FPGA應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)案例設(shè)計

摘"要：針對目前FPGA應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容中多課程實驗內(nèi)容融合度欠缺、實踐教學(xué)與工程應(yīng)用契合度不夠等問題，提出教學(xué)案例選取應(yīng)結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)方向、FPGA工程師應(yīng)用細分領(lǐng)域和學(xué)科融合的教學(xué)內(nèi)容改革措施。為面向工程應(yīng)用與FPGA職業(yè)技能細分領(lǐng)域，實驗系統(tǒng)基于模塊化開發(fā)，并根據(jù)學(xué)生能力水平設(shè)計教學(xué)案例，分為初階篇與進階篇。實踐證明，改革措施不僅可以加深學(xué)生對理論知識的理解，還可以鍛煉他們的工程實踐能力，為地方應(yīng)用型高校FPGA應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)改革提供一定的參考。關(guān)鍵詞：FPGA應(yīng)用技術(shù)；案例教學(xué)；課程融合0"引言在數(shù)字電路設(shè)計中，F(xiàn)PGA具有編程語言豐富、數(shù)據(jù)并行處理、編程次數(shù)不做限制和設(shè)計方案驗證時間短等特點[1]，硬件平臺采用EDA技術(shù)實現(xiàn)電子應(yīng)用系統(tǒng)中既定功能和相關(guān)技術(shù)指標?；贔PGA的軟硬件開發(fā)平臺，項目開發(fā)靈活性較高，與各門學(xué)科聯(lián)系緊密，常應(yīng)用于雷達、通信信號的預(yù)處理、高速數(shù)據(jù)傳輸、非標準協(xié)議的開發(fā)、圖像視頻編解碼和大數(shù)據(jù)加速等眾多領(lǐng)域。FPGA應(yīng)用技術(shù)是通信、電子信息類等專業(yè)的技術(shù)課程，在部分高校中作為數(shù)字邏輯電路后續(xù)課程的一種延展，目的是增強學(xué)生對專業(yè)知識的理解，培養(yǎng)綜合實踐能力。課程的入門具有一定難度，基于教學(xué)的基本需求，學(xué)生需要掌握FPGA的基本概念、原理和設(shè)計方法，通過項目開發(fā)熟練掌握FPGA工具的使用。在工程項目開發(fā)中，將FPGA初學(xué)者培養(yǎng)成一名合格的工程師，需要多個項目的實練與打磨。為了加強對學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)，本文在教學(xué)內(nèi)容中設(shè)計一些工程案例，幫助學(xué)生獲取工程開發(fā)經(jīng)驗，提高教學(xué)質(zhì)量，滿足通信、電子信息產(chǎn)業(yè)對人才的需求。1"課程教學(xué)現(xiàn)狀1.1"課程內(nèi)容分析通過專業(yè)調(diào)研和查閱高校課程開設(shè)情況，F(xiàn)PGA應(yīng)用技術(shù)課程的學(xué)習(xí)一般設(shè)置在數(shù)字邏輯電路、計算機語言等課程之后。該課程一般作為選修課，教學(xué)方法以理論與實踐相結(jié)合為主，教學(xué)課時設(shè)置為32課時或48課時不等，教學(xué)內(nèi)容主要包括六個方面：第一章，認識數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)環(huán)境；第二章，Verilog設(shè)計基礎(chǔ)；第三章，組合邏輯電路設(shè)計；第四章，時序邏輯電路設(shè)計；第五章，數(shù)字系統(tǒng)的驗證；第六章，數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實踐[2]。理論講授重點為Verilog設(shè)計基礎(chǔ)，了解硬件描述語言的基本概念，學(xué)習(xí)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法；FPGA應(yīng)用技術(shù)課程實驗內(nèi)容以數(shù)字電路為主，通過對組合邏輯門電路中加法器、譯碼器和表決器的學(xué)習(xí)，掌握組合邏輯電路的建模方法；對D觸發(fā)器、計數(shù)器和分頻器等電路的設(shè)計建立同步時序電路的設(shè)計思想；數(shù)字系統(tǒng)驗證是確保電路模型符合設(shè)計規(guī)范，確定電路的邏輯功能是否正確。1.2"教學(xué)實驗設(shè)備分析FPGA應(yīng)用技術(shù)課程的實踐性很強，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，需要配備相應(yīng)的實驗設(shè)備。完整的FPGA教學(xué)實驗設(shè)備需要配置計算機與FPGA硬件設(shè)計平臺?；贔PGA的系統(tǒng)教學(xué)平臺在市場上種類有很多，主要分為試驗箱和最小系統(tǒng)開發(fā)板兩類。試驗箱體積大，優(yōu)點是集成度高、外設(shè)配置功能多，缺點是價格昂貴、器件損壞后維修困難；最小系統(tǒng)開發(fā)板價格低廉，缺點是幾乎沒有外設(shè)，需要實訓(xùn)室額外提供耗材做擴展性實驗[3]。1.3"教學(xué)中的問題分析數(shù)字電路教學(xué)案例簡單，例如，組合邏輯電路設(shè)計中三人表決器、3-8譯碼器等電路設(shè)計與實際工程應(yīng)用貼合度不高，綜合實踐設(shè)計章節(jié)中的案例與之前章節(jié)的內(nèi)容關(guān)聯(lián)度不夠，沒有延續(xù)性。實驗課前的準備階段，教師常常會把源代碼與仿真文件提供給學(xué)生，學(xué)生只需要根據(jù)需求修改參數(shù)，完成編譯仿真等操作步驟，最后查看仿真結(jié)果完成實驗。學(xué)生在實驗過程中甚至?xí)霈F(xiàn)自始至終沒有寫過一遍完整程序的情況，自然也就不會遇到相關(guān)的電路設(shè)計問題，更不會去思考實現(xiàn)同樣的功能有幾種設(shè)計方法。部分學(xué)校由于缺少開發(fā)板，導(dǎo)致學(xué)生對FPGA的電路設(shè)計沒有直觀印象，只停留在功能仿真階段，無法培養(yǎng)綜合能力。課程內(nèi)容多、教學(xué)課時少是現(xiàn)階段FPGA應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)的一個突出問題，王靜霞[2]給出的參考教學(xué)課時是80課時，這在緊張的教學(xué)安排中是難以實現(xiàn)的。作為選修課，F(xiàn)PGA教學(xué)課時常設(shè)置為48課時，其中實踐課課時排課較少會導(dǎo)致學(xué)生缺乏動手能力。因此，設(shè)計合適的教學(xué)案例讓學(xué)生在學(xué)中做、做中學(xué)是很有必要的。無論是在高校的教學(xué)還是在企業(yè)項目開發(fā)中，F(xiàn)PGA的學(xué)習(xí)都存在一定的誤區(qū)。FPGA的學(xué)習(xí)者往往會把學(xué)習(xí)重點放在VerilogHDL語言上，而忽視了數(shù)字邏輯電路是FPGA的基礎(chǔ)。教師在教學(xué)過程中一定要時常引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)字電路的理解，VerilogHDL語言只是一個搭建門電路的工具，不能用軟件的思維去開發(fā)項目。2"課程教學(xué)內(nèi)容改革2.1"結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)方向以桂林師范高等?？茖W(xué)校為例，學(xué)校有兩個專業(yè)開設(shè)FPGA應(yīng)用技術(shù)課程，分別是電子信息工程技術(shù)專業(yè)和現(xiàn)代移動通信專業(yè)。這兩個專業(yè)的人才培養(yǎng)目標是培養(yǎng)面向電子、通信設(shè)備制造業(yè)和信息技術(shù)服務(wù)等行業(yè)的設(shè)備調(diào)試、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程技術(shù)人員。因此，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計要結(jié)合專業(yè)的培養(yǎng)方向。在電子、通信領(lǐng)域中，采用FPGA作為主處理器進行項目開發(fā)的應(yīng)用有很多，授課教師可以根據(jù)自己的專業(yè)領(lǐng)域設(shè)計教學(xué)案例，讓教學(xué)內(nèi)容更貼近工程實踐。2.2"結(jié)合FPGA工程師應(yīng)用細分領(lǐng)域面向社會需求的FPGA應(yīng)用開發(fā)工程師在細分領(lǐng)域可以分為邏輯開發(fā)工程師、邏輯驗證工程師和邏輯測試工程師。FPGA應(yīng)用技術(shù)課程開始階段，教師可以向?qū)W生講述FPGA應(yīng)用的崗位分工和需要掌握的職業(yè)技能、熟練度與相關(guān)嵌入式開發(fā)軟件比較等，引導(dǎo)學(xué)生去招聘網(wǎng)站查看崗位職責(zé)、需求，讓學(xué)生對未來的規(guī)劃、就業(yè)產(chǎn)生直觀的認識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。關(guān)于課程內(nèi)容教師要先做好頂層設(shè)計，將項目分成不同的子模塊（包含邏輯功能開發(fā)、數(shù)字邏輯電路功能驗證、人機交互等）和整機電路測試等，學(xué)生可以按照工程實現(xiàn)場景分組承擔(dān)任務(wù)，每個小組中的成員在項目中又有不同分工。2.3"學(xué)科融合FPGA應(yīng)用技術(shù)課程的學(xué)習(xí)不能僅僅存在于仿真階段，需要在FPGA實驗設(shè)備中實際操作，才能讓學(xué)生對FPGA開發(fā)設(shè)計工作有直觀的印象。作為一門實踐性很強的課程，F(xiàn)PGA應(yīng)用技術(shù)和數(shù)字邏輯電路、電子信號測量、印制電路板設(shè)計與制作、通信原理等課程聯(lián)系緊密?；贔PGA可以實現(xiàn)通信原理中信號的調(diào)制與解調(diào)；電子信號測量課程采用FPGA實驗設(shè)備完成信號檢測課程的學(xué)習(xí)；印制電路板設(shè)計與制作是電子信息、通信專業(yè)的核心課程，在選擇最小系統(tǒng)開發(fā)板的前提條件下，可以將兩門課程的需求進行融合，比如，可以將FPGA最小系統(tǒng)板的一些3×4矩陣鍵盤、LED顯示、ADC模塊等外設(shè)制作放在印制電路板設(shè)計與制作課程中進行；設(shè)計單片機控制模塊與FPGA最小系統(tǒng)板的串行接口通信實驗時，針對IO口電平不一致的問題，則可以制作電平轉(zhuǎn)換模塊解決問題，這樣就可以將兩門學(xué)科融合在一起，實現(xiàn)項目的分工。3"教學(xué)案例設(shè)計本文按照教學(xué)內(nèi)容改革的方向設(shè)計教學(xué)案例。為了促進學(xué)生更好地掌握FPGA開發(fā)這項工程實踐要求比較高的技能，獲得工程開發(fā)經(jīng)驗，案例的設(shè)計從結(jié)構(gòu)上層層漸進，在實例中逐步引導(dǎo)學(xué)生形成對FPGA的認識。教學(xué)案例分為初階篇和進階篇，初階篇的作用是培養(yǎng)學(xué)生對本門課程的興趣，讓學(xué)生掌握FPGA基本開發(fā)流程，并對FPGA工程應(yīng)用有一個初步的認識；進階篇的工程設(shè)計較為復(fù)雜，通過案例的設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新性能力，將所學(xué)專業(yè)課中的相關(guān)知識點進行有效的融合，加強學(xué)生對理論知識的理解，鞏固專業(yè)知識。FPGA實驗設(shè)備是用于教學(xué)的重要工具，本文選用正點原子的最小系統(tǒng)開發(fā)板，如圖1所示。主處理芯片為XilinxZYNQ系列7010，主頻為666MHz，包含28k邏輯資源、2.1Mbit的BRAM，外接有USBUART、SD卡接口、千兆網(wǎng)口、RGBLCD接口和HDMI輸出接口等，可以滿足FPGA的教學(xué)要求。3.1"教學(xué)案例初階篇初階案例的設(shè)計需要考慮教學(xué)課時的分配、涵蓋的知識點和學(xué)生的基礎(chǔ)能力。數(shù)字時鐘管理系統(tǒng)是日常生活中最常見的電路之一，案例需求是設(shè)計一個數(shù)字鐘，在液晶屏上實現(xiàn)“小時”“分鐘”和“秒”的計時與顯示，通過鍵盤可以設(shè)置鬧鐘和定時器，精度為0.01秒。數(shù)字時鐘管理系統(tǒng)可以通過串口接收時間信息并在液晶屏上顯示，在沒有外來時間信息的情況下，需要通過鍵盤手動修改時間信息。數(shù)字時鐘系統(tǒng)管理框圖如圖2所示。對數(shù)字時鐘系統(tǒng)進行功能分解，形成不同的實驗教學(xué)模塊，如表1所示。實驗一：蜂鳴器模塊學(xué)習(xí)IO口的使用，引入FPGA設(shè)計環(huán)境；實驗二：按鍵控制模塊學(xué)習(xí)組合邏輯電路；實驗三：計時器模塊，結(jié)合按鍵控制模塊與蜂鳴器電路設(shè)計一個定時器、分頻器電路學(xué)習(xí)時序邏輯電路；實驗四：串口收發(fā)模塊學(xué)習(xí)底層驅(qū)動協(xié)議開發(fā)；實驗五：顯示控制模塊學(xué)習(xí)IP核的使用；最后綜合所有基礎(chǔ)課程形成數(shù)字時鐘系統(tǒng)。對相關(guān)模塊進行教學(xué)時，通用的如按鍵鍵盤去抖、串口收發(fā)等功能，教師可以將實現(xiàn)方法與其單片機、ARM開發(fā)平臺做比較，用于加深學(xué)習(xí)印象、鞏固學(xué)生知識。在課后學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以在開發(fā)平臺設(shè)計相關(guān)電路進行擴展學(xué)習(xí)。Verilog語法知識根據(jù)實際教學(xué)課時可以鑲嵌在功能模塊中，也可以單獨作為一個章節(jié)進行學(xué)習(xí)。FPGA內(nèi)嵌的IP核是FPGA開發(fā)的一個重要工具，功能設(shè)計較為復(fù)雜，涵蓋了數(shù)字電路、接口、音頻圖形處理等，調(diào)用IP核進行電路設(shè)計可以大大減少工程師的工作量，但在部分教材上沒有對其進行介紹，所以在案例設(shè)計時需要將其考慮進去。初階案例中不需要講解太復(fù)雜的IP核，只需要學(xué)生對IP核的產(chǎn)生和調(diào)用有初步的了解。本文的功能模塊中，液晶顯示控制電路設(shè)計時需要鎖相環(huán)（PLL）對時鐘進行分頻，字符信息存儲在ROM核中。IRIG-B格式碼簡稱為B碼[4]，是將時間同步信號和秒、分、時、天等時間信息碼加載到頻率為1KHz的信號載體中。B碼的解碼功能可以作為一個功能擴展模塊放到學(xué)生課后學(xué)習(xí)過程中，它需要對脈沖寬度進行統(tǒng)計，涵蓋時序邏輯電路中計數(shù)器知識點，對功能測試驗證時，可以和電子信號測量課程中示波器應(yīng)用相結(jié)合，讓學(xué)生對IRIG-B格式碼有一個直觀的印象。3.2"教學(xué)案例進階篇進階篇案例的設(shè)計建立在學(xué)生初步掌握FPGA開發(fā)能力的基礎(chǔ)之上，并對電路設(shè)計有一定的了解。FPGA在工程應(yīng)用中常用于信號、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是FPGA電路進階設(shè)計中很重要的一環(huán)，將數(shù)據(jù)采集與所學(xué)專業(yè)相結(jié)合構(gòu)成符合專業(yè)特色的教學(xué)內(nèi)容。本文將教學(xué)內(nèi)容與通信專業(yè)融合，進行教學(xué)案例的設(shè)計?！稛o線通信的MATLAB和FPGA實現(xiàn)》詳細介紹了無線通信中數(shù)字處理基礎(chǔ)、數(shù)字調(diào)制、信道編解碼接收機等關(guān)鍵技術(shù)及其MATLAB和FPGA的實現(xiàn)[5]，教師可以將其作為零散的知識點，在需要理解或者使用某個功能時讓學(xué)生學(xué)習(xí)和調(diào)用，但不具有連貫性，不是一個完整的工程應(yīng)用。低空經(jīng)濟是我國未來發(fā)展的一個重點，對無人機信號的監(jiān)測任務(wù)也會越來越多，超外差接收機的設(shè)計可以有效解決相關(guān)問題。無人機常用工作頻段有2.4GHz和5.8GHz，對無人機信號監(jiān)測可以歸屬于無線電信號檢測。無線電信號檢測系統(tǒng)框圖如圖3所示，系統(tǒng)主要包括ADC數(shù)據(jù)采樣等模塊。中頻信號可以通過MATLAB生成，也可以對無人機信號進行實際采樣，ADC數(shù)據(jù)采樣模塊實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)的正確接收，并恢復(fù)成數(shù)據(jù)流形式的數(shù)據(jù)，用于后級的超外差數(shù)據(jù)處理，超外差接收模塊完成對中頻信號的窄帶濾波、時域檢測和參數(shù)提取、頻率參數(shù)估計運算，將最終結(jié)果封包形成全脈沖描述字（PDW）通過網(wǎng)口發(fā)送到計算機終端。在教學(xué)過程中，將上述功能模塊進行分解教學(xué)可以形成接口、信號處理兩大類知識點。1）接口包含ADC配置、DDR3數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)口通信：ADC采樣知識點結(jié)合通信原理有系統(tǒng)靈敏度、接收動態(tài)范圍等指標內(nèi)容；網(wǎng)口通信可以結(jié)合計算機網(wǎng)絡(luò)方面知識點教學(xué)，根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求決定數(shù)據(jù)接口采用RGMII還是SGMII、通信協(xié)議采用TCP還是UDP通信。2）信號處理包含濾波器設(shè)計、FFT頻率測量