DE2开发板在电子类专业教学实践中的应用

摘要:论述了结合电子类教学大纲的要求,以Altera公司DE2开发板为平台,结合产业界的需求开发出适合教学的实验教材和实验项目,激发学生的求知欲、创新意识,对提高学生的学习兴趣,理解相关的理论知识起到了积极的作用。

关键词:FPGA;SOPC;教学实践;DE2开发板

作者简介:赵倩(1969-),女,湖南衡阳人,上海电力学院计算机与信息工程学院,副教授,工学硕士,主要研究方向:集成电路设计、机器视觉;叶波(1971-),男,江苏泰兴人,上海电力学院计算机与信息工程学院,教授,理学博士,主要研究方向:集成电路设计。(上海 200090)

基金项目:本文系上海市重点课程建设项目(项目编号:20085303)的研究成果。

实验教学是培养学生实践动手能力和创新精神的重要途径,是高等教育教学体系的重要组成部分,高等教育教学改革的重点是提高教学质量,注重创新人才的培养。[1,2]作为未来电子系统设计新领域的SOPC技术已经成为了国际新技术的热点,具有广阔的应用前景。目前国内很多高校都已开设了单片机、EDA技术等课程,而新兴的“SOPC技术应用”、“嵌入式系统设计”、“可重用设计”、“集成电路设计”等与实际应用密切相关的课程已成为众多高校重点发展的方向。面对层出不穷的EDA新技术以及数字系统设计方法的变革,适应社会对电子信息技术人才的需求,必须加大实践教学的力度,给学生创造实践动手的环境,只有这样,才能不断激发学生的主动性、积极性和创造性,才能在实际中培养学生的创新意识和协作精神,使学生有真正施展自己才华的空间。为此我们针对DE2开发板,研制出符合电子类教学大纲要求的各类实验教材和实验项目。

一、基于DE2开发板开设多层次的实验项目

目前,许多高校与Altera公司成立SOPC/DSP联合实验室,为学生提供一个良好的创新环境和实验基地。基于如图1所示以Altera Cyclone II 2C35 FPGA器件为核心的DE2开发板,可以完成可编程逻辑器件、EDA、NiosII嵌入式系统等方面的实验与项目开发。并针对多媒体开发板的特点,结合电子类本科教学大纲,设计开发不同层次的实验项目,如基础型的单元实验、综合性和设计性实验和基于NiosII模块库实验等。加强学生工程思维训练,新工具的使用、调试和分析能力,提高实验教学体系的创新性和综合性、扩展实验的深度和广度。完成由基础实验上升到设计提高性实验,从而发展到综合应用以及多层次、连贯性、综合性的实验体系。

1.基础型的单元实验(只与每门课程有关)

根据DE2实验板的特点,以及上海电力学院电子类专业的培养方案,开发相应的实验教材,教材中有逐步的引导并解释如何在DE2开发板上使用Altera的Quartus II软件。提供的实验项目涵括了数字逻辑课程的重要概念。这些实验的目的是引导学生提高新工具的使用、调试和分析能力而设计的,促使学生能创造及测试出小的电路,进而利用这些经实验测试成功的设计,发展出更大更有趣的计划。引入了先进的计算机辅助设计工具,学生利用硬件描述语言、基于FPGA开发系统进行数字系统设计,提高了学生进行ASIC设计的能力。

实验项目包括简单的组合逻辑应用电路:四舍五入判别电路,控灯电路,显示译码电路。FPGA与单片机相比,一个非常明显的优势就在于它的高速性。但是因为很多外围器件的驱动需要低频的时钟(若时钟频率太高,则键盘扫描容易出错,七段数码管会闪烁和不稳定等),常常需要用到分频电路,所以在时序逻辑电路实验中开设了偶数倍分频和奇数倍分频以及小数分频电路的设计,此外还涉及了触发器计数器等时序逻辑电路。在完成简单电路的基础上,让学生尝试设计一些较复杂的电路:交通灯控制器,数字钟的设计等,由学生自行编写代码,在Quartus II上完成软件仿真,并在DE2上用硬件来验证实验的正确性。

2.综合设计型实验

这类实验的特点,可以是不同方法的综合,如采用MATLAB和verilog两种方法相结合的实验;不同的设计思路相结合,以流水线设计和非流水线设计为例,进行小波设计的对比;还可以是不同课程的融合,比如图像处理算法的FPGA实现。

实验课程示例:设计一个多功能信号发生器,通过按键控制输出正弦波、方波、锯齿波和三角波,实验结果通过示波器观察。设计中可以考虑多种方法来实现波形输出,学生一般首先采用硬件描述语言编写输出波形,可以引导学生采用其他方法实现:利用C语言编写各类波形程序,把程序运行结果输出或者利用MATLAB软件生成波形数据再导入QuartusII中生成得到mif,以及利用SOPC系统中的DSP Builder直接生成.mif文件,再生成ROM查找表,完成波形数据存储。这样学生不但对DSP Builder有了初步认识,而且对MATLAB软件及C语言如何与SOPC系统结合使用有了一定的了解。[3]

3.基于Nios Ⅱ实验模块库

NiosⅡ处理器是用户可配置的通用RISC处理器,它是一个非常灵活和强大的处理器。NiosⅡ处理器的易用和灵活已成为当今最流行的处理器。由于基于NiosⅡ系统设计的灵活性和易用性,且可供实现设计的资源丰富,因此利用此平台可以开发出很多适合电子类本科毕业设计的题目。通过不同类型题目的设计训练,可提高学生对于复杂电子系统的综合设计能力,完全可以满足本科毕业设计的要求。[4]

二、DE2开发板的实验教学效果

1.通过改进实验教学,巩固理论知识

传统的实验体系以验证性实验为主,学生根据教师编写好的实验讲义按部就班地进行实验,做实验的被动性大于主动性。更新实验课程体系内容,强调实践性以适应业界的发展。构建“信号与系统”、“数字逻辑电路”等课程到集成电路、微电子系统设计的桥梁。将科研与教学贯通,形成科研、研究生、本科生论文、本科生综合实验、本科生基础实验相结合的体系。

把工业界需求引入教学平台、开拓学生的眼界和思路,提高学生设计复杂数字系统的能力。

同时学生对硬件实验产生很大的兴趣,并看到了自己的不足之处,从而使他们更加努力、认真地学习理论课上的知识。

此外,部分理论和实验课均在实验室授课(新的讲课模式),比如基于SD卡音乐播放器的电路设计,可以让学生先观察实验现象,根据实验现象阅读代码,查找相关资料,画出电路图,并在此基础上尝试修改代码和电路,完成网络播放器的设计,提高学生的创新意识和激发求知欲,引导学生如何正确地独立思考问题,查找资料,为毕业设计打下良好的基础。

2.优化实验内容设置,掌握基本技能

在课程实验大纲指导下,针对学生所学的知识点、学生的实际情况,适时地选择有代表性、难度适中、综合性的、典型的应用FPGA技术的实验项目,让学生进行设计、编程、调试,学生既可以在DE2开发平台上加深掌握数字电路设计的基础,又可以培养学生调试程序的能力。为了配合课堂理论教学,实验内容安排仍从认识性和验证性入手,逐步增加设计性和工程应用性内容,使学生在掌握数字信号处理基本理论和方法的基础上,可以更多地了解和掌握数字信号处理的仿真、开发、实现工具和方法,达到训练实验技能和积累工程实际应用经验之目的。

3.激发学生的主动性和培养学生的动手能力

学生投入是动力,通过学生自主设定实验方案、实验题目,自主开放式的实验形式培养本科生的专业兴趣和创新能力。引导学生“在干中学,在学中干”,使学生由“要我做实验”变为“我要做实验”。既培养了学生的设计能力和动手能力,又能检验出学生掌握理论知识的水平,同时也加深了对理论课的理解,并促使学生更加努力地学习理论课。

此外,结合一些在FPGA方面的科研课题以讲座形式介绍给学生,如基于FPGA音频,视频采集、存储、回放的应用等;同时还针对课题开发FPGA遇到的问题和解决方案贯穿课程的教学,为今后从事FPAG开发工作的学生提供一些宝贵的经验。通过不断地补充教学内容,丰富教学手段,加强实验环节,以实现教与学的统一。

三、加强课程网站建设

在网络技术飞速发展的今天,网络也是实现现代教育思想与理念、推行现代教学模式与方法、革新教学内容的有力载体和工具。[5]我们2008年开发了《FPGA应用开发》的网站,网站资源包括课程描述(课程沿革、教学内容、教学大纲、课程特色等)、师资队伍、课程资源(教学课件、上机实验、学习辅导、考研相关、自主学习、试题库等)、资料下载、教学视频和在线答疑等,实现了在线学习、在线交流、在线视频等多种功能。在课程网站上,提供了大量的课程学习资料、文献资料和实践应用案例,为学生创造了自主学习和交流的环境。利用网站环境,教师和学生、学生与学生之间可以得到充分的交流。

四、结束语

在今后的工作中,我们还要在现有的基础上不断发展进取。合理安排教学内容,少讲多练、理论教学和实验紧密结合。让学生在实验过程中掌握可编程逻辑器件(PLD)、专用集成电路(ASIC)、与电子设计自动化(EDA)紧密结合的EDA/SOPC设计技术。利用国际一流EDA技术与工具,建设教学、科研紧密配合的EDA/ASIC设计实验教学基地。并针对Altera公司提供的DE2开发板开发出适合教学、科研的不同层次,不同方向的教学科研项目,激发学生的求知欲、创新意识,为社会培养合格的电子类人才打下良好的基础。为探索教学改革提供了良好的实验基地。

参考文献:

[1]徐风生.离散数学及其应用[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2]傅彦.重视精品课程建设,培养高素质人才[J].计算机教育,2008,(9):26-28.

[3]徐丹旸,王勇,宋潇.基于SOCP技术的实验教学探讨[J].中国科教创新导刊,2008:66.

[4]叶波,赵倩.“集成电路系统设计”课程教学改革探讨[J].中国电力教育,2010,(16):109-110.

[5]陈光喜,古天龙.“离散数学”精品课程教学改革实践[J].桂林电子科技大学学报,2007,(4):300-302.

(责任编辑:苏宇嵬)

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