基于FPGA的出租車(chē)計(jì)程計(jì)費(fèi)器項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

吳進(jìn)

摘? ?要：在高職“可編程邏輯器件技術(shù)”的課程教學(xué)中，學(xué)生對(duì)于用硬件描述語(yǔ)言VHDL或Verilog進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的難度。文章探討了以項(xiàng)目化教學(xué)模式組織教學(xué)，采用EDA工具中的參數(shù)化模塊庫(kù)LPM，進(jìn)行基于可編程邏輯器件FPGA技術(shù)的出租車(chē)計(jì)程計(jì)費(fèi)器的項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)。教學(xué)效果表明，學(xué)生對(duì)FPGA技術(shù)的設(shè)計(jì)流程有了進(jìn)一步的理解，對(duì)FPGA技術(shù)的應(yīng)用能力得到了較大的提高，取得了很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目化教學(xué);出租車(chē)計(jì)程計(jì)費(fèi)器;現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件技術(shù);參數(shù)化模塊庫(kù)

1? ? 可編程邏輯器件技術(shù)

高等職業(yè)技術(shù)教育以培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能型人才為主要任務(wù)，教學(xué)環(huán)節(jié)注重技能訓(xùn)練、強(qiáng)化實(shí)踐性。以任務(wù)驅(qū)動(dòng)、典型系統(tǒng)為載體，教學(xué)項(xiàng)目為單位，打破按原有學(xué)科知識(shí)體系組織教學(xué)的模式，不斷在課程教學(xué)中加以應(yīng)用。應(yīng)用電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)“可編程邏輯器件技術(shù)”課程由7個(gè)典型項(xiàng)目載體組成，以“教、學(xué)、做”一體的形式組織教學(xué)。本文就課程中“出租車(chē)計(jì)程計(jì)費(fèi)器的設(shè)計(jì)”項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)展開(kāi)研討。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)依學(xué)情采用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronics Design Automation，EDA）工具中的參數(shù)化模塊庫(kù)（Library of Parameterized Modules，LPM）進(jìn)行，避免了用硬件描述語(yǔ)言（VHDL或Verilog）產(chǎn)生的復(fù)雜性，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

2? ? 項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1? 教學(xué)目標(biāo)

要求學(xué)生能熟悉基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）的EDA設(shè)計(jì)流程;掌握LPM的基本概念、類(lèi)型;能進(jìn)行EDA電子系統(tǒng)層次化設(shè)計(jì)與基本設(shè)計(jì)全過(guò)程;能正確進(jìn)行波形仿真;能正確完成設(shè)計(jì)下載、軟硬件聯(lián)合調(diào)試;培養(yǎng)良好道德品質(zhì)、溝通協(xié)調(diào)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神、敬業(yè)精神。

2.2? 教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

項(xiàng)目采用“六步法”，即由明確任務(wù)目標(biāo)、相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)、任務(wù)計(jì)劃、決策和任務(wù)實(shí)施、任務(wù)評(píng)價(jià)6個(gè)相互連貫的部分組成。具體過(guò)程闡述如下。

2.2.1? 明確任務(wù)目標(biāo)

首先，教師向?qū)W生下發(fā)任務(wù)單，學(xué)生據(jù)此自主學(xué)習(xí)本工作任務(wù)的內(nèi)容。課前，教師檢查學(xué)生利用信息化手段反饋對(duì)任務(wù)的預(yù)習(xí)情況，記錄下難點(diǎn)、疑點(diǎn)。

要求用FPGA芯片和LPM函數(shù)設(shè)計(jì)出租車(chē)計(jì)費(fèi)器。技術(shù)和量化要求如下：

（1）計(jì)費(fèi)、計(jì)程功能。最大計(jì)費(fèi)金額999.9元，最大計(jì)程公里數(shù)999.9 km。

（2）預(yù)置參數(shù)功能。要求起步價(jià)5～8元整數(shù)可選;起始計(jì)程公里3～6公里整數(shù)可選;每公里里程計(jì)費(fèi)值有1.2元、1.5元、1.8元、2.0元可選。

（3）復(fù)位功能。每復(fù)位一次，計(jì)費(fèi)器從頭開(kāi)始計(jì)費(fèi)。

（4）顯示功能。8位數(shù)碼管，要求為前4個(gè)顯示里程，后4個(gè)顯示費(fèi)用，各有一位小數(shù)。

（5）用Quatus‖完成軟件仿真。

（6）完成實(shí)物演示。

2.2.2? 相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)

學(xué)生在教師的提示下根據(jù)任務(wù)單中的要求，查詢(xún)項(xiàng)目相關(guān)資料。通過(guò)教材、PPT、課程網(wǎng)站學(xué)習(xí)以下知識(shí)點(diǎn)：（1）FPGA設(shè)計(jì)流程。（2）LPM設(shè)計(jì)庫(kù)的基本概念、類(lèi)型、設(shè)計(jì)。（3）數(shù)字電路常用模塊。

2.2.3? 任務(wù)計(jì)劃、決策

教師根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，組織學(xué)生完成出租車(chē)計(jì)程計(jì)費(fèi)器頂層電路設(shè)計(jì)，要求學(xué)生分組畫(huà)出整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示，將整個(gè)項(xiàng)目分成車(chē)型選擇（百米脈沖）模塊、計(jì)程模塊、計(jì)費(fèi)模塊、動(dòng)態(tài)顯示模塊4個(gè)模塊。利用EDA工具Quartus軟件中的LPM設(shè)計(jì)庫(kù)對(duì)每個(gè)電路模塊進(jìn)行獨(dú)立的編譯和仿真驗(yàn)證。再把各個(gè)模塊進(jìn)行連接，完成總電路設(shè)計(jì)、編譯。下載到硬件上，進(jìn)行功能調(diào)試。

2.2.4? 任務(wù)實(shí)施

教師指導(dǎo)學(xué)生在Quartus軟件新建項(xiàng)目工程，添加項(xiàng)目各模塊電路文件，應(yīng)用LPM庫(kù)中資源設(shè)計(jì)各單元功能模塊，分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行編譯調(diào)試。

Quartus軟件LPM設(shè)計(jì)界面中，每個(gè)模塊設(shè)計(jì)完成后需新建波形仿真文件，進(jìn)行功能仿真、修改，直至功能正確。將功能正確的模塊原理圖（.bdf）文件分別生成對(duì)應(yīng)的模塊符號(hào)文件（.bsf）以備在后續(xù)的頂層文件中調(diào)用，如圖2所示。圖3為車(chē)型選擇模塊波形仿真。完成各單元模塊設(shè)計(jì)并通過(guò)波形仿真確認(rèn)功能正確后，新建與工程同名的頂層電路原理圖，在此原理圖中調(diào)用出各單元電路，連線(xiàn)，完成總電路。

根據(jù)硬件電路說(shuō)明文檔，將FPGA芯片引腳與對(duì)應(yīng)的輸入輸出功能端鎖定、編譯、下載至硬件電路，生成的頂層電路如圖4所示。在實(shí)物中，左4位為里程數(shù)，后4位為費(fèi)用數(shù)，里程未超過(guò)起步值實(shí)物效果如圖5所示，里程超過(guò)起步值實(shí)物效果如圖6所示。

在以上教學(xué)環(huán)節(jié)的組織中，教師以任務(wù)目標(biāo)為主線(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行各相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)的學(xué)習(xí)和練習(xí)，為學(xué)生營(yíng)造學(xué)習(xí)情境。教師要求部分學(xué)生上講臺(tái)進(jìn)行分析和操作，對(duì)學(xué)生存在的疑問(wèn)進(jìn)行實(shí)時(shí)解答，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行局部修改并進(jìn)行提問(wèn)。

2.2.5? 任務(wù)評(píng)價(jià)

整個(gè)項(xiàng)目考核形式為過(guò)程評(píng)價(jià)80%加終結(jié)考試20%。任務(wù)評(píng)價(jià)即過(guò)程評(píng)價(jià)，在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中對(duì)技能考核+學(xué)習(xí)態(tài)度考核，重點(diǎn)考核學(xué)生對(duì)LPM模塊、LPM設(shè)計(jì)、軟硬件的調(diào)試。學(xué)習(xí)態(tài)度為課堂表現(xiàn)、考勤和6 s職業(yè)素養(yǎng)等。學(xué)生自主學(xué)習(xí)內(nèi)容和結(jié)果的點(diǎn)評(píng)，其結(jié)果作為本項(xiàng)目的過(guò)程評(píng)價(jià)內(nèi)容之一。過(guò)程考核構(gòu)成為教師考核60%加學(xué)生互評(píng)20%和學(xué)生自評(píng)20%。終結(jié)性考核是理論考核，主要為課內(nèi)組織的理論知識(shí)考試。

在以上教學(xué)環(huán)節(jié)的任務(wù)認(rèn)知和知識(shí)準(zhǔn)備階段，采用案例教學(xué)法、啟發(fā)引導(dǎo)法，通過(guò)實(shí)際案例和啟發(fā)引導(dǎo)，讓學(xué)生理解項(xiàng)目任務(wù)、所需的知識(shí)技能和態(tài)度。在計(jì)劃與決策階段，采用分組討論法、頭腦風(fēng)暴法，通過(guò)分組討論與頭腦風(fēng)暴，學(xué)生進(jìn)一步理解任務(wù)、分析相關(guān)知識(shí)，制訂方案。在實(shí)施階段，采用小組作業(yè)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，學(xué)生通過(guò)小組作業(yè)和擔(dān)任不同的角色，加強(qiáng)學(xué)生的自我管理能力和組織能力，鍛煉學(xué)生的合作、溝通能力和責(zé)任心。在檢查階段與評(píng)估階段，采用角色扮演法，學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的成果進(jìn)行檢查驗(yàn)收，填寫(xiě)驗(yàn)收單，對(duì)每一個(gè)人進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)。以項(xiàng)目設(shè)計(jì)者的身份匯報(bào)頂目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程和進(jìn)度，提出存在的問(wèn)題和將要采取的改進(jìn)措施。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

基于項(xiàng)目化的課程內(nèi)容教學(xué)具有以下特點(diǎn)：（1）打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)，按項(xiàng)目組織教學(xué)。（2）學(xué)生以自主學(xué)習(xí)為主，老師輔導(dǎo)為輔，注重方式方法的學(xué)習(xí)。（3）以“行動(dòng)導(dǎo)向”為教學(xué)原則，采用“教、學(xué)、做”合一的形式開(kāi)展教學(xué)。（4）學(xué)生在完成項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中加深了對(duì)設(shè)計(jì)電路的理解與掌握，以此提高理論水平與實(shí)踐能力。