以学科竞赛为驱动FPGA实践教学改革探究

李剑 王少杰

[摘 要] 以邵阳学院信息工程学院FPGA实践教学的现状和电子设计大赛的趋势为结合点，提出FPGA实践课程教学改革的方向，对FPGA理论课程教学和实践教学的实验安排项目以及实践考核方式进行优化改革，以提高学生的自主学习兴趣、分析问题和解决问题的能力、团队协调与创新的能力，达到自主完成电子系统的设计和测试的目的，并在学科竞赛中取得优异的成绩。

[关 键 词] 学科竞赛；FPGA；实践教学

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）01-0084-02

一、FPGA实践教学现状

目前我院电子信息工程专业在FPGA课程领域中开设三门相关理论课程：数字电路基础、EDA和SOPC技术与应用。数字电路基础是电子信息工程专业的基础课程，学生从初步认识数字系统开始，学习掌握数字系统的各个功能部件，如数据选择器、编码器、译码器、加法器、锁存器、计数器、移位寄存器等，掌握用组合逻辑电路和时序逻辑电路分析和设计的方法，实验项目大多是基于这些功能块完成电路功能的测试或者设计，实验课时为12课时，但不能设计出一个完整的数字系统，因为采用小规模集成电路设计大规模集成电路电路结构复杂，PCB上需要组装的元器件数量多，影响电子系统的性能和功耗，与电子设计大赛提出的性能指标不符；EDA课程是数字系统实现的一种自动化设计方式，以硬件描述语言（HDL），采用“自顶向下”的方式完成对功能块电路的描述，通过使用EDA开发工具，在FPGA上实现其功能电路，是现代电子设计技术的核心，但目前开设的实验项目大多是基础的实验项目，实验课时为10课时，如二选一数据选择器、全加器的设计、四位二进制计数器设计、数控分频器的设计，由于实验安排的课时数量有限，因而也没有达到对数字系统设计的训练，且部分实验与数字电路课程实验重复；SOPC技术与应用属于嵌入式范畴的应用，是數字系统设计技术的整合，是片上系统（SOC）设计的途径，数字系统中功能块电路以软IP的形式集成在SOPC Builder软件中通过配置和定制，完成数学系统的设计，一般安排在大四第一学期作为选修课程。

在这些课程学习中，学生技能不强的问题没有得到根本解决，实验课程一般包含学生对EDA软件和实验开发箱的基本使用，对常见数字功能块电路的设计，相对于FPGA技术的发展，这种相应实验课程的设计稍显陈旧，存在一些课程之间内容重复、实验实施不一致的问题。综上所述，FPGA课程的实践教学模式和教学内容需要进行改变，应该充分发挥学生学习的主动性，培养学生的自主创新能力和综合能力，使不同层次和不同能力的学生在FPGA课程中均能充分发掘自身的潜力。

二、学科竞赛中FPGA的技术

电子类学科竞赛包括全国大学生电子设计竞赛和湖南省大学生电子设计竞赛。全国大学生电子设计竞赛自1994年至今已成功举办14届，深受全国大学生的欢迎和喜爱，参加学校、参赛队和参赛学生逐年递增。它是由教育部、信息产业部和索尼（中国）、瑞萨、TI公司赞助的四大学科竞赛之一，它是面向全国大学生、高职高专生的群众性科技活动，目的在于推动全国普通高等学校促进信息与电子类学科面向21世纪课程体系和课程内容改革，有利于高等学校实施素质教育，培养大学生的创新能力、协助精神和理论联系实际的学风；有助于学生工程实践素质的培养，提高学生针对实际问题进行电子设计制作的能力；有助于吸引、鼓励广大青年学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才的脱颖而出创造条件。对学生而言，电子设计竞赛和赛前系列培训，使他们获得了电子综合设计能力，巩固了所学知识，并培养了他们所用理论指导实践、团结一致、协同作战的素质；通过参加竞赛，参赛学生可以发现学习过程中的不足，找到努力方向，为毕业后从事专业技术工作打下更好的基础，为将来就业做好准备。

湖南省从2010年开始，单数年进行国赛，双数年进行省赛，目的在于使每届大学生均可以得到这种特殊训练，为国家培养更多的有用人才，从历届竞赛出题方向来看有电力电子类、仪器测量类、控制类、高频通信类。在仪器测量类题型中，应用FPGA技术完美地实现这种解决方案，得益于FPGA的硬件资源丰富，可并行工作，时钟频率高。如在1997年和2015年国赛中频率计，可以把控制电路比如单片机和功能电路都以IP核方式在FPGA上实现，只需要辅助外围放大电路就能实现高精度、宽频带的频率计，以满足设计要求。纵观历年试题，FPGA在信号采集、存储、频率测量和信号的产生等方面具有无可比拟的优势。据不完全统计，涉及FPGA技术的题目如下页表所示，2017年电子设计大赛以综合性的题目为主，FPGA技术能实现其中部分功能，其趋势往数字信号处理方向发展。

三、FPGA实践教学改革

根据目前FPGA课程实验教学的现状，以学科竞赛为契机，提出FPGA实践教学改革的思路和方法，旨在提高学生的学习主动性和综合设计水平，培养创新精神和团队意识。

（一）理论课程的优化改革，开设独立实验

目前，把数字电路基础和EDA课程合并为一门数字设计基础理论课程，自编教材，理论课时80学时；开设独立实验《数字设计基础实验》，自编实验教材，实践课时32课时，解决了实验课时偏少的问题，同时对实验项目进行了优化，避免重复开设。在实验安排上数电8课时，对组合逻辑电路和时序逻辑电路功能块电路测试和设计；安排8课时中规模电子系统设计与制作；FPGA数字系统设计实验安排16课时，其实验项目有：AD采用控制系统设计、交通灯控制系统设计、DDS信号发生器的设计、直流电机综合测控系统的设计等精度频率计，SPWM脉冲调制控制系统设计等。

（二）开设开放实验项目，以项目为驱动，培养创新精神和团队意识

为了进一提高学数字系统的设计能力以满足电子设计大赛设计要求，首先培养学生的自学能力，我们对FPGA实践技能进行分类，便于学生掌握和指导教师追踪。把FPGA技术的内容的学习分解为硬件技术的掌握和VHDL软件编程，按学习路线图进行任务分解。

硬件方向学习路线图：以开发板为载体，掌握硬件电路下载、SignalTapII调试、仪器仪表对FPGA输出引脚时序的测试。

软件方向学习路线图：掌握自顶向下的设计思想、VHDL语法语义、功能块电路VHDL描述、数字系统顶层电路的构建以及QuartusII软件LPM宏资源的调用。

从历年试题中提炼出DDS信号发生器等精度频率计、数字示波器等题目，作为开放性实验项目，要求3人一组，配合协调自主完成设计一个完整的数字系统，这样学生就能积极主动地把学科竞赛的热情延伸到实践教学中。

（三）考核方式的改革

独立实验课程按照常规实验教学要求来考核学生，包括考勤、学生实验态度、实验过程、实验报告情况。评分标准是考勤占10%、学生实验态度占20%、实验过程占20%，实验报告占50%。

开发性实验项目由指导教师负责学生的学习方向、学习方法和项目实施进展，及时解决学生的难题或提出解决方案，做好项目团队之间及团隊内部学生之间的协调工作。开放实验项目驱动模式有需求分析、资料查阅、方案论证、设计调试、项目总结五个过程。具体操作如下。

1.需求分析应充分把握项目设计难度，做好任务分解，通过查阅资料，提出方案的设计。

2.方案论证，教师不要包办，只指出不足，具体解决办法由学生自主完成。按照产品标准实施项目，不能停留在功能设计。

3.项目全程监控，追踪电路功能块设计与仿真、系统顶层文件设计、开发软件的使用、系统的性能指标测试等。

4.项目总结要到位汇总技术文档：技术报告（按电子竞赛文档要求或毕业设计要求）、设计图纸、设计程序和参考文献。

四、结束

本文对FPGA实践课程的现状进行分析，提出FPGA实践课程存在的主要问题，同时对FPGA技术在学科竞赛的应用，提出以学科竞赛为契机，对FPGA实践课程的改革。课程改革中以提高学生的自学能力和兴趣，对理论课程进行整合，开设独立实验和开发实验项目，并在实验内容、教学模式、考核方式等方面进行改革，以提高学生的团队协作、自主创新能力，在电子设计大赛中取得优异成绩。实践证明，该模式取得良好成效，在开放实验室中两组学生参加2018年湖南省电子设计大赛，分别获得省二等奖和省三等奖。

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编辑 马燕萍