电子信息类研究生综合实践平台开发与教学设计

2020-04-28黄武煌邱渡裕杨扩军张沁川郭连平潘卉青

实验室研究与探索 2020年1期

黄武煌，叶芃，邱渡裕，杨扩军，蒋俊，张沁川，曾浩，郭连平，袁渊，潘卉青

(电子科技大学自动化工程学院，成都 611731)

0 引言

为了落实国家对高层次应用型人才培养的战略需求，探索提高创新能力和提升职业能力的研究生培养模式已势在必行[1-2]。电子信息类专业是一门应用现代化电子、信息、通信技术进行信息获取、处理和控制的学科，具有极强的工程应用性。该类专业所培养的研究生需要掌握扎实的电子技术与信息系统设计、开发和应用知识，具备较强的解决复杂工程问题的能力，是当前各行各业急需的高层次工程技术人才[3-4]。这就需要在具体的科研项目研发过程中得以系统的技能训练并积累相关设计、调试的实践经验。然而，我国研究生教育长期以来所形成的以理论教学为主的培养模式，在实践教学环节上相对薄弱，使得培养过程很难获得系统且充分的实践锻炼[5-6]。本文将结合电子信息类专业的共同特点来探讨研究生综合实践平台的开发与教学设计。

1 综合实践平台开发

1.1 开发需求

为了达到培养目标，电子信息类专业研究生所须掌握的现代电子技术理论及其系统设计的原理和方法非常多，其中公共专业基础课程包括模拟电路基础、数字逻辑设计、微机原理与系统设计、信号与系统、数字信号处理、高级程序语言设计等。该类课程所涉及的知识点多、知识面广，然而由于各个教师知识面和实践内容都具有特定的范围，通常在以往的实践教学环节中都侧重于某些理论的验证和单一器件的功能应用，使得实验所涉及的知识点较为零散，缺乏系统性，无法传承一个完整的电子系统[6-7]。而且，由于学生人数众多、实验设备昂贵，一般都是几个同学1组共同来完成某个实验。这就导致大多数学生失去了独立的实践思考空间，无法达到工程设计的全面锻炼目的。

当前，电子信息类专业研究生的实践锻炼机会主要靠导师所在的教研室课题组，但不同导师所承担科研项目和指导方式存在较大的差异，无法对研究生实现系统性的实践技能培养。即使导师所在的课题组能给予充分的锻炼机会，而由于时间、进度等多方面原因限制，导师在指导研究生时也无法确保每个研究生都能得到手把手的及时指导。这使得研究生动手能力培养在大多数时间只能依靠个人自学及师兄弟的传帮互带。由于来自不同高校的研究生的理论基础及接受能力差异较大，这使得有些研究生进入课题组后无法快速进入项目研发的角色，面对科研问题缺乏基本的分析方法和调试手段，一般需要花费几个月甚至半年以上的时间才能完成基本的科研实践技能锻炼。

结合当前电子信息类研究生综合实践课程的特点和需求，在研究生学习初期阶段急需有一门能够覆盖公共基础课程知识面且满足基本工程设计和应用创新实践的多学科综合实践课程，为后续的科研解决复杂工程问题打下坚实的基础[4-5]。

1.2 平台方案

从需求可以看出，电子信息类专业所需的研究生综合实践平台应能够融合该类专业的核心理论知识进行较为复杂工程的多方位验证、设计与创新训练。为此，笔者借助电子测试技术教育部工程研发中心的前沿科研优势并发挥多年与企业合作的产品研发经验来开发了一套以工程应用创新为导向的现代电子系统综合实践平台[8-9]，其具体设计方案如图1所示。

图1 研究生综合实践平台设计方案

该平台以现代电子测试技术为核心，融合信号产生、获取、处理、多器件(ADC、FPGA、ARM等)应用、计算机操作系统编程(Matlab、C、C++、C#、Java等语言)等多方面的电路理论、硬件设计、算法、软件技术，可构建出一个较为综合的电子系统设计创新实践体系，包括现代电子系统的验证测试(MESVT)与设计创新(MESDI)两个功能模块[10-12]。前者是一个相对独立的信号获取与处理模块，具体包括模拟信号调理(放大、衰减、运算等)、模数转换、时钟产生、数据接收、数据存储、触发控制、数字信号处理、显示与人机操作等功能，而且能通过USB接口将采样获得的数据上传至计算机操作系统中进行扩展的数字信号处理。它具有两个重要功能：一是用于信号获取与处理过程中原理性的验证，为设计创新模块提供一个展示性的范例；二是在进行电子系统设计创新时它可以作为一台高性能的示波器来使用，配合设计创新模块进行信号测试来完成系统设计的调试与验证。后者是一个由多个可扩展子模块组成的电子设计创新系统，如信号产生、信号转换、实时处理、微系统处理等子模块。信号产生模块可进行锁相合成(PLS)和直接数字合成(DDS)两种典型的信号产生原理验证与用于测试所需的模拟信号输出，具有幅度和频率可调功能。信号转换模块接收待测模拟信号，完成信号衰减、放大、运算(偏置)、触发调理和模数转换等功能的设计与调试；信号实时处理模块采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)来实现，完成采样时钟产生、数据接收、存储、触发控制等功能的设计与创新应用；微系统处理模块由ARM控制器及其显示、键盘、USB/WiFi接口组成，完成信号产生与采集过程的系统控制及其与计算机系统(Windows、Android)的数据交互功能。信号转换、实时处理与微系统处理3个独立模块的联合设计与创新应用可构成一个类似MESVT模块的新功能。计算机系统实现器件开发环境的编程、上位机软件开发(C#、Java)和信号处理的扩展应用(Matlab)。

该平台摒弃了单一理论验证或器件应用的做法，从该类专业共性的电子技术出发，更加注重实验平台对知识应用的系统性与创新性。为了让学生能够充分体验到实践过程，整个平台采用模块化设计，配合亚克力面板以全透明的方式展示实验过程的每个环节，并在合适的地方设置对应的测试点。另外，尽可能在满足实验内容的前提下降低平台价格，使得每个学生能够拥有一个独立的实践平台。综合以上各种因素，本实验平台设计的主要技术指标为：① MESVT，采样率2GSPS(MXT2001)，带宽1 GHz，通道数2个，存储深度256 Mpts；② MESDI采集模块，采样率200 MS/s(MXT2088)，带宽100 MHz，通道数2个，存储深度128 Mpts；③ MESDI的DDS，输出频率0.1～120 MHz，更新率2 MHz，可调幅度(峰峰值)2 V；④ MESDI的PLS，输出频率35～120 MHz，幅度(峰峰值)1 V。

2 课程教学设计

2.1 课程内容设计

研究生综合实践课程需要依据电子信息类专业公共基础课的核心内容，以理论验证为出发点、以工程开发训练为主，注重创新性实验内容设计，开展多方位的理论知识验证和工程创新应用[3-5]。为了使得该课程具有较强的可操作性和系统性，其内容由多个独立的小实验来构成，每个小实验分别由多年科研经验的老师以浓缩工程实践方式在MESVT和MESDI模块中进行理论与实践相融合的课程内容设计，包括理论分析、工程演示、开发设计、调试纠错、应用创新5个内容，然后通过这些小实验的训练最终构建一个完整的信号获取与处理系统。

具体课程内容设计实例如下：

(1) 综合实践平台原理验证实验。熟悉平台中信号产生、调理、采样、存储、处理等过程的基本原理；使用预设定好的程序(下载至MESDI 模块中的ARM和FPGA)并调节输出对应幅度与频率的信号，通过连接线送至MESVT模块中进行信号观测；在观测信号时，学习时基、幅度和触发的信号调理与控制流程，体会信号获取与处理的每个环节，学会利用电子测试仪器进行复杂信号的观测与处理。

(2) 器件开发环境实验。熟悉该平台核心器件的开发软件环境，包括FPGA开发的ISE/VIVADO和ARM开发的Keil；该实验通过设计独立的小功能实现来熟练掌握开发环境和编程语言(HDL和C语言)的基本应用与调试手段，例如在FPGA中利用外部时钟产生分频计数点亮外部LED，或者调用内部的时钟管理器(DCM)IP核来产生特定的频率信号并输出至MESVT模块进行测试，在完成这项功能控制时需要进行ARM的C语言编程；通过这些训练，不仅要掌握工程开发工具的基本应用，而且还会利用这些工具进行举一反三，实现较为复杂的新功能设计。

(3) 信号产生实验。理解DDS和PLS的信号合成原理，通过对ARM和FPGA的编程来控制信号产生过程，掌握频率控制、幅度调节(放大、衰减、滤波等)方法与过程调试；通过该实验，学会尝试自行设计特定频率和幅度的信号产生模块。

(4) 信号调理与采样实验。理解模拟信号放大、衰减、阻抗变换、滤波(交直流耦合、高低频抑制)、运算(直流偏置)、模数转换的基本原理，掌握这些信号调理和采样过程的控制方法，达到信号观测的幅度控制目标；学会利用这些信号调理方法尝试进行较为复杂信号调理与采样的设计与调试，例如较高带宽的调理通道和较高采样率的模数转换方法(时间交替采样)。

(5) 数据实时处理实验。理解采样时钟产生、并行同步数据接收、预处理(抽取、峰值检测)、小容量与大容量存储的基本原理，掌握利用FPGA内部的资源(SERDES、DCM、SRAM、SDRAM等IP核)产生采样时钟、接收与存储并行同步数据，并用HDL语言实现并行数据的预处理，达到信号观测的时基控制目标；在实验过程中，学会数字电路的逻辑功能、时序分析处理的调试方法，拓展现有的数据处理功能，例如实时滤波器与插值的算法设计实现。

(6) 触发实验。理解触发在数据采集过程的作用与重要性，掌握模拟触发电路调理过程(触发源选择、交直流耦合、高低频抑制、迟滞比较、反相等)，达到对数据存储的控制目的；拓展数字触发方式学习，完成利用数字触发实现模拟触发功能的编程训练(HDL、C语言)与调试，如边沿、斜率、脉宽、毛刺、高低频抑制等触发功能。

(7) 数据传输实验。熟悉在不同控制器间的数据传输原理，如串口、USB、WiFi、同步总线等；设计实现FPGA与ARM间的数据传输、ARM与计算机之间的数据传输，训练FPGA、ARM、计算机操作系统的编程(HDL、C、C++、C#/Java语言)与调试；在基本数据传输功能实现的基础上，思考高效率数据传输方法，如FPGA与ARM之间数据传输加速、ARM与计算机之间数据传输的高效交互(多线程)。

(8) 在线控制与数据处理实验。熟悉ARM中的采集控制与数据在线处理过程，掌握采集过程的整体控制流程、数据在线处理(滤波、频域分析、波形参数测量、波形显示等)的基本原理；利用C语言编程来设计实现采集控制与数据在线处理功能，并完成相应的系统调试；思考利用微处理器的有限资源和处理能力来最大化实现系统功能。

(9) 信号处理扩展应用实验。理解数字信号处理的基本原理(滤波、频域分析、小波变换等算法)，学会利用Matlab工具进行程序开发，设计实现采样数据的算法分析并进行相关调试，同时可以根据自己专业的特点对采样数据作进一步扩展算法应用创新。

以上实验课程内容仅列举了部分较为重要的知识点实验，在实际课程开设过程可以根据不同层次、专业和课时的具体情况对这些实验内容和难度进行适当的增减，也可以结合特定的专业方向作一定的创新性拓展实验或者自行设计具有新功能的电路模块。

2.2 教学方式设计

为了适应新形势下的高层次工程技术人才培养需求，研究生综合实践的教学应充分考虑理论与应用的结合，引导学生的创新意识。这就需要突破传统课程的设计理念，创新实践课程形式与内容，从工程需求引导、理论关联分析、应用设计探索3个方面来构建一个综合创新的“三位一体”的教学模式[13-14]。总的来说，就是要通过实验，由浅入深，让学生能够更深地理解知识、关联知识、应用知识，并能够体会知识应用的创新意识。

在实施过程中，实验教学团队必需具备深厚的理论和实践教学功底，而且设计实验的教师需全程参与整个实验的教学环节，在工程需求和理论关联上给予必要的分析(时间占比20%)，重点放在应用设计上指导学生进行规定实验内容和调试过程(时间占比60%)；之后应引导学生学以致用，举一反三，进行开放性的拓展实验(时间占比20%)，充分激发他们的创新思维[3-5,9]。为了使得课程适用于不同专业、不同层次的学生，在课程内容和难度上需拿捏得当，可分别开设基础性或挑战性课程。

由于实验过程的不确定性事件较多，所以每个老师在上课时还需配备1或2名具有较强工程经验的高年级研究生协助进行实验过程的指导，以确保在规定的时间内能够完成规定的实验内容，并有一定的拓展实验时间。但是，由于拓展性实验具有非常强的不确定性，所以学生做实验的时间不仅局限于课堂上，可以在课下进行自行设计，然后在实验室的公共开放时间进行调试验证。

该课程的目标是培养研究生的理论与应用关联的动手创新意识，其考核方式分为规定内容和开放内容两部分[15]：规定内容由指导教师每次在课上检查实验结果，当场给予实验操作成绩，课后学生需上交总结报告，总成绩根据操作成绩和总结报告折算而成；开放内容由学生利用课程最后2周和课余时间完成，演示可扩展的实验并上交实验报告，然后指导教师根据演示和报告进行考核，折算记入实验的总成绩中。

3 教学实施

本教学团队在研究生教育改革创新项目支持下自从2011年就着手开发基于时域测试技术的电子信息类研究生综合实践平台，并于2012年开设了时域测试技术综合实验的全校研究生公选课，实行小班教学(60人)，确保每2个研究生都有1套完整且独立的实践平台，至2017年共计培养了约1440名学生。该课程入选2016年第一批“全国工程硕士专业学位研究生教育在线课程重点自建项目”目录，适用于电子工程、控制工程、通信工程、仪器仪表工程等专业研究生的培养。为了增加实践平台的前沿性和创新性，在高速采集与测试技术研究生实践平台建设项目支持下，并结合团队获得的国家技术发明奖宽带复杂信号实时捕获与合成技术相关前沿技术成果，开发了如图1所示的基于现代电子测试技术的研究生综合实践平台。同时，该实践平台于2018年上半年开设了高速测试技术综合实验的全校研究生公选课，为了增加每个学生独立的实验思考空间，在实行小班教学的基础上，把教学班分成了基础班和挑战班，并缩小每个教学班至30人，共计培养了约240名学生。

经调查发现，认真上过现代电子系统综合实践课程的同学能够在工程开发和调试上得到较为充分的锻炼。虽然他们在上课阶段需要多花些心思，但在进入教研室后能够在较短时间内适应较为繁琐的科研节奏，能够调试并解决工程开发过程中出现的问题，显著地提升了科研实践能力。这可以有效地缩短了研究生进入科研状态的煎熬期，在一定程度上解决了动手能力培养的老大难问题。这也使得电子信息类研究生在有限的培养期内能够更加注重自己专业方向的锻炼，发挥专业创新意识。同时，这些研究生在就业时能够更加受到用人单位的赏识，普遍能够找到较好的工作岗位。