FPGA四層次-交叉復合實踐教學模式研究與應用

郭曉云 王峰 陳海生

[摘 要]物聯網電子產品大多涉及電子信息專業的多門專業課程知識。物聯網的發展對電子信息專業實踐教學提出了更高的要求——必須培養學生具備更多專業課程交叉復合的綜合實踐能力。課題組提出了“四個層次”與“多課程交叉復合”的實踐教學模式，建立了與之相配套的FPGA實踐教學綜合案例庫，并且對不同層次的教學案例分配了各自的教學環節，經過實踐檢驗取得了較好的教學效果。

[關鍵詞]FPGA;物聯網;實踐教學

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）10-0108-05

電子信息專業課程實踐教學，通常可分為四個層次：課程認知實踐、課程應用實踐、專業綜合實踐以及研究創新實踐。“FPGA與硬件描述語言”是電子信息專業一門重要的專業基礎課，是實踐性非常強的嵌入式開發專業課程。目前FPGA實踐教學大多停留在課程認知實踐的層次。本文旨在探討如何與電子信息專業的其他專業基礎課程進行交叉復合，結合電子信息專業的一個重要的就業方向——物聯網，建立FPGA實踐教學“四個層次”的教學體系。

一、FPGA在物聯網市場的重大機遇

FPGA主要應用在無線通信、嵌入式視覺、工業物聯網和云計算等市場領域。物聯網（Internet of Things，IoT）的迅猛發展對FPGA的應用前景產生極大的推動效應。

其一，物聯網生態圈面臨需求的多元化、差異化、不確定性、不穩定性、細分或者小市場化。FPGA+MCU（微控制單元，Microcontroller Unit）架構為“異構計算”的一種重要解決方案，應用日益廣泛。相比ASIC和ASSP這一類針對特定功能的設計方案，FPGA小批量成本更低，開發周期比ASIC低55%，更適合快速搶占市場。

其二，物聯網面臨一些關鍵問題，例如提高物聯網設備的能源效率、處理不兼容的接口以及確保最大時延等。與單片機、ARM相比，FPGA可以保證物聯網執行裝置的最大時延，更適合作為數據接口快速轉發數據，以及能夠更加快速完成復雜數據處理。

其三，廠家開發出越來越多的差異化方案和FPGA產品。以往，FPGA廠商重點開發尺寸巨大、運算極快和功耗驚人的芯片，為高端數據處理提供解決方案。面臨物聯網需求，越來越多廠家專注于為物聯網業界提供小尺寸、低功耗、低成本的FPGA產品。

FPGA在物聯網市場的巨大機遇，意味著電子信息專業FPGA實踐教學的最終教學目標應該是培養具備電子信息專業綜合設計實踐能力的人才。

二、FPGA實踐教學現狀與問題分析

（一）FPGA實踐教學平臺的外設相對簡單，遠遠低于物聯網市場應用產品的復雜度

國內外FPGA教學開發板，大多采用Altera公司的DE2-115、DE4、DE5，或者XiLinx的Basys 2、Basys3、Nexys 3、Nexys 4DDR、Spartan 3E等型號，配備了按鍵、LED、七段數碼管、液晶顯示屏、時鐘芯片、串口、VGA視頻接口等常用實驗外設，并且提供了與開發板相配套的實驗指導書與實驗例程。

電子市場應用產品往往涉及單片機、ARM開發板、工控機、電機編碼器、視頻采集攝像頭、視頻壓縮編解碼器、SD卡、WIFI網卡、USB無線串口、ZigBee、藍牙、各類傳感器模塊等外設，驅動代碼實現非常復雜。

（二）FPGA實踐課程內容簡單，大多停留在課程認知層次，遠遠低于物聯網的電子產品綜合設計需求

由于目前FPGA在電子市場處于小眾應用，實踐教學內容主要是參考FPGA開發板的自帶實驗指導內容，大多數實驗內容屬于課程認知層次，例如“多路選擇器”“計數器”“譯碼器”等。

物聯網電子市場應用產品往往需要FPGA配合其他嵌入式系統、網絡傳輸設備、傳感器等其他設備一起使用，因此要求開發人員具備復合交叉的知識體系，不僅掌握FPGA開發知識，還需要了解FPGA如何與單片機、ARM等其他平臺進行任務交互，如何實現網絡設備、執行單元的控制接口協議以及各類傳感器模塊的數據交互方式。

（三）多門專業課程實踐的交叉復合已成為共識，但是大多數文獻沒有提及如何建設與之配套的案例庫

由于“FPGA與硬件描述語言”課程與電子信息專業的其他專業課程存在關聯與共性，因此國內外高校開始嘗試將FPGA的實踐教學進一步與其他課程相結合。

英國南安普頓大學將此課程的實踐環節與“計算機組成原理”相結合，設計了一個單片機;美國加州大學伯克利分校將此課程的實踐環節與“計算機接口電路的設計”相結合，設計了FPGA與計算機8253、串口、并口等進行通信。大連理工大學軟件學院的王潔提出了“基于FPGA的課程群一體化實踐教學”的設想，將模擬與數字電路、計算機組織與結構、嵌入式課程設計與FPGA實踐教學聯合;上海電機學院電子信息學院的鐘旭提出“基于FPGA的電子設計課程體系改革”的設想，將微機原理與接口技術、單片機原理及應用、嵌入式課程設計與FPGA教學聯合;中北大學信息與通信工程學院國家級電工電子實驗教學示范中心的李兆光提出“數字電子技術課程中FPGA技術教學內容的改革”的設想，將數字邏輯電路、數字電子電路與FPGA教學聯合。2014年，何賓等編著出版了《Xilinx FPGA數字信號處理權威指南——從HDL到模型和C的描述》（EDA工程技術叢書），講述如何結合FPGA和數字信號處理這兩門課程在Xilinx FPGA開發板實現高性能信號處理的理論和方法;2016年電子科技大學教授唐續編著出版了《現代電子技術綜合實踐教程——EDA、單片機與SOPC實驗（第2版）》，講述如何結合FPGA和單片機這兩門課程開展電子應用產品開發。

（四）缺乏從課程認知—課程應用—專業綜合逐層遞進的實踐教學模式

2015年廣東海洋大學電子信息工程專業修改了教學大綱，為學生增設了“電子系統設計方法”和“電子技術綜合實習”兩門課程，對電子信息專業涉及的電子線路CAD、單片機開發、FPGA開發以及ARM平臺開發等產品設計技術進行綜合訓練。由于之前專業課程實踐教學大多停留在課程認知的層面，學生沒有能力直接跨越到專業綜合層次的綜合實踐，所以“電子系統設計方法”和“電子技術綜合實習”兩門課程的實際教學內容停留在課程應用層次。

三、FPGA實踐教學改革方案——“四個層次”與“多課程交叉復合”

基于FPGA實踐教學問題分析，本研究提出了改革策略與實施方案，如下文所述。

（一）改革策略

1.多課程實踐教學的交叉復合

將“FPGA與硬件描述語言”和“傳感器原理與技術”“單片機原理與技術”“無線傳感器網絡”以及“數字電路”等其他專業課程相結合，例如利用FPGA采集傳感器數據、FPGA利用串口與無線網絡模塊通信實現上網以及利用FPGA與單片機搭建“異構計算”模型，等等。多課程實踐教學的交叉復合，使得實踐教學內容更接近現實電子產品，將極大提高學生的實踐學習興趣，幫助學生在物聯網領域就業。

2.“四個層次”逐層遞進

依據現有教學計劃，將FPGA實踐教學的“四個層次”——課程認知實踐、課程應用實踐、專業綜合實踐以及研究創新實踐，分別安排在不同的教學環節，構造循序漸進的教學模式，逐步完成學生綜合實踐能力的培養。

（二）“四個層次”與“多課程交叉復合”的具體實施內容

“多課程交叉復合”，是將多門其他專業課程的實驗內容遷移到FPGA開發板，搭建涵蓋多門專業課程知識的電子產品;“四個層次”是按照實踐案例的多門專業課程融合程度以及難易程度進行劃分。在具體實施過程中，分層設計實踐教學內容，以逐層遞進的方式從FPGA課程認知實踐拓展到物聯網FPGA電子產品設計，并分配到不同的教學環節，如下文所述。

1.課程認知實踐的案例內容與教學實踐安排

課程認知實踐安排在FPGA實驗課環節完成，是對課程基礎理論與知識點的驗證類型實踐，主要涉及VHDL語言的語法應用、Quartus軟件的代碼編輯/引腳鎖定/波形仿真/網表文件下載、FPGA開發板硬件測試等內容。考慮到實驗課時的有限與課程知識點的分布，本研究選擇了5個代表性案例作為課程認知實踐的內容編寫相應的實驗指導書，案例列表如表1所示。

2.課程應用實踐的案例內容與教學實踐安排

課程應用實踐安排在FPGA實驗課與課程考核兩個環節完成，是將課程的理論知識應用到電子產品構建的設計類型實踐，主要是利用FPGA開發板完成簡單電子產品的設計，例如電子鐘、交通燈以及信號發生器等案例。小部分案例編寫成實驗指導書;大多數案例編寫成課程設計指導書，應用在課程考核，以分組課程設計方式進行。

單片機與FPGA實踐課程的交叉復合——即將單片機課程實踐教學過程中涉及的眾多應用型電子產品設計題目遷移到FPGA開發板，有助于學生理解單片機平臺與FPGA平臺的共性與差異性，為物聯網FPGA模塊設計提供基礎。因此，本研究選擇了18個代表性案例作為課程應用實踐內容，案例如表2所示。

3.專業綜合實踐的案例內容與教學實踐安排

專業綜合實踐安排在“電子系統設計方法”和“電子技術綜合實習”兩門課程教學過程中完成，是將多門專業課程的理論知識綜合應用到電子產品構建中的設計類型實踐。

多門專業課程實踐教學的交叉復合——即將單片機、傳感器、模擬電路、數字電路、計算機網絡等多門專業課程的實驗內容遷移到FPGA開發板上實現，有助于學生理解眾多專業課程之間的共性與差異性，為物聯網FPGA產品綜合設計提供基礎。本研究選擇了6個代表性案例作為專業綜合實踐內容，案例如表3所示。

4.研究創新實踐的案例內容與教學實踐安排

研究創新實踐安排在創新團隊學生與畢業生的項目實踐環節完成，是將物聯網的成熟技術與大學專業課程綜合應用到電子產品構建中的設計類型實踐。研究創新實踐與專業綜合實踐類似，同樣是多門專業課程實踐教學的交叉復合，區別點是研究創新實踐的案例難度更高。由教師組建的學生創新團隊，其成員技術實踐能力較強，學習興趣濃厚;畢業生，其技術基礎通常不差，畢業論文的壓力能夠督促他們認真對待項目任務。由于研究創新實踐對學生電子設計的實踐能力與教師指導的參與度都有很高的要求，因此研究創新實踐無法覆蓋所有學生，目前僅涉及創新團隊學生與畢業生。

物聯網智能家居目前存在2種典型模式。其一，智能家居核心管理裝置放置在家庭內部，通過家庭內部局域網對所有設備資源提供微服務，同時也可以將數據推送到外網。這種模式能夠更好地保護個人隱私，同時減少網絡帶寬負載。其二，智能家居核心管理，由外網服務器進行控制，所有設備資源在外網可見，所有數據都上傳。這種模式減少了設備投入費用與系統維護成本，但是個人隱私的安全性較低。本研究選擇了這2種典型模式作為研究創新實踐的代表性案例，案例如表4所示。

四、結語

“四個層次”與“多課程交叉復合”的FPGA實踐教學體系的構建，關注專業課程之間的銜接、交叉與覆蓋，重視學生實踐教學的延續性與逐步提升模式，為電子信息專業建設特色專業提供支持，積累相關教學經驗與案例基礎，為電子專業課實踐教學模式的綜合改革提供借鑒。目前，這一系列的舉措取得明顯的教學效果，也收獲了許多教師與學生的建議。FPGA實踐教學綜合案例庫正在日益完善。但是，電子信息專業涉及太多的硬件與軟件開發平臺——單片機、Arduino、ARM、FPGA、樹莓派、Android、IOS、Linux、MicroPython、物聯網云平臺以及微信小程序，等等，整個電子信息專業綜合實踐教學的改革任務依然龐大，還需要聯合更多的專業教師與在校學生參與，還需要不斷跟蹤市場的最新技術與產品熱點，才能將電子信息專業課程的綜合實踐學習從“舉步維艱”轉變到“勢如破竹”。

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[責任編輯：鐘 嵐]