模块化电子技术课程设计实验平台研制

李 林， 陈 璨， 刘复玉， 万书红

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)

模块化电子技术课程设计实验平台研制

李 林， 陈 璨， 刘复玉， 万书红

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)

分析了电子技术课程设计现有方式的不足,介绍了模块化电子技术课程设计实验平台的研制。该实验平台包括以Altera公司的FPGA为核心的基础底板和与各个课程设计内容相关的外部扩展电路模块,各个模块之间采用标准的SCSI扩展接口连接,同时利用接口电路实现了实验平台与现有的基础电路实验箱的结合。该方式既降低了实验平台的开发成本,又能更多地利用现有资源,开发更多的课程设计题目。

电子技术; 课程设计； 模块化设计； FPGA

“电子技术”课程是理工科院校电子信息类各专业的技术基础课,其课程设计是实践教学环节的重要组成部分[1-2]。我校将2周的电子技术课程设计单独设课,这对提高我校大学生动手能力和实践创新能力在一定程度上起到了积极作用,但是也暴露出在人才培养方面存在许多问题,每年我校电专业16个班2周的课程设计效果都不是特别理想,主要表现在:

(1) 因为没有统一的课程设计实验平台,硬件条件跟不上，平时做实验的实验箱的功能有限,只适合做基本实验,扩展功能不多,做课程设计时基本处于闲置状态,造成资源的浪费。

(2) 每年课程设计的题目有限，比如只能做收音机电路设计、时钟设计等。一方面跟不上电子技术更新换代的步伐,另一方面因为都是同样的题目也造成个别学生或抄袭、或作弊的现象。

(3) 每年课程设计的内容和方式基本上是课内实验的简单延伸。2周的课程设计被人为地分成模拟内容和数字(EDA)内容,而且两部分的内容和知识点没有任何的交叉和联系,造成学生在概念上把模拟电路和数字电路孤立和割裂开来,对电子技术的发展和应用缺少整体的概念和认识,更别说设计一个电路系统了。

(4) 进行课程设计的时候,许多学生在面对课程设计题目时感到无从下手,不知道解答问题的切入点。原因是学生在平时的电子技术实验教学中,每个实验的内容涉及的知识容量较少,学生几乎不需要太多动脑就可轻松完成；而课程设计无论在实验步骤、实验方法上都需要学生自己考虑解决,涉及的知识面广,综合性强。

为解决上述问题,同时打通数字电路、模拟电路、EDA设计之间人为设置的障碍,课题组以近几年来电子课程设计的内容和形式为依托,以现有实验仪器和设备为基础,研发了一套既能服务于平时的基本实验教学,又能服务于暑期的课程设计需要的实验平台[3-5]。

1 方案设计与实验平台介绍

该平台包括以FPGA为核心的基础底板和与各个课程设计内容相关的外部扩展电路模块,各个模块之间采用标准的SCSI扩展接口连接,既能单独使用,完成一部分功能,又留有接口可以与现有的模拟实验箱、数字实验箱、单片机开发系统进行连接。这样既降低了实验平台的开发成本,又能更多地利用现有资源。实验平台采用基础平台底板+功能板的设计模式,除了基本的电源系统和其他常用的功能模块外。尽可能地多设计一些经过电路处理的通用接口,这些通用接口既能与现有的数字电路实验箱、模拟电路实验箱、单片机开发系统相连,又能适合现有的和将来待开发的单独的功能模块。系统整体框图见图1。采用这种模式便于扩充、更新和完善,不用更换基础平台底板,只需要更改功能板即可,大大节约了后续投资成本[6-8]。

图1 系统框图

1.1 实验平台基础底板

基础底板以Altera公司发布的第二代Cyclone FPGA开发板为核心,主芯片采用484引脚、BGA封装的EP2C35 FPGA,它拥有33216个LE,105个M4K片上RAM(共计483 840 bit),4个高性能PLL以及多达322个用户自定义IO。与第一代相比,加入了硬件乘法器,内部存储单元数量也得到了提升[9-10]。

图2为自制的FPGA最小系统板,最小系统板既可以单独使用,也可以通过插针连接到基础底板作为整个系统的控制核心。除了最小系统板外,基础底板同时配备了实验常用的信号源、电源、输出指示、常用元器件及负载等模块。

图2 FPGA最小系统板

1.2 接口和信号调理电路设计

为了充分利用现有的设备,实验平台基础底板集成了接口和信号调理电路,通过此接口和调理电路可把相对独立的模拟实验箱、数字实验箱、单片机开发系统上的资源整合到一起,同时很好地解决了不同实验箱之间的信号干扰和电平匹配问题。信号调理电路见图3[11-12]。AD603为可调增益的运算放大器,其放大倍数可以通过程序调节,通过判断当前信号幅度的大小,微控制器经过一定的运算处理后给出一一对应的控制信号,然后经过DA转换输出对应的模拟量来控制放大电路的增益,NE5532可实现固定放大倍数放大[4-5]。采用AD603通过软件控制输出,使之输出电压连续变化，并通过调节反馈电位器可实现输出电压幅度≥5 V。

1.3 单元电路功能子模块

根据多年的教学经验,在开发功能子模块时重点考虑了:(1)全面覆盖教学大纲中所规定的基础实验内容；(2)为不同层次的学生提供综合性、设计性的实验环境；(3)为大学生电子设计大赛以及大学生创新性实验提供硬软件资源；(4)为教师开发新的实验项目提供有利条件。基于此,开发了如数码管显示、液晶显示、键盘控制等常用的子功能模块。单元电路子功能模块见图4[13]。采用这种模式便于扩充、更新和完善,当某些模块出现故障或功能不满足需求时,只需更换相应模块,无需替换整套系统,节约了后续投资成本。

2 实验平台的使用方法和注意事项

下面以简易正弦信号发生器、测试仪设计为例说明实验平台的使用方法和注意事项,信号发生器、测试仪结构见图5[14-16]。

具体要求如下:

(1) 正弦信号发生器1的信号频率100～300 Hz,信号有效值0～5 V可调；

(2) 正弦信号发生器2的信号频率1～3 kHz,信号有效值0～5 V可调；

(3) 低通滤波器截止频率500 Hz；

(4) 通过键盘选择显示内容并显示主要参数(例如频率、电压有效值)。

图3 采样调理电路

图4 单元电路子功能模块

图5 信号发生器、测试仪结构

该题目涉及模拟电路、数字电路、单片机设计、FPGA设计等内容,知识点覆盖面相当广,是一个典型的综合设计性题目。因为实验箱正是课程设计硬件的组成部分,学生非常熟悉,当学生面对课程设计题目时很容易知道解答问题的切入点,通过把题目分解,大部分知识点在平时的实验中都有涉及,也就不会产生畏难情绪。下面简单介绍一下各部分的实现方法。

2.1 正弦信号发生器实现

利用文氏桥电路产生正弦信号是模拟电路的一个基本实验,通过调节参数可产生需要的任何频率和幅度的正弦信号,电路见图6。大部分学生基本掌握了相应的方法,产生的信号通过接口电路可以直接作为实验平台基础底板的输入信号,此内容可作为基本考核内容。因为实验台留有与单片机实验系统的接口,有部分学生对单片机和直接数字频率合成技术比较感兴趣,在完成基本方法的前提下,经教师同意可以尝试使用单片机完成正弦信号的产生。

滤波器、信号调理电路也是利用模拟电路实验箱实现,限于篇幅,不再详述。

图6 正弦信号产生电路

2.2 A/D转换及控制

A/D转换是数字电路的一个基础实验,采用10位A/D转换器MAX157对信号进行采样,将转换成的数字信号传送给FPGA进行处理,中间经过74LS244稳定。

2.3 FPGA控制系统实现

FPGA是整个系统的控制核心,软件编程主要分为主控制模块、AD控制模块、整形浮点型转换模块和译码扫描显示模块。程序框图见图7[17]。

图7 软件设计框图

采用模块化的实验平台,除了可以节省硬件开支外,最重要的是通过硬件的模块化,使学生平时所学的知识随着实验平台的集成而有机地联系起来,学生不再对综合性的题目产生畏惧心理,学习兴趣比较浓厚,积极性较高,在2周的时间内,80%的学生基本都能独立完成课程设计内容。

3 已开发的实验项目

因为采用模块化化的方式,通过单元电路的灵活组合,可实现和开发的实验项目的范围和内容都有大幅度的提高,例如除了基本的电子技术实验外,目前以实验平台为硬件基础,开发的涉及可编程模拟电子技术、数字电子技术、硬件描述语言VHDL、CPLD/FPGA设计等课程的综合性课程设计实验有格雷码变换电路、数字时钟实验、出租车计费器、液晶屏显示驱动实验、电子琴电路设计、步进电机驱动电路等。另外，通过该实验平台可完成简易逻辑分析仪实验、低频数字式相位测量仪实验等电子大赛培训实验。

4 结束语

我校开设电子技术课程的专业每年有自动化,测控、电子、电气等6个专业、20多个班级,实验平台的应用对学生的选题、知识面的扩充、学习兴趣的提高都有极大的促进作用,充分调动了学生参与实验的积极性与主动性。无论是学校举办的各种科技创新活动,还是全国及山东省的大学生电子设计竞赛,我校大学生均取得了优异成绩(3年内获得全国的大学生电子设计竞赛一等奖2项,二等奖一项,山东省的大学生电子设计竞赛一等奖多项)。模块化的电子技术课程设计实验平台的应用使学生的工程实践能力和创新实践能力得到明显提高。

References)

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[2] 何宾.Xilinx可编程逻辑器件设计技术详解[M].北京:清华大学出版社,2010.

[3] 徐向民,郭振灵,邢晓芬,等.基于EDA技术的数字系统课程设计改革[J].实验技术与管理,2007,24(3):25-27.

[4] 刘艳.EDA技术在数字系统电路设计实验中的应用[J].实验室研究与探索,2002,21(3):63-65.

[5] 崔国玮,李文涛.基于EDA技术的数电课程设计新模式的探索与实践[J].实验技术与管理,2008,25(1):123-125.

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[9] 周建国.王晓兰,王芯婷.“数字逻辑”虚拟实验系统的设计与应用[J].实验技术与管理,2010,27(10):85-86.

[10] 张晓晖,陈新华.数字电子技术实验教学的改革与实践[J].实验室研究与探索,2008,27(10):120-121.

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[16] 符兴昌.EDA技术在数字系统设计分析中的应用[J].微计算机信息,2006,22(14):267-269.

[17] 刘银萍,陈惠珊.数字电子技术实验教学改革的探讨[J].实验室研究与探索,2006,25(8): 81-83.

Development of experimental platform for modular curriculum design of electronic technology

Li Lin, Chen Can, Liu Fuyu, Wan Shuhong

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

This paper analyzes the deficiency of the existing mode of electronic technology curriculum design, and then introduces the development of a modular curriculum design of electronic technology experimental platform. The experimental platform includes the base plate with FPGA of Altera Company as the core, the content of the curriculum design related to external expansion circuit modules, the standard SCSI interface between modules and uses the interface circuit to achieve a combination of experimental platform with the existing basic circuit experimental box. This way can not only reduce the experimental platform development costs, but also better use existing resources to develop more curriculum design topics.

electric technology; curriculum design; modularization design; FPGA

2015- 05- 05

中国石油大学(华东)大学生创新实践项目(201301203)；中国石油大学(华东)实验技术改革项目(SYB201428)

李林(1975—)，男，河南南阳，硕士，工程师，主要研究方向为智能信息处理、计算机测量与控制.

E-mail：upcll@163.com

TN014；G484

A

1002-4956(2015)12- 0103- 04