呂常智　董曉虎　范迪　趙洪亮　蘇濤

[摘? ? ? ? ? ?要]? 緊跟技術發(fā)展，把FPGA技術平臺引入山東科技大學電氣工程專業(yè)中，開設FPGA在電氣工程中的應用課程并對之進行設計。課程框架壓縮理論教學，突出實驗和實踐，結合專業(yè)特點設計了豐富的基礎實驗和應用綜合實驗，應用Xilinx公司產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目式綜合實驗的教學方法，以培養(yǎng)應用型、技能型人才為目標，鍛煉學生的實踐動手能力，提高創(chuàng)新意識和綜合素質，彌補FPGA技術相關課程在教學過程中傳統(tǒng)的單純課堂講解模式的不足，積極探討實踐教學模式，培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力，以滿足現(xiàn)代企業(yè)對實踐型人才的要求。

[關? ? 鍵? ?詞]? FPGA;電氣工程;實踐教學;應用綜合實驗

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）22-0019-03

一、引言

FPGA稱為現(xiàn)場可編程門陣列，是在PAL、GAL等可編程器件的基礎上發(fā)展起來的，憑借其高度的硬件并行結構、流水線架構、分布式內(nèi)存及可編程等特性，在電子信息、通信工程、自動化等領域中廣泛應用。

FPGA屬于弱電，電氣工程屬于強電專業(yè)和領域，因此，F(xiàn)PGA與電氣工程專業(yè)結合并應用其中的情況目前還很少，也缺乏針對電氣工程領域的FPGA教材和實驗裝置。實際上，F(xiàn)PGA的高精度脈沖時間捕捉、高密度數(shù)字I/O以及PWM信號發(fā)生器等強大數(shù)據(jù)運算能力、積木式設計結構及快速的響應速度，可實現(xiàn)驅動控制電路進行高效集成，在電力電子技術應用中有明顯的優(yōu)勢。其中ARM具有流水線設計方法、硬件乘法器、PWM模塊等豐富的資源，具備并行處理、設計可重構、設計流程直觀等優(yōu)點，可快速地實現(xiàn)復雜算法，并根據(jù)需求可在FPGA內(nèi)部重構出SVPWM波輸出接口以及ADC接口，在工業(yè)多電機控制領域優(yōu)勢突出。因此，把FPGA課程引入并應用于電氣工程專業(yè)是非常必要的。

然而FPGA涉及的知識技能很多，需要掌握理論，更需要扎實的實踐鍛煉，它包含VHDL語言、軟件開發(fā)平臺、FPGA內(nèi)部硬件結構及外圍電路。器件的基礎結構、內(nèi)部硬件結構等內(nèi)容的教學難度大，其描述語言語法規(guī)則較多，給FPGA技術課程理論與實踐結合帶來了困難，因此，目前國內(nèi)不少高校都在對FPGA教學進行改革。比如，有的直接把FPGA融入數(shù)字電子技術課程，在其中設置了一定量的FPGA實驗內(nèi)容;有的投入大量資金建設FPGA實驗室，為提高學生FPGA應用開發(fā)能培養(yǎng)提供有力支撐;有的將FPGA創(chuàng)新開發(fā)實驗教學平臺融入現(xiàn)代電子技術、通信技術、計算機技術、EDA技術及硬件描述語言，在教學體系上提供一個理論與實踐結合的實驗平臺。

本文結合目前教學現(xiàn)狀，把FPGA技術引入電氣工程學科中，專門開設了FPGA在電氣工程中的應用課程，根據(jù)我校FPGA實驗室和電氣實驗中心的教學條件和實驗設備，結合賽靈思（Xilinx）公司ZynqPynq設計驗證平臺和開發(fā)板等硬件條件，開設基于FPGA在電氣工程應用的實踐教學課程，設計教學計劃、實驗模塊與實驗教案。教學設計突出以FPGA為應用對象，以VERILOG語言為主要描述邏輯手段的電子電路設計方法，進一步增加實驗課學時，提高綜合設計性實驗和創(chuàng)新研究性實驗的比例，并對實驗內(nèi)容及時更新，有意識地將驗證性實驗、綜合設計性實驗和創(chuàng)新研究性實驗與課程設計、實訓、實習和畢業(yè)設計等實踐環(huán)節(jié)密切聯(lián)系起來，結合FPGA在電氣工程中實際應用的工程項目實驗，讓學生按照工程設計要求，課內(nèi)完成設計任務，培養(yǎng)學生的電子設計能力和工程實踐能力，達到了較好的教學效果。

二、課程框架的設計及強化實踐的做法

原FPGA課程共48學時，其中理論32學時，實驗16學時，理論為主，實驗為輔。顯然這種模式不利于學生動手能力的培養(yǎng)。

為此，學院專門成立了教研小組，對課程進行深入細致的研究，做出了比較合理、科學的規(guī)劃。圍繞能力培養(yǎng)，構建實踐教學體系，在教學過程中理論與應用結合，引導學生獨立思考，主動探索，激發(fā)學生的主觀能動性。把傳統(tǒng)學科體系中的相關知識轉化為教學項目，圍繞項目開展教學，組織學生進行實戰(zhàn)性訓練。課程框架設計為六章內(nèi)容，前五章為理論部分，最后一章為實驗，包含基礎實驗和應用綜合實驗。理論部分要求學生掌握FPGA軟硬件設計工具、Verilog語言的基本知識、電氣工程的相關理論;實驗部分要求學生掌握FPGA在電氣工程中應用的工程實踐。課程加大綜合設計實驗的比例，F(xiàn)PGA理論教學修訂為16學時，實驗教學修訂為32學時，而且綜合設計性實驗由原來的12學時增加到24學時，以提高學生基于電氣工程的綜合運用與工程實踐能力，引入多個綜合設計性實驗訓練項目，在學生完成課內(nèi)基本實驗內(nèi)容的基礎上，進入該層次進行綜合訓練。

（一）實驗部分教學設計

綜合考慮課程的特點，在實驗環(huán)節(jié)進行改革創(chuàng)新，實驗部分設計了豐富、進階型的實驗項目，基礎和綜合部分各包含10個實驗項目?；A實驗有計數(shù)器設計、譯碼器設計、串口通信控制、ADC采集控制、數(shù)字頻率計的設計、任意信號與PWM發(fā)生器、IGBT驅動觸發(fā)系統(tǒng)設計、三電平逆變器主控制器的設計、正弦波逆變器的設計。綜合實驗有智能電網(wǎng)自動化、智能斷路器的設計、步進電機的控制、電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)采集與控制、電力系統(tǒng)的臨時保護裝置、變電站測控裝置、電力系統(tǒng)諧波分析儀的設計、電力系統(tǒng)諧波檢測系統(tǒng)的研究、用Vivado實現(xiàn)嵌入式linux操作系統(tǒng)與液晶屏驅動、基于Linux用Vivado實現(xiàn)的電能采集與頻譜分析。

基礎實驗幫助學生掌握FPGA基本的設計方法，綜合實驗強調學生綜合應用知識解決實際問題的能力。基礎實驗部分要求學生掌握輸入、編譯、模擬、仿真、綜合、布圖、下載及硬件測試等FPGA設計基本過程，熟練使用Vivado軟件等FPGA工具，一方面，鍛煉了學生理論聯(lián)系及分析問題的能力;另一方面，通過自頂向下的數(shù)字系統(tǒng)設計流程，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。在項目式綜合實驗中，設置課程項目，鍛煉學生團隊協(xié)作、項目組織、科技寫作等綜合能力。通過程序設計，使學生真實體驗項目開發(fā)的實施過程。項目式綜合實驗可以很好地滿足這一需求。項目進度被簡化為“申請→設計→結題”三個基本步驟，每個步驟要求學生寫出階段性總結文檔。

實驗項目實施以學生為主體分組進行，教師只進行組織、協(xié)調及必要的輔導，項目組共同分析和研究實驗項目，查閱文獻資料，確定技術路線、實施方案和小組分工，在實踐過程中鍛煉了學生對較大問題的模塊劃分、編碼、分工協(xié)作、科技報告撰寫等技能。在課程結束時，以答辯形式組織各開發(fā)小組匯報和演示作品?？隙ǔ煽?，找出不足，學生在積極融洽的環(huán)境中相互學習、取長補短，不斷提高自己。

（二）實踐教學方法改進

在FPGA課程教學中，突出學生動手實踐能力、開發(fā)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以設計和實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設計為目標，采取“以實踐為基礎，理論與實踐并重”的教學方式，在實驗室中展開教學活動，理論教學與實踐教學穿插進行。本課程還將采用一套全新的教學理念：突出師生共同探索、教材和課外讀物并用、課堂與課外并行、傳授知識與培養(yǎng)能力并重的理念。課程設計中降低課堂教學課時，大大增加實驗課時，力爭在實驗中鞏固知識，引導學生進行創(chuàng)新設計，最后再通過Xilinx的Zynq等平臺驗證。秉承通識教育、培養(yǎng)“厚基礎、高素質、強能力、重創(chuàng)新”人才的培養(yǎng)理念，將課程的思想性、知識性、創(chuàng)造性、學術性、趣味性融為一體，通過學習，使學生能夠熟悉FPGA的開發(fā)流程，能完成一些電氣工程應用案例的開發(fā)。在具體實施過程中，不拘泥于單一的教學方法，可根據(jù)教學內(nèi)容和階段特點靈活采用案例教學法、任務教學法、項目教學法及工程實踐法等多種教學方法，教學活動大部分都在專業(yè)機房或實驗室進行，真正實現(xiàn)教、學、做有機結合。

1.案例教學法

對器件，通過實物、照片、視頻等方式讓學生熟悉常用FPGA芯片，能夠合理選擇器件的類型、系列、型號，并學會查閱資料、參數(shù)。對Vivado，通過案例（如三人多數(shù)表決器）示范用圖形和文本兩種輸入方式從設計、編譯、仿真、引腳鎖定、下載測試過程引導學生跟著教師做練習，并讓學生獨立完成邏輯功能、引腳分配新內(nèi)容。對VERILOG，摒棄傳統(tǒng)的語言教學模式，直接通過直觀、典型的實例，引出語法內(nèi)容，把其中最核心、最基本的內(nèi)容解釋清楚，使學生在較短時間內(nèi)有效把握語言的主干。

2.任務教學法

在基本數(shù)字單元電路教學過程中采用任務教學法，學生根據(jù)任務要求，在教師的指導下進行任務分析、方案選擇、知識與技能學習（回顧）、設計仿真并下載測試。

3.項目教學法

在FPGA技術綜合應用中將學生分成3～5人的一組，小組從6個題目中自主選題，在教師的引導下分工協(xié)作、共同完成設計與測試，以培養(yǎng)學生的團結協(xié)作精神和實踐能力。

4.工程實踐法

在畢業(yè)設計或電子設計競賽階段，讓學生從歷年電子設計競賽題目中選題或自主選題，在教師的指導下自主學習并設計制作一個小型數(shù)字測控系統(tǒng)或簡單的電子產(chǎn)品，以訓練學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力。指導過程中強調產(chǎn)品的理念，即在實現(xiàn)功能的基礎上，進一步在教學過程中考慮可靠性、經(jīng)濟性以及速度、功耗等。

5.示范教學法

教師通過示范操作和講解使學生獲得知識、技能。教師對實操內(nèi)容現(xiàn)場演示，邊操作邊講解，并強調關鍵步驟和注意事項，同時學生邊學邊做，利于提高學生的學習興趣和學習效率。

三、教學效果及總結

通過對課程的設計，強化實踐教學，貫徹新教育理念，F(xiàn)PGA在電氣工程中的應用教學取得了很好的效果。

1.通過對FPGA在電氣工程應用課程的建設，創(chuàng)建了激勵學生參與實踐、創(chuàng)新的機制。提出符合時代需求的人才培養(yǎng)新模式，以動手實踐代替理論教育，制定與之相適應的課程建設要求與實施方案，培養(yǎng)學生的實踐動手能力、創(chuàng)新意識和綜合素質。改變傳統(tǒng)單純的課堂講解模式，建立實踐教學模式，通過本課程的學習，學生基本可以將FPGA設計方法運用在電氣工程具體設計中，使學生掌握Xilinx的ZynqPynq等平臺的應用以及SDx技術在電氣工程學科交叉融合方向的實驗模式，使學生符合現(xiàn)代企業(yè)對實踐型人才的要求。

2.結合Vivado軟件平臺設計出符合設計要求的實驗開發(fā)板，且性能穩(wěn)定;提供FPGA設計方案，利于虛擬集成電路設計實驗打破傳統(tǒng)教育教學模式。學生通過本課程的學習需具備以下能力：熟練使用Vivado軟件等FPGA工具;熟練掌握FPGA設計的基本流程;熟練掌握Xilinx Zynq嵌入式系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法;對FPGA在電氣工程實例有初步的設計能力。

3.更新教學內(nèi)容、完善課程體系、建立健全教學課程。按課程建設要求編寫了規(guī)范、開發(fā)必要的教具、教學課件等。

高等院校的FPGA技術教學需要與其發(fā)展現(xiàn)狀相適應，深入進行課程改革，加大FPGA實踐課程比重，改進實驗內(nèi)容、教學方式，突出分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)，切實改善實驗教學效果。FPGA技術是一門電氣信息類專業(yè)的重要平臺型課程，把FPGA課程引入電氣工程專業(yè)中可為學生提供實踐創(chuàng)新平臺新方案，利于學生知識面的拓寬、創(chuàng)新意識的激發(fā)、工程實踐能力的提高，也達到了FPGA技術更好地為電氣工程學科服務的目的。

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◎編輯 趙瑞峰