面向電子通信類的EDA技術(shù)教學(xué)創(chuàng)新研究

1、面向電子通信類的EDA技術(shù)教學(xué)創(chuàng)新研究面向電子通信類的EDA技術(shù)教學(xué)創(chuàng)新研究摘要：結(jié)合電子通信類EDA教學(xué)的特點(diǎn)，分析了現(xiàn)有的FPGA仿真軟件的缺乏和其在開發(fā)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新才能方面的局限性，提出了將delsi、QuartuslI軟件和ATLAB等EDA技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)方式，不僅可以加深學(xué)生對(duì)根本概念和專業(yè)理論知識(shí)的理解，進(jìn)步職業(yè)技能，而且也能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的積極性。關(guān)鍵詞：FPGA；EDA；ATLAB；delsi；QuartuslI中圖分類號(hào)：G642.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-0079202222-0061-02FPGA是一種新型的EDA技術(shù)

2、，它的應(yīng)用不僅使數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常方便，并且還大大縮短了系統(tǒng)研制的周期，縮小了數(shù)字電路系統(tǒng)的體積。為適應(yīng)最新科技開展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)各大高校相繼開設(shè)了FPGA課程，主要講授ALTERA和XILINX公司FPGA的設(shè)計(jì)仿真。隨著PFGA技術(shù)在圖像處理、視頻、音頻及通訊領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)有仿真軟件delsi和QuartuslI的功能雖然非常強(qiáng)大，但其輸入輸出主要是基于波形方式的，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證，尤其是涉及到對(duì)數(shù)字信號(hào)處理算法的仿真驗(yàn)證時(shí)，那么顯得有點(diǎn)缺乏。其在開發(fā)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新才能方面有一定的局限，也制約了學(xué)生獨(dú)立性和創(chuàng)新性的培養(yǎng)。由于ATLAB擁有1000多個(gè)內(nèi)

3、置函數(shù)和用于信號(hào)處理、通信和小波處理的工具箱擴(kuò)展，可提供豐富的算法與調(diào)試環(huán)境，圖形顯示功能也很強(qiáng)大，所以在做數(shù)字信號(hào)處理算法的FPGA驗(yàn)證時(shí)，借助ATLAB會(huì)大大加快算法驗(yàn)證的速度。因此我們針對(duì)ALTERA公司的QuartuslI軟件和delsi軟件，給出了一種利用ATLAB軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜FPGA設(shè)計(jì)驗(yàn)證的新方法，對(duì)FPGA課程理論教學(xué)進(jìn)展了改良。完善理論教學(xué)手段和方法的缺乏，并為電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程及通信工程專業(yè)的學(xué)生提供了一個(gè)良好的知識(shí)穿插和交流平臺(tái)，對(duì)拓寬學(xué)生的知識(shí)面和開拓學(xué)生的思路有著舉足輕重的意義。本文旨在研究EDA技術(shù)的教學(xué)創(chuàng)新，不再局限用FPGA完成簡(jiǎn)單的數(shù)字電路設(shè)計(jì)，同時(shí)

4、討論教學(xué)形式、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面的創(chuàng)新，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合課程的特點(diǎn)，利用ATLAB所提供的豐富的專業(yè)工具箱編寫相應(yīng)的仿真程序，有效地將QuartuslI、delsi和ATLAB學(xué)習(xí)與專業(yè)理論結(jié)合在一起，這種教學(xué)方法不僅可以加深學(xué)生對(duì)根本概念和專業(yè)理論知識(shí)的理解，進(jìn)步職業(yè)技能，而且也能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的積極性。提出的QuartuslI、delsi和atlab相結(jié)合的仿真測(cè)試平臺(tái)如圖1所示，其可為FPGA教學(xué)提供新的教學(xué)手段和教學(xué)方法。一、利用ATLAB產(chǎn)生測(cè)試鼓勵(lì)，豐富FPGA驗(yàn)證手段Altera公司提供的QuarusII軟件平臺(tái)除了具備強(qiáng)大的編譯功能之外，在進(jìn)展算法驗(yàn)證的時(shí)候，還提

5、供了一定的波形仿真功能，其輸入輸出都是以波形形式給出的，看起來(lái)如同邏輯分析儀，比擬直觀。但是，在波形文件中很難對(duì)復(fù)雜信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)展輸入，特別是在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，大多數(shù)仿真輸入數(shù)據(jù)都是疊加噪聲的，采用波形輸入方式是不現(xiàn)實(shí)的。假如我們要驗(yàn)證一個(gè)圖像處理算法如中值濾波去噪算法、邊緣檢測(cè)算法，這些仿真數(shù)據(jù)用波形輸入的方法將難以勝任，而ATLAB自帶的函數(shù)就能輕松產(chǎn)生這些仿真數(shù)據(jù)，這樣做無(wú)疑會(huì)節(jié)約很多時(shí)間和精力。下面通過(guò)一個(gè)詳細(xì)的設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)說(shuō)明如何利用ATLAB和QuarusII或delsi軟件進(jìn)展結(jié)合仿真。本實(shí)例是為了驗(yàn)證VerilgHDL編寫的圖像中值濾波算法，驗(yàn)證數(shù)據(jù)為如圖2所示參加方差為20的高

6、斯白噪聲的aeraan圖像，希望通過(guò)FPGA設(shè)計(jì)的中值濾波去除圖像的噪聲。為了獲得測(cè)試數(shù)據(jù)，采用ATLAB腳本把圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制形式并寫人graph.txt文件中。下面是ATLAB的腳本文件內(nèi)容，用來(lái)將圖像aeraan.tif以16進(jìn)制形式寫入graph.txt文件中。lear；x=ireadaeraan.tif；j=inisex，gaussian，0，0.00615；%給原始圖像參加噪聲，如圖2所示。fid=fpengraph.txt，t；fprintffid，%xn，y；flsefid；在Verilg文件中定義一個(gè)8bitx128x256數(shù)組data_e用來(lái)保存測(cè)試圖像128x256

7、，通過(guò)$readeh命令，將文件graph.txt中的圖像數(shù)據(jù)讀入該數(shù)組中，相關(guān)的Verilg代碼如下：reg7:0data_e0:32767；initialbeginend這樣，data_e就可以作為中值濾波算法的測(cè)試數(shù)據(jù)。由此可見，ATLAB的高級(jí)數(shù)學(xué)建模和分析工具以及內(nèi)部自帶的各種函數(shù)，在產(chǎn)生大的有一些常規(guī)形式或數(shù)學(xué)描繪的矢量集時(shí)，是極其有用的。通過(guò)QuartusII或者delsi的仿真論文聯(lián)盟.Ll.得到圖3所示的波形圖像。從圖3所示的仿真波形我們無(wú)法直觀看出圖像中值濾波的效果。因此我們回到ATLAB中，來(lái)顯示算法的結(jié)果。二、使用ATLAB對(duì)delsi和QuartusII仿真生成的數(shù)據(jù)

8、進(jìn)展分析QuartusII和delsi仿真都是以方波的形式表示出來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)比擬復(fù)雜時(shí)難以直觀看出結(jié)果的對(duì)與錯(cuò)以及這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，這就給驗(yàn)證工作帶來(lái)了很大的障礙。假如把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到ATLAB中顯示，可以以波形或圖像的形式直觀地給出算法的處理結(jié)果，更能進(jìn)步學(xué)生的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲。ATLAB對(duì)QuartusII或delsi仿真生成數(shù)據(jù)的處理也是通過(guò)文件讀寫實(shí)現(xiàn)的。即通過(guò)Verilg語(yǔ)句，將仿真過(guò)程中的某個(gè)信號(hào)寫入文件，然后在ATLAB中把這個(gè)文件的數(shù)據(jù)讀出來(lái)，就可以在ATLAB中進(jìn)展分析了。下面的ATLAB的腳本文件用來(lái)在ATLAB中顯示濾波后的圖像數(shù)據(jù)：論文聯(lián)盟.L

9、l.fid=fpendata.txt，r；fri=1：32768；nui=fsanffid，%x，1；endflsefid；b=reshapenu，256，128；ishb，1256；在ATLAB中通過(guò)圖形把仿真生成的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，如圖4所示，可以直觀地顯示數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，分析濾波算法的處理結(jié)果，這在QuartusII或delsi中是難以實(shí)現(xiàn)的。從上面的實(shí)例可以看到用ATLAB和delsi或QuartusII結(jié)合仿真可以進(jìn)步delsi和QuartusII仿真才能。顯示的結(jié)果不再局限于以方波的顯示呈如今用戶面前，從而進(jìn)步了學(xué)生的興趣，也增強(qiáng)了FPGA設(shè)計(jì)才能和設(shè)計(jì)范圍，為EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的

10、教學(xué)手段。三、在atlab中實(shí)現(xiàn)FPAG硬件設(shè)計(jì)FPGA在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用受限于幾個(gè)因素，首先，大局部DSP開發(fā)人員通常對(duì)語(yǔ)言或ATLAB工具很熟悉，卻不理解硬件描繪語(yǔ)言VHDL和VerilgHDL及不熟悉硬件設(shè)計(jì)，尤其是FPGA，局部DSP工程師認(rèn)為對(duì)HDL語(yǔ)言在語(yǔ)句可綜合方面的要求限制了其編寫算法的思路。其次，雖然VHDL語(yǔ)言也提供了許多高層次的語(yǔ)言抽象，但是基于并行硬件系統(tǒng)的VHDL程序設(shè)計(jì)與基于微處理器的串行程序設(shè)計(jì)有很大的不同?；谝陨显颍贒SP教學(xué)中，我們可以利用Xilinx公司開發(fā)的基于ATLAB的SysteGeneratrfrDSP工具。SysteGeneratr

11、frDSP是Siulink中一個(gè)基于FPGA的信號(hào)處理建模和設(shè)計(jì)工具。該工具提供可靠的硬件在環(huán)接口該接口可以直接將FPGA硬件置入設(shè)計(jì)仿真，可以將一個(gè)DSP系統(tǒng)表示為一個(gè)高度抽象的模塊，并自動(dòng)將系統(tǒng)映射為一個(gè)基于FPGA的硬件方案。使用systeGeneratrfrDSP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)有：在Siulink中實(shí)現(xiàn)FPGA電路的系統(tǒng)級(jí)建模，并自動(dòng)生成硬件描繪語(yǔ)言；自動(dòng)生成delsi測(cè)試程序，支持軟硬件仿真；支持用戶創(chuàng)立的Siulink模塊；使用FPGA自動(dòng)實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)。非電子類的學(xué)生，假如對(duì)某領(lǐng)域算法如圖像、通訊、DSP等非常理解，可以利用ATLAB中GeneratrfrDSP工具完成基于

12、FPGA數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而不需把太多的精力放在詳細(xì)電路設(shè)計(jì)知識(shí)的學(xué)習(xí)上，這為多學(xué)科穿插學(xué)習(xí)開拓了很好的教學(xué)手段。四、開發(fā)出多學(xué)科穿插的綜合性實(shí)驗(yàn)基于QuartuslI、delsi和ATLAB相結(jié)合的教學(xué)工具，可以開發(fā)出更多的綜合性的實(shí)驗(yàn)工程，并構(gòu)建信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字邏輯電路等課程到集成電路、微電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的橋梁。綜合EDA、AR、FPGA、DSP技術(shù)的實(shí)驗(yàn)工程，開拓各專業(yè)學(xué)生互相交流的平臺(tái)，激發(fā)學(xué)生的求知欲。引導(dǎo)學(xué)生在干中學(xué)，在學(xué)中干，使學(xué)生由要我做實(shí)驗(yàn)變?yōu)槲乙鰧?shí)驗(yàn)。五、根據(jù)課程特點(diǎn)，探究教學(xué)方法根據(jù)QuartuslI、delsi和ATLAB相結(jié)合的仿真測(cè)試平臺(tái)的課程特點(diǎn)，靈敏應(yīng)用EDA技術(shù)開

13、發(fā)和設(shè)計(jì)自己的專用集成電路或集成電子系統(tǒng)。在QuartuslI、delsi平臺(tái)中融入ATLAB仿真和驗(yàn)證手段，能促進(jìn)學(xué)生做到邊學(xué)邊用相結(jié)合、邊用邊學(xué)相結(jié)合、理論與理論相結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合，也是使EDA技術(shù)得以靈敏應(yīng)用的必經(jīng)之路。利用ATLAB提供的直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，老師可以通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生觀察這些現(xiàn)象，進(jìn)展很好的啟發(fā)誘導(dǎo)，深化講解，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極思維，由感性認(rèn)識(shí)上升到規(guī)律性理性認(rèn)識(shí)，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲望，并在多學(xué)科中架起一座橋梁，開拓學(xué)生的視野。六、結(jié)論在高等院校中，傳統(tǒng)的EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不能滿足21世紀(jì)對(duì)人才培養(yǎng)的需要，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革勢(shì)在必行。本文結(jié)合FPGA課堂教學(xué)理論，針對(duì)de

14、lsi和ALTERA公司的QuartuslI軟件在仿真中的缺乏，給出了一種利用ATLAB軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜FPGA設(shè)計(jì)驗(yàn)證的新方法。這種結(jié)合仿真技術(shù)大大加強(qiáng)了delsi和QuartuslI的時(shí)序仿真才能，進(jìn)步了FPGA設(shè)計(jì)效率，豐富了FPGA教學(xué)內(nèi)容，提供了新的教學(xué)手段和工具，為開拓高層次的綜合設(shè)計(jì)教學(xué)工程提供了新的途徑，不僅可以進(jìn)步課堂教學(xué)的效果，而且也能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的積極性，對(duì)國(guó)內(nèi)FPGA課程教學(xué)具有一定參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)：1江霞.在atlab中實(shí)現(xiàn)FPGA硬件設(shè)計(jì)J.國(guó)外電子元器件,2022,(4):4-6.2王旭東.ATLAB及其在FPGA中的應(yīng)用.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2022.3王旭東.基于ATLAB軟件的FPGA課程理論教學(xué)的改良J.科技信息,2022,(31):104.4葉波