作者：楊春玲 朱敏 楊榮峰 單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

我校電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)踐課程體系建設(shè)為適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)，我校對(duì)教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行了修改，建設(shè)了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)踐課程體系。在體系中新增加了三門(mén)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的實(shí)踐課程:①針對(duì)電氣工程專(zhuān)業(yè)大四學(xué)生開(kāi)設(shè)了“EDA技術(shù)與實(shí)驗(yàn)Ⅰ”;②針對(duì)應(yīng)用型研究生開(kāi)設(shè)了“EDA/SOPC應(yīng)用實(shí)踐”;③2006年開(kāi)設(shè)的“SOPC及EDA技術(shù)創(chuàng)新研修”實(shí)踐課程，為全校選修課。此外，針對(duì)英才班大三學(xué)生的“EDA技術(shù)與實(shí)驗(yàn)Ⅱ”，也已列入計(jì)劃。實(shí)踐課程內(nèi)容主要分為如下三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。(1)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)有四位加法器的設(shè)計(jì)，數(shù)字式頻率計(jì)設(shè)計(jì)，可控正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐等;(2)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)有通信DDS、DSP系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)示波器、閉環(huán)控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和圖像處理等;(3)自選應(yīng)用研究型實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)踐基地的設(shè)備由學(xué)生自命題，要求貼近工程應(yīng)用背景。

實(shí)踐課程配套教材建設(shè)(1)2008年出版了《可編程邏輯器件應(yīng)用實(shí)踐》教材;(2)2009年編寫(xiě)的《EDA技術(shù)與實(shí)驗(yàn)》作為國(guó)家級(jí)“十一五”規(guī)劃教材。該書(shū)修訂版被列為校“十二五”規(guī)劃教材，側(cè)重FPGA設(shè)計(jì)理論及數(shù)字信號(hào)處理算法硬件實(shí)現(xiàn)上;(3)新編《EDA/SOPC應(yīng)用實(shí)踐》被列入校“十二五”規(guī)劃教材。該教材針對(duì)應(yīng)用型研究生的培養(yǎng)引入大量工程設(shè)計(jì)實(shí)例。

應(yīng)用型實(shí)踐教學(xué)基地的建設(shè)

我校電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)踐教學(xué)基地，2006年在教育部研究生創(chuàng)新基地建設(shè)資金的資助下初步建成。現(xiàn)有的25套計(jì)算機(jī)和30套康芯EDA/SOPC實(shí)驗(yàn)箱，可以完成基本的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)。近年來(lái)，我們?cè)谠瓉?lái)基礎(chǔ)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，購(gòu)置了Altera公司DE2-70實(shí)驗(yàn)板，建立了面向電氣工程、控制工程、通信工程及儀器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)包括基于FPGA的電機(jī)閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、基于SOPC的特征物體跟蹤系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、基于SOPC的遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及基于FPGA的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。上述四個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以完成下列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1基于SOPC的特征物體跟蹤系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)特征物體的識(shí)別追蹤包括對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)追蹤，它是機(jī)器視覺(jué)、視頻雷達(dá)和視覺(jué)導(dǎo)航的必要組成部分。這種追蹤系統(tǒng)可以用于球類(lèi)比賽中追蹤拍攝球的運(yùn)動(dòng)，在公共場(chǎng)所的監(jiān)控設(shè)備中自動(dòng)鎖定疑犯并報(bào)警，在博物館等場(chǎng)所中鎖定特定藏品在其位移超過(guò)閾值后給出警示，在運(yùn)動(dòng)中拍攝運(yùn)動(dòng)或靜止物體(如航拍)中保持圖像穩(wěn)定，某些特定區(qū)域在有運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)入時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)并對(duì)進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域的物體進(jìn)行跟蹤(例如交通檢測(cè)系統(tǒng)和某些監(jiān)控防護(hù)系統(tǒng))等。基于SOPC實(shí)驗(yàn)箱的特征的物體跟蹤系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理如下:攝像頭完成圖像采集，將圖像數(shù)據(jù)傳輸給DE2開(kāi)發(fā)板，由FPGA中的攝像頭接口邏輯對(duì)圖像預(yù)處理，再由NiosII執(zhí)行識(shí)別算法和控制算法，識(shí)別特征物體，并輸出控制信號(hào)給兩個(gè)伺服電機(jī)來(lái)調(diào)整攝像頭方向，同時(shí)由VGA顯示接口將捕捉到的圖像在顯示器上顯示出來(lái)。

2基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)是一種以FPGA為核心的新型集成式三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。采用正弦波細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案，以速度誤差最小原則進(jìn)行了最佳細(xì)分等級(jí)自動(dòng)切換設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)將控制器和驅(qū)動(dòng)器全部集成在單一的FPGA芯片上。

3基于FPGA的遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人實(shí)驗(yàn)本系統(tǒng)在DE2開(kāi)發(fā)板上構(gòu)建了一個(gè)Web服務(wù)器，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)觀(guān)察監(jiān)控場(chǎng)所，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制隨意移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控。該實(shí)驗(yàn)包括圖像的實(shí)時(shí)采集、壓縮，無(wú)線(xiàn)傳輸、Internet網(wǎng)絡(luò)和GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)向終端服務(wù)器傳輸圖像數(shù)據(jù)等模塊。

4基于FPGA的桌面彈球屏幕保護(hù)程序?qū)嶒?yàn)該實(shí)驗(yàn)通過(guò)FPGA芯片嵌入的程序可以控制計(jì)算機(jī)顯示屏上的小球運(yùn)動(dòng)，還可以控制小球的尺寸。學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以掌握VGA顯示的原理和視頻D/A轉(zhuǎn)換的原理及控制時(shí)序等內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)意來(lái)自美國(guó)伊利諾伊州立大學(xué)香檳分校的數(shù)字系統(tǒng)課程ECE385的教學(xué)內(nèi)容。該應(yīng)用研究型實(shí)驗(yàn)覆蓋了控制、電氣、計(jì)算機(jī)和通信等多個(gè)學(xué)科內(nèi)容。此外，2009年我們?cè)趯?shí)驗(yàn)平臺(tái)上自行了設(shè)計(jì)一款性?xún)r(jià)比高且便于攜帶的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)箱。該實(shí)驗(yàn)箱發(fā)放給學(xué)生，使他們?cè)跇I(yè)余時(shí)間利用該實(shí)驗(yàn)箱學(xué)習(xí)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化知識(shí)，并完成面向?qū)嶋H應(yīng)用的設(shè)計(jì)任務(wù)。本實(shí)驗(yàn)箱的原理框圖如圖1所示，目前已在電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程中使用。

與企業(yè)聯(lián)合建立培訓(xùn)基地

2007年本基地與ALTERA公司建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。ALTERA公司定期來(lái)校舉辦最新電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)及應(yīng)用培訓(xùn)研討會(huì)，并設(shè)立中國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)文章大賽和ALTERA亞洲創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，為應(yīng)用型人才提供展示電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化作品平臺(tái)。2010年我校舉辦了數(shù)字電視及工業(yè)影像芯片設(shè)計(jì)研討及培訓(xùn)會(huì)。國(guó)內(nèi)外從事電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化教學(xué)及科研的近200名師生參加了研討會(huì)。加拿大多倫多大學(xué)專(zhuān)家做了題為“全新40納米StratixIV及CycloneIV介紹及其應(yīng)用分析”的講座;臺(tái)灣友晶科技資深工程師講授了最熱門(mén)的AlteraDE2數(shù)字電視及工業(yè)影像芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，并對(duì)高階數(shù)字電視IC設(shè)計(jì)及色彩空間轉(zhuǎn)換的FPGA高效率架構(gòu)進(jìn)行了上機(jī)實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)。

結(jié)語(yǔ)

我校近三年來(lái)參加各類(lèi)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化大賽，累計(jì)獲獎(jiǎng)人數(shù)超過(guò)100人。通過(guò)大賽培養(yǎng)與電子設(shè)計(jì)相關(guān)的應(yīng)用型人才，這些人才受到用人單位的青睞。此外，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)踐基地建設(shè)及實(shí)踐課程建設(shè)已獲得二項(xiàng)省級(jí)優(yōu)秀教學(xué)成果獎(jiǎng);包括與ALTERA公司建立的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)，我校聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)在2009年獲得了國(guó)家級(jí)優(yōu)秀教學(xué)成果獎(jiǎng)。