高职院校开展EDA教学的实践与研究
【摘 要】对电子设计自动化(EDA)技术进行了介绍，说明了其发展历程和特点及高职院校开展EDA教学的重要性；介绍了我院开展EDA教学的尝试，论述了开展EDA教学效果和体会。
【关键词】EDA教学 EDA技术 高等职业教育
一、EDA技术概述
EDA是英文“Electronica Design Automation(电子设计自动化)”的缩写，EDA技术是90年代迅速发展起来的，是综合现代电子技术和计算机技术的最新研究成果，是从事电子线路设计与分析的一门技术，包括电子线路的设计、计算机模拟仿真和电路分析、印刷线路板的自动化设计三个方面的内容。
回顾近30年电子设计技术的发展历程，电子设计方法走过了CAD(Computer Aided Design计算机辅助设计)、CAE(Computer Aided Engineering计算机辅助工程)、EDA三个发展阶段。---- 七十年代为CAD阶段，这一阶段人们开始用计算机辅助进行IC版图编辑和PCB布局布线，取代了手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。 ---- 八十年代为CAE阶段，与CAD相比，除了纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，以实现工程设计，这就是计算机辅助工程的概念。CAE的主要功能是：原理图输入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线，PCB后分析。 ---- 九十年代为EDA阶段，尽管CAD/CAE技术取得了巨大的成功，但并没有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来，在整个设计过程中，自动化和智能化程度还不高，各种EDA软件界面千差万别，学习使用困难，并且互不兼容，直接影响到设计环节间的衔接。基于以上不足，人们开始追求贯彻整个设计过程的自动化，这就是EDA（电子设计自动化）。
EDA设计是当前电子设计发展的最新阶段，与CAD和CAE之间的界限尚不明显。但是在CAD阶段是计算机辅助人完成任务，而应用EDA技术则是在人的指导下，由计算机完成设计任务。它使设计人员从繁重的重复性劳动中解放出来，把主要注意力放在电子系统建模、算法研究和行为描述等更高层次的设计工作上，那些大量具体的低层次工作由EDA工具和计算机去做。使用EDA技术有几大优点：一是在系统设计的各个过程分别进行仿真，保证了设计的正确性，使得设计能够一次成功；二是能够自行设计ASIC（专用集成电路）芯片，使得系统体积小、可靠性高、保密性好；三是设计方法由手工设计变为自动设计，可大大提高设计效率和设计质量。
EDA技术是90年代世界电子设计的最新技术潮流，也将是21世纪电子设计的主要技术方向，如果没有EDA的方法，现代电子系统的设计就变得没有实际意义可谈。例如大型航空中的电子系统、各种通信网系统、计算机网络系统等如果离开EDA将无法完成。现代信息电子企业中，不论其企业的规模大小，从产品设计到生产工艺都离不开EDA技术，所以说EDA技术是现代电子工程师所必须掌握的技术。
二、高职院校开展EDA教学的重要性
高等职业教育是以培养适应生产、建设、管理、服务第一线需要的，德、智、体、美等方面全面发展的高等技术应用性专门人才为宗旨，以职业岗位关键技术能力为本位培养人才。技术型人才主要从事技术的应用与运作，他们的任务是实施已完成的设计、规划和决策并转化成产品，在生产一线工作，需要具备一定的理论知识和技能。高等职业教育要与现代科技的发展和企业生产实践紧密地联系起来，才能适应社会经济发展的需要。当前不论从科技发展的角度还是从人才培养的角度，EDA在高等电子职业教育中都应占有一席之地，而且越早起步越主动。在西方发达国家，EDA技术已在电子工业界得到广泛应用，许多大学已将EDA融入教学并占有重要地位。在美国学电子的大学生如果不熟悉EDA毕业后难以找到合适的工作，美国大学生在校期间利用EDA技术参与开发电子产品并获得了效益。
与国际先进的电子设计方法和教学手段相比较，目前国内高职院校在电子类课程的教学内容教学方法、实践环节上都有较大差距。特别是学生的实验手段有不少还停留在传统的中、小规模集成电路的安装、焊接、调试的阶段，还是采用传统的“基于电路板”的设计方法。许多同学甚至一些教师对电子系统设计的EDA方法还不甚了解，电子课程体系及课程设置也不够合理，课程的教学内容还未能适应当前电子技术特别是电子设计技术的发展，现代化教学设备及其相应适合教学的EDA工具软件也比较缺乏。这些差距都是客观存在的，但是最大的差距还是我们思想观念上的差距。因此以开展EDA教学为契机、和国际先进水平接轨，深入进行面向21世纪电子类课程体系、课程内容和教学手段、教学方法的改革迫在眉睫。
其实开展EDA教学并不神秘，在校期间开展EDA教学主要是让学生学习领会EDA的设计思想和初步学习使用典型的EDA设计工具的方法。现代EDA工具日趋高度自动化，具有良好的人机界面、可视化设计方法及系统框架结构，使得设计者可以把主要精力放在概念设计等顶层设计上，而把大量具体的层次化设计工作留给EDA系统去做。传统的电子设计方法与现代系统设计方法的区别就在于传统设计过多地依赖设计者的知识和经验，而现代系统目标设计方法使定性化设计方法与定量化设计计算得到统一。现代EDA工具性能越来越强大，但它的使用并未因此变得更为复杂。在校学生只要具有电子线路基础和一般计算机技能，就完全可以通过学习掌握这门技术。
EDA工作是一项极具创造性和富有吸引力的工作，可使我们的学生利用计算机亲手设计出自己构思并实现一定功能的电子电路和电子系统，其结果可以直接形成CPLD芯片或PCB板，也可将设计参数和版图交付半导体厂家生产ASIC芯片。由于掌握了EDA这种先进的设计方法和手段，使得原本复杂的电子电路或电子系统设计实现起来并不困难，学习EDA方法使学生的实际水平和综合工作能力，包括计算机技能都得到充分提高和极大发挥。这也说明，随着社会的发展，掌握新技术、新方法十分重要，今日的计算机已不仅仅是做为简单的“工具”使用，计算机及其相应的技术已深深融入各个专业技术领域，在高等职业教学改革中对此应有充分的认识。
当前高等院校已有为数众多的公用计算机，加上大学生中个人拥有的计算机，学生上机起来非常方便。另一方面世界上许多半导体生产厂商都推出了各自的EDA开发平台，有商业版、基础版和学生版。其中学生版非常便宜，有的甚至可以在互联网上免费下载，这为在EDA技术教学提供了物质基础。
此外，目前流行的EDA软件运行环境大都为Windows98或Windows2000，许多操作与Windows的操作一样。对于一些特殊的操作，也可以借助于软件提供的帮助文件（Help文件）来完成，软件的Help文件是一个巨大的资源库，我们可以从中找到大多数EDA软件的使用指南，包括菜单使用及软件各种选项的设置等。学生从大学一年级开始每学期都接触计算机，在计算机方面的知识和技能为学习与使用EDA软件已打下了足够的基础。
三、我院EDA教学的实施
EDA兴起于本世纪70年代，但真正进入我国高校的教学和科研工作开始于90年代初期。北大、清华当之无愧的成为EDA教学科研的带头人，他们的师资力量、实验室的资金和技术储备以及实验科研规模都是首屈一指的。华东地区的一些高校(以东南大学、上海交通大学、南京航空航天大学等为代表)和西北地区的一些高校(以西北工业大学、西安交通大学等为代表)开展EDA教学工作也比较早，目前已基本形成了比较完整的教学科研体系，取得了不容忽视的成绩。
与国内各知名本科院校相比，我国高等职业院校在EDA 的教学和科研工作有着明显的差距。学生现在做的课程实验普遍陈旧，有的甚至还在做着20年前的完全用分离元件搭制的电路实验，学生动手能力较差，如果不下决心进行教学改革，跟踪和追赶先进，我们高等职业教学必将陷入被动的局面。从某种意义上来说，EDA教学科研情况如何，代表着一个学校电类专业教学及科研水平的高低，而EDA教学科研工作开展起来后，还会对微电子类、计算机类学科产生积极的影响，从而带动各高等职业相应学科的同步发展。另外，对高等职业电类专业学生而言，了解EDA的基本概念，具备EDA的基本技能，也是他们将来走上工作岗位必备的素质和最基本的要求。如果我们的学生仅仅知道一些理论知识没有实践技能，在实际工作岗位上是毫无用处的，也是毫无岗位竞争力的。因而加快我国高等职业院校EDA教学及科研工作的建设是很有必要的。
我校虽属高等职业地方院校，但开展EDA工作有一定的基础，全校计算机教学获得广泛开展并有良好的硬件环境。为了建立面向21世纪的教学工程，把新知识、新技术和新的教学手段引入教学，培养出21世纪的优秀人才，我们将EDA技术纳入了教学计划，电子系2000级开始开展了电子线路CAD教学，讲授澳大利亚 Protel Technology公司推出的Protel系列电路设计软件，该软件主要包括原理图设计系统(Advanced Schematic)、印制电路板设计系统(Advanced PCB)、PCB自动布线系统(Advanced Route)、信号模拟仿真系统(Advanced SIM)、信号完整性分析系统(Advanced Integrity)和可编程逻辑设计系统(Advanced PLD)，并引入了设计数据库的思想并结合网络化设计思想建立了全新的文件管理方式和网络设计机制。
在电子线路CAD教学的基础上，又开展了EDA教学，在众多的EDA工具软件中，我们选择了EWB(Electronics Workbench) 软件，由于其卓越的性能脱颖而出，成为国内外许多院校EDA实验室的主要应用软件。
EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世纪80年代末、90年代初推出的专门用于电子电路设计和仿真的软件。它具有容易掌握、元器件种类丰富、界面直观、操作方便等优点。它以著名的SPICE仿真模型为基础，提供了一个集成化的模拟和数字电路的虚拟实验环境，它以原理图方式输入，具有与真实环境相一致的可视化界面，实验所得结果与实际调试结果十分相似。在该软件下完成的电路文件，可以直接输出给Protel、orCAD等流行的PCB软件，供印刷电路板设计之用。因此，EWB软件不仅可用于电子电路EDA教学，而且还可以用来完成实际电路的设计。
在我院各级领导的高度重视下，目前我院电子系EDA实验室已有网络服务器l台， 配备Inter Pentium 4 1.8GHz（CPU）、256MB内存、17寸彩色显示器工作站50台，教师在多媒体教室讲授EDA软件的功能和使用，学生在EDA实验室通过上机来学习使用EDA软件，通过上机练习来实践，使学生掌握电原理图的编辑、电路板PCB的设计、电路仿真的常用分析方法。同时配合电子系专业基础课《电子工艺技术》和课程实训，使学生在掌握应用计算机进行电子线路设计的技能，提高电子线路的设计效率的同时，让学生通过动手制作电子线路板的实践，了解印刷电路板的制作工艺，并要求学生能够利用所学的模拟电子技术、数字电子技术、单片机及其接口技术等知识进行电路设计、产品开发等实践环节，从而极大地发挥了学生的积极性和创造性，培养了学生独立解决问题的能力。
四、EDA教学的效果与体会
我院电子系在三年多的EDA教学实践中取得了一些效果和体会，通过一段时间EDA教学实践，使学生了解和初步掌握了最先进的电子系统设计技术，学习了电子设计自动化方法和设计思想，并培养了他们的抽象思维能力，提高了学生学习应用电子技术课程知识解决实际问题的能力，锻炼了学生应用EDA技术解决小型电子电路系统设计的能力，对毕业设计及将来在工作中应用EDA技术打下初步的基础。学生通过学习，普遍认识到EDA技术在当今社会的重要性，认为EDA技术是一门十分有用的学科，它必将取代传统设计方法而成为主要的设计手段。
针对EDA教学主要是介绍软件的使用，我们采用多媒体计算机辅助教学手段，使得学生在很短的时间内就能迅速掌握计算机辅助电子线路设计的方法，大大提高了教学效率。同时，结合多媒体教学内容要求学生进行上机操作训练，教师根据学生学习情况实行个别辅导，巩固课堂教学效果。
EDA技术是一门实践性很强的课程，我们把高职EDA教学的重点放在要求学生掌握印刷线路板设计与制作能力，掌握利用EDA技术进行电路分析与仿真的基本技能，同时要求学生把理论课上学习的知识应用到学生自己的实践环节中去。我们通过加强学生上机操作训练和实际动手操作环节，使学生在掌握理论课所学内容的同时获得了实际的操作训练，提高了本课程的教学质量。
我院EDA教学重点是要求学生掌握Protel和EWB软件的使用，能够独立进行计算机电子电路辅助设计与电路分析、仿真，加强学生实际动手能力，在此基础上我们还向学生介绍了其它EDA技术，如Multisim软件的仿真应用和Protel最新版本软件等，从而扩大了学生的知识面，为将来学生从事电子产品开发奠定了基础。
EDA技术发展非常快，作为教学不可能与学生毕业所面临的工作一模一样。EDA教学应立足于培养学生对EDA技术基本方法的掌握和应用，学生需要在今后的工作中不断学习，对他们进行学习先进技术能力的培养更为重要。参与EDA教学的教师应不断通过自身的学习提高，把世界上最先进的技术和最新的知识带学生，起到抛砖引玉的作用。
基于EDA教学的特点，本课程的考核以实践为主，即实行平时实际操作考核法。本课程的总成绩包括平时实际操作成绩(40%)和期末EDA作品成绩(60%)两部分。通过加强平时上机操作考试，使得学生加强了学习的主动性，改变了学习的被动状况。
我院电子系EDA教学在2003年全国大学生电子设计竞赛和历届毕业生的毕业设计中起到了很大的作用。为配合EAD教学，电子系购置了一套电路板快速制板系统，系统由一台数控热转移式制版机和一台印刷电路板快速腐蚀机及具有耐高温不粘连特性的热转印纸组成。利用该系统，可以非常快速地小批量生产印刷电路板，该系统与传统的制板工艺相比具有制板精度高、制板成本低廉和制板速度快等优点，制作一块单面印刷电路板，仅仅需要10~20分钟，还可以一次制作出双面板(不含孔金属化)，或者带字符的单面板。
在2003年全国大学生电子设计竞赛中，参赛学生在项目确定后，用EWB软件对电路进行仿真，用Protel软件进行印刷电路板PCB排版，用电路板快速制板系统进行电路板制作，在较短时间内完成了电子设计竞赛项目，并取得了全国大学生电子设计竞赛的三等奖。
毕业设计是高等职业教学的一个非常重要的环节。目前毕业设计工程应用类题目不少，但是由于毕业设计经费较少、器件、仪器设备不足及其它原因，毕业设计结果往往是原理性讨论和分析。不能进行实际的调试和验证，学生仍停留在原理分析上，而不能经历实际研究设计的实践过程。毕业设计的效果大打折扣。我院电子系在毕业设计过程中引入EDA技术，对所设计的电路进行模拟仿真，在答辩时进行演示，并要求学生制作样机，样机的印刷电路板必须用Protel软件进行绘制，这样既保证毕业设计质量，又能提高学生的实践动手能力和开发能力，不失是克服现在毕业设计存在的问题的一种途径。
另外从几届毕业生就业的情况分析，掌握了CAD技术和EDA技术，在就业时就表现出较强的竞争力。
五、结束语
EDA技术是电子设计领域的一场革命，目前正处于高速发展阶段，每年都有新的EDA工具问世，我国EDA技术的应用水平长期落后于发达国家，因此，在我国高等职业院校开展EDA教学是极其迫切的任务，不仅可以培养一大批高素质的电类专业人才，而且关系到我国否能成为技术大国的生死悠关的问题。我们要积极进行教学改革，探索EDA教学的内容、方法、手段，从人才培养的总目标出发，站在教学计划和课程设置整体优化的高度组织课程和教学内容，全面推进当代大学生素质教育和创新能力的培养，为培养出21世纪的优秀电子人才而努力。
