“虚实结合”的EDA课程设计教学案例_林连冬.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2021-11-05;修回日期:2022-04-24基金项目:黑龙江大学新世纪教育教学改革工程项目(2020C13);教育部 2021 产学合作协同育人项目(202102023008);黑龙江大学学位与研究生教育教学改革研究项目(JGXM_YJS_2021015);教育部供需对接就业育人项目(20220102110)第一作者:林连冬(1978)，男，博士，副教授，主要从事可重构计算、机器学习、传感器信号检测与处理的科研工作，E-mail:linliandong hlju edu cn通信作者:陈滨(1982)，男，硕士，讲师，主要从事云计算架构，数据库原理与应用的科研工作，E-mail:baomaokj126 com“虚实结合”的 EDA 课程设计教学案例林连冬1蓝润泽1陈滨2(1 黑龙江大学 电子工程学院，哈尔滨 150080)(2 哈尔滨医科大学 基础医学院，哈尔滨 150081)摘要:为提高学生的工程实践能力，黑龙江大学 EDA 课程设计结合自研在线教学平台，采用案例式教学方式，锻炼和培养学生对 EDA 开发工具综合运用的能力和动手实践能力。EDA 课程案例包括 Matlab 设计仿真、Modelsim 仿真及 D/A 电路设计调试等 EDA 完整工程设计流程，线上实验平台提供远程硬件调试功能，学生可以随时随地通过线上实验平台对设计进行验证并与教师进行在线交流。该案例的成功实施有助于虚实结合的实践教学方法探索。关键词:EDA 课程设计;线上实验平台;虚实结合中图分类号:G426文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0210-05“Combination of Virtual and eal”EDA Curriculum Teaching CaseLIN Liandong1LAN unze1CHEN Bin2(1 Electronic and Engineer College of Heilongjiang University，Harbin 150080，China)(2 Basic Medicine College of Harbin Medical University，Harbin 150081，China)Abstract:In order to improve students engineering practice ability，EDA course in Heilongjiang University design combines withself-research online teaching platform and adopts case-based teaching method to exercise and cultivate students ability of compre-hensive use of EDA development tools and practice ability The online experiment platform provides remote hardware debuggingfunction，so students can verify the design and communicate with the teacher online anytime and anywhere through the online ex-periment platform The successful implementation of this case helps to explore the practical teaching method of combining realitywith realityKeywords:EDA course design;online experiment platform;combining virtual with reality2010 年教育部启动卓越工程师培养计划，计划强调培养学生的工程能力和创新能力。2019 年教育部发布教育部关于一流本科课程建设的实施意见 文件提出要建设国家级线上线下混合式一流课程，国家级虚拟仿真实验教学一流课程1。实验教学是工科人才培养的重要一环，只有重视实验案例的设计才能保障实验教学效果，才能推动实践教学工作，使学生产生对实验的热爱，进而推动卓越工程师培养工作取得成效。目前大多数工科实验案例，只注重本课程内知识点学习，缺乏跨课程的综合性、设计性实验案例。另外，在实验内容上“重虚轻实”，多数实验注重于虚拟仿真验证，而忽视硬件的设计和调试，无法做到与实际工程应用的紧密相连2 3。因此，从培养学生工程应用能力的出发点，我们设计了基于 DTMF 信号产生与检测的 EDA 课程设计实验案例。“EDA 原理及应用”课程是面向黑龙江大学三年级通信工程、物联网、电子信息工程、电子科学与技术等专业开放的专业课程，在多年的 EDA 实验课程教学实践工作中，我们发现学生对数字信号处理、模拟电路、数字电路等知识的理解不深，不能综合运用，对实验课程学习不重视，大多数学生对验证性实验完成度较高，只有小部分学生能够很好地完成实验中自主设计环节的内容。我们认为学生对实验课程的不重视现象主要由以下几方面原因导致:(1)非独立设课，分数只占理论课成绩的一小部分，即使分数低也不会影响评选奖学金和保送研究生资格。(2)实验内容局限于为某一门课程服务，多以验证性实验为主，答案范围明确，易使学生产生懈怠心理。(3)对于综合设计性实验，实验学时不足，设备数量有限，因此大多数以仿真案例为主，难以引起学生兴趣。(4)实验成绩由一份实验报告决定，不能考察学生的实践能力和创新能力。针对以上问题，我们主要进行了以下三方面的教学改革实践。首先做到“学以致用”，通过与实际应用紧密联系的实验案例使学生对实验内容产生兴趣。其次，实验内容具有挑战性，能够考察学生综合运用知识的能力，自主设计、调试程序和电路的能力。最后，实验设备具备虚实结合的特点，通过线上实验平台提高实验设备利用率从而增加学生动手实践、自主学习的时间。在下面的章节中，我们会对虚实结合的 EDA 课程设计教学改革实践细节进行介绍和讨论。1虚实结合的EDA 实验教学改革方案EDA 课程设计的授课目标是电子工程学院大学三年级的学生，学生在上课之前已经修完了本科公共基础课和专业基础课，例如:“数字电路”“模拟电路”“信号与系统”“数字信号处理”“通信原理”等课程，相关课程也都设有实验，但是由于学时和教学安排的原因，每门课程的实验内容只是以满足覆盖本课程的知识点为目标，各课程之间实验内容相对孤立，无法有效串联和融合，导致学生普遍存在工程实践能力偏弱，对基础知识运用不灵活等问题。1 1实验内容的改革为了提高学生对 EDA 课程设计的重视，我们把 EDA 课程设计设置为一门独立设课的实验课程，总计 20 学时，通过考核可以获得 1 学分。以DTMF 信号生成与检测系统开发作为实验题目。实验内容的设置以培养和提高学生工程设计、实践能力为目标。实验内容包括 Matlab 仿真，FPGA 程序设计及仿真调试，D/A 转换电路系统设计、电路组装及调试等。考核方式采用答辩的形式进行。该教学内容的设计思路是通过对完整的 EDA 设计开发流程实践来培养学生工程设计能力，使学生熟练掌握并使用各个设计环节涉及的 EDA 开发工具。例如，通过 Matlab 编程完成对 DTMF 信号生成和检测算法的仿真，从而确定系统参数。通过Modelsim 仿真掌握 Verilog HDL 程序的验证及调试方法。通过 SignalTapII 等工具的使用掌握对FPGA 芯片进行硬件调试的方法。通过对 D/A 转换电路硬件的设计掌握 AltiumDesigner 及 Multi-sim 等工具的使用方法。通过自主设计 D/A 转换信号调理电路，并进行硬件焊接、组装和调试掌握示波器、万用表等工具的使用方法。1 2教学方式的改革在教学方式的改革方面，我们采用引导式、启发式的教学方法。例如通过播放用钢琴遥控手机拨号和电影神探柯南里用声音遥控拨打电话的视频引导学生思考:这些现象和剧情的背后是否有科学依据?原理是什么?如果可以通过拨号音破译密码，那么在自助提款机输入密码的时候是否安全，密码是否会被破译?通过对以上实际应用问题的分析，达到激发学生学习兴趣的目的。(1)对于实验原理教学，我们通过自研在线实验教学平台发布预习资料，引导学生复习常用信号的 Z 变换公式，II 滤波器的原理与结构等知识，通过答题的方式了解学生的预习效果，学习状态。在教学过程中，首先会讲解 DTMF 系统的原理和设计流程4。然后以数字振荡器的设计为例，展示 DTMF 信号发生器设计的完整流程和设计结果，让学生们对课程设计内容建立感性认识，引导学生快速进入开发状态。图 1 为 DTMF 信号发生器使用 QUATUSII SignalTap 工具调试结果。图 1DTMF 信号发生器 SignalTap 调试结果(2)对于实验过程的教学，我们采用启发式教学方法，对 DTMF 信号检测算法实现的难点问题进行提示，鼓励学生自主研究设计方案。比如在实现 Goertzel 检测算法的 FPGA 设计时候，难点在于解决运算中的有限字长问题，教师在指导的时候会通过举例说明如何通过对系数量化后系统零极点的分析来确定有限字长效应对系统稳定性的影响，以及用频率响应分析方法分析有限字长效应对系统特性的影响。(3)增加设计的挑战性。比如 D/A 输出转换电路，如图 2 所示在教学中我们会提供一个单极性D/A 转换电路作为参考方案，要求学生通过自己设计实现 D/A 转换器的双极性输出，并在此基础112第 3 期林连冬，等:“虚实结合”的 EDA 课程设计教学案例上实现输出信号摆幅的调节。学生需熟练掌握和运用差分放大电路，加法器电路等模拟电路知识，才能完成设计要求。图 2单极性 D/A 转换电路1 3考核机制的改革在实验成绩考核方面，我们建立了分层次的过程评价考核机制，注重对实验过程的考察。比如，我们把整个实验过程分成了五个步骤，每个步骤单独打分，学生的最终成绩由三部分组成。第一部分，教师打分部分(总计 80 分)，前四个实验步骤每个满分为 20 分(Matlab 仿真、FPGA 程序设计及仿真、在线实物调试、D/A 电路设计及调试)，其中实验过程表现占 10 分(教师通过问答的形式确定学生对知识的掌握程度和实验的完成情况，并以此为依据打分)，检查实验结果正确占 5 分，每个实验报告共 5 分，其中格式正确占 2 分，报告内容逻辑清晰，实验结果呈现正确占 3 分。第二部分，创新共 5 分，例如采用不同的方法实现 DTMF 信号的发生，检测，实现 D/A 电路输出电压幅值范围的调节，实现 D/A 结果的双极性输出等。第三部分，答辩共 15 分，其中学生互评占 5 分，教师打分占10 分。每次实验的成绩会通过在线平台实时公开。如图 3 在线实验平台成绩录入模块所示，成绩公开透明，可以起到互相激励的作用。另外，成绩过程评价可以准确的区分学生的学习能力，学习情况，教师也可以根据成绩的变化，适时调整教学进度和教学方法。图 3在线实验平台成绩录入模块1 4教学手段的改革我们在教学中采用虚实相结合的教学方式。主要包括两方面的教学改革:由于硬件调试耗时较长，传统的线下教学模式无法满足实践教学的时长要求。因此，在实际的教学过程中我们采用线上，线下虚实结合的实践教学手段。例如，我们将硬件调试部分布置到线上实验平台进行，学生可以通过预约的方式在任意时间和地点对实验设备进行访问，从而扩展了学生动手实践的时间。如图 4所示虚实结合的实验系统的优势在于，通过线上实验教学平台教师能够方便地检查学生实验结果，还能避免学生因误操作造成对实验设备的损坏，起到保护实验设备的作用。虚实结合实验系统采用模块化设计，支持口袋实验，接口对学生开放，学生可以通过实验平台对自己设计的电路模块进行硬件调试和验证。图 4虚实结合实验系统框图针对实验教学中的痛点问题，我们在 EDA 课程设计实验教学的教学内容，方式、考核和教学手段等方面进行了改革，目的是提高学生的工程实践能力，硬件设计、调试能力，并且通过自研的在线教学平台增加了学生自主学习的时间，面对疫情也能够做到实验课程的停课不停学。2“虚实结合”EDA 实验教学过程探索2 1DTMF 信号生成与检测原理双音多频(Dual Tone Multi Frequency，DT-MF)由贝尔实验室发明，其技术不仅可以用于电话网络，也可以用于电子邮件和银行系统中。DTMF系统本质上是通过一组低频和高频信号的不同组合来传递信息，其系统框图如图 5 所示，双音多频实验案例系统由数字振荡器模块、滤波器组模块、门限检测模块和输出显示等几个模块组成。其中，NCO 模块通常有两种设计方案，一种方案是把数字振荡器看成是二阶的 II 滤波器，通过把极点设置在单位圆上实现正弦震荡信号的产生。这种方212电气电子教学学报第 45 卷法在使用 DSP 类的数字信号处理器实现时比较方便，因为 DSP 处理器通常支持浮点数的运算，正弦波的值能够很快地计算出来。图 5DTMF 信号生成与检测系统框图另外一种方案是通过 DDS 这种基于查找表结构的算法实现，这种方法需要消耗大量的存储器资源，不利于 DSP 处理器实现，但是 FPGA 本身集成有大量的存储器，所以适合于用查找表结构去实现数字振荡器。Goertzel 算法通过对输入信号的频谱分析，可以提取有效的 DTMF 信号行频和列频信息，由于 Goertzel 算法只对输入信号的 8 个特定频率的谱值信息进行检测，所以在 DTMF 检测的应用中比 FFT 算法更快，如式1 所示 Goertzel 算法的差分方程和 II 滤波器类似。Hk(z)=1 W kNz11 2cos(2k/N)z1+z2(1)2 2教学过程中的关键问题数字振荡器的原理比较简单，实际上是一个包含两个复共轭极点的 II 滤波器，Goertzel 算法的原理是利用相位因子的周期性把 DFT 运算表示成为一种单极点线性滤波器运算，滤波器的极点位于待求的 DFT 频率上，因此把 N 个 Goertzel 滤波器并联组成的滤波器组可以判断出输入信号的谱值组合，从而确定输入的数字，从图 6 可以看出 Go-ertzel 滤波器本质上也是一种 II 滤波器。图 6Goertzel 滤波器结构图DTMF 生成和检测案例教学有两个关键问题:算法原理教学部分。由于学生有数字信号处理课程的基础，对于数字振荡器和检测器的差分方程推导过程掌握的比较快，因此这部分教学的关键问题是复习相位因子的周期性。算法的实现部分。这部分的教学关键主要有两点，一是 II 滤波器结构优化方案。比如在数字振荡器的设计中可以采用直接 II 型结构节省 FPGA 寄存器资源，并提高运算速度。二是如何确定滤波器系数量化位数及运算字长，比如系数量化误差会造成滤波器极点位置的偏差，甚至使系统失去稳定性，因此首先需要教会学生如何使用 Matlab 仿真确定量化后系数和运算字长，熟练掌握使用零极点图判断系统稳定性的方法。2 3线上线下相结合的实验教学过程线下教学部分学生首先要完成的是 Matlab 仿真和 Modelsim 仿真部分，如图 7(a)对于动手能力强，完成进度较快的学生，我们提供 FPGA 的口袋实验模块让学生在寝室就可以通过 SignalTap 进行实物调试。接下来是 D/A 电路的设计和调试，PCB 的设计可以通过 AltiumDesigner 完成，为了使学生自主设计的 D/A 模块能够和我们的实验系统兼容，在设计 PCB 的时候会规定尺寸，并提供实验系统底板的接口信息，这样学生自主设计的模块就可以在实验系统上进行验证和调试。线上实验部分布置的主要任务是完成 D/A 模块驱动程序的在线调试，学生可以通过线上教学平台进行 FPGA 程序的下载，远程控制示波器和信号源并通过浏览器实时读回 D/A 模块输出结果。同时，教师可以通过在线指导，实时检查实验过程和结果。例如，图 7(b)所示通过李沙育图形检查两路信号的相似度(一路接信号源，另外一路接 D/A输出)，该结果可以用来检查数字振荡器的输出是否正确。(a)学生在进行口袋实验(b)通过李沙育图进行信号比较图 7线上线下相结合的实验过程312第 3 期林连冬，等:“虚实结合”的 EDA 课程设计教学案例3EDA 实验教学改革总结与展望EDA 课程设计实验案例以完整的工程应用为背景，包括仿真，测试、硬件设计等流程。其中，Matlab 仿真有助于提高学生对实验原理的理解。在数字振荡器的设计方案中，也可以采用 DDS 设计 FPGA 振荡器电路，由于 FPGA 具有较丰富的存储资源，而乘法器等运算资源有限，因此更适合于用 DDS 实现震荡电路，用 DDS 设计的时候需要学生自行确定累加器的位数和 OM 地址这两个参数。对于 D/A 转换电路的硬件设计可以由教师提供该模块参考电路，学生在此基础上通过设计D/A输出信号调理电路实现输出信号幅度调节，同时，通过焊接，调试环节锻炼学生动手实践能力。比如D/A 转换电路调试时应通过先输出小信号，再逐渐把信号调大的方法来判断引起输出失真的原因。在线实验平台的运用可以扩展学生学习的时间和空间，同时在疫情等突发情况下，也可以把全部的实验过程通过在线实验平台完成，可以真正地做到停课不停学。EDA 课程设计实验案例中也存在着一些不足，比如在案例的信号生成和检测阶段如果能加入对噪声影响的分析则可以更接近于实际应用。另外，在线实验平台可以在加入 Matlab 程序在线仿真的过程，这样更方便于教学。同时，如果能在后续的开发中加入实验结果的自动在线记录，实验报告批改等功能可以节省教师的时间，提升教学效果。4结语本文介绍了黑龙江大学电子工程学院“EDA原理及应用”课程设计实验的教学案例，教学案例设计的特色之处是线下实验和线上实验的有机结合和案例式教学模式。从教学实践的角度看，线上教学不仅可以作为线下实验教学的补充和发展，更有利于进行教学过程数据的采集、存储，分析以及教学效果反馈。通过对教学过程数据和反馈数据的分析有利于教师掌握教学进度，评价教学效果，从而不断提高教学质量。参考文献 1 周晓丹，王开宇，赵权科，等 虚拟仿真中心的层次化工程实践教学生态环境构建J 实验室科学，2020，23(2):139 143 2 堵国樑，胡仁杰，黄慧春，等 以项目为导向的电子电路实验研究与改革 J 电气电子教学学报，2015，37(3):98 100 3 郑磊，胡仁杰，堵国樑，等 新技术在线上实物实验平台的研究与探索J 实验室研究与探索，2021，40(5):163 169 4 林连冬 数字信号处理研究型实训课程的教学探索与实践 J 实验室研究与探索，2014，33(6):219 222412电气电子教学学报第 45 卷