《数字系统设计》教学大纲

《数字系统设计》教学大纲课程编号：13220423英文名称：DigitalSystemDesign学分：2学时：总学时40学时，其中理论24学时，实践16学时先修课程：电路原理、数字电子技术课程类别：专业拓展课程授课对象：电气工程及其自动化专业学生教学单位：机械与电气工程学院修读学期：第6学期一、课程描述和目标本课程是电气工程及其自动化专业的一门专业方向选修课。本课程以实际工程应用为导向，介绍数字系统分析与设计方法，以及运用相关理论和方法来解决工业实践和科学研究中遇到的实际问题。目的是使学生掌握EDA工具、FPGA开发技术以及VHDL编程方法；能比较熟练地使用常用EDA软件，基于FPGA解决各种控制系统设计问题，特别是智能仪器仪表方向的实际工程问题。本课程拟达到的课程目标:课程目标1掌握EDA/FPGA开发技术，掌握常见数字模块的设计及调试方法，具备自动化系统中数字部分的分析与归纳能力。课程目标2掌握基于FPGA开发手段实现复杂数字系统的分析和设计技术，并且能根据特定需求，在智能仪器或机器人系统的软硬件协同设计中正确选择和应用各单元功能部件。课程目标3理解数字设计工程师对公众安全、环境保护等方面的社会责任，并能够在数字设计领域工程实践中自觉履行简化复杂度、降低功耗和制作成本、提升IP复用和TTM方面的责任。二、课程目标对毕业要求的支撑关系毕业要求指标点课程目标权重2.4能运用相关基本原理，借助文献研究，分析电气工程实施过程中的影响因素，通过归纳总结获得有效结论。课程目标1H3.2能够针对特定需求，完成输电、变电、配电、拖动等单元模块的设计；课程目标2M8.3理解工程师对公众的安全、健康和福祉，以及环境保护的社会责任，并能够在电气工程相关领域的工程实践中自觉履行责任。课程目标3M（注：要求课程目标与毕业要求指标点应是一一对应支撑）教学内容、基本要求与学时分配本课程课内总学时为40学时，其中课堂理论讲授和讨论共24学时，课内实验16学时。（1）理论部分教学内容与学时安排序号教学内容基本要求及重、难点（含德育要求）学时教学方式对应课程目标1EDA技术及PLD基本要求：EDA的TOP-DOWN设计过程；SPLD的工作原理及存在的缺陷，CPLD和FPGA的工作原理和器件特点；重点和难点：数字系统层次化设计流程；德育要求：贯彻发展和创新理念。2集中讲授课堂演示12QuartusII应用基本要求：QuartusII软件的使用方法，掌握基于该软件设计数字电路的流程；重点和难点：QuartusII仿真，下载与调试；德育要求：技术革新的传承和保障理念。4集中讲授互动验证13VHDL编程基本要求：VHDL的基本语法：数据对象、IF语句、进程语句、并行语句等；重点和难点：组合模块、时序模块的实现；德育要求：贯彻应用中合作与担当理念。6集中讲授互动验证1，24典型数字系统设计基本要求：掌握数字钟、抢答器、频率计、拔河游戏机、洗衣机控制器、密码锁、乘法器等数字系统的设计方法；重点和难点：典型数字系统的FPGA实现；德育要求：贯彻设计中规范和法制理念。6集中讲授互动设计2，35复杂数字系统设计基本要求：Moore型状态机和Mealy型状态机设计方法；基于NiosII软核及标准构件实现复杂数字系统的实现方法。重点和难点：有限状态机设计；NiosII软核及HAL架构；德育要求：贯彻应用中包容与完美理念。4集中讲授互动设计2，36综合项目设计基本要求：基于FPGA开发技术完成自选（或指定）综合项目设计；重点和难点：在实践中体现简化复杂度、降低功耗和成本、提升IP复用等方面的能力。德育要求：贯彻精益求精的工匠精神理念。2自主设计集中总结2，3合计24（2）实践部分教学内容与学时安排序号实验项目实验内容与要求学时类型对应课程目标1典型数字模块设计内容：利用QuartusII实现编码器、译码器和加减计数器设计；要求：熟悉QuartusⅡ的VHDL设计流程，掌握简单电路模块的设计及层次化设计流程。4验证12四位数字频率计设计内容：用FPGA设计一个四位数字频率计，频率测量范围为0～9999Hz。设被测信号为方波，幅值已满足要求。要求：掌握TOP-DOWN设计流程；掌握FSM设计方法。4设计2，33正弦信号发生器设计内容：完成正弦信号发生器设计和系统实测，包括SignalTapII测试、FPGA中ROM的在系统数据读写测试和利用示波器测试。要求：掌握LPM_ROM与FPGA硬件资源的使用方法。4设计2，34直流电机控制器设计内容：完成基于NiosII软核的直流电机控制器设计，生成系统；完成速度反馈检测模块设计。编制PID控制程序，控制直流电机的正转反转、停止、加速和减速等功能。要求：掌握PID控制、NiosIDE设计方法。4设计2，3合计16注：实验要求包括必修、选修；实验类型包括演示、验证、综合、设计等。四、课程教学方法1.课内教学环节采用集中讲授、课堂演示与反馈、集中讨论与总结及分小组讨论等教学方式。课外教学环节课外教学环节通过如下环节实现：（1）预习与自学：要求自主完成预习、学习通相关资料及教学微视频学习；（2）复习与练习：要求自主完成课后习题、阶段模块设计项目仿真和验证；（3）课外复杂项目：自由构建学习小组，分小组定期讨论，按进度计划完成复杂设计的调研、模块设计、仿真验证和硬件实现。五、学业评价和课程考核（一）考核方式及具体要求1.课程成绩构成与要求课程考核注重形成性和终结性评价相结合，考核内容主要由平时作业、实验测试、课程设计、期末考核组成，均按百分制计分，其中期末考核成绩占50%、平时作业成绩占15%、实验测试成绩占20%、课程设计成绩占15%。2.课程目标达成考核与评价序号教学环节课程目标1（分值）课程目标2（分值）课程目标3（分值）合计1平时作业1050152实验测试01010203课程设计0105154期末考试20201050课程目标对应分值304525100（二）考核与评价标准1.平时成绩考核与评价标准分值观测点90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分作业按时完成，95%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握到位。能够利用理论知识识别、分析数字系统设计领域相关专业问题。按时完成，90%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握到位。能够利用理论知识识别、分析数字系统设计领域相关专业问题。按时完成，70%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握较到位。能够较好利用理论知识识别、分析数字系统设计领域相关专业问题。延时完成，60%以上的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握基本到位。利用理论知识对数字系统设计领域相关专业问题有一定的识别、分析。不交和补交，50%以下的作业内容齐全，基本知识点理解、掌握有偏差。不能利用理论知识对数字系统设计领域相关专业问题进行识别、分析。2.实验测试与评价标准分值观测点90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分实验态度20%按时出勤、认真听讲解，并提出问题。按时出勤、认真听讲解实验原理。迟到5分钟以内、基本能认真听讲解。迟到5分钟以内、老师讲解过程有走神。迟到、早退5分钟以上，基本不听。动手能力50%能根据实验目的自主完成实验步骤设计、正确使用相关仪器，记录相关数据，并具备排查故障能力和探索精神。能在老师指导下自主完成实验步骤设计、正确使用相关仪器，记录相关数据，具备一定的探究能力。完成老师讲解操作、能在老师指导下完成相关仪器设备的操作，实现实验目的。完成老师讲解操作、相关仪器需要老师多次讲解才能正确使用，基本实现实验目的。不能按照实验步骤完成实验。实验报告30%实验报告版面整洁、内容完整，问题剖析深刻。设计报告版面较为整洁、内容完整，问题剖析较深刻。设计报告版面整洁度、内容完整性一般，问题剖析不够深刻。设计报告版面基本整洁、内容基本完整，问题剖析简单。设计报告版面混乱、内容不完整，无问题剖析。3.课程设计考核与评价标准分值观测点90-100分80-89分70-79分60-69分0-59分设计报告60%（1）理论分析和计算正确；结论正确；（2）报告结构合理，文笔流畅。（1）理论分析和计算有少量错误；但是结论正确；（2）报告结构合理，文笔较流畅。（1）理论分析和计算错误较多；结论正确；（2）报告结构合理，文笔基本通畅。（1）理论分析和计算有明显错误影响，结论有瑕疵；（2）报告结构合理，文笔流畅。（1）未完综合项目设计任务；（2）报告潦草应付。演示答辩40%（1）汇报时能清楚表述系统原理；（2）回答问题正确。（1）汇报时能较清楚表述系统原理；（2）回答问题正确。（1）汇报时能表述系统原理；（2）大部分问题回答正确。（1）汇报时能表述部分系统原理；（2）能回答部分问题。（1）汇报时清楚表述不清楚；（2）回答问题基本不正确。4.期末试卷考核与评价标准根据课程目标及教学内容，设计期末考核试题，综合检验学生对课程相关知识的掌握、综合应用及解决复杂问题的能力，根据考试题目设计相应评分标准。六、教材与参考书推荐教材：（1）《EDA技术及应用》.孙宏