一种片上数字电子技术实验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种片上数字电子技术实验系统，该系统针对高校的数字电路实验教学中，频繁的芯片插拔连线，导致芯片损耗大，学生实验效率低下，同时由于芯片资源有限，实验项目固定，缺乏灵活性的问题提出片上数字电子技术实验系统，该系统没有外部连接线，无需频繁插拔逻辑门电路，体积小成本低，实验效率高，灵活。只需要通过完善用户库，即可高效的进行各种综合性的数字电路设计实验，扩展后还可以进行单片机实验和EDA实验。各个扩展模块间可以级联，实现复杂数字电路的实验设计。系统集成度高，所有数字电路设计都在一片可编程逻辑器件中实现，可谓片上数字电路实验系统。

【技术实现步骤摘要】
一种片上数字电子技术实验系统
本专利技术涉及数字电路实验
，特别涉及一种片上数字电子技术实验系统。
技术介绍
在高校的教学中，数字电子技术实验是电子信息类、通信类、计算机类专业的一门重要的专业技术基础课，也是工程实践性很强的专业基础课。开设数字电路实验主要是让学生熟悉数字电子技术实验方法，培养学生分析、设计、组装和调试的能力。为将来的单片机、EDA、电子系统设计等课程打下基础。目前，高校的教学中采用虚拟软件Proteus仿真和实验箱来进行数字电路实验。一方面，虚拟软件Proteus仿真抽象且远离工程实践。另一方面，实验箱基于TTL或者COMS基本逻辑门电路在通用DIP封装IC插座插入不同芯片实现数字电路设计，针对不同的实验要备用大量的门电路芯片，频繁的芯片插拔连线，导致芯片损耗大，学生实验效率低下；同时由于芯片资源有限，实验项目固定，缺乏灵活性，不利于各专业实验教学的特色开展，无法完成综合性实验，不能发挥学生学习的主动性和独创性。随着电子集成技术的发展，基于FPGA的数字综合实验平台的设计与开发开始面向高校教学，但是其具有很高的复杂度，更适合EDA专业课实验，并不适合专业基础课得数字电路实验课程。因此，缺少一种软硬件结合、适合高校数字电路基础实验课程的开发平台供初学电路的学生学习。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提供一种软硬件结合且适合高校数字电路基础实验课程的开发平台以供初学电路的学生学习的片上数字电子技术实验系统。为此，本专利技术解决上述问题所采用的技术方案是：一种片上数字电子技术实验系统，由作为第一级实验平台的原理图开发平台、作为第二级实验平台的仿真平台和作为第三级实验平台的可重配置硬件平台组成的；原理图开发平台包括分别嵌入原理图开发平台的原理图设计单元、系统库、用户库、综合工具、配置文件和网表文件；仿真平台包括分别嵌入仿真平台的功能仿真单元和时序仿真单元；可重配置硬件平台包括分别嵌入可重配置硬件平台的JTAG配置电路、数据存储单元、MCU、可重配置数字芯片和外围电路。进一步地，第一级实验平台、第二级实验平台和第三级实验平台为依次由顶层向下设置，第一级实验平台基于原理图开发平台进行系统原理图设计，第二级实验平台基于第一级实验平台生成的网表文件进行电路功能仿真和时序仿真，电路功能仿真和时序仿真无误后，第三级实验平台基于可重配置硬件平台进行数字电路硬件实现。更进一步地，所述系统库包含系统自带元器件模型，用户库包含用户开发的元器件模型，用于给原理图设计单元提供所需元器件进行图形化电路设计和开发。更进一步地，所述仿真平台先由功能仿真单元进行功能仿真，功能仿真无误后由时序仿真单元进行时序仿真，所述功能仿真单元只验证数字电路的逻辑功能是否正确，不含有信号延时信息；所述时序仿真单元验证电路逻辑功能是否正确，同时含有信号的延时信息。更进一步地，所述数据存储单元为用于存储综合工具产生的配置文件的USB闪存盘。更进一步地，可重配置硬件平台基于可编程逻辑器件实现，可编程逻辑器件为AlteraCycloneII系列的EP2C8Q208C8。更进一步地，所述可重配置硬件平台中的外围电路可扩展，扩展后的外围电路包括开关控制电路、数码管显示电路、LED指示电路、脉冲触发电路、电源模块电路、下载电路、时钟电路、复位电路和配置电路；且扩展后的外围电路中各单元之间可以级联扩展以实现复杂数字电路的实验设计。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：a)本专利技术的片上数字电子技术实验系统没有外部连接线，无需频繁插拔逻辑门电路，体积小成本低，实验效率高，灵活。b)本专利技术的片上数字电子技术实验系统学生只需要通过完善用户库，即可高效的进行各种综合性的数字电路设计实验，扩展后还可以进行STM32单片机实验和EDA实验。c)本专利技术的片上数字电子技术实验系统，各个扩展单元间可以级联，实现复杂数字电路的实验设计。d)本专利技术的片上数字电子技术实验系统实验系统集成度高，所有数字电路设计都在一片可编程逻辑器件中实现，可谓片上数字电路实验系统。e)本专利技术的片上数字电子技术实验系统学生可以选择离线和在线两种实验形式，提高了学生实验的效率。附图说明图1是本专利技术的系统结构框图。图2是本专利技术外围电路扩展后形成的外围扩展电路的结构框图。图3是本专利技术的实施例的电路设计原理图；图4是本专利技术的实施例的仿真平台演示图；图5是本专利技术的实施例的功能仿真图；图6是本专利技术的实施例的时序仿真图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，片上数字电子技术实验系统，由作为第一级实验平台的原理图开发平台、作为第二级实验平台的仿真平台和作为第三级实验平台的可重配置硬件平台组成的；原理图开发平台包括分别嵌入原理图开发平台的原理图设计单元、系统库、用户库、综合工具、配置文件和网表文件；仿真平台包括分别嵌入仿真平台的功能仿真单元和时序仿真单元；可重配置硬件平台包括分别嵌入可重配置硬件平台的JTAG配置电路、数据存储单元、MCU、可重配置数字芯片和外围电路。作为第一级实验平台，原理图开发平台中的原理图设计单元基于QuartusII9.1软件的BlockDiagram/SchematicFile开发环境，系统库和用户库嵌入在原理图开发平台中，为原理图设计单元提供设计所需器件。系统库由QuartusII9.1软件库提供，用户库的元器件是利用VHDL语言设计，验证无误后添加到用户库内。设计好的原理图文件由综合工具综合生成配置文件和网表文件，提供给下一级平台使用。作为第二级实验平台，仿真平台包括功能仿真单元和时序仿真单元，所述仿真平台先由功能仿真单元进行功能仿真，功能仿真无误后由时序仿真单元进行时序仿真，所述功能仿真单元只验证数字电路的逻辑功能是否正确，不含有信号延时信息；所述时序仿真单元验证电路逻辑功能是否正确，同时含有信号的延时信息。具体的，功能仿真单元基于第一级实验平台综合工具产生的网表文件仿真电路逻辑功能，分析电路逻辑是否满足设计要求，如果不满足则修改原理图后再由功能仿真单元进行功能仿真，直到满足为止。功能仿真满足设计要求后由时序仿真单元进行时序仿真，时序仿真单元基于第一级实验平台综合工具产生的网表文件仿真电路逻辑功能和信号间的延时，分析电路时序否满足设计要求。作为第三级实验平台，可重配置硬件平台在仿真结果满足设计要求后，有两种配置方式，第一种配置方式为学生在线应用基于第一级实验平台综合工具产生的配置文件通过JTAG配置电路配置可重配置数字芯片进行硬件电路实现，并通过外围电路验证。第二种配置方式为离线设计模式，学生可以将基于第一级实验平台综合工具产生的配置文件存入数据存储单元，通过MCU调用配置文件配置可重配置数字芯片进行硬件电路实现，并通过外围电路验证。根据上述方案可实现在线和离线两种实验方式。再有，可重配置硬件平台中的外围电路可扩展构成外围扩展电路，如图2所示，外围扩展电路包括开关控制电路、数码管显示电路、LED指示电路、脉冲触发电路、电源模块电路、下载电路、时钟电路、复位电路和配置电路；且扩展后的外围电路中各单元之间可以级联扩展以实现复杂数字本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种片上数字电子技术实验系统,其特征在于，由作为第一级实验平台的原理图开发平台、作为第二级实验平台的仿真平台和作为第三级实验平台的可重配置硬件平台组成；原理图开发平台包括分别嵌入原理图开发平台的原理图设计单元、系统库、用户库、综合工具、配置文件和网表文件；仿真平台包括分别嵌入仿真平台的功能仿真单元和时序仿真单元；可重配置硬件平台包括分别嵌入可重配置硬件平台的JTAG配置电路、数据存储单元、MCU、可重配置数字芯片和外围电路。

【技术特征摘要】
1.一种片上数字电子技术实验系统,其特征在于，由作为第一级实验平台的原理图开发平台、作为第二级实验平台的仿真平台和作为第三级实验平台的可重配置硬件平台组成；原理图开发平台包括分别嵌入原理图开发平台的原理图设计单元、系统库、用户库、综合工具、配置文件和网表文件；仿真平台包括分别嵌入仿真平台的功能仿真单元和时序仿真单元；可重配置硬件平台包括分别嵌入可重配置硬件平台的JTAG配置电路、数据存储单元、MCU、可重配置数字芯片和外围电路。2.根据权利要求1所述的片上数字电子技术实验系统，其特征在于，第一级实验平台、第二级实验平台和第三级实验平台为依次由顶层向下设置，第一级实验平台基于原理图开发平台进行系统原理图设计，第二级实验平台基于第一级实验平台生成的网表文件进行电路功能仿真和时序仿真，电路功能仿真和时序仿真无误后，第三级实验平台基于可重配置硬件平台进行数字电路硬件实现。3.根据权利要求1所述的片上数字电子技术实验系统，其特征在于，所述系统库包含系统自带元器件模型，用户库包含用户开发的元器件模型，用于给原理图设计单元提供所需元...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲立国，邓亚颂，葛有根，盛宇，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34