數(shù)字電子技術(shù)類課程群建設(shè)探索與改革

摘要：以課程群模式對數(shù)字電子技術(shù)類課程進行梳理，分析了該系列課程理論教學內(nèi)容的關(guān)系和側(cè)重點；建立以Altera芯片為開發(fā)板的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗、FPGA應用開發(fā)實驗和SOPC應用實驗，開發(fā)由簡單到復雜循序漸進的實驗體系，逐步提高學生設(shè)計復雜數(shù)字系統(tǒng)的能力，同時也有助于提高此類課程群的教學效果。

關(guān)鍵詞：FPGA；數(shù)字電子技術(shù)；SOPC；課程群建設(shè)

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)類課程作為高校電類學科的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課程,對培養(yǎng)學生的工程實踐應用能力和創(chuàng)新工作能力等方面起著重要作用。主要面向的專業(yè)如:電氣工程及其自動化、自動化、計算機科學與技術(shù)、電子科學與技術(shù)、通信工程、電子信息工程、生物醫(yī)學工程、測控技術(shù)與儀器、信息工程等。尤其隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)上，引入了《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》、《現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》、《FPGA應用開發(fā)》、《SOPC技術(shù)與應用》等課程，這些課程的共同點：一、處理的對象相同――數(shù)字信號；二、實驗工具和開發(fā)板可以很好的統(tǒng)一，比如采用FPGA芯片，基于QuartuslI、Matlab和modelsim軟件開發(fā)平臺。如何理順各課程之間知識點的銜接關(guān)系，并形成不同專業(yè)合理的數(shù)字電子技術(shù)教學體系是一個新的問題，也是必要解決的問題。為此我們學院成立了數(shù)字電子技術(shù)類課程群建設(shè)的教學團隊，把講授上述課程相關(guān)的理論教學和實驗教學教師組織起來，共同探討理論和實驗課程內(nèi)容設(shè)置問題，并通過課程群的建設(shè)，促進教學研討和教學經(jīng)驗交流，逐步形成一支結(jié)構(gòu)合理、人員穩(wěn)定、教學水平高且教學效果好的教師梯隊。

一、              理論課程內(nèi)容建設(shè)

由單一課程建設(shè)向課程群建設(shè)發(fā)展的目的，是為了從廣度和深度上去規(guī)劃好一門課程和一類課程的課程內(nèi)涵，并對課程內(nèi)容進行優(yōu)化和整合，壓縮重復內(nèi)容，減少課程學時[1]。我們從課程群建設(shè)的全局出發(fā)，分析各門課程的特點和側(cè)重點。

(1)群內(nèi)課程內(nèi)涵的梳理

《數(shù)字電子技術(shù)》課程是研究數(shù)字邏輯問題和數(shù)字電路應用的一門基礎(chǔ)技術(shù)。通過學習，學生能夠用真值表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、卡諾圖來完成簡單的組合邏輯電路設(shè)計和時序電路的設(shè)計，并對各常規(guī)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系非常清晰，進而能應用常規(guī)芯片完成相應組合邏輯電路和時序電路的設(shè)計，因此教學內(nèi)容偏向理論基礎(chǔ)，為學生打下扎實的數(shù)字電路基礎(chǔ)知識。壓縮內(nèi)容后，理論教學學時為48學時。

《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》主要面向的是計算機學院的學生，重點介紹各種芯片的功能、管腳定義及芯片應用，而數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識占用的學時比較少，突出的是用芯片設(shè)計組合邏輯和時序邏輯電路。

《FPGA應用開發(fā)》主要講授用硬件描述語言來設(shè)計數(shù)字電路，由傳統(tǒng)的通用集成電路的應用轉(zhuǎn)向可編程邏輯器件的應用。通過FPGA實驗平臺構(gòu)建信號與系統(tǒng)、數(shù)字邏輯等課程到集成電路、微電子系統(tǒng)設(shè)計的橋梁，提高學生設(shè)計復雜數(shù)字系統(tǒng)的能力[2]。課程的教學利于促進IC人才對新器件的應用，有利于增強新技術(shù)的競爭力，更有利于提高設(shè)計規(guī)模、質(zhì)量和效益。

現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計將數(shù)字電路設(shè)計提升到一個比較大的系統(tǒng)級的設(shè)計，并把整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)流和控制流兩部分。分別采用流程圖和ASM圖進行描述，最后采用數(shù)字電子技術(shù)課程中學到的小規(guī)模芯片來完成整個系統(tǒng)的設(shè)計或者采用硬件描述語言來完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。這門課程是《數(shù)字電子技術(shù)》課程、《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》課程及《FPGA應用開發(fā)》中知識的提升和綜合運用，重點是引入了工程設(shè)計的理念，讓學生開始從學習基礎(chǔ)知識走向應用知識解決問題階段。

目前新一代的FPGA集成了中央處理器（CPU）或數(shù)字處理器（DSP）內(nèi)核，在一片F(xiàn)PGA上進行軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計，為實現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)（SOPC, System On Programmable Chip）提供了強大的硬件支持?；赟OPC技術(shù)的數(shù)字系統(tǒng)最突出的優(yōu)點是：設(shè)計的并行性、軟硬件協(xié)同設(shè)計、動態(tài)可重構(gòu)，以上三點是基于DSP和ARM等微處理器的系統(tǒng)所沒有的。從設(shè)計內(nèi)容看，該課程教學內(nèi)容主要包括：純軟件設(shè)計系統(tǒng)，純硬件設(shè)計系統(tǒng)，軟硬件協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)。由于該課程是現(xiàn)代計算機輔助設(shè)計技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，因此，SOPC技術(shù)的先進性決定了課程的先進性，課程的突出特點是綜合性，綜合了軟件和硬件知識，涵蓋了電子系統(tǒng)的眾多的硬件和眾多課程的內(nèi)容[3]。

(2)修改教學大綱

《數(shù)字電子技術(shù)》、《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》、《現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》、《FPGA應用開》、《SOPC技術(shù)與應用》等課程所講授的內(nèi)容有相同的處理對象，側(cè)重點不同?！稊?shù)字電子技術(shù)》、《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》是基礎(chǔ)，《現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計》、《FPGA應用開》、《SOPC技術(shù)與應用》是后續(xù)課程。通過對課程群中各課程的關(guān)系梳理，明確這類課程在相關(guān)專業(yè)中的地位、課程的任務(wù)與課程的知識體系、主要內(nèi)容等。在有深刻的了解和認識基礎(chǔ)上,修改教學大綱。由于團隊中教師來自于不同專業(yè)，在教學中，引入不同專業(yè)的案例和項目，找到課程與專業(yè)的切入點，豐富學生的知識面，讓學生有著學有所用的理念。

二、              實驗課程內(nèi)容建設(shè)

實驗教學是我國高等教育教學體系中的一個重要組成部分，對學生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起著舉足輕重的作用，同時實驗教學也從一個側(cè)面反映了學校辦學水平的高低和發(fā)展狀況[4]。因此，隨著實驗工具和實驗手段的提高，實驗項目也應該相應地給出改進。改革傳統(tǒng)的基于面包板的實驗項目，建立以Altera芯片為基礎(chǔ)的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗、FPGA應用開發(fā)實驗、高級別的SOPC應用實驗。以數(shù)字電路設(shè)計為研究對象，quartus II、modsim為軟件平臺；以數(shù)字電路技術(shù)、FPGA應用開發(fā)、SOPC應用技術(shù)為理論課程指導，開發(fā)出符合人類認識規(guī)律，由簡單到復雜循序漸進的實驗體系。

(1) 構(gòu)建群內(nèi)課程的實驗體系，逐步增加實驗項目的難度和綜合度。

在數(shù)字電子技術(shù)課程中，我們給出一兩次課（4學時），讓學生認識和學會使用基本的集成與非門、集成譯碼器等SSI電路的測試方法和閑置輸入端的處理方法并用示波器觀察集成電路的電壓傳輸特性。此后的實驗中，讓學生使用QuartuslI的軟件平臺，選用合理的芯片模塊采用搭積木的方法完成數(shù)據(jù)選擇器、觸發(fā)器、計數(shù)器等基本電路的應用，最后給出1，2次實驗完成設(shè)計型和綜合型的實驗，這些實驗要求的學時較多，但學生可以在宿舍里，用QuartuslI平臺就能自行開發(fā)了。在實驗室中，學生只需要完成芯片跟外圍設(shè)備的引腳配置，并進行硬件電路驗證，同時教師以答辯的形式，考核學生完成的情況。此外，我們可以設(shè)置一些任務(wù)，讓學生自己設(shè)計題目，自己完成。這樣可以很好的激發(fā)學生的學習興趣，引導學生在低年級就能主動參加大學生創(chuàng)新項目。

（2）改革實驗工具、綜合使用軟件平臺

在FPGA應用開發(fā)課程的實驗中，學生主要是采用編程的方式完成實驗，這門課程通常在大三上學期開設(shè)，學生已經(jīng)有了一定的專業(yè)背景，因此實驗項目不再局限于簡單的數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計?？梢栽黾右恍〧PGA在圖像處理，視頻，音頻及通訊領(lǐng)域的應用。而仿真軟件QuartuslI由于其輸入輸出主要是基于波形方式的，難以實現(xiàn)對復雜設(shè)計的仿真驗證。因此，對這類實驗如：基于FPGA圖像中值濾波設(shè)計，基于FPGA顏色空間轉(zhuǎn)換算法設(shè)計等，驗證手段采用QuartuslI和Matlab相結(jié)合的仿真測試平臺，如圖1所示，為FPGA教學提供新的教學手段和教學方法[5]。

圖1測試平臺的組織架構(gòu)

SOPC技術(shù)與應用課程通常開設(shè)在高年級或者面向研究生。實驗項目通常需要對系統(tǒng)或者算法進行分析，確定軟硬件的合理劃分，涉及到硬件和軟件兩部分設(shè)計，因此對設(shè)計者有較高的要求，具有較高的難度。實驗內(nèi)容包括：流水燈實驗、JTAG UART通訊實驗、液晶顯示模塊實驗、定時器實驗、中斷控制實驗、帶Flash的NioslI系統(tǒng)及配置、萬年歷和俄羅斯方塊實驗。

（3）      實驗項目的更新和改進

實驗項目在日常教學中需要不斷更新和改進，內(nèi)容可以來自于教師的項目，也可以來自于通過個別輔導的學生畢業(yè)設(shè)計課題中。針對項目研發(fā)和畢業(yè)設(shè)計中遇到的問題和解決方案以案例教學的形式貫穿到課程的教學中。同時，教師可以結(jié)合一些綜合性的課題在FPGA/SOPC方面的科研以講座形式介紹給學生。并根據(jù)已有的經(jīng)驗和文獻，建立盡可能多的“積木”，讓學生能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)搭建和系統(tǒng)設(shè)計的長處，通過實驗學習逐步進入具備創(chuàng)新開發(fā)設(shè)計能力的境界。而不是總停留在根據(jù)實驗要求、搭線、寫報告這樣一個初級的能力水平線上[2]。并為今后從事FPAG/SOPC開發(fā)工作的學生提供一些寶貴的經(jīng)驗。通過不斷地補充教學內(nèi)容，豐富教學手段，加強實驗環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)教與學的統(tǒng)一。

三、總結(jié)

數(shù)字電子技術(shù)課程群是大多數(shù)工科專業(yè)的主干課程，處于基礎(chǔ)課與專業(yè)課銜接的重要地位，學生對知識掌握的好壞將直接影響后續(xù)專業(yè)課（包括FPGA應用開發(fā)、SOPC技術(shù)與應用等）的學習。FPGA應用開發(fā)、SOPC技術(shù)與應用是構(gòu)建信號與系統(tǒng)、數(shù)字邏輯電路等課程到集成電路、微電子系統(tǒng)設(shè)計的橋梁。理順數(shù)字電子技術(shù)類課程理論和實驗內(nèi)容，對學生學好該系列課程起著舉足輕重的作用，能很好的引導學生從學知識到解決問題到設(shè)計問題，逐步培養(yǎng)學生的工程設(shè)計和實踐創(chuàng)新能力，也為各課程的學時安排和內(nèi)容的側(cè)重點分布起著很好的指導作用。高校中很多同一系列的課程，都可以采用課程群模式進行建設(shè)，避免向?qū)W生傳遞重復的知識，也能讓學生在更少的學時中，學到更多的知識。

參考文獻：

[1]李素文，王鳳隨，邵芬，電氣信息類專業(yè)信號處理課程群的建設(shè)[J]，淮北煤炭師范學院學報（自然科學版），2010，32（4）：80-82

[2]葉波，趙倩，林麗萍等，F(xiàn)PGA課程教學改革探索[J],中國電力教育，2010，24：130－131.

[3]張歆奕，SOPC技術(shù)課程的內(nèi)容和特點研究，教育部中南地區(qū)高等學校電子電氣基礎(chǔ)課教學研究會第二十屆學術(shù)年會論文集，2010，968－971.

[4]馬健生，孫珂．美國高等教育創(chuàng)新機制淺析[J]．比較教育研究，2010(5)：58—62。詹偉達，韓太林，王博鈺.淺談電工學與電子實驗教學框架的構(gòu)建[J]，實驗室科學，2012.5：20－24.

[5]趙倩，朱武，王曉華.面向電子通信類的EDA技術(shù)教學創(chuàng)新研究[J].2011，22：61-63.