基于EDA实验平台的多课程融合式教学探究

董优丽

摘   要：本文基于当前电子通信类专业课教学相对独立、理论知识较深、抽象难懂、难以融会贯通的教学现状，提出并利用EDA实验平台设计多课程融合的实验教学方案，并提供了相应的实施方法。该方法能有效地将各科的理论知识与硬件开发相结合，有助于学生建立全面清晰的通信系统框架，且能有效提高学生的实践应用能力，在教学中效果明显。

关键词：EDA  FPGA  QuartusII  信息论与编码

中图分类号：TN47                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（c）-0228-02

EDA（电子设计自动化）技术是使用硬件描述语言（HDL）在可编程逻辑器件（FPGA）平台上进行电子系统的设计开发。它具有功能强大、开发过程投资小、周期短、可反复编程修改等特点，可以为电子通信类专业课的实验教学提供良好的硬件平台。该平台不受实验箱的限制，灵活性强，可以完成各专业的基础性和综合性实验。

学生可以基于EDA平台实现相关专业课中理论知识，如HDB3码、QPSK调制解调、CRC循环码、FIR滤波器等等，而且还可以将独立的知识点贯穿起来搭建整个通信网络系统，这有助于学生对通信系统有全局的认知和理解。此外，通过在硬件平台实现的过程可以强化学生对通信系统的理解，锻炼学生的硬件开发能力，真正做到理论与实践相结合。

1  专业课实验教学的现状

目前大多数高校电子通信类各专业课的教学相对独立，实验教学主要以验证性实验为主，每一个实验都是针对教学内容中某个重要的知识点，由于理论知识深，内容抽象，学生很难把相关的知识点贯穿起来，很难对整个通信系统有全面清晰的认知和理解。另外，各专业课的实验教学主要通过两种方式来进行：第一种，采用实验箱教学。如通信原理，主要是利用实验箱进行实验，学生按照实验指导书的要求进行设置，通过示波器观察输入输出信号，理解实验原理，由于实验箱硬件是固定的，因此学生做实验的局限性较大。第二种，基于仿真平台。如信息论与编码、数字信号处理等，主要是利用仿真軟件（如MATLAB）在计算机上进行仿真。这种方法没有受到实验硬件条件的限制，学生进行实验比较方便灵活，但是这种仿真实验缺少硬件的实现，不能用示波器实时观察信号，学生的系统概念难以建立，对学生动手能力的培养有所欠缺。

为此，我们提出了基于EDA平台的多课程融合式教学的方法。依托于EDA强大的开发功能，使得各专业课的实验不受实验箱的限制。而且，各专业课的实验不再孤立的进行，而是可以通过EDA平台整合在一起，弥补理论教学的不足。该教学方法既让学生对各专业课的理论知识有更深的理解，也将各专业课的知识融会贯通，同时又提高了学生的硬件开发能力，有效提高学生分析问题和解决问题的能力。

2  EDA实验平台简介

2.1 硬件平台

本文采用的实验平台是基于DE1-SOC开发板的EDA实验箱。该实验箱是以DE1-SOC开发板为核心，通过2个40pin的扩展接口与外围器件进行连接，主要包括TFT显示屏、直流电机、步进电机、交通灯、4*4按键、数模转换和模数转换等模块。DE1-SOC开发板上集成了高速DDR3存储器、音视频部件、以太网接口等硬件部分。FPGA中内嵌双核ARMCortex-A9硬核处理器，可以用来进行高性能、低功耗处理器系统设计，Altera基于ARM的硬核处理器系统（HPS）包括处理器、外设以及存储器接口，通过高带宽互联总线与FPGA硬件部分无缝连接。

2.2 软件平台

本文采用Altera公司的QuartusII作为FPGA开发软件，它能提供完整的多平台设计环境，集成了设计输入、综合、布局布线、时序仿真、编程与配置等功能。其主要功能包括：（1）支持文本输入（AHDL、VHDL、Verilog HDL等）和图形输入（原理图、波形图、状态图）;（2）将输入的文本文件或图形文件依据给定的硬件结构组件和约束控制条件进行编译、优化、转换和综合，获得电路描述网表文件;（3）通过适配器将网表文件配置与目标器件中，产生最终的下载文件;（4）功能仿真对输入文件的逻辑功能进行测试;时序仿真是接近真实器件运行特性的仿真;（5）编程和配置，在硬件系统进行统一的硬件测试。

3  基于EDA平台的融合式实验设计

基于EDA平台进行实验设计的灵活性很大，范围也很广，结合各专业课的教学内容，我们针对重要知识点研发了相关的实验，具体包括：（1）通信原理中的数字基带信号的传输码型产生及编译码、多种数字调制技术和解调技术;（2）信息论与编码中的CRC循环码、m序列正交编码;（3）数字信号处理的FIR和IIR滤波器等。在实验过程中，我们将EDA技术的实验课程和各专业课的实验课程相结合，采用阶梯型的教学方式。先通过基础实验的学习掌握FPGA开发的基本方法，熟练使用QuartusII软件以及熟悉实验箱的硬件资源;再通过实现并完成各专业课的相关实验以提升硬件开发能力;最后再实现更复杂的通信系统综合实验或课程设计。最终将各专业课的理论知识在EDA平台下相互结合，融会贯通。

现以CRC（7，3）循环码为例进行说明，CRC（7，3）循环码是信息论中最典型的循环码，它将3位二进制的信息序列编码成为7位的码字，且得到的所有码字进行i次循环移位后，仍然是一个合法的码字。其编码表如表1所示。如“001”对应的码字为“0011101”，向左平移一位后，就成为“011”所对应的码字。

我们使用VHDL硬件描述语言来编程实现CRC（7，3）循环码，其波形仿真图如图1所示，经过仿真、综合、编译成功后下载到FPGA实验箱中，观察输出的信号。其VHDL程序如下文所示，datald是装载数据有效的信号，为‘0时装载有效;sdata是输入的待编码信号，它是3位二进制序列;hsend是编码完成输出有效的信号，该信号由低电平变为高电平，说明编码已完成;datacrco是编码后的序列。其编程实现的算法是：（1）共分为两个状态：st=0，初始码字（信息组+“0000”）;st=1，产生校验码，并输出最终的码字。（2）在st=1時，共分成4步来完成编码。当cnt=1时， 根据信息组的最高位是‘0还是‘1，结合编码表的规律分别计算出临时码字;当cnt=2时，重复cnt=1时的操作;当cnt=3时，取上述临时码字的高4位为校验位，连接在原信息组的后面，就是最后得到的码字。当cnt=4时，通过hsend控制输出该码字。从上面的例子可以看出，学生想要完成该实验，首先必须要理解并掌握CRC（7，3）循环码的理论知识;其次，要将该理论知识转变为用VHDL语言实现的算法;然后，用VHDL语言编程实现出来;最后，使用波形仿真和硬件下载来验证其正确性。

4  结语

本文提出了一种新的实验教学方法，该方法基于EDA实验平台将教学独立的各专业课通过实验教学环节而联系起来，帮助学生对专业领域有全面清晰的认识。并通过CRC（7，3）循环码为例讲解了实验具体的实施途径。在实验过程中，我们注重体现培养学生的实验能力和设计创新能力，不仅要熟悉相关理论，而且要能提出不同的算法，并通过VHDL语言编程实现，编译调试过程遇到困难尽量由学生自己解决。该实验教学的实施能激发学生的学习兴趣，显著提高学生对专业知识的综合运用能力和工程实践能力。

参考文献

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