FPGA应用技术课程教学案例设计

摘"要：针对目前FPGA应用技术课程教学内容中多课程实验内容融合度欠缺、实践教学与工程应用契合度不够等问题，提出教学案例选取应结合专业培养方向、FPGA工程师应用细分领域和学科融合的教学内容改革措施。为面向工程应用与FPGA职业技能细分领域，实验系统基于模块化开发，并根据学生能力水平设计教学案例，分为初阶篇与进阶篇。实践证明，改革措施不仅可以加深学生对理论知识的理解，还可以锻炼他们的工程实践能力，为地方应用型高校FPGA应用技术课程教学改革提供一定的参考。关键词：FPGA应用技术；案例教学；课程融合0"引言在数字电路设计中，FPGA具有编程语言丰富、数据并行处理、编程次数不做限制和设计方案验证时间短等特点[1]，硬件平台采用EDA技术实现电子应用系统中既定功能和相关技术指标。基于FPGA的软硬件开发平台，项目开发灵活性较高，与各门学科联系紧密，常应用于雷达、通信信号的预处理、高速数据传输、非标准协议的开发、图像视频编解码和大数据加速等众多领域。FPGA应用技术是通信、电子信息类等专业的技术课程，在部分高校中作为数字逻辑电路后续课程的一种延展，目的是增强学生对专业知识的理解，培养综合实践能力。课程的入门具有一定难度，基于教学的基本需求，学生需要掌握FPGA的基本概念、原理和设计方法，通过项目开发熟练掌握FPGA工具的使用。在工程项目开发中，将FPGA初学者培养成一名合格的工程师，需要多个项目的实练与打磨。为了加强对学生专业能力的培养，本文在教学内容中设计一些工程案例，帮助学生获取工程开发经验，提高教学质量，满足通信、电子信息产业对人才的需求。1"课程教学现状1.1"课程内容分析通过专业调研和查阅高校课程开设情况，FPGA应用技术课程的学习一般设置在数字逻辑电路、计算机语言等课程之后。该课程一般作为选修课，教学方法以理论与实践相结合为主，教学课时设置为32课时或48课时不等，教学内容主要包括六个方面：第一章，认识数字系统设计开发环境；第二章，Verilog设计基础；第三章，组合逻辑电路设计；第四章，时序逻辑电路设计；第五章，数字系统的验证；第六章，数字系统设计实践[2]。理论讲授重点为Verilog设计基础，了解硬件描述语言的基本概念，学习数字系统的设计方法；FPGA应用技术课程实验内容以数字电路为主，通过对组合逻辑门电路中加法器、译码器和表决器的学习，掌握组合逻辑电路的建模方法；对D触发器、计数器和分频器等电路的设计建立同步时序电路的设计思想；数字系统验证是确保电路模型符合设计规范，确定电路的逻辑功能是否正确。1.2"教学实验设备分析FPGA应用技术课程的实践性很强，为提高学生的学习积极性，需要配备相应的实验设备。完整的FPGA教学实验设备需要配置计算机与FPGA硬件设计平台。基于FPGA的系统教学平台在市场上种类有很多，主要分为试验箱和最小系统开发板两类。试验箱体积大，优点是集成度高、外设配置功能多，缺点是价格昂贵、器件损坏后维修困难；最小系统开发板价格低廉，缺点是几乎没有外设，需要实训室额外提供耗材做扩展性实验[3]。1.3"教学中的问题分析数字电路教学案例简单，例如，组合逻辑电路设计中三人表决器、3-8译码器等电路设计与实际工程应用贴合度不高，综合实践设计章节中的案例与之前章节的内容关联度不够，没有延续性。实验课前的准备阶段，教师常常会把源代码与仿真文件提供给学生，学生只需要根据需求修改参数，完成编译仿真等操作步骤，最后查看仿真结果完成实验。学生在实验过程中甚至会出现自始至终没有写过一遍完整程序的情况，自然也就不会遇到相关的电路设计问题，更不会去思考实现同样的功能有几种设计方法。部分学校由于缺少开发板，导致学生对FPGA的电路设计没有直观印象，只停留在功能仿真阶段，无法培养综合能力。课程内容多、教学课时少是现阶段FPGA应用技术课程教学的一个突出问题，王静霞[2]给出的参考教学课时是80课时，这在紧张的教学安排中是难以实现的。作为选修课，FPGA教学课时常设置为48课时，其中实践课课时排课较少会导致学生缺乏动手能力。因此，设计合适的教学案例让学生在学中做、做中学是很有必要的。无论是在高校的教学还是在企业项目开发中，FPGA的学习都存在一定的误区。FPGA的学习者往往会把学习重点放在VerilogHDL语言上，而忽视了数字逻辑电路是FPGA的基础。教师在教学过程中一定要时常引导学生对数字电路的理解，VerilogHDL语言只是一个搭建门电路的工具，不能用软件的思维去开发项目。2"课程教学内容改革2.1"结合专业培养方向以桂林师范高等专科学校为例，学校有两个专业开设FPGA应用技术课程，分别是电子信息工程技术专业和现代移动通信专业。这两个专业的人才培养目标是培养面向电子、通信设备制造业和信息技术服务等行业的设备调试、嵌入式系统设计工程技术人员。因此，教学内容设计要结合专业的培养方向。在电子、通信领域中，采用FPGA作为主处理器进行项目开发的应用有很多，授课教师可以根据自己的专业领域设计教学案例，让教学内容更贴近工程实践。2.2"结合FPGA工程师应用细分领域面向社会需求的FPGA应用开发工程师在细分领域可以分为逻辑开发工程师、逻辑验证工程师和逻辑测试工程师。FPGA应用技术课程开始阶段，教师可以向学生讲述FPGA应用的岗位分工和需要掌握的职业技能、熟练度与相关嵌入式开发软件比较等，引导学生去招聘网站查看岗位职责、需求，让学生对未来的规划、就业产生直观的认识，激发学习兴趣。关于课程内容教师要先做好顶层设计，将项目分成不同的子模块（包含逻辑功能开发、数字逻辑电路功能验证、人机交互等）和整机电路测试等，学生可以按照工程实现场景分组承担任务，每个小组中的成员在项目中又有不同分工。2.3"学科融合FPGA应用技术课程的学习不能仅仅存在于仿真阶段，需要在FPGA实验设备中实际操作，才能让学生对FPGA开发设计工作有直观的印象。作为一门实践性很强的课程，FPGA应用技术和数字逻辑电路、电子信号测量、印制电路板设计与制作、通信原理等课程联系紧密。基于FPGA可以实现通信原理中信号的调制与解调；电子信号测量课程采用FPGA实验设备完成信号检测课程的学习；印制电路板设计与制作是电子信息、通信专业的核心课程，在选择最小系统开发板的前提条件下，可以将两门课程的需求进行融合，比如，可以将FPGA最小系统板的一些3×4矩阵键盘、LED显示、ADC模块等外设制作放在印制电路板设计与制作课程中进行；设计单片机控制模块与FPGA最小系统板的串行接口通信实验时，针对IO口电平不一致的问题，则可以制作电平转换模块解决问题，这样就可以将两门学科融合在一起，实现项目的分工。3"教学案例设计本文按照教学内容改革的方向设计教学案例。为了促进学生更好地掌握FPGA开发这项工程实践要求比较高的技能，获得工程开发经验，案例的设计从结构上层层渐进，在实例中逐步引导学生形成对FPGA的认识。教学案例分为初阶篇和进阶篇，初阶篇的作用是培养学生对本门课程的兴趣，让学生掌握FPGA基本开发流程，并对FPGA工程应用有一个初步的认识；进阶篇的工程设计较为复杂，通过案例的设计培养学生的自主创新性能力，将所学专业课中的相关知识点进行有效的融合，加强学生对理论知识的理解，巩固专业知识。FPGA实验设备是用于教学的重要工具，本文选用正点原子的最小系统开发板，如图1所示。主处理芯片为XilinxZYNQ系列7010，主频为666MHz，包含28k逻辑资源、2.1Mbit的BRAM，外接有USBUART、SD卡接口、千兆网口、RGBLCD接口和HDMI输出接口等，可以满足FPGA的教学要求。3.1"教学案例初阶篇初阶案例的设计需要考虑教学课时的分配、涵盖的知识点和学生的基础能力。数字时钟管理系统是日常生活中最常见的电路之一，案例需求是设计一个数字钟，在液晶屏上实现“小时”“分钟”和“秒”的计时与显示，通过键盘可以设置闹钟和定时器，精度为0.01秒。数字时钟管理系统可以通过串口接收时间信息并在液晶屏上显示，在没有外来时间信息的情况下，需要通过键盘手动修改时间信息。数字时钟系统管理框图如图2所示。对数字时钟系统进行功能分解，形成不同的实验教学模块，如表1所示。实验一：蜂鸣器模块学习IO口的使用，引入FPGA设计环境；实验二：按键控制模块学习组合逻辑电路；实验三：计时器模块，结合按键控制模块与蜂鸣器电路设计一个定时器、分频器电路学习时序逻辑电路；实验四：串口收发模块学习底层驱动协议开发；实验五：显示控制模块学习IP核的使用；最后综合所有基础课程形成数字时钟系统。对相关模块进行教学时，通用的如按键键盘去抖、串口收发等功能，教师可以将实现方法与其单片机、ARM开发平台做比较，用于加深学习印象、巩固学生知识。在课后学习过程中，学生可以在开发平台设计相关电路进行扩展学习。Verilog语法知识根据实际教学课时可以镶嵌在功能模块中，也可以单独作为一个章节进行学习。FPGA内嵌的IP核是FPGA开发的一个重要工具，功能设计较为复杂，涵盖了数字电路、接口、音频图形处理等，调用IP核进行电路设计可以大大减少工程师的工作量，但在部分教材上没有对其进行介绍，所以在案例设计时需要将其考虑进去。初阶案例中不需要讲解太复杂的IP核，只需要学生对IP核的产生和调用有初步的了解。本文的功能模块中，液晶显示控制电路设计时需要锁相环（PLL）对时钟进行分频，字符信息存储在ROM核中。IRIG-B格式码简称为B码[4]，是将时间同步信号和秒、分、时、天等时间信息码加载到频率为1KHz的信号载体中。B码的解码功能可以作为一个功能扩展模块放到学生课后学习过程中，它需要对脉冲宽度进行统计，涵盖时序逻辑电路中计数器知识点，对功能测试验证时，可以和电子信号测量课程中示波器应用相结合，让学生对IRIG-B格式码有一个直观的印象。3.2"教学案例进阶篇进阶篇案例的设计建立在学生初步掌握FPGA开发能力的基础之上，并对电路设计有一定的了解。FPGA在工程应用中常用于信号、数据处理，数据采集系统是FPGA电路进阶设计中很重要的一环，将数据采集与所学专业相结合构成符合专业特色的教学内容。本文将教学内容与通信专业融合，进行教学案例的设计。《无线通信的MATLAB和FPGA实现》详细介绍了无线通信中数字处理基础、数字调制、信道编解码接收机等关键技术及其MATLAB和FPGA的实现[5]，教师可以将其作为零散的知识点，在需要理解或者使用某个功能时让学生学习和调用，但不具有连贯性，不是一个完整的工程应用。低空经济是我国未来发展的一个重点，对无人机信号的监测任务也会越来越多，超外差接收机的设计可以有效解决相关问题。无人机常用工作频段有2.4GHz和5.8GHz，对无人机信号监测可以归属于无线电信号检测。无线电信号检测系统框图如图3所示，系统主要包括ADC数据采样等模块。中频信号可以通过MATLAB生成，也可以对无人机信号进行实际采样，ADC数据采样模块实现对输入数据的正确接收，并恢复成数据流形式的数据，用于后级的超外差数据处理，超外差接收模块完成对中频信号的窄带滤波、时域检测和参数提取、频率参数估计运算，将最终结果封包形成全脉冲描述字（PDW）通过网口发送到计算机终端。在教学过程中，将上述功能模块进行分解教学可以形成接口、信号处理两大类知识点。1）接口包含ADC配置、DDR3数据存储和网口通信：ADC采样知识点结合通信原理有系统灵敏度、接收动态范围等指标内容；网口通信可以结合计算机网络方面知识点教学，根据具体的应用场景和需求决定数据接口采用RGMII还是SGMII、通信协议采用TCP还是UDP通信。2）信号处理包含滤波器设计、FFT频率测量