基于SOPC技術的綜合實驗平臺開發(fā)

牛炯 遲書凱 黎明 劉蘭軍 周琳 周麗芹

摘要：實踐是自動化專業(yè)教學工作中非常重要的一個環(huán)節(jié)，而目前很多高校現(xiàn)有教學設備無法滿足自動化專業(yè)實踐教學的需求，嚴重阻礙了學生工程實踐的培訓和創(chuàng)新的熱情。本文提出基于SOPC技術開發(fā)一套綜合實驗平臺，該綜合實驗平臺結合了自動化多門課程的知識點，站在工程的角度設計了多個綜合性實驗，滿足本科生工程實訓和創(chuàng)新活動的需求。

關鍵詞：SOPC；綜合實驗平臺；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0246-02

一、引言

對于電子信息類專業(yè)的本科教學，實踐是教學工作中非常重要的一環(huán)。就自動化專業(yè)來說，2012年新版教學大綱中實踐教學的學時較之前的教學大綱增加了近30%。目前對于實驗課程的開設，更多的是購買現(xiàn)成的實驗儀器箱。而受到現(xiàn)有實驗箱硬件的限制，無法將一門或多門課程的實驗相結合，學生只能在各個實驗箱上做單元性實驗和驗證性實驗，很難將各門課程在實際應用中相關聯(lián)起來，學生難以養(yǎng)成系統(tǒng)性思維。同時，根據(jù)近幾年電子信息類各種實踐型競賽和就業(yè)來看，要求學生不僅掌握單元性的知識，更偏重于要求學生能夠將幾門課程的知識在實踐中融合起來，對題目進行系統(tǒng)性的思考，學習如何完成頂層設計。綜上所述，以前在實踐教學過程中存在如下矛盾：①實驗內容與人才培養(yǎng)目標的矛盾。對于工科人才培養(yǎng)模式的討論是現(xiàn)在的熱點問題，培養(yǎng)創(chuàng)新性工科人才，提高其實踐能力，首先是實驗內容設計，其次是實驗設備采購或開發(fā)。目前的情況大多是按照傳統(tǒng)的實驗內容設計了現(xiàn)有的實驗設備，而實驗設備又制約了實驗內容的創(chuàng)新，無法為創(chuàng)新性人才培養(yǎng)提供保障。②學生創(chuàng)新的熱情與實驗條件之間的矛盾。根據(jù)我校近幾年比賽情況來看，自動化專業(yè)的參賽學生人數(shù)是日益增加的，學生對此抱有很大的熱情，期望從中培養(yǎng)自己的工程實踐經驗，得到系統(tǒng)、全面的鍛煉。雖然我們的創(chuàng)新實驗室?guī)缀跏侨旌驅氖聞?chuàng)新和競賽的學生開放，但由于實驗設備較為陳舊，功能已經不能完全滿足需要，嚴重影響了學生的創(chuàng)新熱情。針對上述問題，我校實踐指導教師需要站在系統(tǒng)的角度上，將工程實踐經驗和理論教學中涉及的知識點相結合，開發(fā)了用于本科實踐教學的基于SOPC技術的綜合實驗平臺。該平臺的研發(fā)綜合考慮了模擬電子技術、過程控制、自動控制原理、單片機原理、數(shù)字電子技術、SOPC技術以及現(xiàn)場總線等多門核心課程的實踐教學需求，本科生可以在該平臺上進行綜合性實驗設計。開發(fā)該綜合實驗平臺的最終目的是使學生在大二到大四的三年中，利用該平臺完成相關綜合性實驗課程、電子課程設計、畢業(yè)設計和創(chuàng)新活動等實踐活動，從感性認識到理論學習，由理論仿真到實踐調試，最終實現(xiàn)系統(tǒng)、完整、理論和實踐互動的學習過程，讓學生經歷并熟悉系統(tǒng)方案設計、系統(tǒng)功能仿真、硬件電路設計、軟件程序編寫、系統(tǒng)功能調試整個工程設計的流程。

二、綜合開發(fā)平臺的特點

該綜合實驗開發(fā)平臺用于自動化本科生教學實踐和創(chuàng)新活動，與傳統(tǒng)的實踐教學模式相比，具有如下特點。

1.理論與實踐相結合。本實驗平臺采用頂層設計思路，覆蓋了自動化幾乎所有的專業(yè)課程的實踐教學，教師在講授理論知識的同時，相關知識點可以實現(xiàn)在此實驗平臺上體現(xiàn)，改變了以往實踐教學與理論教學脫鉤的狀態(tài)。

2.各門課程之間相關聯(lián)。此實驗平臺可以涉及信號的輸入、采集、處理、傳輸以及顯示的全過程，而每一個環(huán)節(jié)又應用到了不同的技術，通過合理的設計綜合性的實驗內容，各門課程教師可以重點對照平臺中本課程的知識點講授應用，而對其他環(huán)節(jié)的內容簡單講解，使學生明白本門課程內容在整個自動化教學體系中所處的位置以及承擔的作用。這樣經過四年的培訓，學生所學到的各個知識點將不再孤立，而是融會貫通的，并且能夠非常清楚每門課程學到的知識點用在哪個環(huán)節(jié)。

3.系統(tǒng)性、靈活性和擴展性。本實驗平臺從硬件設計到實驗內容設計均采用頂層設計的思路，每一個綜合性實驗都盡可能多的涵蓋知識點，同時硬件的設計預留了足夠的擴展接口，以便于兼容后期開發(fā)其他的實驗擴展板。同時，軟硬件的設計過程中強調模塊化的設計思路，使學生在學習過程中更深刻的理解了各個知識點，也能更方便的用新學到的技術搭建的新模塊替換舊的功能模塊。

4.遵循CDIO工程教育培養(yǎng)模式。使學生在四年學習中通過該綜合實驗平臺體驗“做中學”的模式。大一學生通過參觀實踐平臺系統(tǒng)，觀看實驗結果，傾聽教師講解，對自動控制系統(tǒng)有初步的概念，引發(fā)其好奇心，課后查閱文獻，達到對本學科有初步認識的目的；大二學生運用學習過的《電路原理》、《模擬電路》、《數(shù)字電路》以及FPGA中的知識點，弄清楚該平臺電路的工作原理，并運用它完成《電子課程設計》綜合課程；大三學生需要對該平臺的硬件電路進行焊接，加深對整個系統(tǒng)的體系結構和功能的理解，建立系統(tǒng)的概念，并在該平臺上進行《SOPC技術》、《過程控制》等課程中的知識點進行仿真調試；大四學生通過該平臺進行生產實習和畢業(yè)設計，根據(jù)指導教師要求設計綜合性實驗，通過查閱文獻，進行方案論證、技術選擇、系統(tǒng)仿真、軟件編程、系統(tǒng)調試幾個步驟，最終完成綜合性實驗。通過這樣的培養(yǎng)，學生對各個模塊、每個技術都會有較深的理解，對四年中所學的專業(yè)知識會有更深刻、更系統(tǒng)的認識。

三、綜合實驗平臺的搭建

綜合實驗教學平臺主要由一塊主控板和若干擴展板構成。主控板為自主開發(fā)的基于SOPC技術的實驗板，擴展板包括：開關電源擴展板、電機驅動擴展板和過程通道擴展板等。本實驗平臺的開發(fā)能夠支持《模擬電子技術》、《數(shù)字電子技術》、《過程控制》、《電機調速》、《SOPC技術》、《檢測技術》等相關課程的綜合性實驗，教學過程中學生根據(jù)學習到的知識點選擇相應的擴展板進行開發(fā)學習。目前主控板和開關電源擴展板已經開發(fā)完成，并用于實踐教學。電源板與主控板連接框圖如圖1所示。圖中紅色虛線部分可以由模擬器件搭建，也可以通過使用SOPC開發(fā)板編程實現(xiàn)。學生在學習的不同階段采用不同的技術來實現(xiàn)相應的功能。當學生在不同階段采用不同的技術實現(xiàn)相同的功能時，加深了其對各門課程之間的關聯(lián)，也大大激發(fā)了學生學習的熱情。

開關電源擴展板是一個由模擬器件搭建的完整的閉環(huán)開關電路。涉及到的知識點有比例積分調節(jié)器、集成運放、比較器、三極管以及MOS管的使用、二極管特性及穩(wěn)壓管的使用、過流保護、單相整流橋、buck電路調試、PWM脈寬調制等。電路完全根據(jù)功能模塊進行布局，每個功能模塊的輸入輸出均預留接口，學生可以根據(jù)學習到的新知識設計電路來替代相應的功能模塊。SOPC實驗主控板是基于ALTERA公司的Cyclone Ⅱ EP2C35芯片開發(fā)的。考慮到設計的靈活性和成本，主控板由核心板和擴展底板構成。核心板由FPGA芯片、FLASH芯片、SDRAM芯片、有源晶振以及其他阻容器件等組成，采用六層板設計，大大增加了系統(tǒng)的可靠性；擴展底板采用四層板設計，其外圍接口豐富，包括：USB控制器、SD卡、時鐘芯片、CAN控制器、LCD、8位AD、8位DA、LED、擴展口等、射頻收發(fā)器、PS2接口以及串口收發(fā)器等。

實驗指導書的編寫要適用于各個層次的學生，分為基礎篇和系統(tǒng)篇。基礎篇用于所涵蓋的各門課程的基礎知識點，適用于所有學生。基礎篇中的知識點都屬于綜合性實驗中的某個模塊，使學生能明白所學習的基礎電路在系統(tǒng)中的作用，在此基礎上，學生以后能更深刻地掌握綜合性實驗的開發(fā)；系統(tǒng)篇由具有工程實踐經驗的教師編寫，該部分內容設計的綜合性實驗能夠使學生深刻理解工程應用，在每個綜合性實驗的訓練中，學生都需要經歷需求分析、方案設計、技術手段分析、仿真、編程、調試等過程。該開發(fā)平臺可以很好的應用于本科生各種專業(yè)實習以及本科生畢業(yè)設計等，同時也可以支持SRDP的創(chuàng)新平臺以及電子設計大賽的培訓等創(chuàng)新活動。

四、結語

新教學大綱要求自動化專業(yè)培養(yǎng)的本科生具有較強的工程實踐能力，本綜合實驗開發(fā)平臺的開發(fā)解決了目前高校中現(xiàn)有教學設備無法滿足創(chuàng)新活動的問題，從工程角度出發(fā)，站在頂層設計的角度，為增強學生系統(tǒng)工程的意識、從事工程實踐奠定了良好的基礎。

參考文獻：

[1]周麗芹，黎明，臧愛云，等.自動化專業(yè)實踐教學體系的構建[J].教育教學論壇，2015，（11）：169-170.