電子信息類專業虛實結合實驗教學項目建設與實踐

王永慧, 程知群, 馬學條, 鄭雪峰, 劉國華

(杭州電子科技大學 電子信息技術國家級虛擬仿真實驗教學中心, 浙江 杭州 310018)

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》中明確提出：把改革創新作為教育發展的強大動力,把提高質量作為教育改革發展的核心任務,全面實施“高等學校本科教學質量與教學改革工程”;深化教學改革,強化實踐教學環節;實踐教學是高校提高人才培養素質的重要環節,對提高學生的創新能力、實踐能力和綜合素質具有特殊作用[1-3]。

為了提高實踐教學質量,我校電子專業的團隊教師進行了如下實踐教學改革：(1)對綜合創新性虛實結合實驗項目不斷進行迭代更新,加入學科前沿技術,內容涉及一門課程多個知識點、系列課程多個知識點、相關課程或多門課程等,使學生建立知識的關聯性和系統性,加強了學科之間的交叉融合,使實驗教學實現由單一實驗技能鍛煉向綜合能力素質培養的轉變;(2)依托國家級虛擬仿真實驗教學中心管理平臺,構建跨越時間、空間以及資源共享的實驗教學環境,使實驗教學實現由固定場所向互聯網場所的轉變;(3)通過“視頻觀摩—仿真設計—虛實融合—課外實踐拓展”等環節,使實驗教學與工程應用相接軌,滿足創新型工程人才培養需求,提升學生綜合能力素養。

1 實驗教學模式

按原先的教學模式,仿真只能在實驗室,時間和場地都很受限制,缺乏靈活性,不能激發學生的學習興趣,學生不能進行課外拓展等仿真實驗[4-7]。經過多年的實驗教學改革與實驗平臺建設,形成了“遠程實驗”教學模式,如圖1所示。依托電子信息技術國家級虛擬仿真實驗教學中心在線教學管理平臺,共享教學資源及實驗教學環境,不同課程共享不同的仿真軟件,使學生的學習成為“處處能學、時時可學”的泛在學習,還可進行課外拓展實驗設計仿真,有效地調動了學生的積極性,提升了學生的自主研學能力。

圖1 在線虛擬仿真實驗教學流程圖

形成了“視頻觀摩—仿真設計—虛實融合—課外實踐拓展”的具有啟發與自我創新性的實驗教學方法。學生利用線上資源進行視頻觀摩、答疑,通過教學管理平臺完成遠程虛擬仿真設計,在實驗室進行實物實驗,利用虛實融合的方式,完成復雜系統實驗設計,學生還可進行課外實踐拓展,完善、提升所設計的電路。在整個過程中,學生積極地進行研討和分析,極大地激發了學習興趣,提高了自主創新能力,培養了分析解決實際工程問題的能力。

2 實驗項目實施

綜合創新性虛實結合實驗項目是依托國家級虛擬仿真實驗教學平臺實施的。具體過程如下：

(1) 任務布置。指導教師在開課前1周通過教學平臺發布實驗設計任務,學生3人一組,以團隊協作方式完成實驗方案設計。

(2) 視頻觀摩。提前錄制實驗教學視頻并發布在教學平臺上,視頻內容包括仿真軟件的操作使用、實驗難點及重點講解、典型案例操作演示等。

(3) 遠程實驗。學生在教學管理平臺上可以完成遠程虛擬仿真設計,也可通過教學平臺答疑室功能模塊,就實驗中的難點、疑點和心得進行留言,并與教師互動。

(4) 課堂實驗。團隊成員通過分工設計、現象歸納總結、適用范圍分析等步驟,探討實驗電路的最佳實現方案。指導教師選取兩組優秀團隊就實驗設計進行講解及心得分享,旨在提升實驗教學的趣味性及研究性。

(5) 實驗考核。實驗考核注重學生實驗的過程和對實驗的參與度,實驗最終成績由實驗成績、生生互評成績、實驗綜合素養成績構成。在關注實驗報告質量的同時,更關注學生在實驗中所展示的積極性、團隊合作意識和創新能力等。

3 綜合創新性虛實結合實驗項目設計

以下以基于FPGA的直流電機控制系統設計實驗為例。

基于FPGA的直流電機控制系統,是采取自底向上的方法,使用Quartus II軟件進行各模塊的設計和虛擬仿真,再下載到FPGA開發板進行硬件測試[8-10]。直流電機控制系統對電機的PWM控制,是通過調節PWM的占空比,改變輸出電壓而進行的。直流電機測控系統電路模塊圖如圖2所示,包括PWM信號發生器、頻率計、消抖動電路、直流電機、電機驅動電路、按鍵輸入電路、顯示電路、紅外發光及接收管。直流電機的轉速由一對紅外發光管和接收管獲得,紅外接收管只有當轉盤上的小孔旋轉到頂部位置時,才能接收到發光管發出的紅外光線,從而在電路上輸出一個脈沖。由于紅外傳感器接收到的信號里含有大量隨機毛刺信號,其輸出信號必須通過消抖動模塊進行濾波。消抖動后的信號包含了電機的轉速信息,此信號經頻率計測試后,變成電機轉速。

圖2 直流電機測控系統電路模塊圖

當直流電機通以高電平時就會轉動起來。由于無法通過改變電流的大小來改變直流電機的功率,所以要通過調節電機輸入信號的占空比來實現,即在極短的時間內交替輸入高低電平,從而達到控制電機平均功率的目的。鍵盤輸入的預設轉速用于控制PWM發生模塊輸出信號的占空比,從而使電機的轉速始終跟蹤預設的轉速。

3.1 直流電機控制系統的設計

3.1.1 PWM信號發生器設計

FPGA中的數字PWM信號發生器與一般的模擬PWM信號發生器不同,用數字比較器代替模擬比較器,數字比較器的dataa端接設定值計數器輸出,datab端接線性遞增計數器輸出。當線性計數器的計數值大于設定值時輸出低電平,當計數值小于設定值時輸出高電平[11-14]。與模擬PWM信號發生器相比,省去了外接D/A轉換器和模擬比較器,電路更加簡單且便于控制。PWM信號發生器電路如圖3所示,模塊CNT8B是一個8位加法計數器,由LPM的計數模塊LPM_COUNTER構成;模塊COMP則是一個8位比較器,由LPM的比較模塊LPM_COMPARE構成。

圖3 PWM信號發生器電路

PWM信號生成原理圖如圖4所示,圖上方的鋸齒波是一個8位計數器的輸出波形,最大值是255。如果比較器dataa端輸入的常數C=90,則當計數器CNT8B輸出的值小于90時,比較器輸出較窄脈寬的方波信號,而當進入比較器的預置常數C=180時,比較器輸出了更大占空比的信號,其脈寬是C=90時的2倍。顯然,比較器輸出方波的脈寬與端口所置的常數大小成正比,即占空比越大,PWM傳輸給電機的平均功率也就越大。而通過改變比較器dataa端的來自外部的輸入數據,就能方便地改變輸出的PWM的脈寬。

圖4 PWM信號生成原理圖

3.1.2 直流電機正反轉控制電路設計

直流電機正反轉控制電路由2個二輸入與門和1個反相器組成,通過按鍵SL進行切換,其控制電路如圖5所示。M0輸出端接電機模塊的正向輸入端,控制電機的正向轉動速度。M1輸出端接電機模塊的反向輸入端,控制電機的反向轉動速度。

圖5 電機正反轉控制電路

3.1.3 頻率計設計

頻率計由分配器、測頻時序控制器、十進制計數器、寄存器等模塊組成,其電路如圖6所示。

控制計數器進行計數的使能信號的脈寬為1 s,則CO的輸入頻率為8 Hz,此頻率通過FPGA內的鎖相環和計數器獲得。外部時鐘頻率CLK為20 MHz,通過鎖相環輸出時鐘頻率為4096 Hz,通過9位二進制計數器cout腳輸出8 Hz信號,作為測頻時序控制器CO的輸入頻率信號。對于測定轉速極低(每秒轉速小于1)的情況,不能使用這種頻率計。因為此類頻率計的缺點是,所測信號的頻率越低,則測量精度越低,且根本無法測量小于1 Hz的信號頻率。

3.1.4 電機調速及譯碼顯示設計

電機調速及譯碼顯示電路由4位二進制計數器和7段數碼顯示譯碼器組成,其電路如圖7所示。

圖6 頻率計電路

圖7 電機調速及譯碼顯示電路

4位二進制計數器CNT4B的輸出端與PWM信號發生器比較器的dataa端的高4位相連,通過按鍵KIN使進入比較器dataa端的常數C發生改變,從而實現對電機速度的調節。7段數碼顯示譯碼器DECL7S可以控制顯示共陰極7段數碼管的十六進制碼,采用Verilog語言進行設計。

3.1.5 消抖動模塊設計

在電路設計中,消抖動模塊設計是十分重要的功能模塊設計。除了利用RS觸發器去除機械電子抖動和使用狀態機進行消抖動電路設計外,還有許多其他類型的電路可用于消除信號的毛刺,比如通過對脈沖前后沿的毛刺進行計數比較的方法。采用計數比較法進行消抖動電路設計,其真值表所對應的case語句程序如圖8所示。

圖8 消抖動模塊的case語句描述

3.2 PWM信號發生器仿真測試

通過教學管理平臺中的Quartus Ⅱ軟件的內嵌邏輯分析儀SignalTap II Logic Analyzer文件,對PWM信號發送器的測試數據進行采樣分析,不同占空比的仿真測試結果如圖9所示。仿真測試結果表明,通過改變比較器dataa端的來自外部的輸入數據,可以調整PWM信號的占空比波形。電機轉速分為16級,當PWM信號的占空比越大時,電機轉速越高。圖9所示為不同電機轉速級別下對應不同的PWM信號占空比。

圖9 不同占空比的PWM仿真波形

3.3 直流電機控制系統硬件測試

基于FPGA開發板進行虛實結合調節,FPGA開發板核心芯片型號為Cyclone III EP3C5E144C8。硬件測試系統還包括上位機、下載器、示波器和電機模塊。在頂層設計電路中對輸入信號、輸出信號進行引腳鎖定,編譯下載.sof文件,通過物理按鍵切換控制電機的不同轉速。硬件測試系統如圖10所示。

圖10 系統硬件測試圖

4 結語

為了提高實踐教學質量,培養學生自主創新能力,本文針對電子信息類專業的實踐課程,從實驗教學模式到實驗教學過程實施,進行了一系列的教學改革與研究。實踐表明,在綜合創新性虛實結合實驗項目中不斷加入現代科技前沿技術,融合多知識點、多門課程內容,有利于學生建立知識的關聯性和系統性,使實驗教學由單一實驗技能鍛煉轉變為綜合能力素質培養;采用“遠程實驗”教學模式,共享教學資源,進行遠程仿真設計,提升了學生的自主研學能力,使實驗教學由固定場所轉變為互聯網場所;按照“視頻觀摩—仿真設計—虛實融合—課外實踐拓展”的教學方法進行實驗項目實施,學生的學習興趣和自主創新能力得以提高,實驗教學與工程應用實現了接軌,學生工程實踐能力和工程應用能力大大加強。