王彩凤

摘要：基于FPGA的综合设计性实验对培养EDA创新开发人才具有十分重要的现实意义。以正弦信号发生器的设计为例，介绍了学生综合运用所学知识完成整体系统设计的过程，体现了学生创新实践能力的培养和综合素质的提高，说明了开发综合设计性实验项目、培养创新人才的必要性。

关键词：FPGA；综合设计性实验项目；创新实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）12-0271-02

现阶段，各大高校基于FPGA技术的实验教学项目一般有三种实验类型：验证性实验项目、综合性实验项目和设计性实验项目[1-2]。验证性实验项目只需要学生按照固定操作步骤完成整个实验内容，虽然可以较好地验证理论知识，但使学生被动地进行实验，削弱了学生主动实验的积极性，阻碍了学生创新意识的培养和动手实践的能力，这就失去了实验的真正意义。综合设计性实验是把综合性实验和设计性实验结合在一起的实验项目。该种项目一般是由指导教师提出项目的任务要求，学生根据所学基本理论知识和技能，自由组合，三人一组，进行查阅资料、综合设计、仿真分析、下载和硬件测试等环节，以培养学生运用所学知识进行综合设计的能力以及分析、解决问题的能力，同时可以训练学生的工程实践能力和提高学生的创新思维水平，为以后的工作学习奠定基础。

一、实验开发设计

我校现有的部分实验项目过于陈旧，体现不出和跟不上FPGA技术和EDA的快速发展和更新换代，考虑到经费投入问题，大规模重新购置实验仪器设备重建实验室又不现实。这就要求我们必须以现有的实验箱为基础平台，充分发挥实验室的资源效益和教师的创新改造能力，对现有的EDA实验箱进行整合和合理规划，开发出一些新的综合设计性实验项目，促使学生积极主动进行实验。

综合设计性实验项目的开设目的是为了提高学生的实践创新能力和动手操作能力，这就要求开发出的项目具有较大的灵活性、内容丰富，形式多样、设计方案和思路不固定，能激发学生主动实验的兴趣，使学生有自我发挥的余地，但又不能超出学生的知识范围和操作能力水平。学生完成项目设计后，有成就感，才能真正发挥实验的作用，提高学生分析解决问题的能力和系统综合设计能力。

所以实验项目要融合该课程的多个知识点或者融合其他课程的相关知识点进行综合设计。还要面向实际、突出工程应用背景，能够让学生学以致用、学有所得。

二、实验教学模式

我校电子信息工程专业基于FPGA的EDA课程实验教学共8个实验16学时，综合设计性实验12学时，占75%的比例。实验过程中一般要求学生三人一组，提前告知学生下次要做的实验项目，要求每组学生在下次实验前通过查阅文献资料，撰写预习报告并相互探讨实验最佳设计方案的选择。实验过程中，根据老师的指导，分别进行设计输入、综合、适配、仿真、下载和硬件测试等过程。实现电路系统的既定功能之后，根据设计的整个流程，撰写详细的实验报告。

所以我们在开发设计新的实验项目时，要坚持以学生为主、教师为辅的原则。改变传统的实验教学模式，重点考虑如何激发学生积极主动进行实验的兴趣，避免学生实验时不思考、不动手，只是机械重复前面实验的操作步骤。另外，可以将实验课独立设课，即，将实验课与理论课分开设定学分，实验课不再是理论课的附属，而是一门独立存在的课程。也可以适当增加实验课学时，强调学生的实际动手实践能力，真正做到理论和实验并重。

三、基于FPGA的正弦信号发生器设计实例

下面结合本实验室GW48EDA实验开发系统，以基于FPGA的正弦信号发生器的设计为例，依次完成VHDL程序设计输入、全程编译、综合、适配、仿真、引脚锁定、下载和硬件测试。在此基础上可以增加或改进电路功能。通过此例阐述此类综合设计性实验项目在提高学生实践创新能力方面的重要作用。

正弦信号发生器由数据计数器或地址发生器、数据ROM和D/A三个部分构成，如图1所示。要使正弦信号发生器的性能良好，这三部分必须具有高速性能，在此条件下，数据ROM占用最少的逻辑资源，设计流程最简便，获取波形数据也最方便。结构图中，顶层文件SINGT.VHD是在FPGA中实现的，它由5位计数器和正弦波数据存储ROM构成，其中5位计数器可以实现ROM地址信号发生器，正弦波数据存储ROM由LPM_ROM模塊构成，这样可以达到最优化设计。

具体的实验操作步骤为：（1）VHDL程序设计。

（2）创建工程。（3）全程编译。在对工程进行全程编译前，必须设置好一些必要的参数，如选择目标芯片、选择目标器件编程配置方式、选择输出配置等。做好各项设置后，进行全程编译。（4）仿真，包括功能仿真（无延时）和时序仿真（有延时），分析仿真结果（如图2所示）以加深对电路功能的理解，巩固所学基础理论知识。（5）引脚锁定（将顶层电路的输入输出端口锁定到目标芯片的确定引脚上）。（6）下载（JTAG端口，可选Byteblaster MV、Byteblaster II或USB Blaster）和硬件测试。（7）利用RTL Viewer查看此工程的RTL电路图（如图3所示）。

本设计完成之后，在此基础上可以考虑设计一款任意波形信号发生器，使用LPM双口RAM作为波形数据存储器，所需要的波形数据由单片机产生，然后输向FPGA中的RAM（此功能可以用GW48系统中与FPGA接口的单片机完成，可利用系统上配置的0832或5651高速器件作为D/A）。在此阶段，学生可以充分发挥，综合运用所学理论知识和实验系统的外围电路等硬件资源，对电路的功能进行增加、改进和完善。通过此项训练，可以大大提高学生的综合素质和创新实践能力。

四、实验成绩评定

实验成绩评定要体现评分的公平性和区分度，要加大过程性考核的比例。其中VHDL软件编程设计及仿真结果占40%，下载和硬件实现占40%，实验报告占20%。

五、結语

综合设计性实验项目的开发可以充分调动学生进行主动实验的兴趣和积极性，开阔视野，丰富思维，培养团队合作精神。实验过程中通过问题的提出、方案分析、电路仿真、软硬件设计和结果测试等环节可以提高学生的创新实践能力，增强他们的信心和成就感。这对创新人才的培养将会起到很好的促进作用。

参考文献：

[1]蔚瑞华，余有灵，张伟，等.基于模块化思想的FPGA综合实验项目设计[J].实验室技术与管理，2016，33（5）：44-47.

[2]彭卓，邓焱，马骋.基于FPGA的高精度正弦信号发生器设计与实现[J].清华大学学报（自然科学版），2014，（2）：197-201.

The Development of Comprehensive Design Experimental Project Based on FPGA

WANG Cai-feng

（College of Aeronautical Engineering，Binzhou University，Binzhou，Shandong 256603，China）

Abstract：The comprehensive design experiment based on FPGA is of great practical significance to cultivate talents of EDA. Take the design of sinusoidal signal generator for example，the process of using knowledge to complete overall system design was introduced，indicating the cultivation of innovative practice ability and the enhancement of comprehensive quality of students. This illustrates the necessity to cultivate innovative talents by the development of comprehensive design experimental project.

Key words：FPGA；Comprehensive design experimental project；Innovative practice