談基于ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ課程改革的實驗儀研制

摘要:探討了CPLD/FPGA課程在教學內容和教學平臺方面進行改革的必要性,以及基于項目教學的CPLD/FPGA實驗儀研制,以期培養學生應用CPLD/FPGA實驗儀進行真實項目開發的能力。

關鍵詞:CPLD/FPGA;實驗儀;項目教學

CPLD/FPGA實驗儀研制背景

(一)CPLD/FPGA課程教學特點

可編程邏輯器件(CPLD/FPGA)開發技術課程是電子類專業重要的專業課。該課程具有應用性和針對性強的特點,著重培養學生的工程實踐能力和工程設計能力。本課程內容要來源于教材、企業與科研,以動手能力、工程實踐能力為培養主線,重點放在CPLD/FPGA開發能力的訓練上,以培養學生獨立分析和解決實際問題的能力。

(二)CPLD/FPGA課程教學內容改革的必要性

根據高職教育的目標及發展要求,對本課程的改革迫在眉睫。本課程改革主要是以項目教學為載體,因而CPLD/FPGA芯片下載和實驗儀必須要做相應的改變,為以真實項目為載體的教學提供平臺。

(三)CPLD/FPGA課程實驗環境改革的必要性

可編程邏輯器件是可編程數字芯片,內部由上百萬個邏輯門組成,通過編程可實現各種復雜邏輯運算、邏輯操作或時序控制,實現傳統數字電路難以實現的功能。電路體積大、功耗大、穩定性差,產品的性能和質量無法保證。

目前,市場上的CPLD/FPGA實驗開發板或實驗儀非常多,但價格高而且對實驗的開發不夠。高校使用的實驗儀一般都把CPLD/FPGA芯片下載與實驗儀固定組合在一起。這樣,雖然使用方便,但缺點也很明顯:使用的CPLD/FPGA芯片集成度較低,通常小于6000門級,難以進行較復雜的系統電路設計;使用的CPLD/FPGA芯片管腳數量有限,通常不超過84腳,容易出現芯片功能未用盡而I/O引腳已不夠使用的情況,不能適應以項目為載體的教學模式;由于CPLD/FPGA芯片固定設計在實驗儀上面,用戶不能對CPLD/FPGA芯片進行更新與升級;某些實驗儀在設計上采用傳統接口,不便于學生攜帶與自主學習。

2008年初,通過對CPLD/FPGA實驗內容、學生實驗效果以及實驗內容與實際生產第一線的聯系程度的深入調查了解,我們確立了以項目教學為載體的CPLD/FPGA實驗儀研制應堅持適用性、完整性、項目性的原則,使新設計的CPLD/FPGA實驗儀能夠成為教學、競賽和真實項目開發都能使用的多功能實驗設備。

CPLD/FPGA實驗儀研制內容

大規模集成電路技術的進步使可編程邏輯器件的規模飛速發展,軟件設計手段進步也使得EDA設計工具不斷完善。高職院校更要研制適合以項目教學為載體的可編程邏輯器件實驗開發平臺,以滿足現代EDA技術的實踐教學、真實項目開發以及全國電子大賽的需要。試驗儀研究的主要內容包括:通用擴展板設計、各種CPLD/FPGA器件的核心板設計及下載接口設計。該實驗儀的電路板如圖1所示。

(一)實驗板結構設計

在設計方案上采用可裁剪結構,即由核心板和通用擴展板構成,該種設計方案的下載頭在核心板上,下載口可以用并口也可以用USB口。這種CPLD/FPGA實驗儀,最顯著的特點是將CPLD/FPGA核心板與通用擴展板分開。用戶若要對CPLD/FPGA芯片進行更換或升級,只需更換核心板就可以了。實驗儀把芯片下載接口做在核心板上,避免了使用專用下載電纜,使實驗開發和教學活動更為方便簡潔,同時也降低了成本。CPLD/FPGA實驗儀還可以滿足以下要求:CPLD/FPGA下載板與實驗板分開;實驗板可支持2家以上國際知名CPLD/FPGA廠商的主流芯片;核心板要與通用擴展板配合使用,下載接口做在核心板上,根據不同的項目可選用不同的核心板進行編程,工作時不要求其他硬件條件;便于學生攜帶與自主學習。

(二)基于“項目教學”的通用擴展板設計

為了滿足以項目教學為載體的課程改革要求,研制的實驗儀要能完成所有的常規基礎實驗,并且可以完成這些項目的設計與實現,具體包括:LED點陣顯示系統設計;電子琴設計;智能競賽搶答器設計;數字時鐘設計;交通信號燈控制器設計;串行通信設計;基于CPLD/FPGA的電子日歷設計等。

為了滿足項目教學的要求,通用擴展板上要配置多家公司的CPLD/FPGA器件外圍接口,方便學生在實驗箱上完成基本實驗、真實項目以及電子大賽訓練項目的調試。通用擴展板的外圍接口設計主要包括:USB接口——供下載與從PC機取電,得到不同的芯片工作電壓,如3.3V、5V等;LCD字符液晶接口——可完成有關CPLD/FPGA控制字符顯示方面的實驗項目,提供豐富的設計資料和實驗教程;RS232接口——具有復用功能,PC機可以利用它與CPLD/FPGA通信,也可利用它與單片機通信,可用于電子大賽專題訓練;LED小燈和鍵盤——LED分動態和靜態顯示,其中有8個LED與鍵盤綜合使用,可訓練學生的編程能力;數碼管——為數字邏輯的基礎實驗和趣味性實驗提供輸出平臺,如數字時鐘、智能競賽搶答器、交通燈指示器等;LED點陣顯示屏——顯示簡單的字符和漢字;揚聲器——有豐富的音樂實例,如電子琴設計、音樂編制等:A/D器件及接口——ADC0809模數轉換電路接口;外擴接口——可與單片機聯接,進行通信和控制。

(三)核心板設計

核心板板卡采用通用四排插座,可兼容不同公司生產的CPLD/FPGA器件(Lattice、Xilinx、ALTERA等),采用靈活的硬接線和下載方式,主要包括:不同芯片的下載接口——CPLD/FPGA器件類型不同,下載信號及接口設計也不同,因而不同系列的芯片可采用JTAG(TDI、TDO、TMS、TCK、GND、VCC)或PS(MSEL0、MSEL1、nCE、DATA0、nCONFIG、CONE_ DONE、nSTATUS、DCLK)模式下載。CPLD/FPGA器件芯片接口——采用通用四排插座,可提供120多腳的擴展口,核心板上與四排擴展口連線設計時,必須與通用擴展板上的外圍接口擴展槽上的引腳相對應。2Hz～50MHz標準時鐘源接口——時鐘源電路模塊,提供不同頻率的時鐘源。

(四)下載接口設計

如上所述,目前CPLD/FPGA器件下載接口主要有JTAG模式和PS模式,這兩種下載接口的電路設計需要各信號引腳的上拉電阻及電容,主要用74HC244芯片實現信號緩存。該下載接口為并口下載,為了使用方便,在研發后期采用并口轉USB口實現下載。

CPLD/FPGA實驗儀應用效果

鞏固硬件知識CPLD/FPGA實驗儀的硬件實行雙重開放。接線簡單的硬件對學生完全開放,所有連線都由學生自己完成,提高其實踐能力。接線復雜以及綜合項目的硬件,采用半開放式,學生只連接一部分電路,以降低出錯幾率。

進行多項實踐教學此實驗設備可完成基礎實驗、大學生電子競賽、綜合項目開發等任務,主要功能有:D/A轉換、8*8L ED點陣顯示、鍵盤輸入、LCD液晶顯示、64k×8bit外部RAM存儲器、串行通信、4位LED動態供陽數碼管、LED七段數碼管靜態顯示、八位撥碼開關以及8個紅、黃、綠二極管小燈。

加強團隊協作CPLD/FPGA開發應用課程,使學生掌握CPLD/FPGA的設計過程、設計方法及數字系統,掌握Verilog語言的程序設計及 Quartus Ⅱ軟件應用,使學生能夠利用CPLD/FPGA進行電子產品的設計與開發。在教學過程中,師生共同完成基礎實驗的設計,如邏輯電路設計和時序電路設計。在此基礎上,采用分組教學,將學生每3人分成一組,進行綜合項目開發。在這些綜合項目開發過程中,要求小組成員分工協作,共同運行調試,反復修改,并最終完成可演示的產品,從而加強學生的團隊協作能力。

通過CPLD/FPGA實驗儀的研制開發,教學效果顯著提高了,學生對實驗重視了,上課時的注意力集中了,學習興趣和積極性也提高了。學生反映CPLD/FPGA實驗儀的使用以及項目教學的開展,使以前抽象的概念變得容易理解,所有的項目均可以自己動手編程,編譯下載到實驗平臺上就可立即觀察到實驗現象,非常形象生動。教學內容更加新穎而充實。CPLD/FPGA課程實驗平臺的研制,基本上滿足了當前職業院校教學改革的兩個基本要求:第一,在實踐教學改革中,實驗設備必須根據學生的實際情況開發出特色,職業知識與技能并重。選取生產、生活中的實例,讓學生觀察、實驗、分析,在此基礎上增長學生的知識技能。第二,通過實驗設備的開發和研制激發學生的興趣,以開發學生智力、培養學生的創新能力為落腳點。

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作者簡介:

聶章龍(1974—),男,安徽霍邱人,碩士,常州信息職業技術學院講師,研究方向為嵌入式系統、智能控制。

(本文責任編輯:洪雁)