李金義+李晶+宋麗梅

摘 要 為了實現(xiàn)教學(xué)和科研相互促進(jìn)、共同發(fā)展，進(jìn)而培養(yǎng)本科生的解決實際問題的能力，筆者在做好科研工作的同時，將科研思想、科研成果融入到本科生EDA教學(xué)中。結(jié)合自身實際的科研項目，將EDA相關(guān)的開發(fā)與應(yīng)用實例融入到課堂教學(xué)中，實現(xiàn)科研反哺教學(xué)。本文陳述了設(shè)計方案、過程以及測試驗證，培養(yǎng)學(xué)生在實踐教學(xué)中有工程創(chuàng)新能力，工程實踐能力，不僅實現(xiàn)科學(xué)研究的學(xué)術(shù)價值，更能實現(xiàn)科學(xué)研究的教學(xué)價值。

關(guān)鍵詞 科研反哺教學(xué) EDA課程教學(xué) 教學(xué)價值

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)計自動化（EDA）技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域的一門新技術(shù)，它提供了基于計算機(jī)和信息技術(shù)的電路系統(tǒng)設(shè)計方法。它以計算機(jī)和EDA開發(fā)軟件為工作平臺，以硬件描述語言為設(shè)計語言，以專用集成電路為實現(xiàn)載體，設(shè)計并實現(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)計幾乎全部可以依靠計算機(jī)來完成，這樣大大提高了硬件電子電路設(shè)計的效率。因此，EDA是非常重要的專業(yè)課程，并且具有很強(qiáng)的實踐性。這就要求我們在教學(xué)中，更要注重培養(yǎng)大學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)造力，提高他們的綜合素質(zhì)。

本文以筆者在電子設(shè)計自動化（EDA）這門課程教學(xué)實踐為例，以項目教學(xué)為突破，④⑤結(jié)合自身實際的科研項目，將EDA相關(guān)的開發(fā)與應(yīng)用實例融入到課堂教學(xué)中，實現(xiàn)科研反哺教學(xué)。

1 項目導(dǎo)入

筆者從事可調(diào)諧激光光譜檢測技術(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)測技術(shù)，它無須采樣和樣品預(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）在氣體吸收的中心波長附近的掃描，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)。實際應(yīng)用中，可對激光器的注入電流進(jìn)行高頻調(diào)制，以鎖相放大器對氣體吸收光譜做調(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，極大的提高了檢測靈敏度。TDLAS具有高靈敏度、高譜分辨率、快速的響應(yīng)時間、非破壞和健壯特性等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來，在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制、燃燒流場診斷等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。如圖1所示。

信號發(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，開發(fā)用于TDLAS的專用高質(zhì)量信號模塊非常重要。

2 設(shè)計方案

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

信號發(fā)生電路整體框圖如圖2所示，F(xiàn)PGA在里面實現(xiàn)了DDS中的頻率控制字、相位控制字、相位累加脈沖時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，通過一個相位-地址轉(zhuǎn)換單元，存儲與讀取對應(yīng)相位的幅度值；工作中，由相位累加器出來的相位學(xué)習(xí)，通過相符變換表，轉(zhuǎn)化為幅度信息，送到DA輸出；而方波的輸出，因為對應(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的存儲速度雖然快，但是，無法掉電保持波形，所以本方案使用一塊FLASH芯片存儲波形文件；波形文件在PC端設(shè)計好后，通過串口，與ARM通信，把波形文件發(fā)送到ARM，再讓ARM存儲到FLASH里面，這樣，掉電后不會丟失。

系統(tǒng)上電之后，如果用戶不干預(yù)，系統(tǒng)會自動進(jìn)入波形發(fā)生模式，由ARM把存儲在FLASH里面的波形文件，讀取出來，通過FPGA里的一個交流單元，寫到SRAM，當(dāng)波形文件寫完后，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通過串口芯片，把數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM，再有ARM寫入FLASH。

3 設(shè)計過程

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

對于內(nèi)部實現(xiàn)的DDS單元，如圖3所示，DDS的主要部分，都在FPGA內(nèi)部；對于相幅變化表，存儲在SRAM里面。FPGA里面，有一個相位到SRAM地址的轉(zhuǎn)換單元，假設(shè)波形長度為L，則對應(yīng)某一相位的地址為：SRAMADDR = *。

然后，將對應(yīng)地址的內(nèi)容讀取出來，則完成一次相幅變換的過程，將幅度信息，打入DAC，更新輸出；對應(yīng)輸出方波的通道，無需復(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語言完成，在QUARTUS-II環(huán)境下開發(fā)。

4 測試驗證

通過示波器觀察，如圖3所示，輸出波形質(zhì)量和參數(shù)，均與期望符合。為了評價輸出兩路信號的相位差，利用圖4所示的系統(tǒng)，通過鎖相放大器SR830，測試圖見圖5。

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

5 結(jié)束語

將自身的科研活動與教學(xué)活動結(jié)合起來，把具體的科研項目融入教學(xué)、帶動教學(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)生的實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的團(tuán)隊精神和溝通協(xié)作能力。讓學(xué)生了解了實際工程項目的開發(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，解決工程問題積累了經(jīng)驗。

注釋

① 徐穎.國外研究性大學(xué)教學(xué)與科研互動經(jīng)驗及借鑒[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.科研平臺反哺教學(xué)探索與實踐[J].教學(xué)研究，2012.4：8-10+123.

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

④ 梁曉琳，包本剛，張丹.項目教學(xué)法在EDA技術(shù)課程中的實踐[J].無線互聯(lián)科技，2014.12：271-272.

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