科研反哺教學(xué)在EDA課程教學(xué)中的應(yīng)用探究

李金義+李晶+宋麗梅

摘 要 為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)和科研相互促進(jìn)、共同發(fā)展，進(jìn)而培養(yǎng)本科生的解決實(shí)際問(wèn)題的能力，筆者在做好科研工作的同時(shí)，將科研思想、科研成果融入到本科生EDA教學(xué)中。結(jié)合自身實(shí)際的科研項(xiàng)目，將EDA相關(guān)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)例融入到課堂教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)。本文陳述了設(shè)計(jì)方案、過(guò)程以及測(cè)試驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中有工程創(chuàng)新能力，工程實(shí)踐能力，不僅實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究的學(xué)術(shù)價(jià)值，更能實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究的教學(xué)價(jià)值。

關(guān)鍵詞 科研反哺教學(xué) EDA課程教學(xué) 教學(xué)價(jià)值

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

教學(xué)和科研是高校最主要的兩個(gè)職能，也是高校教師的首要工作。高等學(xué)校的創(chuàng)立、發(fā)展歷史表明，教學(xué)和科研互相促進(jìn)、共同發(fā)展是高校和諧發(fā)展的最佳選擇。因此，作為高校教師，應(yīng)意識(shí)到科研反哺教學(xué)的重要性，在做好科研工作的基礎(chǔ)上，積極主動(dòng)地將科研思想、科研成果融入到教學(xué)中，促進(jìn)教學(xué)工作的發(fā)展。①②

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域的一門新技術(shù)，它提供了基于計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。它以計(jì)算機(jī)和EDA開(kāi)發(fā)軟件為工作平臺(tái)，以硬件描述語(yǔ)言為設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以專用集成電路為實(shí)現(xiàn)載體，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電子電路或電子系統(tǒng)。③EDA技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用極大地推動(dòng)了電子工業(yè)的發(fā)展。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，硬件電子電路的設(shè)計(jì)幾乎全部可以依靠計(jì)算機(jī)來(lái)完成，這樣大大提高了硬件電子電路設(shè)計(jì)的效率。因此，EDA是非常重要的專業(yè)課程，并且具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。這就要求我們?cè)诮虒W(xué)中，更要注重培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)造力，提高他們的綜合素質(zhì)。

本文以筆者在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）這門課程教學(xué)實(shí)踐為例，以項(xiàng)目教學(xué)為突破，④⑤結(jié)合自身實(shí)際的科研項(xiàng)目，將EDA相關(guān)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)例融入到課堂教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)科研反哺教學(xué)。

1 項(xiàng)目導(dǎo)入

筆者從事可調(diào)諧激光光譜檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用方面的研究?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）是一種高靈敏的痕量氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，它無(wú)須采樣和樣品預(yù)處理，利用激光二極管的可調(diào)諧特性，使激光頻率（或波長(zhǎng)）在氣體吸收的中心波長(zhǎng)附近的掃描，從而得到直接吸收光譜，光譜強(qiáng)度與吸收氣體的濃度、溫度等參量相關(guān)。實(shí)際應(yīng)用中，可對(duì)激光器的注入電流進(jìn)行高頻調(diào)制，以鎖相放大器對(duì)氣體吸收光譜做調(diào)制頻率的倍頻解調(diào)，可有效抑制背景噪聲、激光強(qiáng)度起伏以及外界干擾的影響，極大的提高了檢測(cè)靈敏度。TDLAS具有高靈敏度、高譜分辨率、快速的響應(yīng)時(shí)間、非破壞和健壯特性等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制、燃燒流場(chǎng)診斷等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。如圖1所示。

信號(hào)發(fā)生器模塊是TDLAS系統(tǒng)的核心部件之一。作為用于TDLAS調(diào)制與解調(diào)用的信號(hào)源，應(yīng)具有低噪聲，多通道，各通道嚴(yán)格同步的特點(diǎn)；同時(shí)作為嵌入TDLAS中的模塊，除了其性能可靠外，還應(yīng)具備體積小、重量輕、方便拆卸等特點(diǎn)。因此，開(kāi)發(fā)用于TDLAS的專用高質(zhì)量信號(hào)模塊非常重要。

2 設(shè)計(jì)方案

用于TDLAS的多通道DDS信號(hào)源設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括對(duì)用FPGA分立器件對(duì)DDS的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、信號(hào)輸出模擬處理電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。電路上可分為兩大塊：數(shù)字電路和模擬電路。本設(shè)計(jì)主要研究由單片機(jī)控制，用高速現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA實(shí)現(xiàn)DDS功能，產(chǎn)生一路頻率為f的正弦調(diào)制信號(hào)疊加一低頻鋸齒波掃描信號(hào)，并產(chǎn)生兩路頻率分別為f與2f的方波解調(diào)信號(hào)，其相位嚴(yán)格與正弦調(diào)制信號(hào)同步的。

信號(hào)發(fā)生電路整體框圖如圖2所示，F(xiàn)PGA在里面實(shí)現(xiàn)了DDS中的頻率控制字、相位控制字、相位累加脈沖時(shí)鐘和相位累加器等最重要的單元。DDS中的可編程相幅變換表，放在SRAM中，通過(guò)一個(gè)相位-地址轉(zhuǎn)換單元，存儲(chǔ)與讀取對(duì)應(yīng)相位的幅度值；工作中，由相位累加器出來(lái)的相位學(xué)習(xí)，通過(guò)相符變換表，轉(zhuǎn)化為幅度信息，送到DA輸出；而方波的輸出，因?yàn)閷?duì)應(yīng)相位，要么是0，要么是1，所以不需要專門相幅變換表。

由于SRAM的存儲(chǔ)速度雖然快，但是，無(wú)法掉電保持波形，所以本方案使用一塊FLASH芯片存儲(chǔ)波形文件；波形文件在PC端設(shè)計(jì)好后，通過(guò)串口，與ARM通信，把波形文件發(fā)送到ARM，再讓ARM存儲(chǔ)到FLASH里面，這樣，掉電后不會(huì)丟失。

系統(tǒng)上電之后，如果用戶不干預(yù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入波形發(fā)生模式，由ARM把存儲(chǔ)在FLASH里面的波形文件，讀取出來(lái)，通過(guò)FPGA里的一個(gè)交流單元，寫(xiě)到SRAM，當(dāng)波形文件寫(xiě)完后，ARM不再參與系統(tǒng)工作，由FPGA完成其他工作內(nèi)容；波形文件存儲(chǔ)了三路波形所需要的信息。

如果用戶進(jìn)入刷機(jī)模式，則PC通過(guò)串口芯片，把數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM，再有ARM寫(xiě)入FLASH。

3 設(shè)計(jì)過(guò)程

FPGA內(nèi)部，共四個(gè)主要單元，一個(gè)系統(tǒng)控制單元，一個(gè)任意波形輸出DDS單元，兩個(gè)方波輸出DDS單元，分別輸出f解調(diào)信號(hào)與2f解調(diào)信號(hào)。系統(tǒng)控制，主要處理各通道時(shí)鐘分配與同步，以及與ARM交流，并控制三個(gè)DDS單元。

對(duì)于內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的DDS單元，如圖3所示，DDS的主要部分，都在FPGA內(nèi)部；對(duì)于相幅變化表，存儲(chǔ)在SRAM里面。FPGA里面，有一個(gè)相位到SRAM地址的轉(zhuǎn)換單元，假設(shè)波形長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則對(duì)應(yīng)某一相位的地址為：SRAMADDR = *。

然后，將對(duì)應(yīng)地址的內(nèi)容讀取出來(lái)，則完成一次相幅變換的過(guò)程，將幅度信息，打入DAC，更新輸出；對(duì)應(yīng)輸出方波的通道，無(wú)需復(fù)雜的相幅變換表，只需要判斷是否小于某一值便可，對(duì)應(yīng)50%占空比的方波，如果< ，則輸出0，否則輸出1。本系統(tǒng)FPGA的功能硬件描述，使用VHDL語(yǔ)言完成，在QUARTUS-II環(huán)境下開(kāi)發(fā)。

4 測(cè)試驗(yàn)證

通過(guò)示波器觀察，如圖3所示，輸出波形質(zhì)量和參數(shù)，均與期望符合。為了評(píng)價(jià)輸出兩路信號(hào)的相位差，利用圖4所示的系統(tǒng)，通過(guò)鎖相放大器SR830，測(cè)試圖見(jiàn)圖5。

結(jié)果如表1所示，輸出的兩路信號(hào)的相位差非常穩(wěn)定，漂移在以內(nèi)，達(dá)到預(yù)定指標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

將自身的科研活動(dòng)與教學(xué)活動(dòng)結(jié)合起來(lái)，把具體的科研項(xiàng)目融入教學(xué)、帶動(dòng)教學(xué)，拓寬學(xué)生的視野，提升同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和溝通協(xié)作能力。讓學(xué)生了解了實(shí)際工程項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)模式并參與其中，為培養(yǎng)合格的工程師人才奠定了基礎(chǔ)，為學(xué)生今后走向工作崗位，解決工程問(wèn)題積累了經(jīng)驗(yàn)。

注釋

① 徐穎.國(guó)外研究性大學(xué)教學(xué)與科研互動(dòng)經(jīng)驗(yàn)及借鑒[J].技術(shù)經(jīng)濟(jì)與管理研究，2011.6：52-57.

② 費(fèi)正東，屠美玲.科研平臺(tái)反哺教學(xué)探索與實(shí)踐[J].教學(xué)研究，2012.4：8-10+123.

③ 呂常智，范迪.對(duì)EDA課程試驗(yàn)教學(xué)的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2010.4：111+114.

④ 梁曉琳，包本剛，張丹.項(xiàng)目教學(xué)法在EDA技術(shù)課程中的實(shí)踐[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2014.12：271-272.

⑤ 崔莉，周躍佳，馬文龍.基于項(xiàng)目教學(xué)法的EDA技術(shù)課程應(yīng)用實(shí)踐[J].教育現(xiàn)代化，2016.2：156-157+170.