以學科競賽為驅動FPGA實踐教學改革探究

李劍 王少杰

[摘 要] 以邵陽學院信息工程學院FPGA實踐教學的現狀和電子設計大賽的趨勢為結合點，提出FPGA實踐課程教學改革的方向，對FPGA理論課程教學和實踐教學的實驗安排項目以及實踐考核方式進行優化改革，以提高學生的自主學習興趣、分析問題和解決問題的能力、團隊協調與創新的能力，達到自主完成電子系統的設計和測試的目的，并在學科競賽中取得優異的成績。

[關 鍵 詞] 學科競賽；FPGA；實踐教學

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2019）01-0084-02

一、FPGA實踐教學現狀

目前我院電子信息工程專業在FPGA課程領域中開設三門相關理論課程：數字電路基礎、EDA和SOPC技術與應用。數字電路基礎是電子信息工程專業的基礎課程，學生從初步認識數字系統開始，學習掌握數字系統的各個功能部件，如數據選擇器、編碼器、譯碼器、加法器、鎖存器、計數器、移位寄存器等，掌握用組合邏輯電路和時序邏輯電路分析和設計的方法，實驗項目大多是基于這些功能塊完成電路功能的測試或者設計，實驗課時為12課時，但不能設計出一個完整的數字系統，因為采用小規模集成電路設計大規模集成電路電路結構復雜，PCB上需要組裝的元器件數量多，影響電子系統的性能和功耗，與電子設計大賽提出的性能指標不符；EDA課程是數字系統實現的一種自動化設計方式，以硬件描述語言（HDL），采用“自頂向下”的方式完成對功能塊電路的描述，通過使用EDA開發工具，在FPGA上實現其功能電路，是現代電子設計技術的核心，但目前開設的實驗項目大多是基礎的實驗項目，實驗課時為10課時，如二選一數據選擇器、全加器的設計、四位二進制計數器設計、數控分頻器的設計，由于實驗安排的課時數量有限，因而也沒有達到對數字系統設計的訓練，且部分實驗與數字電路課程實驗重復；SOPC技術與應用屬于嵌入式范疇的應用，是數字系統設計技術的整合，是片上系統（SOC）設計的途徑，數字系統中功能塊電路以軟IP的形式集成在SOPC Builder軟件中通過配置和定制，完成數學系統的設計，一般安排在大四第一學期作為選修課程。

在這些課程學習中，學生技能不強的問題沒有得到根本解決，實驗課程一般包含學生對EDA軟件和實驗開發箱的基本使用，對常見數字功能塊電路的設計，相對于FPGA技術的發展，這種相應實驗課程的設計稍顯陳舊，存在一些課程之間內容重復、實驗實施不一致的問題。綜上所述，FPGA課程的實踐教學模式和教學內容需要進行改變，應該充分發揮學生學習的主動性，培養學生的自主創新能力和綜合能力，使不同層次和不同能力的學生在FPGA課程中均能充分發掘自身的潛力。

二、學科競賽中FPGA的技術

電子類學科競賽包括全國大學生電子設計競賽和湖南省大學生電子設計競賽。全國大學生電子設計競賽自1994年至今已成功舉辦14屆，深受全國大學生的歡迎和喜愛，參加學校、參賽隊和參賽學生逐年遞增。它是由教育部、信息產業部和索尼（中國）、瑞薩、TI公司贊助的四大學科競賽之一，它是面向全國大學生、高職高專生的群眾性科技活動，目的在于推動全國普通高等學校促進信息與電子類學科面向21世紀課程體系和課程內容改革，有利于高等學校實施素質教育，培養大學生的創新能力、協助精神和理論聯系實際的學風；有助于學生工程實踐素質的培養，提高學生針對實際問題進行電子設計制作的能力；有助于吸引、鼓勵廣大青年學生踴躍參加課外科技活動，為優秀人才的脫穎而出創造條件。對學生而言，電子設計競賽和賽前系列培訓，使他們獲得了電子綜合設計能力，鞏固了所學知識，并培養了他們所用理論指導實踐、團結一致、協同作戰的素質；通過參加競賽，參賽學生可以發現學習過程中的不足，找到努力方向，為畢業后從事專業技術工作打下更好的基礎，為將來就業做好準備。

湖南省從2010年開始，單數年進行國賽，雙數年進行省賽，目的在于使每屆大學生均可以得到這種特殊訓練，為國家培養更多的有用人才，從歷屆競賽出題方向來看有電力電子類、儀器測量類、控制類、高頻通信類。在儀器測量類題型中，應用FPGA技術完美地實現這種解決方案，得益于FPGA的硬件資源豐富，可并行工作，時鐘頻率高。如在1997年和2015年國賽中頻率計，可以把控制電路比如單片機和功能電路都以IP核方式在FPGA上實現，只需要輔助外圍放大電路就能實現高精度、寬頻帶的頻率計，以滿足設計要求。縱觀歷年試題，FPGA在信號采集、存儲、頻率測量和信號的產生等方面具有無可比擬的優勢。據不完全統計，涉及FPGA技術的題目如下頁表所示，2017年電子設計大賽以綜合性的題目為主，FPGA技術能實現其中部分功能，其趨勢往數字信號處理方向發展。

三、FPGA實踐教學改革

根據目前FPGA課程實驗教學的現狀，以學科競賽為契機，提出FPGA實踐教學改革的思路和方法，旨在提高學生的學習主動性和綜合設計水平，培養創新精神和團隊意識。

（一）理論課程的優化改革，開設獨立實驗

目前，把數字電路基礎和EDA課程合并為一門數字設計基礎理論課程，自編教材，理論課時80學時；開設獨立實驗《數字設計基礎實驗》，自編實驗教材，實踐課時32課時，解決了實驗課時偏少的問題，同時對實驗項目進行了優化，避免重復開設。在實驗安排上數電8課時，對組合邏輯電路和時序邏輯電路功能塊電路測試和設計；安排8課時中規模電子系統設計與制作；FPGA數字系統設計實驗安排16課時，其實驗項目有：AD采用控制系統設計、交通燈控制系統設計、DDS信號發生器的設計、直流電機綜合測控系統的設計等精度頻率計，SPWM脈沖調制控制系統設計等。

（二）開設開放實驗項目，以項目為驅動，培養創新精神和團隊意識

為了進一提高學數字系統的設計能力以滿足電子設計大賽設計要求，首先培養學生的自學能力，我們對FPGA實踐技能進行分類，便于學生掌握和指導教師追蹤。把FPGA技術的內容的學習分解為硬件技術的掌握和VHDL軟件編程，按學習路線圖進行任務分解。

硬件方向學習路線圖：以開發板為載體，掌握硬件電路下載、SignalTapII調試、儀器儀表對FPGA輸出引腳時序的測試。

軟件方向學習路線圖：掌握自頂向下的設計思想、VHDL語法語義、功能塊電路VHDL描述、數字系統頂層電路的構建以及QuartusII軟件LPM宏資源的調用。

從歷年試題中提煉出DDS信號發生器等精度頻率計、數字示波器等題目，作為開放性實驗項目，要求3人一組，配合協調自主完成設計一個完整的數字系統，這樣學生就能積極主動地把學科競賽的熱情延伸到實踐教學中。

（三）考核方式的改革

獨立實驗課程按照常規實驗教學要求來考核學生，包括考勤、學生實驗態度、實驗過程、實驗報告情況。評分標準是考勤占10%、學生實驗態度占20%、實驗過程占20%，實驗報告占50%。

開發性實驗項目由指導教師負責學生的學習方向、學習方法和項目實施進展，及時解決學生的難題或提出解決方案，做好項目團隊之間及團隊內部學生之間的協調工作。開放實驗項目驅動模式有需求分析、資料查閱、方案論證、設計調試、項目總結五個過程。具體操作如下。

1.需求分析應充分把握項目設計難度，做好任務分解，通過查閱資料，提出方案的設計。

2.方案論證，教師不要包辦，只指出不足，具體解決辦法由學生自主完成。按照產品標準實施項目，不能停留在功能設計。

3.項目全程監控，追蹤電路功能塊設計與仿真、系統頂層文件設計、開發軟件的使用、系統的性能指標測試等。

4.項目總結要到位匯總技術文檔：技術報告（按電子競賽文檔要求或畢業設計要求）、設計圖紙、設計程序和參考文獻。

四、結束

本文對FPGA實踐課程的現狀進行分析，提出FPGA實踐課程存在的主要問題，同時對FPGA技術在學科競賽的應用，提出以學科競賽為契機，對FPGA實踐課程的改革。課程改革中以提高學生的自學能力和興趣，對理論課程進行整合，開設獨立實驗和開發實驗項目，并在實驗內容、教學模式、考核方式等方面進行改革，以提高學生的團隊協作、自主創新能力，在電子設計大賽中取得優異成績。實踐證明，該模式取得良好成效，在開放實驗室中兩組學生參加2018年湖南省電子設計大賽，分別獲得省二等獎和省三等獎。

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編輯 馬燕萍