基于SOPC技術(shù)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

牛炯 遲書凱 黎明 劉蘭軍 周琳 周麗芹

摘要：實(shí)踐是自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)工作中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，而目前很多高?，F(xiàn)有教學(xué)設(shè)備無法滿足自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的需求，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生工程實(shí)踐的培訓(xùn)和創(chuàng)新的熱情。本文提出基于SOPC技術(shù)開發(fā)一套綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合了自動(dòng)化多門課程的知識(shí)點(diǎn)，站在工程的角度設(shè)計(jì)了多個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，滿足本科生工程實(shí)訓(xùn)和創(chuàng)新活動(dòng)的需求。

關(guān)鍵詞：SOPC；綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0246-02

一、引言

對于電子信息類專業(yè)的本科教學(xué)，實(shí)踐是教學(xué)工作中非常重要的一環(huán)。就自動(dòng)化專業(yè)來說，2012年新版教學(xué)大綱中實(shí)踐教學(xué)的學(xué)時(shí)較之前的教學(xué)大綱增加了近30%。目前對于實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)，更多的是購買現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)儀器箱。而受到現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)箱硬件的限制，無法將一門或多門課程的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，學(xué)生只能在各個(gè)實(shí)驗(yàn)箱上做單元性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，很難將各門課程在實(shí)際應(yīng)用中相關(guān)聯(lián)起來，學(xué)生難以養(yǎng)成系統(tǒng)性思維。同時(shí)，根據(jù)近幾年電子信息類各種實(shí)踐型競賽和就業(yè)來看，要求學(xué)生不僅掌握單元性的知識(shí)，更偏重于要求學(xué)生能夠?qū)组T課程的知識(shí)在實(shí)踐中融合起來，對題目進(jìn)行系統(tǒng)性的思考，學(xué)習(xí)如何完成頂層設(shè)計(jì)。綜上所述，以前在實(shí)踐教學(xué)過程中存在如下矛盾：①實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與人才培養(yǎng)目標(biāo)的矛盾。對于工科人才培養(yǎng)模式的討論是現(xiàn)在的熱點(diǎn)問題，培養(yǎng)創(chuàng)新性工科人才，提高其實(shí)踐能力，首先是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，其次是實(shí)驗(yàn)設(shè)備采購或開發(fā)。目前的情況大多是按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而實(shí)驗(yàn)設(shè)備又制約了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新，無法為創(chuàng)新性人才培養(yǎng)提供保障。②學(xué)生創(chuàng)新的熱情與實(shí)驗(yàn)條件之間的矛盾。根據(jù)我校近幾年比賽情況來看，自動(dòng)化專業(yè)的參賽學(xué)生人數(shù)是日益增加的，學(xué)生對此抱有很大的熱情，期望從中培養(yǎng)自己的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，得到系統(tǒng)、全面的鍛煉。雖然我們的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跏侨旌驅(qū)氖聞?chuàng)新和競賽的學(xué)生開放，但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備較為陳舊，功能已經(jīng)不能完全滿足需要，嚴(yán)重影響了學(xué)生的創(chuàng)新熱情。針對上述問題，我校實(shí)踐指導(dǎo)教師需要站在系統(tǒng)的角度上，將工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論教學(xué)中涉及的知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合，開發(fā)了用于本科實(shí)踐教學(xué)的基于SOPC技術(shù)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)的研發(fā)綜合考慮了模擬電子技術(shù)、過程控制、自動(dòng)控制原理、單片機(jī)原理、數(shù)字電子技術(shù)、SOPC技術(shù)以及現(xiàn)場總線等多門核心課程的實(shí)踐教學(xué)需求，本科生可以在該平臺(tái)上進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。開發(fā)該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的最終目的是使學(xué)生在大二到大四的三年中，利用該平臺(tái)完成相關(guān)綜合性實(shí)驗(yàn)課程、電子課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新活動(dòng)等實(shí)踐活動(dòng)，從感性認(rèn)識(shí)到理論學(xué)習(xí)，由理論仿真到實(shí)踐調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、完整、理論和實(shí)踐互動(dòng)的學(xué)習(xí)過程，讓學(xué)生經(jīng)歷并熟悉系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能仿真、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序編寫、系統(tǒng)功能調(diào)試整個(gè)工程設(shè)計(jì)的流程。

二、綜合開發(fā)平臺(tái)的特點(diǎn)

該綜合實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)用于自動(dòng)化本科生教學(xué)實(shí)踐和創(chuàng)新活動(dòng)，與傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式相比，具有如下特點(diǎn)。

1.理論與實(shí)踐相結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用頂層設(shè)計(jì)思路，覆蓋了自動(dòng)化幾乎所有的專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)，教師在講授理論知識(shí)的同時(shí)，相關(guān)知識(shí)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上體現(xiàn)，改變了以往實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)脫鉤的狀態(tài)。

2.各門課程之間相關(guān)聯(lián)。此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以涉及信號的輸入、采集、處理、傳輸以及顯示的全過程，而每一個(gè)環(huán)節(jié)又應(yīng)用到了不同的技術(shù)，通過合理的設(shè)計(jì)綜合性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，各門課程教師可以重點(diǎn)對照平臺(tái)中本課程的知識(shí)點(diǎn)講授應(yīng)用，而對其他環(huán)節(jié)的內(nèi)容簡單講解，使學(xué)生明白本門課程內(nèi)容在整個(gè)自動(dòng)化教學(xué)體系中所處的位置以及承擔(dān)的作用。這樣經(jīng)過四年的培訓(xùn)，學(xué)生所學(xué)到的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)將不再孤立，而是融會(huì)貫通的，并且能夠非常清楚每門課程學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)用在哪個(gè)環(huán)節(jié)。

3.系統(tǒng)性、靈活性和擴(kuò)展性。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從硬件設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)均采用頂層設(shè)計(jì)的思路，每一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)都盡可能多的涵蓋知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)硬件的設(shè)計(jì)預(yù)留了足夠的擴(kuò)展接口，以便于兼容后期開發(fā)其他的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展板。同時(shí)，軟硬件的設(shè)計(jì)過程中強(qiáng)調(diào)模塊化的設(shè)計(jì)思路，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更深刻的理解了各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，也能更方便的用新學(xué)到的技術(shù)搭建的新模塊替換舊的功能模塊。

4.遵循CDIO工程教育培養(yǎng)模式。使學(xué)生在四年學(xué)習(xí)中通過該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體驗(yàn)“做中學(xué)”的模式。大一學(xué)生通過參觀實(shí)踐平臺(tái)系統(tǒng)，觀看實(shí)驗(yàn)結(jié)果，傾聽教師講解，對自動(dòng)控制系統(tǒng)有初步的概念，引發(fā)其好奇心，課后查閱文獻(xiàn)，達(dá)到對本學(xué)科有初步認(rèn)識(shí)的目的；大二學(xué)生運(yùn)用學(xué)習(xí)過的《電路原理》、《模擬電路》、《數(shù)字電路》以及FPGA中的知識(shí)點(diǎn)，弄清楚該平臺(tái)電路的工作原理，并運(yùn)用它完成《電子課程設(shè)計(jì)》綜合課程；大三學(xué)生需要對該平臺(tái)的硬件電路進(jìn)行焊接，加深對整個(gè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能的理解，建立系統(tǒng)的概念，并在該平臺(tái)上進(jìn)行《SOPC技術(shù)》、《過程控制》等課程中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行仿真調(diào)試；大四學(xué)生通過該平臺(tái)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，根據(jù)指導(dǎo)教師要求設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，通過查閱文獻(xiàn)，進(jìn)行方案論證、技術(shù)選擇、系統(tǒng)仿真、軟件編程、系統(tǒng)調(diào)試幾個(gè)步驟，最終完成綜合性實(shí)驗(yàn)。通過這樣的培養(yǎng)，學(xué)生對各個(gè)模塊、每個(gè)技術(shù)都會(huì)有較深的理解，對四年中所學(xué)的專業(yè)知識(shí)會(huì)有更深刻、更系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

三、綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要由一塊主控板和若干擴(kuò)展板構(gòu)成。主控板為自主開發(fā)的基于SOPC技術(shù)的實(shí)驗(yàn)板，擴(kuò)展板包括：開關(guān)電源擴(kuò)展板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板和過程通道擴(kuò)展板等。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)能夠支持《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《過程控制》、《電機(jī)調(diào)速》、《SOPC技術(shù)》、《檢測技術(shù)》等相關(guān)課程的綜合性實(shí)驗(yàn)，教學(xué)過程中學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)到的知識(shí)點(diǎn)選擇相應(yīng)的擴(kuò)展板進(jìn)行開發(fā)學(xué)習(xí)。目前主控板和開關(guān)電源擴(kuò)展板已經(jīng)開發(fā)完成，并用于實(shí)踐教學(xué)。電源板與主控板連接框圖如圖1所示。圖中紅色虛線部分可以由模擬器件搭建，也可以通過使用SOPC開發(fā)板編程實(shí)現(xiàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)的不同階段采用不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。當(dāng)學(xué)生在不同階段采用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)相同的功能時(shí)，加深了其對各門課程之間的關(guān)聯(lián)，也大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

開關(guān)電源擴(kuò)展板是一個(gè)由模擬器件搭建的完整的閉環(huán)開關(guān)電路。涉及到的知識(shí)點(diǎn)有比例積分調(diào)節(jié)器、集成運(yùn)放、比較器、三極管以及MOS管的使用、二極管特性及穩(wěn)壓管的使用、過流保護(hù)、單相整流橋、buck電路調(diào)試、PWM脈寬調(diào)制等。電路完全根據(jù)功能模塊進(jìn)行布局，每個(gè)功能模塊的輸入輸出均預(yù)留接口，學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)到的新知識(shí)設(shè)計(jì)電路來替代相應(yīng)的功能模塊。SOPC實(shí)驗(yàn)主控板是基于ALTERA公司的Cyclone Ⅱ EP2C35芯片開發(fā)的。考慮到設(shè)計(jì)的靈活性和成本，主控板由核心板和擴(kuò)展底板構(gòu)成。核心板由FPGA芯片、FLASH芯片、SDRAM芯片、有源晶振以及其他阻容器件等組成，采用六層板設(shè)計(jì)，大大增加了系統(tǒng)的可靠性；擴(kuò)展底板采用四層板設(shè)計(jì)，其外圍接口豐富，包括：USB控制器、SD卡、時(shí)鐘芯片、CAN控制器、LCD、8位AD、8位DA、LED、擴(kuò)展口等、射頻收發(fā)器、PS2接口以及串口收發(fā)器等。

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的編寫要適用于各個(gè)層次的學(xué)生，分為基礎(chǔ)篇和系統(tǒng)篇?；A(chǔ)篇用于所涵蓋的各門課程的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，適用于所有學(xué)生?；A(chǔ)篇中的知識(shí)點(diǎn)都屬于綜合性實(shí)驗(yàn)中的某個(gè)模塊，使學(xué)生能明白所學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)電路在系統(tǒng)中的作用，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生以后能更深刻地掌握綜合性實(shí)驗(yàn)的開發(fā)；系統(tǒng)篇由具有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師編寫，該部分內(nèi)容設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生深刻理解工程應(yīng)用，在每個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練中，學(xué)生都需要經(jīng)歷需求分析、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)手段分析、仿真、編程、調(diào)試等過程。該開發(fā)平臺(tái)可以很好的應(yīng)用于本科生各種專業(yè)實(shí)習(xí)以及本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)等，同時(shí)也可以支持SRDP的創(chuàng)新平臺(tái)以及電子設(shè)計(jì)大賽的培訓(xùn)等創(chuàng)新活動(dòng)。

四、結(jié)語

新教學(xué)大綱要求自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)的本科生具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力，本綜合實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)的開發(fā)解決了目前高校中現(xiàn)有教學(xué)設(shè)備無法滿足創(chuàng)新活動(dòng)的問題，從工程角度出發(fā)，站在頂層設(shè)計(jì)的角度，為增強(qiáng)學(xué)生系統(tǒng)工程的意識(shí)、從事工程實(shí)踐奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周麗芹，黎明，臧愛云，等.自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建[J].教育教學(xué)論壇，2015，（11）：169-170.