驗證式實驗平臺設(shè)計及教學(xué)應(yīng)用

周文委 翁國慶 金燕

摘要：為加強電子類課程中的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計了驗證式實驗平臺，用于課內(nèi)演示和課后探索。平臺以硬件電路為基礎(chǔ)，通過軟件定義常用儀器測控界面，并可根據(jù)需要拓展儀器功能。這種軟硬件結(jié)合的實驗平臺兼具便攜性、通用性和低成本等特點，便于突破教學(xué)實驗在時間和空間上的限制，既豐富了課內(nèi)教學(xué)手段，又滿足了學(xué)生課外實踐能力培養(yǎng)的需求。

關(guān)鍵詞：實驗平臺;FPGA;實踐教學(xué)

中圖分類號：TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0391-02

一、引言

在大力倡導(dǎo)應(yīng)用型技能人才培養(yǎng)的今天，加強實踐教學(xué)，提升學(xué)生實踐動手能力是高等教育界的共識[1，2]。然而對于高度依賴電子儀器的電氣信息類專業(yè)，一方面，受辦學(xué)經(jīng)費和實驗場地等因素制約，難以給學(xué)生提供真正的開放實驗室;另一方面，如何讓學(xué)生加深對理論知識的認(rèn)識和理解，有針對性地對那些抽象、難以理解的內(nèi)容加以消化、吸收并靈活運用于未來的工作實踐中，也是相對枯燥的課程教學(xué)中的重要課題。

參考文獻(xiàn)[3]將Multisum仿真軟件作為實驗教學(xué)的一種輔助，將先進(jìn)的EDA軟件用于教學(xué)輔助，豐富了電子類課程的教學(xué)手段，但是EDA軟件的電路仿真與實際電路的運行結(jié)果難免存在差異。本文引入虛擬儀器概念，設(shè)計軟硬件相結(jié)合的實驗平臺，用于模擬電子技術(shù)課堂教學(xué)中的現(xiàn)場驗證和課后自主探究，使得實驗教學(xué)突破時間和空間的限制，形成教學(xué)與實踐相融合、教學(xué)指導(dǎo)實踐、實踐反饋教學(xué)的機(jī)制。

二、驗證式實驗平臺設(shè)計

為加強電子類課程中的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計了通用性和便攜性以適應(yīng)各種教學(xué)場景的驗證式實驗平臺，設(shè)計平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。實驗平臺由硬件電路與通用PC機(jī)組成。硬件電路主要完成模擬信號的測控任務(wù)，PC機(jī)運行多功能測控軟件，二者通過USB接口連接。多功能測控軟件包含常用的示波器、函數(shù)發(fā)生器等功能并可根據(jù)實驗任務(wù)拓展功能。這種設(shè)計使得用戶只需攜帶小巧的硬件電路配合通用的PC機(jī)便可進(jìn)行教學(xué)實驗。

（一）平臺硬件電路

驗證式實驗平臺硬件包括測控電路和多路直流電源，配合可搭建實驗電路的面包板。根據(jù)目前的教學(xué)現(xiàn)狀與需要，采用FPGA配合模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和USB控制器的方案設(shè)計了具有函數(shù)發(fā)生與信號采集功能的測控電路。電路包含數(shù)字控制模塊和模擬信號調(diào)理模塊。模擬信號調(diào)理模塊由兩片12位ADC芯片AD9226實現(xiàn)雙路信號同步采集，提供40MSPS的輸出速率;兩片16位DAC芯片DA9764構(gòu)成雙路信號同步輸出，最高速率可達(dá)到125MSPS。數(shù)字控制模塊以FPGA芯片作為測量控制器。FPGA提供ADC和DAC的數(shù)據(jù)接口，同時產(chǎn)生USB控制器所需的接口信號。

（二）嵌入式程序設(shè)計

FPGA芯片中的測量控制程序通過VHDL語言編寫，其頂層原理圖（圖2）。圖2中40MHz的系統(tǒng)時鐘SCLK通過鎖相環(huán)5分頻、6倍頻得到48MHz的信號;CLKO模塊根據(jù)PC機(jī)設(shè)置的采樣率輸出相應(yīng)頻率的時鐘信號;USB_FIFO模塊實現(xiàn)FPGA與USB控制器的數(shù)據(jù)交換;DA2模塊將接收并截取14位波形數(shù)據(jù)用于DA轉(zhuǎn)換;AD2模塊采集兩路模擬信號，并通過LATCH模塊交替鎖存輸出到USB控制器的數(shù)據(jù)總線上。

（三）平臺控制界面

實驗平臺的應(yīng)用需通過PC機(jī)的控制程序?qū)崿F(xiàn)?？刂平缑娌捎肔abVIEW開發(fā)，示波器部分程序界面及運行效果如圖3所示，可進(jìn)行采樣率、存儲深度和觸發(fā)模式等的設(shè)定。USB驅(qū)動程序采用VC++編寫，生成動態(tài)鏈接庫，再由控制界面調(diào)用動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收功能。實驗平臺硬件電路與控制界面配合工作，能夠?qū)崿F(xiàn)雙蹤示波器、函數(shù)發(fā)生器等常用儀器功能。實驗表明，單通道數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)24Msps（16位），完全能夠滿足常規(guī)課程教學(xué)需要。

三、驗證式實驗平臺的教學(xué)應(yīng)用

在常規(guī)電子類課程教學(xué)內(nèi)容開展之前可以先給學(xué)生創(chuàng)設(shè)問題，然后提供電路解決方案，并借助驗證式實驗平臺進(jìn)行電路功能和使用效果的演示。比如在講授模擬電子技術(shù)課程濾波器相關(guān)內(nèi)容時，可以利用驗證式實驗平臺生成帶噪聲的正弦信號作用于RC濾波電路，并通過平臺示波器現(xiàn)場測量濾波前后信號。通過對比展示實際信號濾波前后的效果讓學(xué)生對濾波器有一個非常直觀、形象的初步認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上逐步展開濾波器的概念、分類、用途和電路原理等教學(xué)內(nèi)容。通過這種現(xiàn)場演示激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時讓學(xué)生體會從疑問到釋然的過程，并引導(dǎo)學(xué)生去思考、去動腦，進(jìn)而自覺自愿地在課外時間去動手搭建實際電子電路以驗證理論知識。

此外，驗證式實驗平臺提供示波器和函數(shù)發(fā)生器功能，能夠滿足大多數(shù)學(xué)生的課外實驗需求，有助于打破實驗場地和時間的限制，營造開放性、全天候?qū)嶒灜h(huán)境，在充分滿足實踐能力培養(yǎng)需求的同時激發(fā)學(xué)生參與課外科技創(chuàng)新的興趣，實現(xiàn)學(xué)生實踐動手能力的提高，真正做到開放性實踐教學(xué)。

四、結(jié)束語

本文設(shè)計的驗證式實驗平臺本質(zhì)上是一種兼具便攜性、通用性和低成本的多功能虛擬儀器。因此，驗證式實驗平臺既適合課堂教學(xué)演示，也方便學(xué)生自備用于課后驗證探索。相關(guān)的教學(xué)改革實踐表明，將驗證式實驗平臺用于模擬電子技術(shù)的課內(nèi)演示和課后驗證有助于促進(jìn)理論教學(xué)與實踐鍛煉的有機(jī)結(jié)合。

參考文獻(xiàn)：

[1]幸晉渝，王振玉.基于工程能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)改革探索與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017，（01）：25-27.

[2]古天龍，景新幸，郭慶，魏銀霞.本科院校工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式改革探索—基于桂林電子科技大學(xué)電子信息類工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)實驗區(qū)的思考[J].中國高教研究，2012，（01）：107-110.

[3]李建軍，黎運宇.基于Multisim仿真的電工技術(shù)實驗教學(xué)的改革與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2019，（31）：79-81.

Design and Teaching Application of the Verification Experiment Platform

ZHOU Wen-wei， WENG Guo-qing， JIN Yan

（College of Information Engineering， Zhejiang University of Technology， Hangzhou， Zhejiang 310014， China）

Abstract： In order to strengthen the practical teaching in electronic courses， the verification experiment platform is designed for in-class demonstration and after-class exploration. The experiment platform is based on hardware circuits and defines common instrument measurement and control interfaces through software， and can expand instrument functions as needed. This experiment platform， with a combination of hardware and software， has the characteristics of portability， versatility and low cost， which is convenient to break the limitations of experiment in time and space. The application of the experiment platform not only enriches the in-class teaching methods but also meets the needs of cultivating students' extracurricular practical ability.

Key words： experiment platform; FPGA; practical teaching

收稿日期：2019-10-14

基金項目：浙江工業(yè)大學(xué)2017年度創(chuàng)新性實驗項目“現(xiàn)場驗證式實驗教學(xué)創(chuàng)新與實驗項目建設(shè)”（編號：PX-77192715）

作者簡介：周文委（1978-），男，浙江臺州人，博士，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。