基于模块化的高校EDA教学实验系统设计

基于模块化的高校EDA教学实验系统设计作者：吕晓兰
来源：《读与写·下旬刊》2010年第10期
摘要：本文针对我国高等院校EDA实验室建设中存在的实验针对性不强，系统难以维护和升级等问题, 提出了一种基于模块化设计的高校EDA实验教学系统。

论述了它的系统组成以及基于模块化EDA实验系统的教学。

关键词：EDA；实验箱；实验模块
中图分类号：G642 文献标识码：A文章编号：1672-1578（2010）10-0151-02
在高等工科院校的教学过程中，实验教学与理论教学具有同等重要的地位。

实验的根本目的是培养学生的理论应用能力，以及分析问题和解决问题的能力，培养学生的实践创新能力。

然而由于各种原因，EDA(Electronic Design Automation 电子设计自动化)实验教学系统往往都是向厂商直接的实验箱。

实验箱的优点是使用方便，便于管理。

但实验箱所开设实验的针对性不强，无法完全满足我校关于培养应用型人才的需要。

同时在实验箱的维护，维修方面也存在一定的困难。

为了解决以上种种问题，弥足经过多年的实践所发现的EDA实验过程中存在的不足，自行设计专用EDA实验教学设备有着重要的意义。

针对我校电子信息类专业的需要, 介绍一款自行设计的模块化EDA综合实验系统。

1、设计思路
EDA ( Electronic Design Automation, 电子设计自动化) 课程已经在我国许多高等院校的电子、信息、通信、电气，自动化等相关电类专业开设。

由于本课程主要针对实践性教学环节，培养学生的实际工程能力。

因此, EDA实验箱的设计必须能够满足基础实验即验证性实验的要求，又需要同时满足高级实验即综合设计兴实验的要求。

让学生在实验的过程中循序渐进，由低级到高级逐步掌握并应用 EDA 技术解决本专业的实际工程的问题, 对学生以后从事本专业实践工作打下坚实的基础。

2、实验板系统设计
2.1 系统架构。

实验开发系统采用全新的"核心板+平台主板＋创新扩展模块"全开放式结构。

可组成基于FPGA和DSP、FPGA和ARM组合、FPGA和单片机等多种芯片组合应用的实验教学系统。

2.2 实验系统组成。

如图1所示, 系统主要包括具有步进电机、直流电机模块，LED显示模块，按键输入模块，拨位开关模块，17键盘模块，点阵显示模块，交通灯显示模块，A/D、
D/A转换模块和信号源等硬件资源，还包含USB HOST接口模，USB DEVICE接口模块，SD 卡接口模块，VGA接口模块，音频接口模块，URAT接口模块，PS2接口模块和液晶屏接口等多种外围接口模块，以及系统的核心电路单元构成。

在设计时, 系统的核心板由双排的插针与系统的主板相连接, 这样做的目的是通过更换核心电路板来实现系统的综合性。

更换不同的核心板后, 可以通过不同的仿真器或下载电缆完成完全不同的实验。

图1 基于模块的EDA系统框图
3、核心板设计
由于EDA 实验教学定位于PLD ( Programmable Logic Device,可编程逻辑器件) 平台上, 因此EDA 实验箱的核心器件采用PLD。

当前PLD 器件生产厂商有Altera、Lattice 和Xilinx 等公司生产出各种系列的CPLD( Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件) 和FPGA( Field Programmable GateArray, 现场可编程门阵列) , 实验箱应针对以上公司常见系列的PLD 器件设计。

设计中采用Altera公司的新一代低成本的FPGA芯片EP1C12Q240C8芯片，该芯片包含有12060LE(逻辑单元)，可根据实际需要，配置其NIOSⅡCPU软核、与CPU相连的片内外设和存储器以及与片外存储器和片外设备相连的接口等。

4、扩展板设计
扩展板部分主要包括5大部分：通信扩展板，语音扩展板，SD卡语音扩展板，USB扩展板，高速AD/DA扩展板。

在主板设计时，留下一定得扩展槽，学生在做实验的过程中可以根据自己的需要把实验模所需要的扩展模块插上去。

各个模块由于各自独立、牵连少, 设计灵活，便于维护以及维修。

因此实验箱可采用分实验模块进行设计, 整个系统分实验核心模块、实验支持模块、基础实验模块、高级实验模块、专业实验模块, 硬件资源丰富, 扩展能力强。

同时还便于升级扩展。

5、开发工具
USB-Blaster下载器支持Altera全系列器件，通过USB接口与电脑连接，使用方便，提供比ByteBlaster II快6倍的JTAG下载和AS编程功能，具有稳定的NIOSII系统软核调试和FLASH编程功能。

6、系统特点
（1）采用模块化的设计，学生可以根据需要，自由的选择相应的模块，加以组合，提高了学生的自主创新能力，有利于培养创新性，应用型人才。

（2）实验系统采用开放式和模块化设计，可满足EDA课程教学中的各类实验，实验内容选择灵活。

包括基础性实验，综合设计性实验和研究创新型实验以及满足学生毕业设计要求。

（3）实验硬件系统的模块化设计，便于实验系统的维护以及升级。

由于各个模块独立，某一模块发生故障不会影响到其他模块的正常工作，而且维护，修理，检查故障方便，灵活。

（4）实验软件为altera 公式的Quartus II，该软件具有强大仿真功能，能满足EDA实验教学的要求，为硬件系统的提供了很好的支持。

基于模块的EDA实验系统给实验教学提供了一个全开放性的实验平台，既可实现一些基础的EDA实验，又可实现综合设计性性实验。

采用开放式结构、模块化设计、模式可配置技术，具有功能强大、对象广泛、实验内容新颖、实验设计灵活使用等特点。

自行设计EDA实验系统也为高校的实验室建设，实验仪器的维护提供了长远的发展空间。

参考文献
[1] 付慧生. EDA 教学内容探讨与实验装置选型分析[J].《电气电子教学学报》,2001 年
[2] 曹华伟.大规模可编程逻辑器件实验箱的研制.《实验技术与管理》,2004 年
[3] 赵曙光,郭万有.可编程逻辑器件原理、开发与应用[M] . 西安:西安电子科技大学出版社,2000
作者简介：吕晓兰，女，实验师，硕士，现任教广东石油化工学院。

主要研究方向：EDA，数字系统设计。

收稿日期：2010-10-31。