基于EDA實驗平臺的多課程融合式教學探究

董優(yōu)麗

摘? ?要：本文基于當前電子通信類專業(yè)課教學相對獨立、理論知識較深、抽象難懂、難以融會貫通的教學現(xiàn)狀，提出并利用EDA實驗平臺設計多課程融合的實驗教學方案，并提供了相應的實施方法。該方法能有效地將各科的理論知識與硬件開發(fā)相結合，有助于學生建立全面清晰的通信系統(tǒng)框架，且能有效提高學生的實踐應用能力，在教學中效果明顯。

關鍵詞：EDA? FPGA? QuartusII? 信息論與編碼

中圖分類號：TN47? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0228-02

EDA（電子設計自動化）技術是使用硬件描述語言（HDL）在可編程邏輯器件（FPGA）平臺上進行電子系統(tǒng)的設計開發(fā)。它具有功能強大、開發(fā)過程投資小、周期短、可反復編程修改等特點，可以為電子通信類專業(yè)課的實驗教學提供良好的硬件平臺。該平臺不受實驗箱的限制，靈活性強，可以完成各專業(yè)的基礎性和綜合性實驗。

學生可以基于EDA平臺實現(xiàn)相關專業(yè)課中理論知識，如HDB3碼、QPSK調制解調、CRC循環(huán)碼、FIR濾波器等等，而且還可以將獨立的知識點貫穿起來搭建整個通信網絡系統(tǒng)，這有助于學生對通信系統(tǒng)有全局的認知和理解。此外，通過在硬件平臺實現(xiàn)的過程可以強化學生對通信系統(tǒng)的理解，鍛煉學生的硬件開發(fā)能力，真正做到理論與實踐相結合。

1? 專業(yè)課實驗教學的現(xiàn)狀

目前大多數(shù)高校電子通信類各專業(yè)課的教學相對獨立，實驗教學主要以驗證性實驗為主，每一個實驗都是針對教學內容中某個重要的知識點，由于理論知識深，內容抽象，學生很難把相關的知識點貫穿起來，很難對整個通信系統(tǒng)有全面清晰的認知和理解。另外，各專業(yè)課的實驗教學主要通過兩種方式來進行：第一種，采用實驗箱教學。如通信原理，主要是利用實驗箱進行實驗，學生按照實驗指導書的要求進行設置，通過示波器觀察輸入輸出信號，理解實驗原理，由于實驗箱硬件是固定的，因此學生做實驗的局限性較大。第二種，基于仿真平臺。如信息論與編碼、數(shù)字信號處理等，主要是利用仿真軟件（如MATLAB）在計算機上進行仿真。這種方法沒有受到實驗硬件條件的限制，學生進行實驗比較方便靈活，但是這種仿真實驗缺少硬件的實現(xiàn)，不能用示波器實時觀察信號，學生的系統(tǒng)概念難以建立，對學生動手能力的培養(yǎng)有所欠缺。

為此，我們提出了基于EDA平臺的多課程融合式教學的方法。依托于EDA強大的開發(fā)功能，使得各專業(yè)課的實驗不受實驗箱的限制。而且，各專業(yè)課的實驗不再孤立的進行，而是可以通過EDA平臺整合在一起，彌補理論教學的不足。該教學方法既讓學生對各專業(yè)課的理論知識有更深的理解，也將各專業(yè)課的知識融會貫通，同時又提高了學生的硬件開發(fā)能力，有效提高學生分析問題和解決問題的能力。

2? EDA實驗平臺簡介

2.1 硬件平臺

本文采用的實驗平臺是基于DE1-SOC開發(fā)板的EDA實驗箱。該實驗箱是以DE1-SOC開發(fā)板為核心，通過2個40pin的擴展接口與外圍器件進行連接，主要包括TFT顯示屏、直流電機、步進電機、交通燈、4*4按鍵、數(shù)模轉換和模數(shù)轉換等模塊。DE1-SOC開發(fā)板上集成了高速DDR3存儲器、音視頻部件、以太網接口等硬件部分。FPGA中內嵌雙核ARMCortex-A9硬核處理器，可以用來進行高性能、低功耗處理器系統(tǒng)設計，Altera基于ARM的硬核處理器系統(tǒng)（HPS）包括處理器、外設以及存儲器接口，通過高帶寬互聯(lián)總線與FPGA硬件部分無縫連接。

2.2 軟件平臺

本文采用Altera公司的QuartusII作為FPGA開發(fā)軟件，它能提供完整的多平臺設計環(huán)境，集成了設計輸入、綜合、布局布線、時序仿真、編程與配置等功能。其主要功能包括：（1）支持文本輸入（AHDL、VHDL、Verilog HDL等）和圖形輸入（原理圖、波形圖、狀態(tài)圖）;（2）將輸入的文本文件或圖形文件依據給定的硬件結構組件和約束控制條件進行編譯、優(yōu)化、轉換和綜合，獲得電路描述網表文件;（3）通過適配器將網表文件配置與目標器件中，產生最終的下載文件;（4）功能仿真對輸入文件的邏輯功能進行測試;時序仿真是接近真實器件運行特性的仿真;（5）編程和配置，在硬件系統(tǒng)進行統(tǒng)一的硬件測試。

3? 基于EDA平臺的融合式實驗設計

基于EDA平臺進行實驗設計的靈活性很大，范圍也很廣，結合各專業(yè)課的教學內容，我們針對重要知識點研發(fā)了相關的實驗，具體包括：（1）通信原理中的數(shù)字基帶信號的傳輸碼型產生及編譯碼、多種數(shù)字調制技術和解調技術;（2）信息論與編碼中的CRC循環(huán)碼、m序列正交編碼;（3）數(shù)字信號處理的FIR和IIR濾波器等。在實驗過程中，我們將EDA技術的實驗課程和各專業(yè)課的實驗課程相結合，采用階梯型的教學方式。先通過基礎實驗的學習掌握FPGA開發(fā)的基本方法，熟練使用QuartusII軟件以及熟悉實驗箱的硬件資源;再通過實現(xiàn)并完成各專業(yè)課的相關實驗以提升硬件開發(fā)能力;最后再實現(xiàn)更復雜的通信系統(tǒng)綜合實驗或課程設計。最終將各專業(yè)課的理論知識在EDA平臺下相互結合，融會貫通。

現(xiàn)以CRC（7，3）循環(huán)碼為例進行說明，CRC（7，3）循環(huán)碼是信息論中最典型的循環(huán)碼，它將3位二進制的信息序列編碼成為7位的碼字，且得到的所有碼字進行i次循環(huán)移位后，仍然是一個合法的碼字。其編碼表如表1所示。如“001”對應的碼字為“0011101”，向左平移一位后，就成為“011”所對應的碼字。

我們使用VHDL硬件描述語言來編程實現(xiàn)CRC（7，3）循環(huán)碼，其波形仿真圖如圖1所示，經過仿真、綜合、編譯成功后下載到FPGA實驗箱中，觀察輸出的信號。其VHDL程序如下文所示，datald是裝載數(shù)據有效的信號，為‘0時裝載有效;sdata是輸入的待編碼信號，它是3位二進制序列;hsend是編碼完成輸出有效的信號，該信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，說明編碼已完成;datacrco是編碼后的序列。其編程實現(xiàn)的算法是：（1）共分為兩個狀態(tài)：st=0，初始碼字（信息組+“0000”）;st=1，產生校驗碼，并輸出最終的碼字。（2）在st=1時，共分成4步來完成編碼。當cnt=1時， 根據信息組的最高位是‘0還是‘1，結合編碼表的規(guī)律分別計算出臨時碼字;當cnt=2時，重復cnt=1時的操作;當cnt=3時，取上述臨時碼字的高4位為校驗位，連接在原信息組的后面，就是最后得到的碼字。當cnt=4時，通過hsend控制輸出該碼字。從上面的例子可以看出，學生想要完成該實驗，首先必須要理解并掌握CRC（7，3）循環(huán)碼的理論知識;其次，要將該理論知識轉變?yōu)橛肰HDL語言實現(xiàn)的算法;然后，用VHDL語言編程實現(xiàn)出來;最后，使用波形仿真和硬件下載來驗證其正確性。

4? 結語

本文提出了一種新的實驗教學方法，該方法基于EDA實驗平臺將教學獨立的各專業(yè)課通過實驗教學環(huán)節(jié)而聯(lián)系起來，幫助學生對專業(yè)領域有全面清晰的認識。并通過CRC（7，3）循環(huán)碼為例講解了實驗具體的實施途徑。在實驗過程中，我們注重體現(xiàn)培養(yǎng)學生的實驗能力和設計創(chuàng)新能力，不僅要熟悉相關理論，而且要能提出不同的算法，并通過VHDL語言編程實現(xiàn)，編譯調試過程遇到困難盡量由學生自己解決。該實驗教學的實施能激發(fā)學生的學習興趣，顯著提高學生對專業(yè)知識的綜合運用能力和工程實踐能力。

參考文獻

[1] 王明蕾，王瑩.基于FPGA和VC++的通信原理實驗教學平臺的設計[J].教育教學論壇，2018（30）：268-269.

[2] 梁仕文，鄧洪波，梁志明，等.基于FPGA的通信原理實驗平臺研制與應用[J].實驗室科學，2013（3）：143-146.

[3] 姚展，王明偉.基于FPGA技術的通信原理實驗教學研究[J].陜西師范大學學報，2007（S2）：201-203.