基于FPGA的出租車計程計費器項目教學設計

吳進

摘? ?要：在高職“可編程邏輯器件技術”的課程教學中，學生對于用硬件描述語言VHDL或Verilog進行復雜系統的設計有一定的難度。文章探討了以項目化教學模式組織教學，采用EDA工具中的參數化模塊庫LPM，進行基于可編程邏輯器件FPGA技術的出租車計程計費器的項目教學設計。教學效果表明，學生對FPGA技術的設計流程有了進一步的理解，對FPGA技術的應用能力得到了較大的提高，取得了很好的教學效果。

關鍵詞：項目化教學;出租車計程計費器;現場可編程邏輯器件技術;參數化模塊庫

1? ? 可編程邏輯器件技術

高等職業技術教育以培養高素質技術技能型人才為主要任務，教學環節注重技能訓練、強化實踐性。以任務驅動、典型系統為載體，教學項目為單位，打破按原有學科知識體系組織教學的模式，不斷在課程教學中加以應用。應用電子技術專業“可編程邏輯器件技術”課程由7個典型項目載體組成，以“教、學、做”一體的形式組織教學。本文就課程中“出租車計程計費器的設計”項目教學設計展開研討。項目的設計依學情采用電子設計自動化（Electronics Design Automation，EDA）工具中的參數化模塊庫（Library of Parameterized Modules，LPM）進行，避免了用硬件描述語言（VHDL或Verilog）產生的復雜性，調動了學生的學習興趣和積極性。

2? ? 項目教學設計

2.1? 教學目標

要求學生能熟悉基于現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的EDA設計流程;掌握LPM的基本概念、類型;能進行EDA電子系統層次化設計與基本設計全過程;能正確進行波形仿真;能正確完成設計下載、軟硬件聯合調試;培養良好道德品質、溝通協調能力和團隊合作精神、敬業精神。

2.2? 教學過程設計

項目采用“六步法”，即由明確任務目標、相關知識學習、任務計劃、決策和任務實施、任務評價6個相互連貫的部分組成。具體過程闡述如下。

2.2.1? 明確任務目標

首先，教師向學生下發任務單，學生據此自主學習本工作任務的內容。課前，教師檢查學生利用信息化手段反饋對任務的預習情況，記錄下難點、疑點。

要求用FPGA芯片和LPM函數設計出租車計費器。技術和量化要求如下：

（1）計費、計程功能。最大計費金額999.9元，最大計程公里數999.9 km。

（2）預置參數功能。要求起步價5～8元整數可選;起始計程公里3～6公里整數可選;每公里里程計費值有1.2元、1.5元、1.8元、2.0元可選。

（3）復位功能。每復位一次，計費器從頭開始計費。

（4）顯示功能。8位數碼管，要求為前4個顯示里程，后4個顯示費用，各有一位小數。

（5）用Quatus‖完成軟件仿真。

（6）完成實物演示。

2.2.2? 相關知識學習

學生在教師的提示下根據任務單中的要求，查詢項目相關資料。通過教材、PPT、課程網站學習以下知識點：（1）FPGA設計流程。（2）LPM設計庫的基本概念、類型、設計。（3）數字電路常用模塊。

2.2.3? 任務計劃、決策

教師根據任務目標，組織學生完成出租車計程計費器頂層電路設計，要求學生分組畫出整體設計框架如圖1所示，將整個項目分成車型選擇（百米脈沖）模塊、計程模塊、計費模塊、動態顯示模塊4個模塊。利用EDA工具Quartus軟件中的LPM設計庫對每個電路模塊進行獨立的編譯和仿真驗證。再把各個模塊進行連接，完成總電路設計、編譯。下載到硬件上，進行功能調試。

2.2.4? 任務實施

教師指導學生在Quartus軟件新建項目工程，添加項目各模塊電路文件，應用LPM庫中資源設計各單元功能模塊，分別對各個模塊進行編譯調試。

Quartus軟件LPM設計界面中，每個模塊設計完成后需新建波形仿真文件，進行功能仿真、修改，直至功能正確。將功能正確的模塊原理圖（.bdf）文件分別生成對應的模塊符號文件（.bsf）以備在后續的頂層文件中調用，如圖2所示。圖3為車型選擇模塊波形仿真。完成各單元模塊設計并通過波形仿真確認功能正確后，新建與工程同名的頂層電路原理圖，在此原理圖中調用出各單元電路，連線，完成總電路。

根據硬件電路說明文檔，將FPGA芯片引腳與對應的輸入輸出功能端鎖定、編譯、下載至硬件電路，生成的頂層電路如圖4所示。在實物中，左4位為里程數，后4位為費用數，里程未超過起步值實物效果如圖5所示，里程超過起步值實物效果如圖6所示。

在以上教學環節的組織中，教師以任務目標為主線，引導學生進行各相關知識點和技能點的學習和練習，為學生營造學習情境。教師要求部分學生上講臺進行分析和操作，對學生存在的疑問進行實時解答，對設計進行局部修改并進行提問。

2.2.5? 任務評價

整個項目考核形式為過程評價80%加終結考試20%。任務評價即過程評價，在項目的實施過程中對技能考核+學習態度考核，重點考核學生對LPM模塊、LPM設計、軟硬件的調試。學習態度為課堂表現、考勤和6 s職業素養等。學生自主學習內容和結果的點評，其結果作為本項目的過程評價內容之一。過程考核構成為教師考核60%加學生互評20%和學生自評20%。終結性考核是理論考核，主要為課內組織的理論知識考試。

在以上教學環節的任務認知和知識準備階段，采用案例教學法、啟發引導法，通過實際案例和啟發引導，讓學生理解項目任務、所需的知識技能和態度。在計劃與決策階段，采用分組討論法、頭腦風暴法，通過分組討論與頭腦風暴，學生進一步理解任務、分析相關知識，制訂方案。在實施階段，采用小組作業法、任務驅動法，學生通過小組作業和擔任不同的角色，加強學生的自我管理能力和組織能力，鍛煉學生的合作、溝通能力和責任心。在檢查階段與評估階段，采用角色扮演法，學生對項目的成果進行檢查驗收，填寫驗收單，對每一個人進行客觀的評價。以項目設計者的身份匯報頂目設計開發過程和進度，提出存在的問題和將要采取的改進措施。

3? ? 結語

基于項目化的課程內容教學具有以下特點：（1）打破傳統教學模式，以任務驅動，按項目組織教學。（2）學生以自主學習為主，老師輔導為輔，注重方式方法的學習。（3）以“行動導向”為教學原則，采用“教、學、做”合一的形式開展教學。（4）學生在完成項目實施的過程中加深了對設計電路的理解與掌握，以此提高理論水平與實踐能力。