩個(gè)輸出管腳（如Y0N和Y1N）產(chǎn)生控制數(shù)碼管亮滅的控制信號(hào)（如01：數(shù)碼管1亮；10：數(shù)碼管0亮；11：兩個(gè)數(shù)碼管都滅）。

（5）緩慢改變譯碼器譯碼輸入端的數(shù)值，觀察兩個(gè)數(shù)碼管的亮滅變化和各自顯示的數(shù)字。

（6）令第2步中的顯示譯碼器（如7447）的譯碼輸入數(shù)值與第5步中74154譯碼輸入數(shù)值以相同頻率進(jìn)行周期性的切換。

（7）逐漸加速改變74154和7447譯碼輸入端的數(shù)值，觀察兩個(gè)數(shù)碼管的顯示效果。

（8）增加數(shù)碼管的個(gè)數(shù)，重復(fù)前述3～7步過(guò)程。

經(jīng)過(guò)漸進(jìn)、迭代式的現(xiàn)象顯示和原理講解，可以讓大部分學(xué)生在限定的學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)理解和掌握數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示原理和應(yīng)用。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可對(duì)集成芯片進(jìn)行“開(kāi)箱”講解和演示

圖5 硬件實(shí)驗(yàn)箱和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的矩陣按鍵電路對(duì)比

傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)箱經(jīng)常采用集成芯片完成特定實(shí)驗(yàn)（如在DA轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)中，學(xué)校采用DAC0832芯片完成數(shù)模轉(zhuǎn)換），當(dāng)使用集成芯片進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換時(shí)，通常是將該集成芯片當(dāng)做一個(gè)“黑箱”，學(xué)生只需掌握該“黑箱”的控制時(shí)序即可完成實(shí)驗(yàn)，很難和理論課講解的原理（如DAC0832芯片是基于R-2R倒T型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的DA轉(zhuǎn)換）聯(lián)系在一起。

利用仿真軟件可以直接構(gòu)建R-2R倒T型網(wǎng)絡(luò)，利用虛擬儀器動(dòng)態(tài)演示電路內(nèi)部各電學(xué)信號(hào)的變化過(guò)程，對(duì)DAC0832芯片進(jìn)行“開(kāi)箱”講解，見(jiàn)圖6，這會(huì)有效幫助學(xué)生從底層理解原理，并更加自信地將各種集成芯片運(yùn)用到工程實(shí)際中。

3.3 傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)比虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更貼近工程實(shí)際

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由于具備極大的靈活性，給理論課、實(shí)驗(yàn)課的講法和學(xué)法提供了更多的可能性。然而，由于仿真軟件的容錯(cuò)性設(shè)計(jì)、對(duì)硬件芯片軟件建模的準(zhǔn)確性、對(duì)實(shí)際項(xiàng)目中成熟經(jīng)驗(yàn)欠缺考量等因素，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并不能完全替代傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)，最后應(yīng)該回歸實(shí)際硬件，在具體、真實(shí)的硬件環(huán)境中完成所有實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目要求，才能達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用的目的。

（1）以數(shù)碼管顯示為例，由于動(dòng)態(tài)掃描與靜態(tài)顯示相比，可以更有效節(jié)省FPGA芯片的管腳資源，且更加節(jié)能，實(shí)際工程應(yīng)用中數(shù)碼管通常采用動(dòng)態(tài)掃描的方法顯示字符。由圖3可知，我校的硬件實(shí)驗(yàn)箱的連接方式已強(qiáng)制學(xué)生必須使用動(dòng)態(tài)掃描的方法使用數(shù)碼管，但是單純使用仿真軟件的學(xué)生則很難理解這樣設(shè)計(jì)的原因。

（2）以LED驅(qū)動(dòng)控制電路為例，有如圖7所示的兩種不同接法：驅(qū)動(dòng)LED負(fù)極（如LED1）或者驅(qū)動(dòng)LED正極（如LED2）。單純使用軟件仿真的學(xué)生會(huì)認(rèn)為驅(qū)動(dòng)LED2正極的方法更直觀、更符合邏輯，但實(shí)際上更多硬件電路采用的是驅(qū)動(dòng)負(fù)極的方法。這是因?yàn)榧尚酒针娏鞯哪芰νǔ：糜谒敵鲭娏鞯哪芰Γ▽?duì)于TTL工藝芯片尤其明顯），所以經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師通常都采用設(shè)計(jì)上更加穩(wěn)健、適應(yīng)性更好的驅(qū)動(dòng)方法（即驅(qū)動(dòng)LED1負(fù)極）。

圖6 利用Multisim直接構(gòu)造R-2R倒T型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)DAC

圖7 兩種不同的驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的電路對(duì)比

（3）以矩陣按鍵的使用為例，單純使用軟件仿真的學(xué)生會(huì)集中精力區(qū)分和總結(jié)按下按鍵KEY_n時(shí)，矩陣按鍵模塊各行列信號(hào)KEYC1-KEYC4、KEYL1-KEYL3對(duì)應(yīng)該按鍵輸出的電平狀態(tài)組合，將這些對(duì)應(yīng)關(guān)系確定下來(lái)以后，學(xué)生就可以根據(jù)真值表建立函數(shù)表達(dá)式，進(jìn)而正常使用矩陣按鍵了。然而，實(shí)際的物理按鍵由于金屬接觸點(diǎn)存在彈性，每次按鍵按下時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)帶有許多尖峰信號(hào)（又稱“按鍵抖動(dòng)”），因此為了確保每個(gè)按鍵KEY_n按下時(shí)產(chǎn)生“干凈”的信號(hào)，需要對(duì)按鍵“按下”或者“抬起”操作進(jìn)行消抖處理，才可以正常使用這些按鍵。

4 結(jié) 語(yǔ)

雙軌并行教學(xué)的結(jié)果表明，該方法能更好地幫助學(xué)生理解數(shù)字電路課程的教學(xué)難點(diǎn)，幫助他們更好地將理論知識(shí)和動(dòng)手實(shí)踐能力聯(lián)系在一起，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還可以有效降低硬件實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和維護(hù)成本。