EDA技术实践课程建设及实践基地建设

杨春玲，朱 敏，杨荣峰

(哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江 哈尔滨 150001)

电子设计自动化(EDA)是现代电子最前沿的技术，在通信工程、自动控制系统和机电一体化等领域有着广泛的应用。它包括FPGA/CPLD开发技术、SOPC(片上可编程系统)及ASIC设计技术，是每一位电类应用型人才所必须掌握的技术。

目前我国大规模集成电路产业落后先进国家约有15年，急需要这方面的人才。因此，搞好电子设计自动化实践环节建设，培养掌握最新电子设计自动化技术的实用人才是形势发展的迫切需要。它也符合教育部的“卓越工程师教育培养计划”和应用型硕士研究生的培养方向[1-3]。目前，我校在教育部985工程及国防科工委研究生创新基地建设资金的资助下，建设了以应用型人才培养为目的的电子设计自动化实践基地，构建了本硕一体化的实践课程体系，收到了很好的效果。

1 电子设计自动化实践课程建设

1.1 电子设计自动化实践课程国外现状

为更好地开展电子设计自动化实践环节建设，我们收集了国外部分大学与该实践课程的设置及建设相关的应用实验平台的建设情况，如表1所示。

由表可见，国外一些大学开设了电子设计自动化相关的实践课程。例如美国密西根大学安亚伯分校在大一学生中就开设“EDA资讯实验”课程。实验要求学生分成小组，按组完成一个电子设计自动化系统设计，然后演示。

表1 国外本科教学与EDA相关实验课程

1.2 我校电子设计自动化实践课程体系建设

为适应应用型人才培养，我校对教学计划进行了修改，建设了电子设计自动化实践课程体系。在体系中新增加了三门电子设计自动化的实践课程:①针对电气工程专业大四学生开设了“EDA技术与实验Ⅰ”;②针对应用型研究生开设了“EDA/SOPC应用实践”;③2006年开设的“SOPC及EDA技术创新研修”实践课程，为全校选修课。

此外，针对英才班大三学生的“EDA技术与实验Ⅱ”，也已列入计划。实践课程内容主要分为如下三个实验模块。

(1)验证性实验有四位加法器的设计，数字式频率计设计，可控正弦信号发生器设计，SOPC系统设计实践等;

(2)设计型实验有通信DDS、DSP系统、嵌入式数据采集、存储示波器、闭环控制系统、电机驱动和图像处理等;

(3)自选应用研究型实验，根据实践基地的设备由学生自命题，要求贴近工程应用背景。

1.3 实践课程配套教材建设

(1)2008年出版了《可编程逻辑器件应用实践》教材;

(2)2009年编写的《EDA技术与实验》作为国家级“十一五”规划教材。该书修订版被列为校“十二五”规划教材，侧重FPGA设计理论及数字信号处理算法硬件实现上;

(3)新编《EDA/SOPC应用实践》被列入校“十二五”规划教材。该教材针对应用型研究生的培养引入大量工程设计实例。

2 应用型实践教学基地的建设

我校电子设计自动化实践教学基地，2006年在教育部研究生创新基地建设资金的资助下初步建成。现有的25套计算机和30套康芯EDA/SOPC实验箱，可以完成基本的电子设计自动化实验。

近年来，我们在原来基础平台的基础上，购置了Altera公司DE2-70实验板，建立了面向电气工程、控制工程、通信工程及仪器科学与技术领域电子设计自动化实验平台。该平台包括基于FPGA的电机闭环控制实验平台、基于SOPC的特征物体跟踪系统实验平台、基于SOPC的远程监控图像系统实验平台及基于FPGA的数据采集实验平台。上述四个实验平台可以完成下列实验内容。

2.1 基于SOPC的特征物体跟踪系统实验

特征物体的识别追踪包括对目标实现追踪，它是机器视觉、视频雷达和视觉导航的必要组成部分。这种追踪系统可以用于球类比赛中追踪拍摄球的运动，在公共场所的监控设备中自动锁定疑犯并报警，在博物馆等场所中锁定特定藏品在其位移超过阈值后给出警示，在运动中拍摄运动或静止物体(如航拍)中保持图像稳定，某些特定区域在有运动物体进入时监控系统产生报警信号并对进入监控区域的物体进行跟踪(例如交通检测系统和某些监控防护系统)等。

基于SOPC实验箱的特征的物体跟踪系统实验原理如下:摄像头完成图像采集，将图像数据传输给DE2开发板，由FPGA中的摄像头接口逻辑对图像预处理，再由Nios II执行识别算法和控制算法，识别特征物体，并输出控制信号给两个伺服电机来调整摄像头方向，同时由VGA显示接口将捕捉到的图像在显示器上显示出来。

2.2 基于FPGA的步进电机细分控制实验

本实验是一种以FPGA为核心的新型集成式三相混合式步进电机驱动系统。采用正弦波细分驱动方案，以速度误差最小原则进行了最佳细分等级自动切换设计。该实验将控制器和驱动器全部集成在单一的FPGA芯片上。

2.3 基于FPGA的远程监控机器人实验

本系统在DE2开发板上构建了一个Web服务器，可以通过网络实时观察监控场所，并通过网络控制随意移动以实现全方位监控。该实验包括图像的实时采集、压缩，无线传输、Internet网络和GPRS无线网络向终端服务器传输图像数据等模块。

2.4 基于FPGA的桌面弹球屏幕保护程序实验

该实验通过FPGA芯片嵌入的程序可以控制计算机显示屏上的小球运动，还可以控制小球的尺寸。学生通过该实验可以掌握VGA显示的原理和视频D/A转换的原理及控制时序等内容。本实验的创意来自美国伊利诺伊州立大学香槟分校的数字系统课程ECE 385的教学内容。该应用研究型实验覆盖了控制、电气、计算机和通信等多个学科内容。

此外，2009年我们在实验平台上自行了设计一款性价比高且便于携带的电子设计自动化实验箱。该实验箱发放给学生，使他们在业余时间利用该实验箱学习电子设计自动化知识，并完成面向实际应用的设计任务。本实验箱的原理框图如图1所示，目前已在电子技术课程设计课程中使用。

图1 便携式EDA/SOPC实验箱框图

3 与企业联合建立培训基地

2007年本基地与ALTERA公司建立了联合实验室。ALTERA公司定期来校举办最新电子设计自动化技术及应用培训研讨会，并设立中国大学生电子设计文章大赛和ALTERA亚洲创新设计大赛，为应用型人才提供展示电子设计自动化作品平台。

2010年我校举办了数字电视及工业影像芯片设计研讨及培训会。国内外从事电子设计自动化教学及科研的近200名师生参加了研讨会。加拿大多伦多大学专家做了题为“全新40纳米Stratix IV及Cyclone IV介绍及其应用分析”的讲座;台湾友晶科技资深工程师讲授了最热门的Altera DE2数字电视及工业影像芯片设计技术，并对高阶数字电视IC设计及色彩空间转换的FPGA高效率架构进行了上机实验培训。

4 结语

我校近三年来参加各类电子设计自动化大赛，累计获奖人数超过100人。通过大赛培养与电子设计相关的应用型人才，这些人才受到用人单位的青睐。此外，电子设计自动化实践基地建设及实践课程建设已获得二项省级优秀教学成果奖;包括与ALTERA公司建立的联合实验室在内，我校联合实验室建设在2009年获得了国家级优秀教学成果奖。

[1]曾永卫，刘国荣.“卓越计划”背景下科学构建实践教学体系探析[J].北京:中国大学教学.2011.7:75～78

[2]王永生.高水平特色大学卓越工程人才培养模式的研究与实践[J].北京:中国高等教育.2011.6:15～18

[3]李彦武，陈瑶等.美国专业科学硕士教育质量保障体系初探[J].合肥:研究生教育研究.2011.4:91～95