作者：楊春玲 朱敏 楊榮峰 單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

我校電子設(shè)計自動化實踐課程體系建設(shè)為適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)，我校對教學(xué)計劃進行了修改，建設(shè)了電子設(shè)計自動化實踐課程體系。在體系中新增加了三門電子設(shè)計自動化的實踐課程:①針對電氣工程專業(yè)大四學(xué)生開設(shè)了“EDA技術(shù)與實驗Ⅰ”;②針對應(yīng)用型研究生開設(shè)了“EDA/SOPC應(yīng)用實踐”;③2006年開設(shè)的“SOPC及EDA技術(shù)創(chuàng)新研修”實踐課程，為全校選修課。此外，針對英才班大三學(xué)生的“EDA技術(shù)與實驗Ⅱ”，也已列入計劃。實踐課程內(nèi)容主要分為如下三個實驗?zāi)K。(1)驗證性實驗有四位加法器的設(shè)計，數(shù)字式頻率計設(shè)計，可控正弦信號發(fā)生器設(shè)計，SOPC系統(tǒng)設(shè)計實踐等;(2)設(shè)計型實驗有通信DDS、DSP系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)采集、存儲示波器、閉環(huán)控制系統(tǒng)、電機驅(qū)動和圖像處理等;(3)自選應(yīng)用研究型實驗，根據(jù)實踐基地的設(shè)備由學(xué)生自命題，要求貼近工程應(yīng)用背景。

實踐課程配套教材建設(shè)(1)2008年出版了《可編程邏輯器件應(yīng)用實踐》教材;(2)2009年編寫的《EDA技術(shù)與實驗》作為國家級“十一五”規(guī)劃教材。該書修訂版被列為校“十二五”規(guī)劃教材，側(cè)重FPGA設(shè)計理論及數(shù)字信號處理算法硬件實現(xiàn)上;(3)新編《EDA/SOPC應(yīng)用實踐》被列入校“十二五”規(guī)劃教材。該教材針對應(yīng)用型研究生的培養(yǎng)引入大量工程設(shè)計實例。

應(yīng)用型實踐教學(xué)基地的建設(shè)

我校電子設(shè)計自動化實踐教學(xué)基地，2006年在教育部研究生創(chuàng)新基地建設(shè)資金的資助下初步建成。現(xiàn)有的25套計算機和30套康芯EDA/SOPC實驗箱，可以完成基本的電子設(shè)計自動化實驗。近年來，我們在原來基礎(chǔ)平臺的基礎(chǔ)上，購置了Altera公司DE2-70實驗板，建立了面向電氣工程、控制工程、通信工程及儀器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域電子設(shè)計自動化實驗平臺。該平臺包括基于FPGA的電機閉環(huán)控制實驗平臺、基于SOPC的特征物體跟蹤系統(tǒng)實驗平臺、基于SOPC的遠程監(jiān)控圖像系統(tǒng)實驗平臺及基于FPGA的數(shù)據(jù)采集實驗平臺。上述四個實驗平臺可以完成下列實驗內(nèi)容。

1基于SOPC的特征物體跟蹤系統(tǒng)實驗特征物體的識別追蹤包括對目標(biāo)實現(xiàn)追蹤，它是機器視覺、視頻雷達和視覺導(dǎo)航的必要組成部分。這種追蹤系統(tǒng)可以用于球類比賽中追蹤拍攝球的運動，在公共場所的監(jiān)控設(shè)備中自動鎖定疑犯并報警，在博物館等場所中鎖定特定藏品在其位移超過閾值后給出警示，在運動中拍攝運動或靜止物體(如航拍)中保持圖像穩(wěn)定，某些特定區(qū)域在有運動物體進入時監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生報警信號并對進入監(jiān)控區(qū)域的物體進行跟蹤(例如交通檢測系統(tǒng)和某些監(jiān)控防護系統(tǒng))等。基于SOPC實驗箱的特征的物體跟蹤系統(tǒng)實驗原理如下:攝像頭完成圖像采集，將圖像數(shù)據(jù)傳輸給DE2開發(fā)板，由FPGA中的攝像頭接口邏輯對圖像預(yù)處理，再由NiosII執(zhí)行識別算法和控制算法，識別特征物體，并輸出控制信號給兩個伺服電機來調(diào)整攝像頭方向，同時由VGA顯示接口將捕捉到的圖像在顯示器上顯示出來。

2基于FPGA的步進電機細分控制實驗本實驗是一種以FPGA為核心的新型集成式三相混合式步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。采用正弦波細分驅(qū)動方案，以速度誤差最小原則進行了最佳細分等級自動切換設(shè)計。該實驗將控制器和驅(qū)動器全部集成在單一的FPGA芯片上。

3基于FPGA的遠程監(jiān)控機器人實驗本系統(tǒng)在DE2開發(fā)板上構(gòu)建了一個Web服務(wù)器，可以通過網(wǎng)絡(luò)實時觀察監(jiān)控場所，并通過網(wǎng)絡(luò)控制隨意移動以實現(xiàn)全方位監(jiān)控。該實驗包括圖像的實時采集、壓縮，無線傳輸、Internet網(wǎng)絡(luò)和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)向終端服務(wù)器傳輸圖像數(shù)據(jù)等模塊。

4基于FPGA的桌面彈球屏幕保護程序?qū)嶒炘搶嶒炌ㄟ^FPGA芯片嵌入的程序可以控制計算機顯示屏上的小球運動，還可以控制小球的尺寸。學(xué)生通過該實驗可以掌握VGA顯示的原理和視頻D/A轉(zhuǎn)換的原理及控制時序等內(nèi)容。本實驗的創(chuàng)意來自美國伊利諾伊州立大學(xué)香檳分校的數(shù)字系統(tǒng)課程ECE385的教學(xué)內(nèi)容。該應(yīng)用研究型實驗覆蓋了控制、電氣、計算機和通信等多個學(xué)科內(nèi)容。此外，2009年我們在實驗平臺上自行了設(shè)計一款性價比高且便于攜帶的電子設(shè)計自動化實驗箱。該實驗箱發(fā)放給學(xué)生，使他們在業(yè)余時間利用該實驗箱學(xué)習(xí)電子設(shè)計自動化知識，并完成面向?qū)嶋H應(yīng)用的設(shè)計任務(wù)。本實驗箱的原理框圖如圖1所示，目前已在電子技術(shù)課程設(shè)計課程中使用。

與企業(yè)聯(lián)合建立培訓(xùn)基地

2007年本基地與ALTERA公司建立了聯(lián)合實驗室。ALTERA公司定期來校舉辦最新電子設(shè)計自動化技術(shù)及應(yīng)用培訓(xùn)研討會，并設(shè)立中國大學(xué)生電子設(shè)計文章大賽和ALTERA亞洲創(chuàng)新設(shè)計大賽，為應(yīng)用型人才提供展示電子設(shè)計自動化作品平臺。2010年我校舉辦了數(shù)字電視及工業(yè)影像芯片設(shè)計研討及培訓(xùn)會。國內(nèi)外從事電子設(shè)計自動化教學(xué)及科研的近200名師生參加了研討會。加拿大多倫多大學(xué)專家做了題為“全新40納米StratixIV及CycloneIV介紹及其應(yīng)用分析”的講座;臺灣友晶科技資深工程師講授了最熱門的AlteraDE2數(shù)字電視及工業(yè)影像芯片設(shè)計技術(shù)，并對高階數(shù)字電視IC設(shè)計及色彩空間轉(zhuǎn)換的FPGA高效率架構(gòu)進行了上機實驗培訓(xùn)。

結(jié)語

我校近三年來參加各類電子設(shè)計自動化大賽，累計獲獎人數(shù)超過100人。通過大賽培養(yǎng)與電子設(shè)計相關(guān)的應(yīng)用型人才，這些人才受到用人單位的青睞。此外，電子設(shè)計自動化實踐基地建設(shè)及實踐課程建設(shè)已獲得二項省級優(yōu)秀教學(xué)成果獎;包括與ALTERA公司建立的聯(lián)合實驗室在內(nèi)，我校聯(lián)合實驗室建設(shè)在2009年獲得了國家級優(yōu)秀教學(xué)成果獎。