EDA技術實踐課程建設及實踐基地建設

楊春玲，朱 敏，楊榮峰

(哈爾濱工業大學電氣工程系，黑龍江 哈爾濱 150001)

電子設計自動化(EDA)是現代電子最前沿的技術，在通信工程、自動控制系統和機電一體化等領域有著廣泛的應用。它包括FPGA/CPLD開發技術、SOPC(片上可編程系統)及ASIC設計技術，是每一位電類應用型人才所必須掌握的技術。

目前我國大規模集成電路產業落后先進國家約有15年，急需要這方面的人才。因此，搞好電子設計自動化實踐環節建設，培養掌握最新電子設計自動化技術的實用人才是形勢發展的迫切需要。它也符合教育部的“卓越工程師教育培養計劃”和應用型碩士研究生的培養方向[1-3]。目前，我校在教育部985工程及國防科工委研究生創新基地建設資金的資助下，建設了以應用型人才培養為目的的電子設計自動化實踐基地，構建了本碩一體化的實踐課程體系，收到了很好的效果。

1 電子設計自動化實踐課程建設

1.1 電子設計自動化實踐課程國外現狀

為更好地開展電子設計自動化實踐環節建設，我們收集了國外部分大學與該實踐課程的設置及建設相關的應用實驗平臺的建設情況，如表1所示。

由表可見，國外一些大學開設了電子設計自動化相關的實踐課程。例如美國密西根大學安亞伯分校在大一學生中就開設“EDA資訊實驗”課程。實驗要求學生分成小組，按組完成一個電子設計自動化系統設計，然后演示。

表1 國外本科教學與EDA相關實驗課程

1.2 我校電子設計自動化實踐課程體系建設

為適應應用型人才培養，我校對教學計劃進行了修改，建設了電子設計自動化實踐課程體系。在體系中新增加了三門電子設計自動化的實踐課程:①針對電氣工程專業大四學生開設了“EDA技術與實驗Ⅰ”;②針對應用型研究生開設了“EDA/SOPC應用實踐”;③2006年開設的“SOPC及EDA技術創新研修”實踐課程，為全校選修課。

此外，針對英才班大三學生的“EDA技術與實驗Ⅱ”，也已列入計劃。實踐課程內容主要分為如下三個實驗模塊。

(1)驗證性實驗有四位加法器的設計，數字式頻率計設計，可控正弦信號發生器設計，SOPC系統設計實踐等;

(2)設計型實驗有通信DDS、DSP系統、嵌入式數據采集、存儲示波器、閉環控制系統、電機驅動和圖像處理等;

(3)自選應用研究型實驗，根據實踐基地的設備由學生自命題，要求貼近工程應用背景。

1.3 實踐課程配套教材建設

(1)2008年出版了《可編程邏輯器件應用實踐》教材;

(2)2009年編寫的《EDA技術與實驗》作為國家級“十一五”規劃教材。該書修訂版被列為?！笆濉币巹澖滩?，側重FPGA設計理論及數字信號處理算法硬件實現上;

(3)新編《EDA/SOPC應用實踐》被列入?！笆濉币巹澖滩摹Ｔ摻滩尼槍眯脱芯可呐囵B引入大量工程設計實例。

2 應用型實踐教學基地的建設

我校電子設計自動化實踐教學基地，2006年在教育部研究生創新基地建設資金的資助下初步建成。現有的25套計算機和30套康芯EDA/SOPC實驗箱，可以完成基本的電子設計自動化實驗。

近年來，我們在原來基礎平臺的基礎上，購置了Altera公司DE2-70實驗板，建立了面向電氣工程、控制工程、通信工程及儀器科學與技術領域電子設計自動化實驗平臺。該平臺包括基于FPGA的電機閉環控制實驗平臺、基于SOPC的特征物體跟蹤系統實驗平臺、基于SOPC的遠程監控圖像系統實驗平臺及基于FPGA的數據采集實驗平臺。上述四個實驗平臺可以完成下列實驗內容。

2.1 基于SOPC的特征物體跟蹤系統實驗

特征物體的識別追蹤包括對目標實現追蹤，它是機器視覺、視頻雷達和視覺導航的必要組成部分。這種追蹤系統可以用于球類比賽中追蹤拍攝球的運動，在公共場所的監控設備中自動鎖定疑犯并報警，在博物館等場所中鎖定特定藏品在其位移超過閾值后給出警示，在運動中拍攝運動或靜止物體(如航拍)中保持圖像穩定，某些特定區域在有運動物體進入時監控系統產生報警信號并對進入監控區域的物體進行跟蹤(例如交通檢測系統和某些監控防護系統)等。

基于SOPC實驗箱的特征的物體跟蹤系統實驗原理如下:攝像頭完成圖像采集，將圖像數據傳輸給DE2開發板，由FPGA中的攝像頭接口邏輯對圖像預處理，再由Nios II執行識別算法和控制算法，識別特征物體，并輸出控制信號給兩個伺服電機來調整攝像頭方向，同時由VGA顯示接口將捕捉到的圖像在顯示器上顯示出來。

2.2 基于FPGA的步進電機細分控制實驗

本實驗是一種以FPGA為核心的新型集成式三相混合式步進電機驅動系統。采用正弦波細分驅動方案，以速度誤差最小原則進行了最佳細分等級自動切換設計。該實驗將控制器和驅動器全部集成在單一的FPGA芯片上。

2.3 基于FPGA的遠程監控機器人實驗

本系統在DE2開發板上構建了一個Web服務器，可以通過網絡實時觀察監控場所，并通過網絡控制隨意移動以實現全方位監控。該實驗包括圖像的實時采集、壓縮，無線傳輸、Internet網絡和GPRS無線網絡向終端服務器傳輸圖像數據等模塊。

2.4 基于FPGA的桌面彈球屏幕保護程序實驗

該實驗通過FPGA芯片嵌入的程序可以控制計算機顯示屏上的小球運動，還可以控制小球的尺寸。學生通過該實驗可以掌握VGA顯示的原理和視頻D/A轉換的原理及控制時序等內容。本實驗的創意來自美國伊利諾伊州立大學香檳分校的數字系統課程ECE 385的教學內容。該應用研究型實驗覆蓋了控制、電氣、計算機和通信等多個學科內容。

此外，2009年我們在實驗平臺上自行了設計一款性價比高且便于攜帶的電子設計自動化實驗箱。該實驗箱發放給學生，使他們在業余時間利用該實驗箱學習電子設計自動化知識，并完成面向實際應用的設計任務。本實驗箱的原理框圖如圖1所示，目前已在電子技術課程設計課程中使用。

圖1 便攜式EDA/SOPC實驗箱框圖

3 與企業聯合建立培訓基地

2007年本基地與ALTERA公司建立了聯合實驗室。ALTERA公司定期來校舉辦最新電子設計自動化技術及應用培訓研討會，并設立中國大學生電子設計文章大賽和ALTERA亞洲創新設計大賽，為應用型人才提供展示電子設計自動化作品平臺。

2010年我校舉辦了數字電視及工業影像芯片設計研討及培訓會。國內外從事電子設計自動化教學及科研的近200名師生參加了研討會。加拿大多倫多大學專家做了題為“全新40納米Stratix IV及Cyclone IV介紹及其應用分析”的講座;臺灣友晶科技資深工程師講授了最熱門的Altera DE2數字電視及工業影像芯片設計技術，并對高階數字電視IC設計及色彩空間轉換的FPGA高效率架構進行了上機實驗培訓。

4 結語

我校近三年來參加各類電子設計自動化大賽，累計獲獎人數超過100人。通過大賽培養與電子設計相關的應用型人才，這些人才受到用人單位的青睞。此外，電子設計自動化實踐基地建設及實踐課程建設已獲得二項省級優秀教學成果獎;包括與ALTERA公司建立的聯合實驗室在內，我校聯合實驗室建設在2009年獲得了國家級優秀教學成果獎。

[1]曾永衛，劉國榮.“卓越計劃”背景下科學構建實踐教學體系探析[J].北京:中國大學教學.2011.7:75～78

[2]王永生.高水平特色大學卓越工程人才培養模式的研究與實踐[J].北京:中國高等教育.2011.6:15～18

[3]李彥武，陳瑤等.美國專業科學碩士教育質量保障體系初探[J].合肥:研究生教育研究.2011.4:91～95