科研反哺教学在EDA课程教学中的应用探究

李金义+李晶+宋丽梅

摘 要 为了实现教学和科研相互促进、共同发展，进而培养本科生的解决实际问题的能力，笔者在做好科研工作的同时，将科研思想、科研成果融入到本科生EDA教学中。结合自身实际的科研项目，将EDA相关的开发与应用实例融入到课堂教学中，实现科研反哺教学。本文陈述了设计方案、过程以及测试验证，培养学生在实践教学中有工程创新能力，工程实践能力，不仅实现科学研究的学术价值，更能实现科学研究的教学价值。

关键词 科研反哺教学 EDA课程教学 教学价值

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.09.045

Abstract In order to realize the teaching and research of mutual promotion and common development， and to cultivate the students ability to solve practical problems， the author in doing research work at the same time， thought in scientific research， scientific research achievements into EDA Teaching for undergraduates. Combined with their own actual research projects， EDA related development and application examples into classroom teaching， achieve scientific nurturing teaching. Were stated in this paper design， process and test validation， cultivating students engineering innovation ability in the teaching practice and engineering practice ability， not only to achieve the academic value of scientific research， can achieve the teaching value of scientific research.

Key words scientific research nurturing teaching； EDA Course Teaching； teaching values

0 引言

教学和科研是高校最主要的两个职能，也是高校教师的首要工作。高等学校的创立、发展历史表明，教学和科研互相促进、共同发展是高校和谐发展的最佳选择。因此，作为高校教师，应意识到科研反哺教学的重要性，在做好科研工作的基础上，积极主动地将科研思想、科研成果融入到教学中，促进教学工作的发展。①②

电子设计自动化（EDA）技术是现代电子工程领域的一门新技术，它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。它以计算机和EDA开发软件为工作平台，以硬件描述语言为设计语言，以专用集成电路为实现载体，设计并实现复杂电子电路或电子系统。③EDA技术的发展和推广应用极大地推动了电子工业的发展。随着EDA技术的发展，硬件电子电路的设计几乎全部可以依靠计算机来完成，这样大大提高了硬件电子电路设计的效率。因此，EDA是非常重要的专业课程，并且具有很强的实践性。这就要求我们在教学中，更要注重培养大学生的实践能力和创造力，提高他们的综合素质。

本文以笔者在电子设计自动化（EDA）这门课程教学实践为例，以项目教学为突破，④⑤结合自身实际的科研项目，将EDA相关的开发与应用实例融入到课堂教学中，实现科研反哺教学。

1 项目导入

笔者从事可调谐激光光谱检测技术及应用方面的研究。可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）是一种高灵敏的痕量气体在线监测技术，它无须采样和样品预处理，利用激光二极管的可调谐特性，使激光频率（或波长）在气体吸收的中心波长附近的扫描，从而得到直接吸收光谱，光谱强度与吸收气体的浓度、温度等参量相关。实际应用中，可对激光器的注入电流进行高频调制，以锁相放大器对气体吸收光谱做调制频率的倍频解调，可有效抑制背景噪声、激光强度起伏以及外界干扰的影响，极大的提高了检测灵敏度。TDLAS具有高灵敏度、高谱分辨率、快速的响应时间、非破坏和健壮特性等优点，因此近年来，在环境监测、工业过程控制、燃烧流场诊断等领域都有广泛的应用。如图1所示。

信号发生器模块是TDLAS系统的核心部件之一。作为用于TDLAS调制与解调用的信号源，应具有低噪声，多通道，各通道严格同步的特点；同时作为嵌入TDLAS中的模块，除了其性能可靠外，还应具备体积小、重量轻、方便拆卸等特点。因此，开发用于TDLAS的专用高质量信号模块非常重要。

2 设计方案

用于TDLAS的多通道DDS信号源设计和实现，包括对用FPGA分立器件对DDS的设计和实现、信号输出模拟处理电路的设计与实现。电路上可分为两大块：数字电路和模拟电路。本设计主要研究由单片机控制，用高速现场可编程逻辑器件FPGA实现DDS功能，产生一路频率为f的正弦调制信号叠加一低频锯齿波扫描信号，并产生两路频率分别为f与2f的方波解调信号，其相位严格与正弦调制信号同步的。

信号发生电路整体框图如图2所示，FPGA在里面实现了DDS中的频率控制字、相位控制字、相位累加脉冲时钟和相位累加器等最重要的单元。DDS中的可编程相幅变换表，放在SRAM中，通过一个相位-地址转换单元，存储与读取对应相位的幅度值；工作中，由相位累加器出来的相位学习，通过相符变换表，转化为幅度信息，送到DA输出；而方波的输出，因为对应相位，要么是0，要么是1，所以不需要专门相幅变换表。

由于SRAM的存储速度虽然快，但是，无法掉电保持波形，所以本方案使用一块FLASH芯片存储波形文件；波形文件在PC端设计好后，通过串口，与ARM通信，把波形文件发送到ARM，再让ARM存储到FLASH里面，这样，掉电后不会丢失。

系统上电之后，如果用户不干预，系统会自动进入波形发生模式，由ARM把存储在FLASH里面的波形文件，读取出来，通过FPGA里的一个交流单元，写到SRAM，当波形文件写完后，ARM不再参与系统工作，由FPGA完成其他工作内容；波形文件存储了三路波形所需要的信息。

如果用户进入刷机模式，则PC通过串口芯片，把数据发送给ARM，再有ARM写入FLASH。

3 设计过程

FPGA内部，共四个主要单元，一个系统控制单元，一个任意波形输出DDS单元，两个方波输出DDS单元，分别输出f解调信号与2f解调信号。系统控制，主要处理各通道时钟分配与同步，以及与ARM交流，并控制三个DDS单元。

对于内部实现的DDS单元，如图3所示，DDS的主要部分，都在FPGA内部；对于相幅变化表，存储在SRAM里面。FPGA里面，有一个相位到SRAM地址的转换单元，假设波形长度为L，则对应某一相位的地址为：SRAMADDR = *。

然后，将对应地址的内容读取出来，则完成一次相幅变换的过程，将幅度信息，打入DAC，更新输出；对应输出方波的通道，无需复杂的相幅变换表，只需要判断是否小于某一值便可，对应50%占空比的方波，如果< ，则输出0，否则输出1。本系统FPGA的功能硬件描述，使用VHDL语言完成，在QUARTUS-II环境下开发。

4 测试验证

通过示波器观察，如图3所示，输出波形质量和参数，均与期望符合。为了评价输出两路信号的相位差，利用图4所示的系统，通过锁相放大器SR830，测试图见图5。

结果如表1所示，输出的两路信号的相位差非常稳定，漂移在以内，达到预定指标。

5 结束语

将自身的科研活动与教学活动结合起来，把具体的科研项目融入教学、带动教学，拓宽学生的视野，提升同学们的学习兴趣，增强学生的实践能力，培养学生的创新能力，提高学生的团队精神和沟通协作能力。让学生了解了实际工程项目的开发模式并参与其中，为培养合格的工程师人才奠定了基础，为学生今后走向工作岗位，解决工程问题积累了经验。

注释

① 徐颖.国外研究性大学教学与科研互动经验及借鉴[J].技术经济与管理研究，2011.6：52-57.

② 费正东，屠美玲.科研平台反哺教学探索与实践[J].教学研究，2012.4：8-10+123.

③ 吕常智，范迪.对EDA课程试验教学的几点认识[J].中国科教创新导刊，2010.4：111+114.

④ 梁晓琳，包本刚，张丹.项目教学法在EDA技术课程中的实践[J].无线互联科技，2014.12：271-272.

⑤ 崔莉，周跃佳，马文龙.基于项目教学法的EDA技术课程应用实践[J].教育现代化，2016.2：156-157+170.