基于FPGA的出租车计程计费器项目教学设计

吴进

摘   要：在高职“可编程逻辑器件技术”的课程教学中，学生对于用硬件描述语言VHDL或Verilog进行复杂系统的设计有一定的难度。文章探讨了以项目化教学模式组织教学，采用EDA工具中的参数化模块库LPM，进行基于可编程逻辑器件FPGA技术的出租车计程计费器的项目教学设计。教学效果表明，学生对FPGA技术的设计流程有了进一步的理解，对FPGA技术的应用能力得到了较大的提高，取得了很好的教学效果。

关键词：项目化教学;出租车计程计费器;现场可编程逻辑器件技术;参数化模块库

1    可编程逻辑器件技术

高等职业技术教育以培养高素质技术技能型人才为主要任务，教学环节注重技能训练、强化实践性。以任务驱动、典型系统为载体，教学项目为单位，打破按原有学科知识体系组织教学的模式，不断在课程教学中加以应用。应用电子技术专业“可编程逻辑器件技术”课程由7个典型项目载体组成，以“教、学、做”一体的形式组织教学。本文就课程中“出租车计程计费器的设计”项目教学设计展开研讨。项目的设计依学情采用电子设计自动化（Electronics Design Automation，EDA）工具中的参数化模块库（Library of Parameterized Modules，LPM）进行，避免了用硬件描述语言（VHDL或Verilog）产生的复杂性，调动了学生的学习兴趣和积极性。

2    项目教学设计

2.1  教学目标

要求学生能熟悉基于现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的EDA设计流程;掌握LPM的基本概念、类型;能进行EDA电子系统层次化设计与基本设计全过程;能正确进行波形仿真;能正确完成设计下载、软硬件联合调试;培养良好道德品质、沟通协调能力和团队合作精神、敬业精神。

2.2  教学过程设计

项目采用“六步法”，即由明确任务目标、相关知识学习、任務计划、决策和任务实施、任务评价6个相互连贯的部分组成。具体过程阐述如下。

2.2.1  明确任务目标

首先，教师向学生下发任务单，学生据此自主学习本工作任务的内容。课前，教师检查学生利用信息化手段反馈对任务的预习情况，记录下难点、疑点。

要求用FPGA芯片和LPM函数设计出租车计费器。技术和量化要求如下：

（1）计费、计程功能。最大计费金额999.9元，最大计程公里数999.9 km。

（2）预置参数功能。要求起步价5～8元整数可选;起始计程公里3～6公里整数可选;每公里里程计费值有1.2元、1.5元、1.8元、2.0元可选。

（3）复位功能。每复位一次，计费器从头开始计费。

（4）显示功能。8位数码管，要求为前4个显示里程，后4个显示费用，各有一位小数。

（5）用Quatus‖完成软件仿真。

（6）完成实物演示。

2.2.2  相关知识学习

学生在教师的提示下根据任务单中的要求，查询项目相关资料。通过教材、PPT、课程网站学习以下知识点：（1）FPGA设计流程。（2）LPM设计库的基本概念、类型、设计。（3）数字电路常用模块。

2.2.3  任务计划、决策

教师根据任务目标，组织学生完成出租车计程计费器顶层电路设计，要求学生分组画出整体设计框架如图1所示，将整个项目分成车型选择（百米脉冲）模块、计程模块、计费模块、动态显示模块4个模块。利用EDA工具Quartus软件中的LPM设计库对每个电路模块进行独立的编译和仿真验证。再把各个模块进行连接，完成总电路设计、编译。下载到硬件上，进行功能调试。

2.2.4  任务实施

教师指导学生在Quartus软件新建项目工程，添加项目各模块电路文件，应用LPM库中资源设计各单元功能模块，分别对各个模块进行编译调试。

Quartus软件LPM设计界面中，每个模块设计完成后需新建波形仿真文件，进行功能仿真、修改，直至功能正确。将功能正确的模块原理图（.bdf）文件分别生成对应的模块符号文件（.bsf）以备在后续的顶层文件中调用，如图2所示。图3为车型选择模块波形仿真。完成各单元模块设计并通过波形仿真确认功能正确后，新建与工程同名的顶层电路原理图，在此原理图中调用出各单元电路，连线，完成总电路。

根据硬件电路说明文档，将FPGA芯片引脚与对应的输入输出功能端锁定、编译、下载至硬件电路，生成的顶层电路如图4所示。在实物中，左4位为里程数，后4位为费用数，里程未超过起步值实物效果如图5所示，里程超过起步值实物效果如图6所示。

在以上教学环节的组织中，教师以任务目标为主线，引导学生进行各相关知识点和技能点的学习和练习，为学生营造学习情境。教师要求部分学生上讲台进行分析和操作，对学生存在的疑问进行实时解答，对设计进行局部修改并进行提问。

2.2.5  任务评价

整个项目考核形式为过程评价80%加终结考试20%。任务评价即过程评价，在项目的实施过程中对技能考核+学习态度考核，重点考核学生对LPM模块、LPM设计、软硬件的调试。学习态度为课堂表现、考勤和6 s职业素养等。学生自主学习内容和结果的点评，其结果作为本项目的过程评价内容之一。过程考核构成为教师考核60%加学生互评20%和学生自评20%。终结性考核是理论考核，主要为课内组织的理论知识考试。

在以上教学环节的任务认知和知识准备阶段，采用案例教学法、启发引导法，通过实际案例和启发引导，让学生理解项目任务、所需的知识技能和态度。在计划与决策阶段，采用分组讨论法、头脑风暴法，通过分组讨论与头脑风暴，学生进一步理解任务、分析相关知识，制订方案。在实施阶段，采用小组作业法、任务驱动法，学生通过小组作业和担任不同的角色，加强学生的自我管理能力和组织能力，锻炼学生的合作、沟通能力和责任心。在检查阶段与评估阶段，采用角色扮演法，学生对项目的成果进行检查验收，填写验收单，对每一个人进行客观的评价。以项目设计者的身份汇报顶目设计开发过程和进度，提出存在的问题和将要采取的改进措施。

3    结语

基于项目化的课程内容教学具有以下特点：（1）打破传统教学模式，以任务驱动，按项目组织教学。（2）学生以自主学习为主，老师辅导为辅，注重方式方法的学习。（3）以“行动导向”为教学原则，采用“教、学、做”合一的形式开展教学。（4）学生在完成项目实施的过程中加深了对设计电路的理解与掌握，以此提高理论水平与实践能力。