基础能力培养为目标的VHDL案例教学方法_胡正伟.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：河北省高等教育教学改革研究与实践项目（，）；华北电力大学校级教改项目（）第一作者：胡正伟（），男，博士，副教授，主要从事“电子系统设计”等课程的教学和研究工作，：基础能力培养为目标的 案例教学方法胡正伟 王健健 曹旺斌 谢志远 孔英会 吕安强（华北电力大学 电子与通信工程系，保定）摘要：是电子信息类专业的核心课程。如何提高学生的项目开发能力一直是该课程的重要课题。基础能力是项目开发能力的重要基础。以交通灯控制系统设计作为案例，依次完成设计方法流程中的功能分析与实现，深度剖析了案例中的设计方法及知识点。探索了运用理论知识实现项目需求功能的基本技能的培养方法。对硬件描述语言的教学有一定的指导作用。关键词：电子设计自动化；项目基础能力；硬件描述语言中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：；如何提高学生的项目实践能力，从而在就业招聘中具备竞争力，是 课程一直努力探索的课题之一。工程能力培养的最直接方法就是以实际的项目开发作为设计需求，让学生接收企业项目培训。但这个方案实施的前提是需要具备基础知识和基本技能。如图 所示，工程能力与理论知识之间需要基础能力作为桥接才能达成目标。因此，提出了一种提高基础知识和基本技能培养效果的案例教学方法。图 基础能力的作用 课程的特点是含有较多的 语法知识，属于纯记忆内容，在课堂教学中需结合特定的案例进行学习才能提高对知识点的理解。因此，需要合理设计能够融合课程内容知识点的教学案例。基础能力是理论知识与工程能力的过渡阶段，基础能力培养案例不仅要涉及理论知识点的实际应用，还需要考虑如何结合初步的工程思维。因此，如图 所示，基础能力案例以工程设计流程为主线，根据设计流程分阶段、分模块的融合理论知识内容，同时实现了知识点应用与基本工程技能的培养的目的。图 基础能力案例特征所提案例教学方法具有以下 个特色：以工程设计方法流程为主线；同时实现了基础知识应用与基本工程技能培养的目的；根据设计流程分阶段、分模块的融合理论知识内容；可方便融合到 教学案例中。以日常生活中常见的交通灯控制系统设计案例为例，介绍所提出的案例教学方法。交通灯控制系统设计案例 自底向上设计方法自底向上设计方法源于传统电子系统设计方法。在集成电路发展的早期，由于制造工艺水平的限制，芯片的集成度较低，单一芯片上含有的逻辑门电路较少，在实现复杂的系统时，单一芯片无法完成整个设计要求。因此需要多个芯片一起进行系统设计，即将多个芯片用连接线连接在一起，搭建成一个整体系统。自底向上设计方法在现代数字系统的设计中也经常采用，即首先将整个系统划分为若干模块，然后分别设计每个模块，最后把所有模块整合成一个系统，最终完成设计要求。自底向上设计方法的流程如图 所示。图 自底向上设计方法的流程 基于自底向上方法的交通灯系统设计）设计需求分析设计需求：利用所学 语言设计一个交通灯控制系统，具体要求如下：主干道绿灯 ，支干道绿灯 ，绿灯到红灯过度时间为 ，即黄灯亮 。用数码管显示倒计时。根据设计需求，得到如图 所示的设计需求分析结果。即设计需要完成 个基本功能：（）数码管显示控制；（）电平控制。图 设计需求分析）功能模块划分根据设计需求分析可知，需要实现数码管显示控制和 电平控制 个功能。（）数码管显示控制要想实现数码管的显示控制，需要首先明白数码管电路的本质。如图（）所示的 段数码管，其中、为 个发光二极管，当 个二极管按图（）所示的方式连接时，称作共阴极连接方式，此时如果 个二极管的正极若为高电平，则对应的二极管点亮，若为低电平，则对应的二极管熄灭。表 给出了数码管的输入信号与显示数值的对应关系。表 给出了二进制数据与数码管输入信号的对应关系。（）外观（）内部电路图 共阴极 段数码管表 共阴极 段数码管的显示数字与输入的对应关系数码管控制信号数码管显示结果电气电子教学学报 第 卷表 二进制数据与数码管控制信号的对应关系二进制数据数码管控制信号 为了能够实现数码管的显示控制，需要将二进制数据转换为数码管的输入控制信号，结合理论知识的学习，可以设计如图 所示的译码器来完成这个任务。图 显示译码器交通灯的计时功能需要设计一个计数器来完成。计数器的种类有很多，根据设计分析应该选择一个 编码的减计数器。图 给出了计数器与显示译码器之间的连接关系。图 计数器与显示译码器的连接关系（）显示控制根据题目要求，有 组 分别指示主干道和支干道。每组 个，分别为红、黄、绿三种信号灯。每组内的 同时刻只有 个点亮。组间的 需要根据设计要求配合点亮。依据设计需求，信号灯的组合共有 种，如图 所示。状态机可以方便地实现 信号等组合状态的逻辑表述，因此可以设计一个状态机来控制 信号灯，每个状态输出 信号灯的控制信号。种组合对应 种状态，表 给出了每种状态下信号图 信号灯组合灯的逻辑状态组合及时间等信息。表 种状态下的 信号灯控制信号状态状态编码状态时间（）主干道支干道红黄绿红黄绿主绿支红主黄支红主红支绿主红支黄 表 中的状态时间需要计数器配合状态机来实现。此处用到 编码计数器，功能用来产生数码管显示的倒计时时间，同时用计数值控制状态转换。表 给出了计数器数值与状态之间的对应关系。根据表 可得出状态之间的转换条件，如图 所示。图 中在 个状态的基础上增加了一个复位状态。表 计时器数值与状态机的对应关系状态状态编码状态时间计数器数值主绿支红 主黄支红 主红支绿 主红支黄 图 状态机设计第 期胡正伟，等：基础能力培养为目标的 案例教学方法 经过以上的功能分析，得到了如图 所示的功能模块划分结果，及各功能模块之间的联系。图 功能模块划分）功能模块设计功能模块设计主要是结合 语法知识，对功能模块进行逻辑描述，因此需要结合 语言的语法知识点进行实现。图 给出了以自底向上设计流程中与 相关的 个环节对应的知识点。图 本案例涉及的 语法知识点（）显示译码模块设计根据表 的真值表，采用 的 语句完成该单元的设计。（）编码减计数器设计（）状态机模块设计采用三进程有限状态机设计方法：进程：状态刷新（替换）；进程：状态控制（根据 及控制条件，决定）；进程：状态输出（根据，控制输出信号）功能模块集成功能模块集成一般采用结构描述方式，对应 的 和 语法格式。图 为系统集成后的 视图，可以清楚地看到系统中各个功能模块单元及之间的关联信号。图 系统 视图 ）仿真验证（）波形仿真图 为系统的整体仿真结果，为了方便显示，把整个仿真结果分为两部分。（）仿真结果前半部分（）仿真结果后半部分图 波形仿真结果（）系统虚拟仿真将设计的 工程封装为 软件下的，然后调用数码管及 等，搭建了如图 所示的虚拟仿真系统，更加直观地验证了设计的正确性。电气电子教学学报 第 卷图 虚拟仿真结果 结语基于自底向上设计流程的交通灯控制系统的 设计案例，详细展示了将基础能力培养和工程设计方法学融合到具体教学案例中的实现过程。同时在工程能力培养与理论知识之间建立有机的联系，提高了运用语法知识点完成具体设计需求的基础能力。参考文献胡正伟，孔英会，谢志远 以“学”为主导的 课程教学改革探索 中国电力教育，（）：张皎，金印彬，孙敏 以“项目引导实验”理念下的数字电子技术实验课程教学改革浅谈 以 音乐播放 器 设 计 为 例 电 子 质 量，（）：耿鑫，徐盛，徐宏，等 基于工程项目的 教学方法探讨 教育信息化论坛，（）：李营，吕兆承 基于项目引导和过程考核的 实验教 学 改 革 研 究 物 联 网 技 术，（）：胡正伟，谢志远，范寒柏，等 电子设计自动化 版 北京：中国电力出版社，：第 期胡正伟，等：基础能力培养为目标的 案例教学方法