模塊化電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

李 林， 陳 璨， 劉復(fù)玉， 萬書紅

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

模塊化電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制

李 林， 陳 璨， 劉復(fù)玉， 萬書紅

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

分析了電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)現(xiàn)有方式的不足,介紹了模塊化電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括以Altera公司的FPGA為核心的基礎(chǔ)底板和與各個(gè)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容相關(guān)的外部擴(kuò)展電路模塊,各個(gè)模塊之間采用標(biāo)準(zhǔn)的SCSI擴(kuò)展接口連接,同時(shí)利用接口電路實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與現(xiàn)有的基礎(chǔ)電路實(shí)驗(yàn)箱的結(jié)合。該方式既降低了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)成本,又能更多地利用現(xiàn)有資源,開發(fā)更多的課程設(shè)計(jì)題目。

電子技術(shù); 課程設(shè)計(jì)； 模塊化設(shè)計(jì)； FPGA

“電子技術(shù)”課程是理工科院校電子信息類各專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課,其課程設(shè)計(jì)是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分[1-2]。我校將2周的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)單獨(dú)設(shè)課,這對提高我校大學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力在一定程度上起到了積極作用,但是也暴露出在人才培養(yǎng)方面存在許多問題,每年我校電專業(yè)16個(gè)班2周的課程設(shè)計(jì)效果都不是特別理想,主要表現(xiàn)在:

(1) 因?yàn)闆]有統(tǒng)一的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),硬件條件跟不上，平時(shí)做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)箱的功能有限,只適合做基本實(shí)驗(yàn),擴(kuò)展功能不多,做課程設(shè)計(jì)時(shí)基本處于閑置狀態(tài),造成資源的浪費(fèi)。

(2) 每年課程設(shè)計(jì)的題目有限，比如只能做收音機(jī)電路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘設(shè)計(jì)等。一方面跟不上電子技術(shù)更新?lián)Q代的步伐,另一方面因?yàn)槎际峭瑯拥念}目也造成個(gè)別學(xué)生或抄襲、或作弊的現(xiàn)象。

(3) 每年課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方式基本上是課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的簡單延伸。2周的課程設(shè)計(jì)被人為地分成模擬內(nèi)容和數(shù)字(EDA)內(nèi)容,而且兩部分的內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)沒有任何的交叉和聯(lián)系,造成學(xué)生在概念上把模擬電路和數(shù)字電路孤立和割裂開來,對電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用缺少整體的概念和認(rèn)識(shí),更別說設(shè)計(jì)一個(gè)電路系統(tǒng)了。

(4) 進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的時(shí)候,許多學(xué)生在面對課程設(shè)計(jì)題目時(shí)感到無從下手,不知道解答問題的切入點(diǎn)。原因是學(xué)生在平時(shí)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,每個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容涉及的知識(shí)容量較少,學(xué)生幾乎不需要太多動(dòng)腦就可輕松完成；而課程設(shè)計(jì)無論在實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)方法上都需要學(xué)生自己考慮解決,涉及的知識(shí)面廣,綜合性強(qiáng)。

為解決上述問題,同時(shí)打通數(shù)字電路、模擬電路、EDA設(shè)計(jì)之間人為設(shè)置的障礙,課題組以近幾年來電子課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和形式為依托,以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備為基礎(chǔ),研發(fā)了一套既能服務(wù)于平時(shí)的基本實(shí)驗(yàn)教學(xué),又能服務(wù)于暑期的課程設(shè)計(jì)需要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[3-5]。

1 方案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

該平臺(tái)包括以FPGA為核心的基礎(chǔ)底板和與各個(gè)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容相關(guān)的外部擴(kuò)展電路模塊,各個(gè)模塊之間采用標(biāo)準(zhǔn)的SCSI擴(kuò)展接口連接,既能單獨(dú)使用,完成一部分功能,又留有接口可以與現(xiàn)有的模擬實(shí)驗(yàn)箱、數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱、單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行連接。這樣既降低了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)成本,又能更多地利用現(xiàn)有資源。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用基礎(chǔ)平臺(tái)底板+功能板的設(shè)計(jì)模式,除了基本的電源系統(tǒng)和其他常用的功能模塊外。盡可能地多設(shè)計(jì)一些經(jīng)過電路處理的通用接口,這些通用接口既能與現(xiàn)有的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱、模擬電路實(shí)驗(yàn)箱、單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)相連,又能適合現(xiàn)有的和將來待開發(fā)的單獨(dú)的功能模塊。系統(tǒng)整體框圖見圖1。采用這種模式便于擴(kuò)充、更新和完善,不用更換基礎(chǔ)平臺(tái)底板,只需要更改功能板即可,大大節(jié)約了后續(xù)投資成本[6-8]。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)底板

基礎(chǔ)底板以Altera公司發(fā)布的第二代Cyclone FPGA開發(fā)板為核心,主芯片采用484引腳、BGA封裝的EP2C35 FPGA,它擁有33216個(gè)LE,105個(gè)M4K片上RAM(共計(jì)483 840 bit),4個(gè)高性能PLL以及多達(dá)322個(gè)用戶自定義IO。與第一代相比,加入了硬件乘法器,內(nèi)部存儲(chǔ)單元數(shù)量也得到了提升[9-10]。

圖2為自制的FPGA最小系統(tǒng)板,最小系統(tǒng)板既可以單獨(dú)使用,也可以通過插針連接到基礎(chǔ)底板作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。除了最小系統(tǒng)板外,基礎(chǔ)底板同時(shí)配備了實(shí)驗(yàn)常用的信號(hào)源、電源、輸出指示、常用元器件及負(fù)載等模塊。

圖2 FPGA最小系統(tǒng)板

1.2 接口和信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

為了充分利用現(xiàn)有的設(shè)備,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)底板集成了接口和信號(hào)調(diào)理電路,通過此接口和調(diào)理電路可把相對獨(dú)立的模擬實(shí)驗(yàn)箱、數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱、單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)上的資源整合到一起,同時(shí)很好地解決了不同實(shí)驗(yàn)箱之間的信號(hào)干擾和電平匹配問題。信號(hào)調(diào)理電路見圖3[11-12]。AD603為可調(diào)增益的運(yùn)算放大器,其放大倍數(shù)可以通過程序調(diào)節(jié),通過判斷當(dāng)前信號(hào)幅度的大小,微控制器經(jīng)過一定的運(yùn)算處理后給出一一對應(yīng)的控制信號(hào),然后經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換輸出對應(yīng)的模擬量來控制放大電路的增益,NE5532可實(shí)現(xiàn)固定放大倍數(shù)放大[4-5]。采用AD603通過軟件控制輸出,使之輸出電壓連續(xù)變化，并通過調(diào)節(jié)反饋電位器可實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅度≥5 V。

1.3 單元電路功能子模塊

根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),在開發(fā)功能子模塊時(shí)重點(diǎn)考慮了:(1)全面覆蓋教學(xué)大綱中所規(guī)定的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；(2)為不同層次的學(xué)生提供綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境；(3)為大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽以及大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)提供硬軟件資源；(4)為教師開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供有利條件?；诖?開發(fā)了如數(shù)碼管顯示、液晶顯示、鍵盤控制等常用的子功能模塊。單元電路子功能模塊見圖4[13]。采用這種模式便于擴(kuò)充、更新和完善,當(dāng)某些模塊出現(xiàn)故障或功能不滿足需求時(shí),只需更換相應(yīng)模塊,無需替換整套系統(tǒng),節(jié)約了后續(xù)投資成本。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用方法和注意事項(xiàng)

下面以簡易正弦信號(hào)發(fā)生器、測試儀設(shè)計(jì)為例說明實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用方法和注意事項(xiàng),信號(hào)發(fā)生器、測試儀結(jié)構(gòu)見圖5[14-16]。

具體要求如下:

(1) 正弦信號(hào)發(fā)生器1的信號(hào)頻率100～300 Hz,信號(hào)有效值0～5 V可調(diào)；

(2) 正弦信號(hào)發(fā)生器2的信號(hào)頻率1～3 kHz,信號(hào)有效值0～5 V可調(diào)；

(3) 低通濾波器截止頻率500 Hz；

(4) 通過鍵盤選擇顯示內(nèi)容并顯示主要參數(shù)(例如頻率、電壓有效值)。

圖3 采樣調(diào)理電路

圖4 單元電路子功能模塊

圖5 信號(hào)發(fā)生器、測試儀結(jié)構(gòu)

該題目涉及模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)設(shè)計(jì)、FPGA設(shè)計(jì)等內(nèi)容,知識(shí)點(diǎn)覆蓋面相當(dāng)廣,是一個(gè)典型的綜合設(shè)計(jì)性題目。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)箱正是課程設(shè)計(jì)硬件的組成部分,學(xué)生非常熟悉,當(dāng)學(xué)生面對課程設(shè)計(jì)題目時(shí)很容易知道解答問題的切入點(diǎn),通過把題目分解,大部分知識(shí)點(diǎn)在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)中都有涉及,也就不會(huì)產(chǎn)生畏難情緒。下面簡單介紹一下各部分的實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 正弦信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)

利用文氏橋電路產(chǎn)生正弦信號(hào)是模擬電路的一個(gè)基本實(shí)驗(yàn),通過調(diào)節(jié)參數(shù)可產(chǎn)生需要的任何頻率和幅度的正弦信號(hào),電路見圖6。大部分學(xué)生基本掌握了相應(yīng)的方法,產(chǎn)生的信號(hào)通過接口電路可以直接作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)底板的輸入信號(hào),此內(nèi)容可作為基本考核內(nèi)容。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)臺(tái)留有與單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的接口,有部分學(xué)生對單片機(jī)和直接數(shù)字頻率合成技術(shù)比較感興趣,在完成基本方法的前提下,經(jīng)教師同意可以嘗試使用單片機(jī)完成正弦信號(hào)的產(chǎn)生。

濾波器、信號(hào)調(diào)理電路也是利用模擬電路實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn),限于篇幅,不再詳述。

圖6 正弦信號(hào)產(chǎn)生電路

2.2 A/D轉(zhuǎn)換及控制

A/D轉(zhuǎn)換是數(shù)字電路的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),采用10位A/D轉(zhuǎn)換器MAX157對信號(hào)進(jìn)行采樣,將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)傳送給FPGA進(jìn)行處理,中間經(jīng)過74LS244穩(wěn)定。

2.3 FPGA控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心,軟件編程主要分為主控制模塊、AD控制模塊、整形浮點(diǎn)型轉(zhuǎn)換模塊和譯碼掃描顯示模塊。程序框圖見圖7[17]。

圖7 軟件設(shè)計(jì)框圖

采用模塊化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),除了可以節(jié)省硬件開支外,最重要的是通過硬件的模塊化,使學(xué)生平時(shí)所學(xué)的知識(shí)隨著實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的集成而有機(jī)地聯(lián)系起來,學(xué)生不再對綜合性的題目產(chǎn)生畏懼心理,學(xué)習(xí)興趣比較濃厚,積極性較高,在2周的時(shí)間內(nèi),80%的學(xué)生基本都能獨(dú)立完成課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3 已開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

因?yàn)椴捎媚K化化的方式,通過單元電路的靈活組合,可實(shí)現(xiàn)和開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的范圍和內(nèi)容都有大幅度的提高,例如除了基本的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)外,目前以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為硬件基礎(chǔ),開發(fā)的涉及可編程模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、硬件描述語言VHDL、CPLD/FPGA設(shè)計(jì)等課程的綜合性課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)有格雷碼變換電路、數(shù)字時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)、出租車計(jì)費(fèi)器、液晶屏顯示驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、電子琴電路設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。另外，通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可完成簡易邏輯分析儀實(shí)驗(yàn)、低頻數(shù)字式相位測量儀實(shí)驗(yàn)等電子大賽培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

我校開設(shè)電子技術(shù)課程的專業(yè)每年有自動(dòng)化,測控、電子、電氣等6個(gè)專業(yè)、20多個(gè)班級(jí),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用對學(xué)生的選題、知識(shí)面的擴(kuò)充、學(xué)習(xí)興趣的提高都有極大的促進(jìn)作用,充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性與主動(dòng)性。無論是學(xué)校舉辦的各種科技創(chuàng)新活動(dòng),還是全國及山東省的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽,我校大學(xué)生均取得了優(yōu)異成績(3年內(nèi)獲得全國的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽一等獎(jiǎng)2項(xiàng),二等獎(jiǎng)一項(xiàng),山東省的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽一等獎(jiǎng)多項(xiàng))。模塊化的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用使學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力得到明顯提高。

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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

中國石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目(201301203)；中國石油大學(xué)(華東)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革項(xiàng)目(SYB201428)

李林(1975—)，男，河南南陽，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?、?jì)算機(jī)測量與控制.

E-mail：upcll@163.com

TN014；G484

A

1002-4956(2015)12- 0103- 04