模塊化電子技術課程設計實驗平臺研制

李 林， 陳 璨， 劉復玉， 萬書紅

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

模塊化電子技術課程設計實驗平臺研制

李 林， 陳 璨， 劉復玉， 萬書紅

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院, 山東 青島 266580)

分析了電子技術課程設計現有方式的不足,介紹了模塊化電子技術課程設計實驗平臺的研制。該實驗平臺包括以Altera公司的FPGA為核心的基礎底板和與各個課程設計內容相關的外部擴展電路模塊,各個模塊之間采用標準的SCSI擴展接口連接,同時利用接口電路實現了實驗平臺與現有的基礎電路實驗箱的結合。該方式既降低了實驗平臺的開發成本,又能更多地利用現有資源,開發更多的課程設計題目。

電子技術; 課程設計； 模塊化設計； FPGA

“電子技術”課程是理工科院校電子信息類各專業的技術基礎課,其課程設計是實踐教學環節的重要組成部分[1-2]。我校將2周的電子技術課程設計單獨設課,這對提高我校大學生動手能力和實踐創新能力在一定程度上起到了積極作用,但是也暴露出在人才培養方面存在許多問題,每年我校電專業16個班2周的課程設計效果都不是特別理想,主要表現在:

(1) 因為沒有統一的課程設計實驗平臺,硬件條件跟不上，平時做實驗的實驗箱的功能有限,只適合做基本實驗,擴展功能不多,做課程設計時基本處于閑置狀態,造成資源的浪費。

(2) 每年課程設計的題目有限，比如只能做收音機電路設計、時鐘設計等。一方面跟不上電子技術更新換代的步伐,另一方面因為都是同樣的題目也造成個別學生或抄襲、或作弊的現象。

(3) 每年課程設計的內容和方式基本上是課內實驗的簡單延伸。2周的課程設計被人為地分成模擬內容和數字(EDA)內容,而且兩部分的內容和知識點沒有任何的交叉和聯系,造成學生在概念上把模擬電路和數字電路孤立和割裂開來,對電子技術的發展和應用缺少整體的概念和認識,更別說設計一個電路系統了。

(4) 進行課程設計的時候,許多學生在面對課程設計題目時感到無從下手,不知道解答問題的切入點。原因是學生在平時的電子技術實驗教學中,每個實驗的內容涉及的知識容量較少,學生幾乎不需要太多動腦就可輕松完成；而課程設計無論在實驗步驟、實驗方法上都需要學生自己考慮解決,涉及的知識面廣,綜合性強。

為解決上述問題,同時打通數字電路、模擬電路、EDA設計之間人為設置的障礙,課題組以近幾年來電子課程設計的內容和形式為依托,以現有實驗儀器和設備為基礎,研發了一套既能服務于平時的基本實驗教學,又能服務于暑期的課程設計需要的實驗平臺[3-5]。

1 方案設計與實驗平臺介紹

該平臺包括以FPGA為核心的基礎底板和與各個課程設計內容相關的外部擴展電路模塊,各個模塊之間采用標準的SCSI擴展接口連接,既能單獨使用,完成一部分功能,又留有接口可以與現有的模擬實驗箱、數字實驗箱、單片機開發系統進行連接。這樣既降低了實驗平臺的開發成本,又能更多地利用現有資源。實驗平臺采用基礎平臺底板+功能板的設計模式,除了基本的電源系統和其他常用的功能模塊外。盡可能地多設計一些經過電路處理的通用接口,這些通用接口既能與現有的數字電路實驗箱、模擬電路實驗箱、單片機開發系統相連,又能適合現有的和將來待開發的單獨的功能模塊。系統整體框圖見圖1。采用這種模式便于擴充、更新和完善,不用更換基礎平臺底板,只需要更改功能板即可,大大節約了后續投資成本[6-8]。

圖1 系統框圖

1.1 實驗平臺基礎底板

基礎底板以Altera公司發布的第二代Cyclone FPGA開發板為核心,主芯片采用484引腳、BGA封裝的EP2C35 FPGA,它擁有33216個LE,105個M4K片上RAM(共計483 840 bit),4個高性能PLL以及多達322個用戶自定義IO。與第一代相比,加入了硬件乘法器,內部存儲單元數量也得到了提升[9-10]。

圖2為自制的FPGA最小系統板,最小系統板既可以單獨使用,也可以通過插針連接到基礎底板作為整個系統的控制核心。除了最小系統板外,基礎底板同時配備了實驗常用的信號源、電源、輸出指示、常用元器件及負載等模塊。

圖2 FPGA最小系統板

1.2 接口和信號調理電路設計

為了充分利用現有的設備,實驗平臺基礎底板集成了接口和信號調理電路,通過此接口和調理電路可把相對獨立的模擬實驗箱、數字實驗箱、單片機開發系統上的資源整合到一起,同時很好地解決了不同實驗箱之間的信號干擾和電平匹配問題。信號調理電路見圖3[11-12]。AD603為可調增益的運算放大器,其放大倍數可以通過程序調節,通過判斷當前信號幅度的大小,微控制器經過一定的運算處理后給出一一對應的控制信號,然后經過DA轉換輸出對應的模擬量來控制放大電路的增益,NE5532可實現固定放大倍數放大[4-5]。采用AD603通過軟件控制輸出,使之輸出電壓連續變化，并通過調節反饋電位器可實現輸出電壓幅度≥5 V。

1.3 單元電路功能子模塊

根據多年的教學經驗,在開發功能子模塊時重點考慮了:(1)全面覆蓋教學大綱中所規定的基礎實驗內容；(2)為不同層次的學生提供綜合性、設計性的實驗環境；(3)為大學生電子設計大賽以及大學生創新性實驗提供硬軟件資源；(4)為教師開發新的實驗項目提供有利條件。基于此,開發了如數碼管顯示、液晶顯示、鍵盤控制等常用的子功能模塊。單元電路子功能模塊見圖4[13]。采用這種模式便于擴充、更新和完善,當某些模塊出現故障或功能不滿足需求時,只需更換相應模塊,無需替換整套系統,節約了后續投資成本。

2 實驗平臺的使用方法和注意事項

下面以簡易正弦信號發生器、測試儀設計為例說明實驗平臺的使用方法和注意事項,信號發生器、測試儀結構見圖5[14-16]。

具體要求如下:

(1) 正弦信號發生器1的信號頻率100～300 Hz,信號有效值0～5 V可調；

(2) 正弦信號發生器2的信號頻率1～3 kHz,信號有效值0～5 V可調；

(3) 低通濾波器截止頻率500 Hz；

(4) 通過鍵盤選擇顯示內容并顯示主要參數(例如頻率、電壓有效值)。

圖3 采樣調理電路

圖4 單元電路子功能模塊

圖5 信號發生器、測試儀結構

該題目涉及模擬電路、數字電路、單片機設計、FPGA設計等內容,知識點覆蓋面相當廣,是一個典型的綜合設計性題目。因為實驗箱正是課程設計硬件的組成部分,學生非常熟悉,當學生面對課程設計題目時很容易知道解答問題的切入點,通過把題目分解,大部分知識點在平時的實驗中都有涉及,也就不會產生畏難情緒。下面簡單介紹一下各部分的實現方法。

2.1 正弦信號發生器實現

利用文氏橋電路產生正弦信號是模擬電路的一個基本實驗,通過調節參數可產生需要的任何頻率和幅度的正弦信號,電路見圖6。大部分學生基本掌握了相應的方法,產生的信號通過接口電路可以直接作為實驗平臺基礎底板的輸入信號,此內容可作為基本考核內容。因為實驗臺留有與單片機實驗系統的接口,有部分學生對單片機和直接數字頻率合成技術比較感興趣,在完成基本方法的前提下,經教師同意可以嘗試使用單片機完成正弦信號的產生。

濾波器、信號調理電路也是利用模擬電路實驗箱實現,限于篇幅,不再詳述。

圖6 正弦信號產生電路

2.2 A/D轉換及控制

A/D轉換是數字電路的一個基礎實驗,采用10位A/D轉換器MAX157對信號進行采樣,將轉換成的數字信號傳送給FPGA進行處理,中間經過74LS244穩定。

2.3 FPGA控制系統實現

FPGA是整個系統的控制核心,軟件編程主要分為主控制模塊、AD控制模塊、整形浮點型轉換模塊和譯碼掃描顯示模塊。程序框圖見圖7[17]。

圖7 軟件設計框圖

采用模塊化的實驗平臺,除了可以節省硬件開支外,最重要的是通過硬件的模塊化,使學生平時所學的知識隨著實驗平臺的集成而有機地聯系起來,學生不再對綜合性的題目產生畏懼心理,學習興趣比較濃厚,積極性較高,在2周的時間內,80%的學生基本都能獨立完成課程設計內容。

3 已開發的實驗項目

因為采用模塊化化的方式,通過單元電路的靈活組合,可實現和開發的實驗項目的范圍和內容都有大幅度的提高,例如除了基本的電子技術實驗外,目前以實驗平臺為硬件基礎,開發的涉及可編程模擬電子技術、數字電子技術、硬件描述語言VHDL、CPLD/FPGA設計等課程的綜合性課程設計實驗有格雷碼變換電路、數字時鐘實驗、出租車計費器、液晶屏顯示驅動實驗、電子琴電路設計、步進電機驅動電路等。另外，通過該實驗平臺可完成簡易邏輯分析儀實驗、低頻數字式相位測量儀實驗等電子大賽培訓實驗。

4 結束語

我校開設電子技術課程的專業每年有自動化,測控、電子、電氣等6個專業、20多個班級,實驗平臺的應用對學生的選題、知識面的擴充、學習興趣的提高都有極大的促進作用,充分調動了學生參與實驗的積極性與主動性。無論是學校舉辦的各種科技創新活動,還是全國及山東省的大學生電子設計競賽,我校大學生均取得了優異成績(3年內獲得全國的大學生電子設計競賽一等獎2項,二等獎一項,山東省的大學生電子設計競賽一等獎多項)。模塊化的電子技術課程設計實驗平臺的應用使學生的工程實踐能力和創新實踐能力得到明顯提高。

References)

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Development of experimental platform for modular curriculum design of electronic technology

Li Lin, Chen Can, Liu Fuyu, Wan Shuhong

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

This paper analyzes the deficiency of the existing mode of electronic technology curriculum design, and then introduces the development of a modular curriculum design of electronic technology experimental platform. The experimental platform includes the base plate with FPGA of Altera Company as the core, the content of the curriculum design related to external expansion circuit modules, the standard SCSI interface between modules and uses the interface circuit to achieve a combination of experimental platform with the existing basic circuit experimental box. This way can not only reduce the experimental platform development costs, but also better use existing resources to develop more curriculum design topics.

electric technology; curriculum design; modularization design; FPGA

2015- 05- 05

中國石油大學(華東)大學生創新實踐項目(201301203)；中國石油大學(華東)實驗技術改革項目(SYB201428)

李林(1975—)，男，河南南陽，碩士，工程師，主要研究方向為智能信息處理、計算機測量與控制.

E-mail：upcll@163.com

TN014；G484

A

1002-4956(2015)12- 0103- 04