积木式多层级数字电路实验箱

张翠翠, 张世娇, 张鹏辉, 符 均

(西安交通大学 电子与信息工程学院, 陕西 西安 710049)

数字电路实验课程是电类学生的必修课,是电类学生的实验教学的基础和核心,是可编程逻辑器件、DSP原理及应用、微机原理接口技术等应用类课程的基础先修课。

电子技术的变化主要体现在以下几个方面：电路设计高度复杂化、集成化、智能化,对运算速度的要求越来越高；设计工具的集成度和复杂度越来越高；设计方法发生了变革,电路设计软件化、电路描述语言化；同时相关的仪器设备的复杂度提升。随之,数字电路设计的教学开始由偏重电路向偏重逻辑发展,由中小规模数字电路向超大规模数字电路发展,由手工设计向自动化设计发展[1-3],向业界主流工程技术看齐。 同时,考虑到信息多元化时代下当代大学生的个性化及自我意识增强等特点,我校数字电路实验课程从实验内容、教学方法、实验设备上探索新的改革[4-6]。实验内容方面,设计一套重基础、靠近工程、富含活力的教学内容体系,让学生亲自动手实现循序渐进地从基本动手能力的培养达到工程实践能力培养的过渡；教学方法方面,结合翻转课堂、微课视频、线上线下的新型教学模式[7-9],设计针对性的教学方法,使教和学更有效；实验设备方面[10-12],力求研制契合的教学设备,紧跟业界主流技术,激发学习兴趣、调动学生的积极性、挖掘学生的潜力。为此,研制了积木式多层级数字电路实验箱。

1 实验箱设计

1.1 设计思想

在设计实验箱时有两个方面的考虑：一是便携性,二是功能丰富性。随着线上线下教学模式的发展,实验设备需要方便携带,以其使用不受时间和空间的限制,这就要求实验设备要小巧灵活且安全方便使用。但是小的设备很难保证其功能的丰富性,而本文设计的实验箱必须是功能丰富的系统才能支撑起数字电路实验教学、才能担起学生电子技术工程能力的培养任务。便携性和功能丰富性,两者都不能丢弃。

经过长时间的探索、试错和选择,实验箱最终确定为积木式的设计架构。整个实验箱设计多个积木块,充实其功能,而在实际应用时针对特定的应用背景选取其中必要的积木块搭建系统,避免系统过于庞大。实验箱的积木块主要划分为底板、基础主控板、提高主控板、外设模块。基础主控板和提高主控板自身是一个完备的系统,可以带出实验室使用,也可以和外设模块选择性地插接到底板上,构成更丰富的系统。基础主控板体积小、复杂度低,可以完成数字电路实验的基本实验任务；提高主控板,体积较大复杂度高,可以实现较大规模的数字电路。底板是一块插接板,负责各积木块的插接以组成各式各样的电路系统。外设模块作为丰富实验箱功能的主力军,完成电路调理、传感器接入等任务,随应用即时添加扩展。

1.2 底板

底板主要负责各积木块的插接,大小同A4纸,如图1所示。

图1 底板

特点如下：

(1) 板上含有电源模块,5 V接入,提供5 V、3.3 V、2.5 V 3种电源输出,供给其他积木块使用；

(2) 板上有基础主控板、提高主控板以及外设模块的插接口；

(3) 板上有LED灯和7段数码管、按键和拨位开关等输入输出部件,方便电路设计的结果验证；

(4) 板上含有面包板,可手动搭建电路,提高电路设计的灵活性和完备性。

1.3 基础主控板

基础主控板定位为口袋实验板,设计时主要考虑易用、好用、便携,特设计为银行卡般大小,可支撑基础的实验任务,如图2所示。主要特点如下：

(1) 使用MAX V 系列中体积最小芯片类中资源最多的5M160ZE64,64个管脚,160个逻辑单元,程序掉电不丢失,不用外加配置芯片,减少板子体积；

(2) 板上设计有USB-Blaster下载调试器,无需外配下载器,方便程序下载调试；

(3) 板上含有LED灯、拨位开关、按键等基本输入输出部件,方便电路设计的结果验证；

(4) 板载USB-UART串行通信,实现板与PC之间、板与板之间的通信互联；

(5) 板上引出主控芯片的40个IO到插针上,方便与其他积木块的连接。

图2 基础主控板

基础主控板是一个独立完备的系统,鼓励学生人手一个,带出实验室,也可插接到底板上与其他积木块组成更丰富的电路系统。

1.4 提高主控板

提高主控板作为基础主控板的补充,用于支撑较大规模电路设计和高速信号处理的实验任务。较基础主控板大,如移动硬盘大小,如图3所示。

图3 提高主控板

主要特点如下：

(1) 选用CYCLONE IV E系列的EP4C15F17C8芯片,资源丰富,可实现较大规模数字电路；

(2) 板上设计了高速ADC链路,125 MHz采样率,可处理50 MHz带宽的信号调理；

(3) 板上设计了高速DAC链路,250 MHz数据转换率,可输出50 MHz带宽的信号；

(4) 板上引出主控芯片的40个IO到插针上,方便与其他积木块连接。

提高主控板的FPGA芯片是BGA封装,该板子设计目标为高速信号处理,所以在设计时要充分考虑信号的完整性,板子使用4层板设计,严格按照高速信号设计的要求和规则来布局布线。提高主控板是一个完备的系统,可独立使用(鼓励部分能力强的学生借出实验室做电路设计和开发),也可以插接到底板上构成更丰富的系统。

1.5 外设模块

为进一步扩展实验箱的功能,增设外设模块。外设模块根据实际的应用按需即时添加。目前已有模块如图4所示。图4中从左至右依次为跟随比较模块、高精度ADC、DAC模块,旋转编码器输入模块、并行液晶显示模块。

图4 外设模块

外设模块协同基础主控板或提高主控板,完成更丰富的电路系统。图5是外设模块和基础主控板插接到底板上的实物图。

图5 外设模块和基础主控板插接到底板上

2 积木式多层级实验教学方案

不同积木块的组合使用,可实现不同层级的实验内容,实现不同层级的实践教学,如表1所示。

2.1 实验箱的多层级设计

基础主控板支撑中小规模和中低速度的电路设计,提高主控板支撑较大规模和高速电路设计；主控板配合外设模块实现多种应用电路的设计；主控板配合外设模块配合模拟调理电路实现模数混合应用电路的设计。

表1 多层级实验教学方案

2.2 实验内容的多层级设计

实验内容分为验证性、设计性、综合性实验。基础验证性实验是针对数字逻辑电路中的基础知识设计的验证性实验,帮助学生通过实验更直观地认知和学习,属于工程认知的范畴。设计性实验是在掌握基础理论知识的前提下,学生通过举一反三进行自主的电路设计,属于工程设计的范畴。综合应用性实验在前两者的基础上,结合各学科的知识,使用数字电路的知识解决实际的问题,属于工程应用的范畴。

2.3 多层级的实践教学

使用不同层级的积木版块,搭建不同层级的电路系统,完成不同层级的实验任务,从工程认知、到工程设计、到工程应用,逐层培养学生的电子技术工程能力。依托积木式的多层级实验箱,精心设计富含趣味性、探索性、挑战性的实验项目引发学生自主学习,为学生搭建工程学习阶梯。

3 作品展示

实验箱自2016年投入实践教学以来,主要用于实验教学、学生竞赛、科技创新、教师竞赛等。依托该实验箱,产生了不少优秀的实验案例,并获得了不少奖项。图6是依托该实验箱实现的数字钟结果展示。该数字钟使用基础主控板或提高主控板配合底板完成,使用底板上的动态扫描数码管做显示。如果仅是实现一个数字钟,基础主控板的资源就足够。若要为数字钟加上多点闹铃、倒计时等丰富的功能,则需要提高主控板配合底板才能完成。该项实验案例让学生直观感受功能实现与电路设计和资源占用三者之间的关系。该项实验案例获得2018年全国电工电子实验教学案例竞赛一等奖。

图6 数字钟

图7是学生作品——电子称。该作品使用面包板、高精度ADC模块和基础主控板完成。在面包板上搭建仪表放大器电路,对压力传感器的输出信号进行去噪和放大,放大后的信号由ADC模块进行模数转换,得到的数字信号送给基础主控板进行进一步的去噪和显示处理,同时基础主控板还完成去皮、单价设置等操作。图7中示波器显示的波形是压力信号经仪表放大器后的输出信号,也是ADC模块的输入信号。

图7 电子秤

图8是学生作品——心率计。使用面包板和基础主控板完成。使用红外发光管和红外接收管自制传感器。将手指放在红外对管之间,由于脉搏的跳动导致手指血液流动变化,接收管得到随之变化的电压信号。电压信号经过滤波、去噪、放大、迟滞比较后得到方波信号。方波信号交由基础主控板进行频率测量就可得到待测者的心率。图8示波器波形中蓝色线是去噪放大后的心率信号,黄色线是经过比较器后得到的方波信号。

此外,该实验箱中的提高主控板在陕西高校中青年教师实验技能竞赛中发挥了重要作用。比赛中,使用提高主控板完成了宽带信号生成[11]和宽带信号采集测量,达到了题目要求,最终获得二等奖的成绩。学生依托该实验箱参加全国高校物联网应用创新大赛、腾飞杯课外学术科技作品竞赛、全国大学生电子设计竞赛、大学生信息新蕾计划、大学生创新训练项目等多项竞赛和科研活动,取得了不少成果。

图8 心率计

4 总结

该实验箱采用积木的设计思想,有效解决了便携性和功能丰富性之间的矛盾,为线上线下、翻转课堂等新型实践教学模式提供了设备支撑,提高了实践教学的教和学的有效性。

该实验箱底板、基础主控板、提高主控板均采用5 V/2 A直流供电,可以方便地使用电源适配器或移动电源供电。自研制开始,基础主控板经过5版的改良、提高板经过3版的改进后,整个实验箱开始投入实验教学2年，总计400人次,学生反响良好。

同时该实验箱在学生科技创新活动、学生竞赛、教师竞赛中积累了多项实验案例,有多项成果,为实验教学和科技创新的设备支撑,切实培养和提高了学生的创新精神和工程实践能力。