基于FPGA的电子信息类专业基础课程演示实验

初萍+刘宇奇

摘 要 电子信息类的工科专业基础课程在教学过程中存在理论知识难与实际应用结合的问题，针对这一问题，以方便观察可直观感受为目的，设计了基于FPGA的演示实验，演示实时动态的图像边缘检测过程。此演示实验可扩展性强，可供多门基础课程应用，并可以激发学生的学习兴趣，增强对专业的直观理解，有比较好的实践意义。

关键词 电子信息专业 图像边缘检测 应用演示实验 FPGA

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.01.013

Demonstration Experiment of Basic Course of Electronic

Information Specialty Based on FPGA

CHU Ping， LIU Yuqi

（School of Information Engineering， Shenzhen University， Shenzhen， Guangdong 518060）

Abstract Electronic information engineering professional basic courses are difficult to combining theoretical knowledge and practical problems in the teaching process， in order to solve this problem， to observe the intuitive feeling for the purpose of convenient design experiment based on FPGA， the process of demonstration of real-time dynamic image edge detection. The experimental demonstration of strong expansibility， for many basic courses， and can stimulate students' interest in learning， enhance the intuitive understanding of the professional， has a good practical significance.

Keywords electronic information specialty； image edge detection； application demonstration experiment； FPGA

高等教育中电子信息类专业课程设置过程中实验课程是必不可少的一部分，通常是与课堂教学理论对应，针对性地开设在专业课程中，如电路基础理论、模拟电路、数字电路等课程均开设了相应的实验课程。①实际上电子信息类专业的教学体系中除了专业课程之外，还有工程类数学课程以及专业的基础课程，如场论、复变函数、②信号与系统、数字信号处理等课程，③这些课程的学习过程中大多以理论教学为主，对刚接触专业或对专业仅仅有基础认识的学习来说，纯理论式的学习这些课程是非常抽象难以理解的。

作者作为一名电子信息类专业的教师，多年承担场论与复变函数课程（工程数学类课程）、数字信号处理课程（专业理论课程）的本科教学工作，教学过程中发现这类课程理论抽象，很多同学并不能真正理解其理论的应用，大多仍以数学的观点来学习课程，虽然可以通过考试，但是后续的应用中问题百出。针对这些问题，这两门课程中不少教材以Matlab为基础设置了相应的仿真实验，④⑤在教学过程中可以提高学生对理论的理解掌握。Matlab毕竟是软件的形式，数据也通过软件产生，对数据处理过程的认识没有非常具体，所以我们思考，这类课程是否可以设置相应的硬件演示实验，以硬件平台为基础，设置可以看到的可以体验的实验，让学生自己动手感受实际效果，以达到增强认识的效果。

1 演示实验系统简介

在电子信息领域中，用来执行信号处理、数据通信等任务的硬件器件通常有FPGA和DSP两大类，FPGA可以很好的解决数字信号处理中并行性和速度的问题，越来越多的高端FPGA产品將包含DPS或CUP等处理器内核，⑥从而FPGA将由传统的硬件设计手段逐步过渡为软硬件协同设计系统级的平台，所以我们选择了FPGA开发板作为演示实验的硬件平台。

演示实验设置的目的就是可以直观体验信号处理的过程及效果，所以我们选择了实时的视频图像作为处理对象。数字图像的边缘检测是图像分割、目标区域识别等图像分析领域的基础，也是图像识别中提取图像特征的一个重要属性。综上所述，我们选择基于FPGA的实时图像边缘检测作为演示实验的内容。

1.1 硬件系统

基于演示实验设置的目的我们选择了基于FPGA的硬件开发板，如图1。其中的FPGA型号是EP4CE6F17C8，该开发板的特点是具有7寸TFT接口，VGA接口，SD卡座，摄像头接口，256M容量的SDRAM，适合用于采集视频图像并实现数字图像处理要求，丰富的接口也为实现其它更多的功能提供了硬件基础。

1.2 总体功能方案

为实现视频图像的边缘检测功能，并可以将检测结果进行显示，设计本实验的总体方案如图2。总体分为数字视频图像采集、图像边缘检测及显示三大部分，其中视频图像采集部分由开发所带的摄像头接口配合相应的摄像头完成；图像边缘检测即数字图像的信号处理过程由FPGA器件完成；结果显示功能由VGA接口接显示器实现。

2 课堂演示情况

基于FPGA开发板，我们事先完成了简单的程序编写，在实验室中给学生进行了现场演示。

2.1 演示效果

摄像头随机抓取实现室的一幅图像，如图3（a）。使用Sobel算子对图像的边缘进行检测，图3（b）、（c）分别为Sobel算子取不同阀值时的检测结果。由显示结果可以看出，不同阀值选取会得到不同的检测结果，由学生自行查询算法原理理解阀值对检测结果的影响，达到印象深刻并理解理论的效果。

2.2 学生现场操作及思考

本实验内容给学生演示后，大部分同学对演示内容非常感兴趣，加深了学生对课程理论知识的印象。很多同学对实验方法、图像处理及FPGA的相关学习产生了兴趣，甚至有同学利用课后时间完成了更多算子方法的验证，收到了非常好的实验效果。

2.3 可扩展性

本演示实验的设置不仅仅可以为专业课程提供演示的机会，也可以为相关课程提供实践机会，如：在数字图像处理课程中，可以通过本开发板对多种图像处理方法及任务进行验证或进行多种处理方法比较，直观地理解不同处理方法的區别；在EDA技术课程中，可以通过本开发板让学生理解硬件描述语言的应用，并通过硬件实现语言到实际功能的转化。可以看出，我们设置的基于FPGA开发板的实验，可以在多个课程中同时使用，利用率及可扩展性好，且给学生提供了更多的实践机会，加强对专业及理论知识的认知。

3 总结

增加专业基础课程的应用演示实验，一方面可以增强学生对课堂学习内容应用的直观感受，巩固理论知识，明确应用场合；另外，一方面可能增强学生对所学专业的认知，明确自己所学专业到底可以做什么，为将来的学习发展方向的选择提供清晰的思路。总之，专业课程的应用演示实验设置具有重要的实践指导意义。

基金项目：广东省高等教育教学研究和改革项目（编号：18784）

注释

① 蔡良伟.电路与电子学实验教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.

② 程荣福，杜忠复.提高《工程数学》课程教学质量的探索与实践[J].吉林化工学院学报，2011.29（2）：90-93.

③ 郑君里.信号与系统[M].北京：高等教育出版社，2004.

④ 深圳大学复变函数与场论教研组.复变函数与场论简明教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.11.

⑤ 胡广书.数字信号处理导论[M].北京：清华大学出版社，2013.

⑥ 杨海钢，孙嘉斌，王慰.FPGA器件设计技术发展综述[J].电子与信息学报，2010.32（3）：714-726.