趙艷華， 張惠莉， 佟春明， 張 玲

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

0 引言

電子設(shè)計自動化(EDA)技術(shù)是電子設(shè)計工程師從事電子元件、產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計的綜合工具，在現(xiàn)代電子科技產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的位置。當(dāng)前國際國內(nèi)環(huán)境下，芯片設(shè)計技術(shù)成為科技企業(yè)創(chuàng)新之本，EDA技術(shù)也是芯片設(shè)計的基礎(chǔ)，是工程師適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)、滿足不斷變化的設(shè)計需求所需的必備技能。在應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的高校教學(xué)中，“EDA技術(shù)”是電氣、電子、通信、自動控制等專業(yè)普遍開設(shè)的專業(yè)拓展課程?，F(xiàn)代電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，促使高校電子類專業(yè)必須進(jìn)行教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容的改革與創(chuàng)新，EDA技術(shù)作為應(yīng)用技術(shù)前沿，故該課程可以起到與相關(guān)課程深度融合并引領(lǐng)更新的作用。

1 “EDA技術(shù)”課程的特點

“EDA技術(shù)”課程以可編程邏輯器件為硬件平臺，在數(shù)字電子技術(shù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入學(xué)習(xí)數(shù)字電路硬件描述語言，在EDA軟件輔助下，完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。由于EDA課程應(yīng)用普遍性及重要性不斷增強(qiáng)，部分高校還設(shè)置了SOPC課程。EDA設(shè)計具有靈活性高、可仿真、易驗證等特點，可以拓展運用到“單片機(jī)”、“數(shù)字電子技術(shù)”等相關(guān)課程與實踐中。某些高校從十年前就開始探索數(shù)字電子技術(shù)實驗與EDA技術(shù)結(jié)合[1]，并自主研發(fā)適用于本校課程的實驗系統(tǒng)，取得了良好效果，但相關(guān)課程間的銜接與貫通效果尚未充分發(fā)掘。數(shù)電實驗設(shè)備及內(nèi)容陳舊、電子工藝實習(xí)套件單調(diào)無用、電子技術(shù)課程設(shè)計環(huán)節(jié)效率低下等問題仍然存在。在高水平專業(yè)建設(shè)背景下，結(jié)合我校電氣化和測控專業(yè)教學(xué)實踐和近年來的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實踐，對電子工藝實習(xí)、數(shù)電實驗、電子技術(shù)課程設(shè)計、創(chuàng)新競賽及畢業(yè)設(shè)計各個實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了EDA技術(shù)的融入設(shè)計，并付諸于實踐，取得了初步效果。

2 “EDA技術(shù)”與電子技術(shù)實踐課程的融合方案

將“EDA技術(shù)”以不同形式融合到電子技術(shù)類課程中，達(dá)到專業(yè)課程融匯貫通、互相促進(jìn)的目的，能夠有效地提高教學(xué)效率，提升學(xué)生的應(yīng)用設(shè)計能力。在我校教學(xué)改革實踐中，進(jìn)行了相關(guān)課程的融合方案設(shè)計，如圖1所示。方案目的在于：以EDA技術(shù)為載體和手段，實現(xiàn)本科學(xué)生EDA應(yīng)用技術(shù)能力由入門到精通的逐步提升，并提高相數(shù)電等關(guān)課程的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。在學(xué)生的不同學(xué)習(xí)階段，將EDA技術(shù)引入各學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。根據(jù)不同課程的特點和實驗要求，穿插融入EDA技術(shù)，既能夠滿足基本實驗教學(xué)需求，改進(jìn)實習(xí)實驗效果，也能夠引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電子工程的創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用。課堂上采用EDA實驗箱，課后采用EDA系統(tǒng)板作為便攜開發(fā)系統(tǒng)，伴隨學(xué)生大學(xué)學(xué)習(xí)生活兩到三年的時間,實現(xiàn)超過80%的“口袋實驗室”和50%的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐參與率。

2.1 電子工藝實習(xí)與“EDA技術(shù)”

電子工藝實習(xí)的訓(xùn)練目標(biāo)是讓學(xué)生了解現(xiàn)代電子產(chǎn)品生產(chǎn)流程與制作工藝，其環(huán)節(jié)包括電路設(shè)計與PCB制版、PCB焊接、產(chǎn)品組裝[2]。傳統(tǒng)實習(xí)項目包括收音機(jī)、U盤、機(jī)器狗焊接與制作等。以PLD器件為核心的EDA系統(tǒng)板主要器件為表貼封裝，其焊接制作能夠充分體現(xiàn)現(xiàn)代電子產(chǎn)品加工工藝流程。因此電子工藝實習(xí)中，將實習(xí)項目進(jìn)行更新，從電路設(shè)計到制作焊接都采用EDA系統(tǒng)板替換沿用多年的收音機(jī)或U盤焊接套件，既能夠保證電子工藝的實習(xí)效果，又能夠讓學(xué)生實習(xí)后擁有一套可利用、可開發(fā)的EDA系統(tǒng)板。在EDA系統(tǒng)板的設(shè)計上，考慮開發(fā)需要求和易用性，采用掉電不丟失的CPLD作為核心器件，設(shè)置按鍵、LED燈、蜂鳴器和數(shù)碼管等簡單外設(shè)便于進(jìn)行驗證性實驗，并將其剩余的輸入輸出端口以插接口的形式引出備用。

實習(xí)結(jié)束后，作為實習(xí)產(chǎn)品的EDA系統(tǒng)板，保留在學(xué)生手中。由指導(dǎo)教師提供教學(xué)團(tuán)隊開發(fā)的EDA技術(shù)初學(xué)指導(dǎo)PPT。學(xué)生可以利用EDA系統(tǒng)板，開展EDA技術(shù)的提前學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)實驗。學(xué)生可采用原理圖設(shè)計方法，驗證各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電路邏輯，并輕松完成簡單的功能電路設(shè)計。當(dāng)前高校電氣專業(yè)和測控專業(yè)二年級以上的學(xué)生中，參加各類科技競賽、科研課題等科技創(chuàng)新活動的學(xué)生占到了70%的比例。學(xué)生參加競賽或科研所需要的專業(yè)知識和技能，都需要提前自主學(xué)習(xí)。該EDA系統(tǒng)板可隨身攜帶，對學(xué)生的數(shù)字電路入門學(xué)習(xí)具有非常理想的引導(dǎo)效果。這種融合，即提高了實習(xí)經(jīng)費的使用效益，又提升了實習(xí)效果和實習(xí)質(zhì)量。

圖1 EDA技術(shù)與其它課程融合示意

2.2 “EDA技術(shù)”與數(shù)字電子技術(shù)課程的融合

目前，伴隨高集成度芯片普遍應(yīng)用，傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件應(yīng)用場合逐步縮減，代之以可編程邏輯器件實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字邏輯處理。相應(yīng)的，以EDA實驗系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)數(shù)電實驗箱完成數(shù)電實驗課程成為趨勢[3]。EDA系統(tǒng)支持下的數(shù)電實驗課程設(shè)置具有以下優(yōu)點：

(1)實驗可替代性強(qiáng)。對原有數(shù)電實驗進(jìn)行統(tǒng)計，可由EDA板替代的實驗項目達(dá)90%。對于數(shù)字器件的外形認(rèn)知和不同類型邏輯器件電壓傳輸特性測試等實驗可以調(diào)整課件和實驗方法后完成替代。

(2)充分拓展了實驗項目。EDA工具軟件中，提供了74全系列的標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件庫，即在同一塊系統(tǒng)板上，可以開展所有標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件的測試和組合實驗。數(shù)字電路實驗的開展不再受到實驗室元件種類的制約。

(3)提高實驗效率。EDA實驗中，調(diào)用元件庫方便易行，學(xué)生能夠在短時間內(nèi)了解更多的元件功能。尤其當(dāng)多個元件組合設(shè)計時，不需要搭接導(dǎo)線，避免了許多人為的實驗故障，提高了實驗效率和實驗效果。另外，EDA軟件仿真功能幫助實驗者實現(xiàn)前端驗證，易于糾錯和電路改正。比較傳統(tǒng)數(shù)字電路搭建，提高了實驗效率。

(4)有助于學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。EDA實驗箱為學(xué)生應(yīng)用型和創(chuàng)新型設(shè)計提供了豐富的資源，學(xué)生的創(chuàng)新思路不再受限于元器件類型缺乏。

(5)簡化教師的實驗準(zhǔn)備流程，提高教師的實驗教學(xué)效率。在傳統(tǒng)數(shù)電試驗箱上，每次開展不同的實驗項目，需要更換不同的邏輯芯片。實驗教師在實驗元件替換準(zhǔn)備上需要花費較多的時間。采用EDA試驗箱后，教師只需要帶領(lǐng)學(xué)生掌握EDA工具軟件中原理圖繪制方法和編譯流程，就可以開展不同的實驗項目，避免硬件元器件頻繁替換。同時教師也可以開展更多應(yīng)用型、創(chuàng)新行實驗項目的教學(xué)。

由于學(xué)生先期實習(xí)保有EDA開發(fā)板，部分學(xué)生尤其是進(jìn)入實驗室跟隨教師進(jìn)行科研創(chuàng)新的學(xué)生，會在課余時間自主學(xué)習(xí)EDA應(yīng)用開發(fā)，為數(shù)電實驗的開展打下了良好的基礎(chǔ)。教師方面，針對EDA技術(shù)改進(jìn)實驗PPT，并提前將錄制的EDA實驗視頻指導(dǎo)教程發(fā)給學(xué)生預(yù)習(xí)，讓學(xué)生順利掌握原理圖設(shè)計方式，使得最初的EDA工具軟件掌握瓶頸很容易突破。

2.3 “EDA技術(shù)”與電子技術(shù)實踐環(huán)節(jié)相結(jié)合

在電子技術(shù)的課程設(shè)計中，給學(xué)生提供兩種實現(xiàn)方法進(jìn)行選擇：分立元件搭建或EDA系統(tǒng)板設(shè)計。學(xué)生根據(jù)自身能力和興趣進(jìn)行選擇，例如對于交通燈控制或數(shù)字鐘設(shè)計，相同的題目，類似的設(shè)計解決方案，不同的實現(xiàn)方法，使學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，完成自己的課程設(shè)計內(nèi)容。EDA系統(tǒng)板因其內(nèi)部資源豐富，能夠讓學(xué)生不受元器件限制，有機(jī)會完成更為復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。實踐中會有80%的學(xué)生選擇EDA開發(fā)板的設(shè)計方式。課程設(shè)計結(jié)束進(jìn)行考核時，要求學(xué)生介紹各自的設(shè)計方案，這樣學(xué)生可以從他人的設(shè)計方案中對比了解不同方案的優(yōu)缺點，對設(shè)計內(nèi)容理解更加深入。EDA技術(shù)的實現(xiàn)方法，更接近于現(xiàn)實應(yīng)用，也讓學(xué)生掌握了更加適應(yīng)社會需要的應(yīng)用技能。

2.4 “EDA技術(shù)”課程學(xué)習(xí)與課程設(shè)計實踐

“EDA技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)，是學(xué)生系統(tǒng)掌握EDA技術(shù)的關(guān)鍵階段。在前期課程中有了原理圖設(shè)計的簡單應(yīng)用基礎(chǔ)后，EDA課程中要重點針對硬件描述語言HDL(Hardware Description Language)、系統(tǒng)設(shè)計方法、邏輯描述原則等理論性內(nèi)容進(jìn)行講解，使學(xué)生在感性認(rèn)識之后，對數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計形成更深的理性認(rèn)識，做到真正的理解與掌握。學(xué)時安排方面，實驗學(xué)時占到EDA課程總學(xué)時的50%。在以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力為目標(biāo)的課程教學(xué)中，將實驗環(huán)節(jié)分為：基本實驗、拓展實驗和創(chuàng)新實驗三種類型。拓展實驗是在每個實驗的基本目標(biāo)之后增加拓展要求，為學(xué)有余力的學(xué)生提供發(fā)揮空間。創(chuàng)新實驗是提出實驗項目，不限定解決方案，激勵學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)造力，用不同方法解決相同的技術(shù)問題，并鼓勵學(xué)生充分發(fā)揮其功能，從而獲得更高的實驗技能成績。

EDA課程設(shè)計環(huán)節(jié)，要求學(xué)生使用HDL語言進(jìn)行綜合系統(tǒng)設(shè)計，解決實際應(yīng)用問題。課程設(shè)計是學(xué)生對數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的一次內(nèi)化理解與提高。課程設(shè)計題目具有綜合性，在內(nèi)部資源上，既要有組合邏輯電路運用，又要有時序邏輯電路運用；外部資源上，盡可能多的結(jié)合外部器件，包括各種輸入方式和輸出響應(yīng)方式、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器件。

2.5 “EDA技術(shù)”用于創(chuàng)新競賽、畢業(yè)設(shè)計與實習(xí)

畢業(yè)設(shè)計和創(chuàng)新競賽中采用EDA技術(shù)，是對“EDA技術(shù)”課程學(xué)習(xí)效果的綜合檢驗，是在教師指導(dǎo)下，學(xué)生進(jìn)入自由發(fā)揮的創(chuàng)新設(shè)計階段。EDA技術(shù)因其良好的高速性和并行性，在電子系統(tǒng)設(shè)計中具有不可比擬的優(yōu)勢，例如數(shù)字濾波算法的實現(xiàn)、高速數(shù)據(jù)采集與存儲、高速數(shù)據(jù)處理等方面均需運用FPGA器件。因此在畢業(yè)設(shè)計和創(chuàng)新競賽中EDA技術(shù)頻繁運用。通過課程融合的教學(xué)改革與嘗試，在畢業(yè)設(shè)計中，學(xué)生可以很好地運用EDA技術(shù)，進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)SOPC技術(shù)，開展畢業(yè)設(shè)計，完成各類設(shè)計題目。各類電氣、電子、嵌入式和機(jī)器人競賽中，EDA技術(shù)也越來越發(fā)揮重要作用，如直接數(shù)字信號合成、高速信號源、圖像信息處理、數(shù)據(jù)通訊編解碼等技術(shù)常在競賽中運用。

畢業(yè)實習(xí)階段，測控專業(yè)進(jìn)入測試儀器生產(chǎn)企業(yè)，了解示波器、邏輯分析器等儀器設(shè)備的產(chǎn)品設(shè)計方案，其中基于FPGA的EDA技術(shù)是產(chǎn)品的核心技術(shù)環(huán)節(jié)。學(xué)生結(jié)合幾年來對EDA技術(shù)的了解，對產(chǎn)品有深刻的認(rèn)識，對EDA知識也有融會貫通、總結(jié)提升的學(xué)習(xí)效果。

3 結(jié)語

本文所述“EDA技術(shù)”課程融合應(yīng)用的教學(xué)方案，既能保證各門課程的獨立性，又能增強(qiáng)課程間的聯(lián)系，使學(xué)生對數(shù)字電子技術(shù)的學(xué)習(xí)步步深入，最終做到融會貫通。EDA技術(shù)融合運用于電子技術(shù)各實踐環(huán)節(jié)，具有良好地可實施性，提升教學(xué)投入效益，有效增強(qiáng)學(xué)生的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生就業(yè)的綜合競爭力。以學(xué)生為中心，形成以課程為核心的教學(xué)團(tuán)隊，完善線上線下教學(xué)資源，讓學(xué)生完成“一條龍”式的知識脈絡(luò)學(xué)習(xí)。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展、實驗設(shè)備的進(jìn)一步更新完善和教學(xué)資源的逐步拓展，課程融合能夠更好地提高學(xué)生的應(yīng)用設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，是電子技術(shù)課程與EDA課程改革的可行方向。