基于PBL模式的EDA技术实验教学改革

吴 迪，符 策，李 涛，那振宇

（大连海事大学国家级电工电子实验教学示范中心，辽宁大连 116026）

0 引言

现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）在短短20 多年中从电子设计的外围器件逐渐演变为数字系统的核心，在计算机硬件、通信、航空航天和汽车电子等诸多领域有着广泛的应用，是现代集成电路设计验证的技术主流［1-5］。5G快速发展和商用的情况下，将会带来庞大的FPGA增量市场，对FPGA人才的需求不断增长。EDA技术这门课程前接数字电子技术，后接集成电路设计、嵌入式技术、数字信号处理等课程，在本科数字系统实践类课程中具有承上启下的重要作用。

随着工程教育认证的开展，多门课程的学时数进行了调整，传统的实验教学模式不适合短学时的综合实验教学。以EDA技术实验为例，传统实验教学中基础实验与综合设计缺少紧密联系，综合设计环节缺乏有效的指导，学生在短学时内只能完成数字钟、抢答器这样简单系统的简单功能，不利于学生工程实践能力培养，学生在参加各项学科竞赛时明显解决复杂工程问题的能力不足。

因此，我校将问题驱动的教学模式（Problem-Based Learning，PBL）引入到EDA技术实验教学［6-9］，以综合设计作为待解决的问题，反向设计基础实验内容，在基础实验环节加强对综合设计的指导，以学生为主体在老师引导下主动寻求解决问题的答案，带着明确的学习目的参与到理论与实验教学的各个环节［10-15］。采用数字频率计作为综合设计的题目，首先数字频率计的核心模块是计数器，学生容易理解和入门，学生掌握频率的测量方法后，可以进一步测周期、测占空比、测信号相位差等，这些电参量的测量几乎每一届电子设计竞赛都会涉及。在工程应用中频率因为测量精度高的特点往往用来传递传感器的测量参数，应用广泛。同时，学生可选择多种方案优化测量精度、测量范围，适合对实验教学内容进行层次化设计。基于PBL教学模式，通过精心设计综合设计与基础实验内容，增强实验课与理论课联系，增强基础实验对综合实验的指导，增强实验内容对课程目标的支撑。

1 基于PBL的EDA技术实验教学模式设计

传统的EDA实验教学模式，学生在基础实验环节掌握EDA 软件的使用流程、硬件描述语言的语言要素、数字系统的基本设计方法，而综合设计环节往往缺少有效指导，不适于短学时的综合实验设计。基于问题驱动的实验教学模式，以综合设计作为待解决的问题，整个教学环节围绕着综合设计内容展开，在基础实验教学环节加强对综合设计项目的指导，学生在同样的学时可以完成更复杂更综合的实验项目。与传统EDA技术实验教学模式的区别如图1 所示。

基于PBL教学模式的实验教学实施进程为：

（1）导入实验项目。首先在理论课的第一节课，将EDA技术这门课程的教学大纲发给学生，并导入综合设计题目，帮助学生明确每个学习环节的目的意义及最终要实现的成果，使学生带着明确的学习目的主动参与到EDA教学的每个环节，主动寻求答案。

（2）指导学生分析项目指标。指导学生设计实验项目时，首先应对系统的指标进行分析，根据具体指标选择方案、选择参数。以数字频率计为例，需要关注的指标包括精度、测量频率范围、系统响应时间，指导学生课后查阅资料了解数字频率计的发展现状，所能达到的最大精度、范围等，扩展学生的专业视野。

（3）指导学生选择方案。介绍数字频率计的基本方案包括测频法、测周法、等精度法，分析各种方案的优缺点，给出基本测量方案的波形图。引导学生思考如何根据不同的系统指标，去选择方案，能否联合应用多种测量方案等。

（4）指导学生进行系统顶层设计。直接测频法是其他频率测量方法的基础，因此在教学中，以其作为一个案例，指导学生如何把一个抽象的实际问题，转化为模块化的数字系统。以直接侧频法数字频率计为例，核心模块包括分频模块，产生时间闸门信号；计数模块，计算频率；显示模块；控制模块，控制清零、使能、锁存等，如图2 所示。并指导学生分析哪些是被控模块，可以查阅资料找到参考，哪些是主控模块，是系统设计的核心任务，并给出控制模块的波形参考图，作为设计提示。引导学生以直接测频法框图为基础，根据等精度测量的原理，设计出等精度测量的顶层框图。

图2 直接侧频法顶层框图

（5）对系统设计中的难点进行提示。综合设计的提高要求中，要求学生测量正弦波、三角波的频率，学生熟悉通过设计模拟电路将正弦波、三角波转换为方波，但是提示学生可以考虑用数字电路的方法解决，例如采用A/D采样和过零检测的方法实现。

（6）分模块实现。将综合设计中的难点重点内容，融入平时基础实验中，分模块实现。随着理论教学的展开，使学生掌握EDA软件设计流程、IP 核调用方法、强化练习硬件描述语言要素、基本数字系统设计方法。同时，将频率计核心模块设计分散到基础的实验教学中。给予学生充分指导，帮助学生根据提示，不断提高设计能力。

（7）综合设计环节指导学生进行系统调试。指导学生充分利用Modelsim 仿真软件及逻辑分析仪进行系统调试的方法。系统调试的顺序为模块仿真、系统仿真、下载调试。如果模块仿真出现问题，重点检查模块逻辑设计、硬件语言描述规范性、输入输出接口设置等；系统仿真出现问题，重点关注连线、接口设置、是否有重复模块等；下载出现问题，重点关注管脚分配、按键设置，仿真中是否出现毛刺等。系统调试的方法，见图3。经过基础实验的铺垫和积累，综合设计环节学生的核心任务为把准备好的模块进行联合调试及实现功能扩展，要求学生独立解决实验中遇到的问题。

图3 数字系统调试流程

2 PBL模式下EDA技术实验内容设计

传统的EDA实验教学模式中，基础实验内容的设计主要与EDA技术的理论课教学配合围绕着课程教学目标展开。本门课程的课程目标包括：①了解CPLD/FPGA结构、特点、开发流程、设计指导原则、应用领域及发展趋势；②理解QuartusⅡ集成开发工具进行逻辑设计、综合、仿真、约束及编程下载方法；③理解Verilog HDL 的语法与要素、常用语句、组合电路及时序电路设计、有限状态机设计及仿真与测试方法；④具有应用Verilog HDL进行数字系统设计、仿真及调试能力，能分析处理并解释实验数据。

PBL的教学模式中，基础实验教学内容的设计不仅满足课程目标的要求，同时兼顾了对综合设计中重要模块、难点问题的指导，如图4 所示。基础实验内容包含分频模块设计、计数模块、显示模块、控制模块的设计，为学生综合设计打下良好的基础，学生可以在相同的学时内，完成更加复杂的综合系统设计。

图4 基于PBL教学模式的EDA实验内容设计

2.1 综合设计实验内容设计

设计综合设计实验内容时，将数字频率计分为基本、扩展和提高要求，如表1 所示。基本要求中测量低频信号，学生采用直接测频法、间接测周法、等精度法都能达到精度要求。扩展要求增大了频率的测量范围，学生必须选择正确的测量方案才能达到精度要求，并且增加了量程控制功能，学生需要进一步掌握时序逻辑电路的设计方法。提高要求中，增加了占空比和周期测量，学生需要添加计算电路模块；测量正弦、三角波频率，需要将连续信号转化为适合数字电路的脉冲波。鼓励学生通过数字的方法实现，使学生掌握AD芯片的驱动设计、过零检测模块的设计。提高要求内容与2015 年全国电子设计竞赛F题对应，并对指标进行了弱化处理，使其满足EDA技术课程需求。通过课赛结合的方式，增加学生参加学科竞赛的信心和积极性。

2.2 基础实验内容设计

每一个基础实验同样进行层次化的设计，层次化设计的过程不仅是难度的递增，满足不同水平学生需求，同时也是递进式进行技术指导的过程。基础实验内容的层次化设计，如表2 所示，实验分为基本要求、扩展要求和提高要求，其中基础要求要求每个学生必须完成。

实验1 主要帮助学生掌握EDA 软件开发流程及借助仿真工具及逻辑分析仪进行系统调试的方法。

实验2学生可以选择Verilog语言或应用锁相环IP核实现可控分频器的设计，掌握IP的调用方法及分频模块设计方法。

表1 综合设计内容的层次化设计

表2 EDA技术基础实验内容的层次化设计

实验3 学生在理论课堂已经学习了Verilog 语言的语言要素，给学生一段BCD 计数器程序，其中设计了10 个错误，采用试错的方法，加深学生对Verilog 语言要素的理解，如wire和reg数据类型的区别、阻塞赋值和非阻塞赋值区别等。学生实验过程中，根据软件的提示，进行错误的改正，掌握利用软件提示进行程序调试的方法。

实验4 重点练习BCD 码计数器及数码管显示模块的设计。

实验5 中用4 个学时强化练习基于状态机进行控制电路设计。状态机是设计时序电路的有效方法，具有高速率、高可靠性、结构固定这样的优越性，是eda实验教学的重点内容之一。指导学生基于状态机可以实现频率计控制模块的设计、量程自动转换模块的设计及AD0809 驱动模块的设计。

5个基础实验，12 个学时的训练，不仅满足课程目标的要求，同时涵盖数字频率计的核心模块设计，加强对综合设计的指导。

2.3 课外实验资源保障

基于PBL的EDA 技术实验教学模式，虽然综合设计只有4 学时，但是综合设计的设计过程却贯穿整个EDA技术课程所有教学环节。为了保证学生不受实验场地限制，能实现实验内容的扩展，学校自主研发了口袋实验板，并向学生开放FPGA 虚实结合远程实验平台，如图5 所示。学生基于Altera 公司网络免费版的软件，可选择向实验室借用口袋实验板或网络上访问虚实结合实验平台，随时随地进行实验，为层次化实验教学模式提供课外资源的保障。

3 教学效果

经过4 年教学实践基于问题驱动的实验教学模式取得了良好的教学效果。

图5 课外实验资源

（1）提升了学生学习的自主性。以导入综合设计题目作为教学起点，学生带着综合设计这个核心问题参与到整个教学环节中，作为主体主动在老师的指导下寻求答案，具有更明确的学习目的。2017 年采用问题驱动实验教学模式后，学生的实验成绩与理论考试成绩均明显提高。

表3 近4 年EDA技术成绩统计

（2）在相同的学时内学生可以完成更加综合的系统设计。改革前后学生综合设计的完成度统计如表4所示，在基础实验中加强对综合设计的指导，同样的学时PBL模式可以完成更复杂的系统设计。

表4 学生综合设计完成度统计 %

（3）扩展了学生的视野。课赛结合的题目，扩展了学生的视野，增强了学生参加学科竞赛的兴趣和信心，综合运用了所学知识。2017 年改革以来我校参加电子设计竞赛校内选拔赛及全国FPGA创新设计竞赛的队数逐年提高，并取得了良好的成绩。

（4）为层次化实验教学提供保障。口袋实验室与远程虚实结合FPGA 实验平台的应用，使学生不受实验场地限制，为学有余力的同学实现实验项目的扩展功能、提高功能提供了保障。

4 结语

本文将基于问题驱动的教学模式应用于EDA 技术实验教学，对实验教学模式、实验内容改革进行了详细的讨论，取得了良好的教学效果，培养了学生解决复杂工程问题的能力。基于问题驱动的实验教学模式易于推广和移植到其他实践类课程中，解决学时不足，实验内容离散不系统的问题，是一种简单有效的教学模式，随着工程教育认证的开展，必将得到越来越广泛的应用。