谈基于ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ课程改革的实验仪研制

摘要:探讨了CPLD/FPGA课程在教学内容和教学平台方面进行改革的必要性,以及基于项目教学的CPLD/FPGA实验仪研制,以期培养学生应用CPLD/FPGA实验仪进行真实项目开发的能力。

关键词:CPLD/FPGA;实验仪;项目教学

CPLD/FPGA实验仪研制背景

(一)CPLD/FPGA课程教学特点

可编程逻辑器件(CPLD/FPGA)开发技术课程是电子类专业重要的专业课。该课程具有应用性和针对性强的特点,着重培养学生的工程实践能力和工程设计能力。本课程内容要来源于教材、企业与科研,以动手能力、工程实践能力为培养主线,重点放在CPLD/FPGA开发能力的训练上,以培养学生独立分析和解决实际问题的能力。

(二)CPLD/FPGA课程教学内容改革的必要性

根据高职教育的目标及发展要求,对本课程的改革迫在眉睫。本课程改革主要是以项目教学为载体,因而CPLD/FPGA芯片下载和实验仪必须要做相应的改变,为以真实项目为载体的教学提供平台。

(三)CPLD/FPGA课程实验环境改革的必要性

可编程逻辑器件是可编程数字芯片,内部由上百万个逻辑门组成,通过编程可实现各种复杂逻辑运算、逻辑操作或时序控制,实现传统数字电路难以实现的功能。电路体积大、功耗大、稳定性差,产品的性能和质量无法保证。

目前,市场上的CPLD/FPGA实验开发板或实验仪非常多,但价格高而且对实验的开发不够。高校使用的实验仪一般都把CPLD/FPGA芯片下载与实验仪固定组合在一起。这样,虽然使用方便,但缺点也很明显:使用的CPLD/FPGA芯片集成度较低,通常小于6000门级,难以进行较复杂的系统电路设计;使用的CPLD/FPGA芯片管脚数量有限,通常不超过84脚,容易出现芯片功能未用尽而I/O引脚已不够使用的情况,不能适应以项目为载体的教学模式;由于CPLD/FPGA芯片固定设计在实验仪上面,用户不能对CPLD/FPGA芯片进行更新与升级;某些实验仪在设计上采用传统接口,不便于学生携带与自主学习。

2008年初,通过对CPLD/FPGA实验内容、学生实验效果以及实验内容与实际生产第一线的联系程度的深入调查了解,我们确立了以项目教学为载体的CPLD/FPGA实验仪研制应坚持适用性、完整性、项目性的原则,使新设计的CPLD/FPGA实验仪能够成为教学、竞赛和真实项目开发都能使用的多功能实验设备。

CPLD/FPGA实验仪研制内容

大规模集成电路技术的进步使可编程逻辑器件的规模飞速发展,软件设计手段进步也使得EDA设计工具不断完善。高职院校更要研制适合以项目教学为载体的可编程逻辑器件实验开发平台,以满足现代EDA技术的实践教学、真实项目开发以及全国电子大赛的需要。试验仪研究的主要内容包括:通用扩展板设计、各种CPLD/FPGA器件的核心板设计及下载接口设计。该实验仪的电路板如图1所示。

(一)实验板结构设计

在设计方案上采用可裁剪结构,即由核心板和通用扩展板构成,该种设计方案的下载头在核心板上,下载口可以用并口也可以用USB口。这种CPLD/FPGA实验仪,最显著的特点是将CPLD/FPGA核心板与通用扩展板分开。用户若要对CPLD/FPGA芯片进行更换或升级,只需更换核心板就可以了。实验仪把芯片下载接口做在核心板上,避免了使用专用下载电缆,使实验开发和教学活动更为方便简洁,同时也降低了成本。CPLD/FPGA实验仪还可以满足以下要求:CPLD/FPGA下载板与实验板分开;实验板可支持2家以上国际知名CPLD/FPGA厂商的主流芯片;核心板要与通用扩展板配合使用,下载接口做在核心板上,根据不同的项目可选用不同的核心板进行编程,工作时不要求其他硬件条件;便于学生携带与自主学习。

(二)基于“项目教学”的通用扩展板设计

为了满足以项目教学为载体的课程改革要求,研制的实验仪要能完成所有的常规基础实验,并且可以完成这些项目的设计与实现,具体包括:LED点阵显示系统设计;电子琴设计;智能竞赛抢答器设计;数字时钟设计;交通信号灯控制器设计;串行通信设计;基于CPLD/FPGA的电子日历设计等。

为了满足项目教学的要求,通用扩展板上要配置多家公司的CPLD/FPGA器件外围接口,方便学生在实验箱上完成基本实验、真实项目以及电子大赛训练项目的调试。通用扩展板的外围接口设计主要包括:USB接口——供下载与从PC机取电,得到不同的芯片工作电压,如3.3V、5V等;LCD字符液晶接口——可完成有关CPLD/FPGA控制字符显示方面的实验项目,提供丰富的设计资料和实验教程;RS232接口——具有复用功能,PC机可以利用它与CPLD/FPGA通信,也可利用它与单片机通信,可用于电子大赛专题训练;LED小灯和键盘——LED分动态和静态显示,其中有8个LED与键盘综合使用,可训练学生的编程能力;数码管——为数字逻辑的基础实验和趣味性实验提供输出平台,如数字时钟、智能竞赛抢答器、交通灯指示器等;LED点阵显示屏——显示简单的字符和汉字;扬声器——有丰富的音乐实例,如电子琴设计、音乐编制等:A/D器件及接口——ADC0809模数转换电路接口;外扩接口——可与单片机联接,进行通信和控制。

(三)核心板设计

核心板板卡采用通用四排插座,可兼容不同公司生产的CPLD/FPGA器件(Lattice、Xilinx、ALTERA等),采用灵活的硬接线和下载方式,主要包括:不同芯片的下载接口——CPLD/FPGA器件类型不同,下载信号及接口设计也不同,因而不同系列的芯片可采用JTAG(TDI、TDO、TMS、TCK、GND、VCC)或PS(MSEL0、MSEL1、nCE、DATA0、nCONFIG、CONE_ DONE、nSTATUS、DCLK)模式下载。CPLD/FPGA器件芯片接口——采用通用四排插座,可提供120多脚的扩展口,核心板上与四排扩展口连线设计时,必须与通用扩展板上的外围接口扩展槽上的引脚相对应。2Hz～50MHz标准时钟源接口——时钟源电路模块,提供不同频率的时钟源。

(四)下载接口设计

如上所述,目前CPLD/FPGA器件下载接口主要有JTAG模式和PS模式,这两种下载接口的电路设计需要各信号引脚的上拉电阻及电容,主要用74HC244芯片实现信号缓存。该下载接口为并口下载,为了使用方便,在研发后期采用并口转USB口实现下载。

CPLD/FPGA实验仪应用效果

巩固硬件知识CPLD/FPGA实验仪的硬件实行双重开放。接线简单的硬件对学生完全开放,所有连线都由学生自己完成,提高其实践能力。接线复杂以及综合项目的硬件,采用半开放式,学生只连接一部分电路,以降低出错几率。

进行多项实践教学此实验设备可完成基础实验、大学生电子竞赛、综合项目开发等任务,主要功能有:D/A转换、8*8L ED点阵显示、键盘输入、LCD液晶显示、64k×8bit外部RAM存储器、串行通信、4位LED动态供阳数码管、LED七段数码管静态显示、八位拨码开关以及8个红、黄、绿二极管小灯。

加强团队协作CPLD/FPGA开发应用课程,使学生掌握CPLD/FPGA的设计过程、设计方法及数字系统,掌握Verilog语言的程序设计及 Quartus Ⅱ软件应用,使学生能够利用CPLD/FPGA进行电子产品的设计与开发。在教学过程中,师生共同完成基础实验的设计,如逻辑电路设计和时序电路设计。在此基础上,采用分组教学,将学生每3人分成一组,进行综合项目开发。在这些综合项目开发过程中,要求小组成员分工协作,共同运行调试,反复修改,并最终完成可演示的产品,从而加强学生的团队协作能力。

通过CPLD/FPGA实验仪的研制开发,教学效果显著提高了,学生对实验重视了,上课时的注意力集中了,学习兴趣和积极性也提高了。学生反映CPLD/FPGA实验仪的使用以及项目教学的开展,使以前抽象的概念变得容易理解,所有的项目均可以自己动手编程,编译下载到实验平台上就可立即观察到实验现象,非常形象生动。教学内容更加新颖而充实。CPLD/FPGA课程实验平台的研制,基本上满足了当前职业院校教学改革的两个基本要求:第一,在实践教学改革中,实验设备必须根据学生的实际情况开发出特色,职业知识与技能并重。选取生产、生活中的实例,让学生观察、实验、分析,在此基础上增长学生的知识技能。第二,通过实验设备的开发和研制激发学生的兴趣,以开发学生智力、培养学生的创新能力为落脚点。

参考文献:

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[2]濮振华,李勇成.基于CPLD/FPGA的通信原理实践教学的改进[J].科技信息,2008, (14).

[3]张杰.基于CPLD/FPGA的数字电路课程设计的研究[J].山东教育学院学报,2006, (6).

[4]赵红梅,王召东.可编程逻辑器件FPGA与CPLD的发展与应用一例[J].平顶山工学院学报,2005,14(4).

作者简介:

聂章龙(1974—),男,安徽霍邱人,硕士,常州信息职业技术学院讲师,研究方向为嵌入式系统、智能控制。

(本文责任编辑:洪雁)