基于FPGA的電子信息類專業(yè)基礎(chǔ)課程演示實(shí)驗(yàn)

初萍+劉宇奇

摘 要 電子信息類的工科專業(yè)基礎(chǔ)課程在教學(xué)過程中存在理論知識難與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合的問題，針對這一問題，以方便觀察可直觀感受為目的，設(shè)計(jì)了基于FPGA的演示實(shí)驗(yàn)，演示實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的圖像邊緣檢測過程。此演示實(shí)驗(yàn)可擴(kuò)展性強(qiáng)，可供多門基礎(chǔ)課程應(yīng)用，并可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)對專業(yè)的直觀理解，有比較好的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞 電子信息專業(yè) 圖像邊緣檢測 應(yīng)用演示實(shí)驗(yàn) FPGA

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.01.013

Demonstration Experiment of Basic Course of Electronic

Information Specialty Based on FPGA

CHU Ping， LIU Yuqi

（School of Information Engineering， Shenzhen University， Shenzhen， Guangdong 518060）

Abstract Electronic information engineering professional basic courses are difficult to combining theoretical knowledge and practical problems in the teaching process， in order to solve this problem， to observe the intuitive feeling for the purpose of convenient design experiment based on FPGA， the process of demonstration of real-time dynamic image edge detection. The experimental demonstration of strong expansibility， for many basic courses， and can stimulate students' interest in learning， enhance the intuitive understanding of the professional， has a good practical significance.

Keywords electronic information specialty； image edge detection； application demonstration experiment； FPGA

高等教育中電子信息類專業(yè)課程設(shè)置過程中實(shí)驗(yàn)課程是必不可少的一部分，通常是與課堂教學(xué)理論對應(yīng)，針對性地開設(shè)在專業(yè)課程中，如電路基礎(chǔ)理論、模擬電路、數(shù)字電路等課程均開設(shè)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程。①實(shí)際上電子信息類專業(yè)的教學(xué)體系中除了專業(yè)課程之外，還有工程類數(shù)學(xué)課程以及專業(yè)的基礎(chǔ)課程，如場論、復(fù)變函數(shù)、②信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等課程，③這些課程的學(xué)習(xí)過程中大多以理論教學(xué)為主，對剛接觸專業(yè)或?qū)I(yè)僅僅有基礎(chǔ)認(rèn)識的學(xué)習(xí)來說，純理論式的學(xué)習(xí)這些課程是非常抽象難以理解的。

作者作為一名電子信息類專業(yè)的教師，多年承擔(dān)場論與復(fù)變函數(shù)課程（工程數(shù)學(xué)類課程）、數(shù)字信號處理課程（專業(yè)理論課程）的本科教學(xué)工作，教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)這類課程理論抽象，很多同學(xué)并不能真正理解其理論的應(yīng)用，大多仍以數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來學(xué)習(xí)課程，雖然可以通過考試，但是后續(xù)的應(yīng)用中問題百出。針對這些問題，這兩門課程中不少教材以Matlab為基礎(chǔ)設(shè)置了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，④⑤在教學(xué)過程中可以提高學(xué)生對理論的理解掌握。Matlab畢竟是軟件的形式，數(shù)據(jù)也通過軟件產(chǎn)生，對數(shù)據(jù)處理過程的認(rèn)識沒有非常具體，所以我們思考，這類課程是否可以設(shè)置相應(yīng)的硬件演示實(shí)驗(yàn)，以硬件平臺為基礎(chǔ)，設(shè)置可以看到的可以體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己動(dòng)手感受實(shí)際效果，以達(dá)到增強(qiáng)認(rèn)識的效果。

1 演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

在電子信息領(lǐng)域中，用來執(zhí)行信號處理、數(shù)據(jù)通信等任務(wù)的硬件器件通常有FPGA和DSP兩大類，F(xiàn)PGA可以很好的解決數(shù)字信號處理中并行性和速度的問題，越來越多的高端FPGA產(chǎn)品將包含DPS或CUP等處理器內(nèi)核，⑥從而FPGA將由傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)手段逐步過渡為軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)級的平臺，所以我們選擇了FPGA開發(fā)板作為演示實(shí)驗(yàn)的硬件平臺。

演示實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的就是可以直觀體驗(yàn)信號處理的過程及效果，所以我們選擇了實(shí)時(shí)的視頻圖像作為處理對象。數(shù)字圖像的邊緣檢測是圖像分割、目標(biāo)區(qū)域識別等圖像分析領(lǐng)域的基礎(chǔ)，也是圖像識別中提取圖像特征的一個(gè)重要屬性。綜上所述，我們選擇基于FPGA的實(shí)時(shí)圖像邊緣檢測作為演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

1.1 硬件系統(tǒng)

基于演示實(shí)驗(yàn)設(shè)置的目的我們選擇了基于FPGA的硬件開發(fā)板，如圖1。其中的FPGA型號是EP4CE6F17C8，該開發(fā)板的特點(diǎn)是具有7寸TFT接口，VGA接口，SD卡座，攝像頭接口，256M容量的SDRAM，適合用于采集視頻圖像并實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理要求，豐富的接口也為實(shí)現(xiàn)其它更多的功能提供了硬件基礎(chǔ)。

1.2 總體功能方案

為實(shí)現(xiàn)視頻圖像的邊緣檢測功能，并可以將檢測結(jié)果進(jìn)行顯示，設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的總體方案如圖2。總體分為數(shù)字視頻圖像采集、圖像邊緣檢測及顯示三大部分，其中視頻圖像采集部分由開發(fā)所帶的攝像頭接口配合相應(yīng)的攝像頭完成；圖像邊緣檢測即數(shù)字圖像的信號處理過程由FPGA器件完成；結(jié)果顯示功能由VGA接口接顯示器實(shí)現(xiàn)。

2 課堂演示情況

基于FPGA開發(fā)板，我們事先完成了簡單的程序編寫，在實(shí)驗(yàn)室中給學(xué)生進(jìn)行了現(xiàn)場演示。

2.1 演示效果

攝像頭隨機(jī)抓取實(shí)現(xiàn)室的一幅圖像，如圖3（a）。使用Sobel算子對圖像的邊緣進(jìn)行檢測，圖3（b）、（c）分別為Sobel算子取不同閥值時(shí)的檢測結(jié)果。由顯示結(jié)果可以看出，不同閥值選取會(huì)得到不同的檢測結(jié)果，由學(xué)生自行查詢算法原理理解閥值對檢測結(jié)果的影響，達(dá)到印象深刻并理解理論的效果。

2.2 學(xué)生現(xiàn)場操作及思考

本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容給學(xué)生演示后，大部分同學(xué)對演示內(nèi)容非常感興趣，加深了學(xué)生對課程理論知識的印象。很多同學(xué)對實(shí)驗(yàn)方法、圖像處理及FPGA的相關(guān)學(xué)習(xí)產(chǎn)生了興趣，甚至有同學(xué)利用課后時(shí)間完成了更多算子方法的驗(yàn)證，收到了非常好的實(shí)驗(yàn)效果。

2.3 可擴(kuò)展性

本演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)置不僅僅可以為專業(yè)課程提供演示的機(jī)會(huì)，也可以為相關(guān)課程提供實(shí)踐機(jī)會(huì)，如：在數(shù)字圖像處理課程中，可以通過本開發(fā)板對多種圖像處理方法及任務(wù)進(jìn)行驗(yàn)證或進(jìn)行多種處理方法比較，直觀地理解不同處理方法的區(qū)別；在EDA技術(shù)課程中，可以通過本開發(fā)板讓學(xué)生理解硬件描述語言的應(yīng)用，并通過硬件實(shí)現(xiàn)語言到實(shí)際功能的轉(zhuǎn)化。可以看出，我們設(shè)置的基于FPGA開發(fā)板的實(shí)驗(yàn)，可以在多個(gè)課程中同時(shí)使用，利用率及可擴(kuò)展性好，且給學(xué)生提供了更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，加強(qiáng)對專業(yè)及理論知識的認(rèn)知。

3 總結(jié)

增加專業(yè)基礎(chǔ)課程的應(yīng)用演示實(shí)驗(yàn)，一方面可以增強(qiáng)學(xué)生對課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)用的直觀感受，鞏固理論知識，明確應(yīng)用場合；另外，一方面可能增強(qiáng)學(xué)生對所學(xué)專業(yè)的認(rèn)知，明確自己所學(xué)專業(yè)到底可以做什么，為將來的學(xué)習(xí)發(fā)展方向的選擇提供清晰的思路。總之，專業(yè)課程的應(yīng)用演示實(shí)驗(yàn)設(shè)置具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

基金項(xiàng)目：廣東省高等教育教學(xué)研究和改革項(xiàng)目（編號：18784）

注釋

① 蔡良偉.電路與電子學(xué)實(shí)驗(yàn)教程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

② 程榮福，杜忠復(fù).提高《工程數(shù)學(xué)》課程教學(xué)質(zhì)量的探索與實(shí)踐[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011.29（2）：90-93.

③ 鄭君里.信號與系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2004.

④ 深圳大學(xué)復(fù)變函數(shù)與場論教研組.復(fù)變函數(shù)與場論簡明教程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.11.

⑤ 胡廣書.數(shù)字信號處理導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

⑥ 楊海鋼，孫嘉斌，王慰.FPGA器件設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2010.32（3）：714-726.