以學(xué)科競(jìng)賽為驅(qū)動(dòng)FPGA實(shí)踐教學(xué)改革探究

李劍 王少杰

[摘 要] 以邵陽(yáng)學(xué)院信息工程學(xué)院FPGA實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀和電子設(shè)計(jì)大賽的趨勢(shì)為結(jié)合點(diǎn)，提出FPGA實(shí)踐課程教學(xué)改革的方向，對(duì)FPGA理論課程教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的實(shí)驗(yàn)安排項(xiàng)目以及實(shí)踐考核方式進(jìn)行優(yōu)化改革，以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)與創(chuàng)新的能力，達(dá)到自主完成電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試的目的，并在學(xué)科競(jìng)賽中取得優(yōu)異的成績(jī)。

[關(guān) 鍵 詞] 學(xué)科競(jìng)賽；FPGA；實(shí)踐教學(xué)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2019）01-0084-02

一、FPGA實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

目前我院電子信息工程專(zhuān)業(yè)在FPGA課程領(lǐng)域中開(kāi)設(shè)三門(mén)相關(guān)理論課程：數(shù)字電路基礎(chǔ)、EDA和SOPC技術(shù)與應(yīng)用。數(shù)字電路基礎(chǔ)是電子信息工程專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程，學(xué)生從初步認(rèn)識(shí)數(shù)字系統(tǒng)開(kāi)始，學(xué)習(xí)掌握數(shù)字系統(tǒng)的各個(gè)功能部件，如數(shù)據(jù)選擇器、編碼器、譯碼器、加法器、鎖存器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器等，掌握用組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路分析和設(shè)計(jì)的方法，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多是基于這些功能塊完成電路功能的測(cè)試或者設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)為12課時(shí)，但不能設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的數(shù)字系統(tǒng)，因?yàn)椴捎眯∫?guī)模集成電路設(shè)計(jì)大規(guī)模集成電路電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，PCB上需要組裝的元器件數(shù)量多，影響電子系統(tǒng)的性能和功耗，與電子設(shè)計(jì)大賽提出的性能指標(biāo)不符；EDA課程是數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一種自動(dòng)化設(shè)計(jì)方式，以硬件描述語(yǔ)言（HDL），采用“自頂向下”的方式完成對(duì)功能塊電路的描述，通過(guò)使用EDA開(kāi)發(fā)工具，在FPGA上實(shí)現(xiàn)其功能電路，是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)的核心，但目前開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多是基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)課時(shí)為10課時(shí)，如二選一數(shù)據(jù)選擇器、全加器的設(shè)計(jì)、四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、數(shù)控分頻器的設(shè)計(jì)，由于實(shí)驗(yàn)安排的課時(shí)數(shù)量有限，因而也沒(méi)有達(dá)到對(duì)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，且部分實(shí)驗(yàn)與數(shù)字電路課程實(shí)驗(yàn)重復(fù)；SOPC技術(shù)與應(yīng)用屬于嵌入式范疇的應(yīng)用，是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的整合，是片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)的途徑，數(shù)字系統(tǒng)中功能塊電路以軟IP的形式集成在SOPC Builder軟件中通過(guò)配置和定制，完成數(shù)學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一般安排在大四第一學(xué)期作為選修課程。

在這些課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生技能不強(qiáng)的問(wèn)題沒(méi)有得到根本解決，實(shí)驗(yàn)課程一般包含學(xué)生對(duì)EDA軟件和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)箱的基本使用，對(duì)常見(jiàn)數(shù)字功能塊電路的設(shè)計(jì)，相對(duì)于FPGA技術(shù)的發(fā)展，這種相應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)稍顯陳舊，存在一些課程之間內(nèi)容重復(fù)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施不一致的問(wèn)題。綜上所述，F(xiàn)PGA課程的實(shí)踐教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容需要進(jìn)行改變，應(yīng)該充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和綜合能力，使不同層次和不同能力的學(xué)生在FPGA課程中均能充分發(fā)掘自身的潛力。

二、學(xué)科競(jìng)賽中FPGA的技術(shù)

電子類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽包括全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和湖南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽。全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽自1994年至今已成功舉辦14屆，深受全國(guó)大學(xué)生的歡迎和喜愛(ài)，參加學(xué)校、參賽隊(duì)和參賽學(xué)生逐年遞增。它是由教育部、信息產(chǎn)業(yè)部和索尼（中國(guó)）、瑞薩、TI公司贊助的四大學(xué)科競(jìng)賽之一，它是面向全國(guó)大學(xué)生、高職高專(zhuān)生的群眾性科技活動(dòng)，目的在于推動(dòng)全國(guó)普通高等學(xué)校促進(jìn)信息與電子類(lèi)學(xué)科面向21世紀(jì)課程體系和課程內(nèi)容改革，有利于高等學(xué)校實(shí)施素質(zhì)教育，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、協(xié)助精神和理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)；有助于學(xué)生工程實(shí)踐素質(zhì)的培養(yǎng)，提高學(xué)生針對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行電子設(shè)計(jì)制作的能力；有助于吸引、鼓勵(lì)廣大青年學(xué)生踴躍參加課外科技活動(dòng)，為優(yōu)秀人才的脫穎而出創(chuàng)造條件。對(duì)學(xué)生而言，電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和賽前系列培訓(xùn)，使他們獲得了電子綜合設(shè)計(jì)能力，鞏固了所學(xué)知識(shí)，并培養(yǎng)了他們所用理論指導(dǎo)實(shí)踐、團(tuán)結(jié)一致、協(xié)同作戰(zhàn)的素質(zhì)；通過(guò)參加競(jìng)賽，參賽學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程中的不足，找到努力方向，為畢業(yè)后從事專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作打下更好的基礎(chǔ)，為將來(lái)就業(yè)做好準(zhǔn)備。

湖南省從2010年開(kāi)始，單數(shù)年進(jìn)行國(guó)賽，雙數(shù)年進(jìn)行省賽，目的在于使每屆大學(xué)生均可以得到這種特殊訓(xùn)練，為國(guó)家培養(yǎng)更多的有用人才，從歷屆競(jìng)賽出題方向來(lái)看有電力電子類(lèi)、儀器測(cè)量類(lèi)、控制類(lèi)、高頻通信類(lèi)。在儀器測(cè)量類(lèi)題型中，應(yīng)用FPGA技術(shù)完美地實(shí)現(xiàn)這種解決方案，得益于FPGA的硬件資源豐富，可并行工作，時(shí)鐘頻率高。如在1997年和2015年國(guó)賽中頻率計(jì)，可以把控制電路比如單片機(jī)和功能電路都以IP核方式在FPGA上實(shí)現(xiàn)，只需要輔助外圍放大電路就能實(shí)現(xiàn)高精度、寬頻帶的頻率計(jì)，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求?？v觀歷年試題，F(xiàn)PGA在信號(hào)采集、存儲(chǔ)、頻率測(cè)量和信號(hào)的產(chǎn)生等方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，涉及FPGA技術(shù)的題目如下頁(yè)表所示，2017年電子設(shè)計(jì)大賽以綜合性的題目為主，F(xiàn)PGA技術(shù)能實(shí)現(xiàn)其中部分功能，其趨勢(shì)往數(shù)字信號(hào)處理方向發(fā)展。

三、FPGA實(shí)踐教學(xué)改革

根據(jù)目前FPGA課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，以學(xué)科競(jìng)賽為契機(jī)，提出FPGA實(shí)踐教學(xué)改革的思路和方法，旨在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和綜合設(shè)計(jì)水平，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

（一）理論課程的優(yōu)化改革，開(kāi)設(shè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)

目前，把數(shù)字電路基礎(chǔ)和EDA課程合并為一門(mén)數(shù)字設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論課程，自編教材，理論課時(shí)80學(xué)時(shí)；開(kāi)設(shè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)《數(shù)字設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》，自編實(shí)驗(yàn)教材，實(shí)踐課時(shí)32課時(shí)，解決了實(shí)驗(yàn)課時(shí)偏少的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了優(yōu)化，避免重復(fù)開(kāi)設(shè)。在實(shí)驗(yàn)安排上數(shù)電8課時(shí)，對(duì)組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路功能塊電路測(cè)試和設(shè)計(jì)；安排8課時(shí)中規(guī)模電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作；FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)安排16課時(shí)，其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：AD采用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、DDS信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)、直流電機(jī)綜合測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等精度頻率計(jì)，SPWM脈沖調(diào)制控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

（二）開(kāi)設(shè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)意識(shí)

為了進(jìn)一提高學(xué)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力以滿(mǎn)足電子設(shè)計(jì)大賽設(shè)計(jì)要求，首先培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，我們對(duì)FPGA實(shí)踐技能進(jìn)行分類(lèi)，便于學(xué)生掌握和指導(dǎo)教師追蹤。把FPGA技術(shù)的內(nèi)容的學(xué)習(xí)分解為硬件技術(shù)的掌握和VHDL軟件編程，按學(xué)習(xí)路線(xiàn)圖進(jìn)行任務(wù)分解。

硬件方向?qū)W習(xí)路線(xiàn)圖：以開(kāi)發(fā)板為載體，掌握硬件電路下載、SignalTapII調(diào)試、儀器儀表對(duì)FPGA輸出引腳時(shí)序的測(cè)試。

軟件方向?qū)W習(xí)路線(xiàn)圖：掌握自頂向下的設(shè)計(jì)思想、VHDL語(yǔ)法語(yǔ)義、功能塊電路VHDL描述、數(shù)字系統(tǒng)頂層電路的構(gòu)建以及QuartusII軟件LPM宏資源的調(diào)用。

從歷年試題中提煉出DDS信號(hào)發(fā)生器等精度頻率計(jì)、數(shù)字示波器等題目，作為開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求3人一組，配合協(xié)調(diào)自主完成設(shè)計(jì)一個(gè)完整的數(shù)字系統(tǒng)，這樣學(xué)生就能積極主動(dòng)地把學(xué)科競(jìng)賽的熱情延伸到實(shí)踐教學(xué)中。

（三）考核方式的改革

獨(dú)立實(shí)驗(yàn)課程按照常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求來(lái)考核學(xué)生，包括考勤、學(xué)生實(shí)驗(yàn)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是考勤占10%、學(xué)生實(shí)驗(yàn)態(tài)度占20%、實(shí)驗(yàn)過(guò)程占20%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占50%。

開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)學(xué)生的學(xué)習(xí)方向、學(xué)習(xí)方法和項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)展，及時(shí)解決學(xué)生的難題或提出解決方案，做好項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)之間及團(tuán)隊(duì)內(nèi)部學(xué)生之間的協(xié)調(diào)工作。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式有需求分析、資料查閱、方案論證、設(shè)計(jì)調(diào)試、項(xiàng)目總結(jié)五個(gè)過(guò)程。具體操作如下。

1.需求分析應(yīng)充分把握項(xiàng)目設(shè)計(jì)難度，做好任務(wù)分解，通過(guò)查閱資料，提出方案的設(shè)計(jì)。

2.方案論證，教師不要包辦，只指出不足，具體解決辦法由學(xué)生自主完成。按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施項(xiàng)目，不能停留在功能設(shè)計(jì)。

3.項(xiàng)目全程監(jiān)控，追蹤電路功能塊設(shè)計(jì)與仿真、系統(tǒng)頂層文件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)軟件的使用、系統(tǒng)的性能指標(biāo)測(cè)試等。

4.項(xiàng)目總結(jié)要到位匯總技術(shù)文檔：技術(shù)報(bào)告（按電子競(jìng)賽文檔要求或畢業(yè)設(shè)計(jì)要求）、設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)程序和參考文獻(xiàn)。

四、結(jié)束

本文對(duì)FPGA實(shí)踐課程的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出FPGA實(shí)踐課程存在的主要問(wèn)題，同時(shí)對(duì)FPGA技術(shù)在學(xué)科競(jìng)賽的應(yīng)用，提出以學(xué)科競(jìng)賽為契機(jī)，對(duì)FPGA實(shí)踐課程的改革。課程改革中以提高學(xué)生的自學(xué)能力和興趣，對(duì)理論課程進(jìn)行整合，開(kāi)設(shè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核方式等方面進(jìn)行改革，以提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、自主創(chuàng)新能力，在電子設(shè)計(jì)大賽中取得優(yōu)異成績(jī)。實(shí)踐證明，該模式取得良好成效，在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室中兩組學(xué)生參加2018年湖南省電子設(shè)計(jì)大賽，分別獲得省二等獎(jiǎng)和省三等獎(jiǎng)。

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編輯 馬燕萍