PLD在数字电路教学中的应用

PLD在数字电路教学中的应用叶露林（江苏信息职业技术学院电子信息工程系江苏无锡 214000）摘 要: 可编程逻辑器件(PLD)是近年来发展最快的半导体器件，其应用日趋广泛，可实现很复杂的数字系统。本文探讨了如何在数字电路教学中引入PLD技术，并利用PLD以及硬件描述语言(HDL)进行数字系统设计，在尽可能的条件下让学生了解和掌握新技术、新器件，从而获得较好的教学效果。关键词:可编程逻辑器件(PLD);VHDL;硬件描述语言中图分类号: G642.423 文献标识码:BApplications of PLD in the teaching of digital circuitYe Lulin (Dept. of Electrical Communication, JiangSu College of Information Technology, JiangSu WuXi 214000, China)Abstract: PLD is the semiconductor devices that has been developing most rapidly in recent years. Applications of PLD devices become more widely, and it can be applied to design the very complex digital systems. This paper discusses how to use the technology of PLD in the teaching of digital circuits , and the use of PLD as well as the hardware description language (HDL) for digital system design. Students can master new technologies and new devices, and better teaching results can be gained.Key words: Programmable logic device(PLD); VHDL ; Hardware Description Language引言随着微电子技术及社会需求的发展, PLD1已成为电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术。在通用芯片上运用PLD 技术可实现各种数字逻辑功能,从简单的74系列电路至高性能CPU均能实现,PLD如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法或是硬件描述语言自由地设计所需要的数字系统2。数字电路课程是电类各专业的重点课程之一，通过本课程的学习，能使学生掌握数字电子技术相关的基础知识，并为今后深入学习电子技术领域的相关内容和从事相关开发打下良好的基础。同时，数字电路作为一门实践性很强的专业基础课程，通过理论教学以及实践教学的协调, 可以加深学生对课堂知识的深入理解, 对理论知识的直观体验, 以达到对所学知识融会贯通之效。现在，高职类院校已经将PLD内容纳入数字电路课程的理论教学中，在其配套的实践性教学环节中，有必要进行课程改革，做到理论与实践相互协调，互为补充。本文重点讲述将PLD融入数字电路实践教学环节的必要性以及方法。1 PLD应用于数字电路教学改革PLD技术是依靠计算机软件技术,由用户根据需要进行编程实现所需逻辑功能的数字集成电路,PLD 的使用极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程乃至设计观念,指明了数字电路的发展方向，其在数字系统中的应用，不仅大大简化了系统的设计过程，而且使系统的硬件结构简单、可靠性提高，同时，由于同一器件可以多次编程,节省费用,而且器件内容具有保密性、可靠性。在数字电路教学过程中，针对“组合逻辑电路”和“时序逻辑电路”教学内容，在相关实践性环节教学中，利用PLD以及HDL语言实现基本门电路、编码器、译码器、各种触发器以及计数器的功能，加深同学们对理论知识的理解，同时，通过相关的实践，可以使学生对PLD器件建立初步的感性认识，基本学会HDL程序设计和PLD硬件编程的方法。下面以二输入与门为例，介绍利用PLD进行数字系统设计方法，包括程序设计以及硬件验证。本实例基于Altera公司的Quartus_II软件和EPM7128ELC84-15(84)芯片，采用VHDL语言3进行程序设计。在软件编程过程中可以进行逻辑仿真，随时修改，其基本过程包含以下部分：（1）设计输入：新建设计工程，利用VHDL语言进行系统设计。（2）设计编译：实现设计项目的检查和逻辑综合，并为仿真和编程产生输出文件。（3）设计校验：利用编译器产生的数据文件完成逻辑功能仿真和延时特性仿真。（4）下载编程：将设计阶段生成的熔丝图文件通过通信电缆下载到当前器件中，并通过硬件电路对数字系统的功能进行验证。二输入与门VHDL源程序：LIBRARY IEEE;USE ieee.std_logic_1164.all;ENTITY Myand ISPORT (A, B: IN std_logic; C: OUT std_logic);END Myand;ARCHITECTURE a OF Myand ISBEGINC= A and B;END a; 图1 二输入与门仿真波形图1为二输入与门仿真波形，通过波形，可以查看自己的设计思想是否得到实现，如果有问题，可以很方便地修改错误，从而不必在硬件上作改动，极大地节约了成本，仿真不消耗资源，仅消耗少许时间，但从节约成本的角度考虑，这种时间消耗是完全值得的。图2 二输入与门验证电路图2为二输入与门验证电路，通过开关K1、K2 闭合、断开设定输入A、B 的高电平和低电平（开关闭合，对应输入为低电平，开关断开，对应输入为高电平），通过二级管LED的亮、暗指示输出 C 的高电平和低电平（LED亮，对应输出为高电平，LED暗，对应输出为低电平）。2 PLD在复杂数字系统中的应用传统的数字电路实践环节主要是基于分离元件和中、小规模集成电路芯片的电路，整个过程要经过繁复的连线和检查工作,以保证电路的正常工作。这种方法的优点是直观明了,但当实现的功能变得越来越复杂、规模越来越大时,就显得力不从心了。目前可编程逻辑器件(PLD ) 已有单片含高达上万个等效门的器件出现, 可实现复杂的数字系统。将PLD技术应用于课程设计或毕业设计，实现复杂数字系统设计，可以极大地丰富教学内容,改善和提高教学手段、方法和效果。我们以一个交通灯设计4为例来研究一下这两种方法的不同之处。交通灯设计的基本要求为: 具有通行时间计时显示功能,通过红、黄、绿灯指示通行方向; 紧急事件处理功能。(1) 采用传统方法进行交通灯设计学生一般先进行显示功能的设计,然后在面包板上组装电路,检查显示结果是否正确,然后，进行脉冲计数器以及状态转换电路等功能电路的设计，再逐级级联，级联时可能会出现时序配合不同步或尖峰干扰脉冲等等问题, 还需采取增加多级逻辑门进行延时、增加电容进行滤波等措施,整个过程比较繁杂，所需的中、小规模集成电路芯片以及导线比较多，学生将大量时间和精力消耗在电路的连线以及检验上。(2) 采用PLD器件进行交通灯设计学生可以在对整体系统充分分析的基础上，将整个交通灯系统分成多个子功能模块（基准时钟产生，按钮检测，数码显示，脉冲计数，指示灯状态转换），采用原理图或HDL语言完成各个子功能模块，然后将各子功能模块进行组合，完成整个系统的设计并进行仿真验证,若正确，则在PLD 器件上实现，否则再回到程序中进行修改。整个过程只需很少的硬件连线,大大缩短了设计时间，学生可以将时间和精力用于系统问题的分析，方案的比较选择上来，达到事半功倍的效果。PLD器件进行交通灯设计的原理框图如图3所示：按钮检测模块数码显示模块图3交通灯原理框图基准时钟产生模块指示灯状态转换模块EPM7128ELC84-15(84)脉冲计数模块3 结束语将PLD技术引入数字电路课程教学，弥补了传统教学过程中的不足，能够极大地提高数字电路教学的灵活性与开放性, 且成本低廉, 有极大的可操作性。学生经历从设计、仿真到实际的调试运行全过程，学生的新颖的构想也可很方便地实现, 有利于提高学生对实际问题的分析和解决能力，学生普遍感觉效果很好,学习兴趣增加了,教师的讲解也可以简洁明了,通俗易懂。同时，将较新的器件、产品引入学校课程教学中,让学生在学校学习期间就能对其了解与应用,对学生的综合知识和应用能力的培养，掌握较宽理论、跟踪科学技术发展起到一定的作用。参考文献:1 张伦,韩慧莲.可编程逻辑器件在教学实践中的应用J.太原师范学院学报(自然科学版) ,2003,(02)：36-382 尹常永.EDA技术与数字系统设计M.西安:西安电子科技大学出版社,2004.2-323 卢毅,赖杰.VHDL与数字电路设计M.北京:科学出版社,2001.28-924 李国丽.用PLD芯片和AHDL语言进行交通灯控制器设计J.合肥工业大学学报(自然科学版),2002,(04)：545