电工电子技术的应用 FPGA,应用于电工与电子技术课程教学改革中的研究与探索

FPGA 应用于电工与电子技术课程教学改革中的研究与探索

1.引言 电工与电子技术是一门重要的非电专业必修学科基础 课，也是一门理论性、工程性、技术性、实践性和实用性很 强的课程。可以视为工科学生进入电子工程领域的入门课程， 也是联系公共基础课程与专业课程的一座重要桥梁。随着近 年来电子技术的迅猛发展，原有的电子技术的教学内容不能 很好地满足如今的教学需要，电子技术尤其是数字电子技术 部分遇到的问题更为突出。

随着半导体技术和大规模集成电路技术的发展, 特别是 随着FPGA及其硬件描述语言的使用频率不断增高, 传统的数 字电路设计方法已大大落后于当今技术的发展。FPGA（Field －Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它 是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产 物。为了弥补了传统电子技术教学尤其是数字电子部分的不 足。笔者根据这几年参加电工与电子技术课程教学、实验及 指导学生FPGA方面的毕业设计的经验,认为电工电子技术的教学及实验需要与FPGA等可编程技术相结合，非常有必要把 FPGA相关技术融入到电工电子技术教学过程中去。鉴于FPGA 等可编程技术的优异表现及传统的电工电子技术教学中存 在的不足，笔者及所在的教研组从以下几个方面着手，在电 工电子技术教学中引入FPGA技术。

2.FPGA技术在电工电子技术理论教学内容上的应用 目前，电工与电子技术课程的数字电路部分现有教学思 路为：逻辑代数相关理论、基本门电路、TTL门电路和CMOS 门电路、组合逻辑电路分析与设计、触发器、寄存器与计数 器电路、时序电路分析与设计、存储器与可编程逻辑器件、 D/A转换器和A/D转换器。大多数学校的教师也是基本上完全 按照上面的流程给学生讲授，给学生讲述基本的门电路、组 合逻辑电路、时序逻辑电路的分析与设计方法。如今的教材 主要介绍的是器件的组成和原理，关于FPGA等可编程器件的 应用往往是一带而过，涉及的很少。同时大多数学校的教学 大纲中对这部分内容分配的学时也很少。现有的电工电子技 术教学思路是以电类专业学生的学习模式为基础的，并未充 分考虑非电类专业的特点。针对非电类专业，学时少，知识 面宽。讲课能容不能面面俱到，比如说TTL门电路和CMOS电 路，就不必讲那么多基础的理论，而着重于数字电路的设计 方法及应用。

在数字电子的设计方法教学过程中，之前一直采用的传 统的数字电路设计方法，是自底向上方式的设计方法。而目前，随着电子电路设计的复杂度的增加，自顶向下的设计方 法应用越来越广泛。首先从系统设计开始，根据系统所描述 的该系统应具备的各项电路功能，将系统划分为单一功能的 子电路系统，再根据子系统任务划分各部件，完成部件设计 后，才是元器件级设计。自顶向下的设计方法能够避开具体 细节，有利于抓住主要矛盾，适用于大型、复杂的系统设计。

在教学过程中，现有的数字电路部分的电路设计是自底向顶 方式完成设计的，而最新的现在电子设计理念是自顶向下方 式进行的。而在传统的74系列的器件上使用自顶向下方式是 非常困难的，而FPGA新技术的出现，为自顶向下方式提供了 很好的技术支撑和硬件平台。教学内容中数字电路部分是一 个重点内容，占用学时很多，学生学完后，目前教材内容只 涉及到74系列的简单几种门电路的使用，而不知道当前数字 电路最新设计理念与思路。引入FPGA等可编程逻辑器件等相 关技术可以让学生学习到数字电路最新的设计方法及理念。

缩短学习内容与真正的工程应用之间的差距。

3.FPGA技术在电工电子技术实验教学内容上的应用 电工电子技术是一门实践性很强的课程，具有丰富的实 验和实践活动，这些活动对培养学生的观察能力、动手能力、 创新能力起着积极作用。传统电工电子技术电路实验基本上 与电工电子理论教学相一致, 在实验中通常让学生做基本门 电路、组合逻辑电路的验证和设计、D触发器和JK触发器、 时序逻辑电路的验证和设计、D/A 转换器和A/D转换器相关的实验。实验一般情况下是用分离元件搭接电路、或者是用 小规模集成元件例如74系列集成门电路设计电路。所有实验 都在电工电子技术实验箱上完成或是利用面包板自己接线 线。在学习初期，进行验证性实验过程中，这种方式还能够 加深对数字电路的认识和锻炼学生的接线纠错能力。随着实 验学习的深入，尤其是后期的综合实验部分。常由于接线紊 乱和实验面包板与导线接触不良, 学生把相当多的时间和精 力用在查线上, 而真正用于设计电路的时间不超过50%, 学 生的设计积极性也不能很好地发挥出来。

另外，电工电子技术实验主要可分为验证性实验、综合 性性实验、创新开放性实验这几类。目前的实验教学过程中 存在的问题是，验证性实验过多，综合性实验尤其是创新性、 开放性实验偏少。讲完电工电子技术理论后，通常就按照实 验指导书统一的模式、规定的步骤操作一遍，得出大致相同 的实验报告。这显然很不利于培养学生的创新意识和能力。

追求其中的原因，其中，实验平台中器件种类偏少、目前在 电工电子技术实验中主要的器件基本上还是74系列的中小 规模集成电路芯片。种类不过常用的几十种器件。而目前市 场上出现的数字器件多达几万种。它们之间的矛盾非常突出。

这种矛盾会造成学生的设计方案很有可能受实验室硬件条 件的限制无法完全实现。这必然挫伤了学生的学习的主动性 和创造性。而引入FPGA器件以后，这个问题将得到很好的解 决。从实验室管理角度来说，也大大减少了实验室电子器件的采购及维护工作。FPGA可以完成任何数字器件的功能。采 用FPGA进行设计已成为社会发展的主流, 在许多单位和企业, 已很少有采用分离元件和小规模集成电路进行数字电路的 设计。要适应社会的发展, 要真正培养学生学有所用, 在电 工电子技术电路教学中应加入更多FPGA相关的知识。

在教学中, 我们可以先按传统的方法教学生了解基本的 数字电路知识,教会学生用分离元件和小规模集成电路设计 电路,然后介绍FPGA器件,介绍基于FPGA器件进行设计时所 需要掌握的硬件描述语言VHDL或者Verilog HDL,介绍相应的 编译、综合、仿真软件MAX + plus II或者Quartus II。最 后通过一些范例让学生了解整个设计的流程:分析设计的逻 辑功能、利用原理图输入法或硬件描述语言描述其功能、编 译、仿真、在软件上验证功能的正确性、通过相关的通讯电 缆下载到FPGA的配置器件中，重新构建在电工电子技术实验 箱上FPGA的电路上实现其功能。最终目标是让学生在学好电 工电子技术数字部分的同时也能熟练掌握利用FPGA设计电 路的方法。

4.结束语 FPGA相关技术引入到电工电子技术课程的教学过程中， 通过对理论内容和实验教学的改革。可以让学生接触到现代 数字电路技术及先进的数字电路设计理念。有助于培养提高 学生的学习主动性，培养学生的创造力。传统的电工电子技 术教学在内容上、实验设计上必须紧紧跟上现在电子技术发展的潮流，引入FPGA相关技术，有助于完善电工电子技术课 程本身的课程体系并对于电工电子技术传统课程的教学改 革具有很好的积极意义和现实意义。

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中国矿业大学教改立项一般项目：FPGA应用于电工与电 子技术课程 教学改革中的研究与探索（2015YB12）