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摘要：本文提出一种基于FPGA的数字系统原理与应用实践课程改革方法。利用Quartus软件和Altera FPGA开发平台为基础，利用虚拟仿真技术和FPGA开发平台引入教学，对传统的数字系统原理与应用实践课程教学环节和实践环节进行改革，充分发挥学生在实践教学过程中的主体作用，培养学生在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力。新实验平台的引用和新的教学手段有力地支撑了实践教学的开展，提升了实验教学效果和实验效率，促进了课程教学质量的提高。
关键词：FPGA；数字系统原理；实践教学；教学改革
本文引用格式：蒋磊，等.基于FPGA的数字系统原理与应用实践课程改革[J].教育现代化,2019,6(16):44-46.
一 数字系统原理与应用实践课程的现状
“数字系统原理与应用”是信息工程专业一门重要的专业核心课程，重点教授数字系统的原理、组成和应用，使学生掌握数字系统设计的基本设计方法，为培养学生具有通信系统的开发能力打下基础。在“数字系统原理与应用”课程中，尽管理论教学是基础，但是要掌握数字系统基本原理必须结合实验与实践[1,2]。实际教学中，由于各个高校都在进行缩减课时改革，高校的信息工程专业在教学内容和教学模式上难免存在重理论轻实践的现象，实践实验学时一再缩减，很难保证课程的整体教学质量，学生普遍缺少动手实践能力，缺少对数字电路的感性认识，无法承担数字系统电路方面的设计与开发工作。实际操作方面，传统的“数字系统原理与应用”实践教学方案通常要求学生根据电路逻辑功能要求，选择所需的数字集成电路分立元件，利用面包板完成电路的连线，实现电路功能。这种实验方法虽然可以培养学生的动手能力，帮助学生熟悉通用集成电路的使用方法，是一种认知性的低级培养方法和手段。由于实验室所提供的通用集成电路有限，往往限制了学生在设计数字电路中发散思维的能力，如果电路的连线过多，面包板的连线较多，非常容易出现连线错误，这种错误往往很难排查，容易造成实验失败，极易打击学生的自信心并失去对这门课的兴趣，极大地限制了学生创新能力的培养。理论知识方面，中小规模集成电路，数字芯片外面加电阻、电容来实现特定功能，使用38译码器实现逻辑函数这些实践内容已经不再适应当今电子信息系统的蓬勃发展。
因此，数字系统原理与应用实践教学改革已经成为一个迫在眉睫的议题。目前高校数字系统原理与应用实验设备器材是固化的，灵活性差，能够进行的实验确定且不易扩展，教师很难根据授课情况自主确定实验题目，造成了理论教学和时间教学相脱节，影响授课效果。
二“数字系统原理与应用”实践教学改革的措施
我校现有的数字系统原理与应用课程计划学时数为64学时,其中理论56学时,实践课教学8学时。实践课的教学内容主要覆盖数字电路的基本知识的掌握与练习，不能够满足课程大纲教学内容以达成培养目标。为了加深学生对现代数字系统技术的了解,提高学生设计现代数字系统的能力，我校计划在总学时不变的情况下，缩减8学时理论课程，增加8个学时的实践课程。同时从实验设备、教学方法两方面进行教学改革[3]。
（一）改革实验设备，开发设计基于F P G A的实验平台
学校现有的实验环境主要是通过利用数电实验箱的形式，搭配验证性实验为主，实验内容仍然以目前行业已不常使用的74系列的分离器件为主，对于提高学生就业时候的竞争力帮助有限，为把“数字系统原理与应用”实验课改造成验证与设计相结合，保证学生学到扎实的基础知识同时又具备数字系统的设计和开发能力，迫切需要对传统的实现平台进行突破。通过充分调研清华大学、浙江大学、上海交通大学等国内一流高校数字系统原理与应用实验平台，我校将Altera FPGA可编程控制器开发平台引入到数字系统原理与应用实践教学中。在该平台中，学生不仅可以利用硬件描述语言Verilog HDL语言进行数字电路设计，也可以直接在Quartus集成开发环境中利用元件库里的虚拟集成电路模块设计数字电路，将设计好的电路下载到FPGA开发板上，不仅提高了实验效率、迎合学生个性的教学思路，提升学生学习兴趣，符合中国式教学特色的数字系统原理与应用实验课程。
新实验平台是针对高校信息工程专业数字系统原理与应用课程推出的开放式实验教学科研平台，由计算机（学生自备）、FPGA主机模块（图1所示）、显示模块、开关驱动模块四部分组成。平台采用模块化结构设计，可通过多种方式设计数字系统。平台集电子信息、数字系统等技术于一体，满足数字系统原理实践课程的需求。
（二）实践教学方法的改革
1.实验设计环节
现有的实验课程教学方法分为教师演示和学生验证两个环节。教师演示环节中，教师按照实验指导书上的内容，分步骤对实验进行演示。学生验证环节中，大部分学生都是按照实验指导书内容连接电路，按部就班的进行验证。实验教学在整个课程教学中较为鸡肋，没有发挥应有的作用。因此有必要对现有的实践教学方法进行改革，实验指导书中仅保留实验平台必要的介绍、操作指南、实验目的和实践内容。在实验方案、实验内容、实验步骤等方面给学生充分的自主性，整个实践教学过程中，充分发挥学生的主体作用，学生按照自己的设计进行实验，教师只给予适当的指导。
2.虚实结合
现有的实验课程教学由于受到客观条件的限制，例如实验室74系列芯片种类不齐，基本参加实验的学生只能采取相同的方案，学生很难进行发散思维，缺乏对实验的思考和创新。Quartus软件和Altera FPGA实验平台为数字系统原理实践课程虚实结合的实施提供了基础。借助Quartus软件，学生可以不用担心由于误操作造成芯片损坏，而在实验过程中畏手畏脚，不能自由发挥。学生把通过Verilog HDL代码或者是利用Quartus软件虚拟元件库设计的数字电路下载到平台中FPGA主机模块，通过计算机上的虚拟实验板或者是开关驱动模块进行操作，操作结果同步显示在计算机上的虚拟实验板和显示模块上。Quartus II是Altera公司的综合性CPLD/FPGA开发软件，原理图、VHDL、Verilog HDL以及AHDL（Altera Hardware支持Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。Quartus支持Altera的IP核，包含LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，Quartus II通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。
三 实践课程设计
新的数字系统原理与应用实践课程教学改革实践中在命题方法上采用传统的命题方式与FPGA综合命题方式相结合的方法，保留一次使用74系列芯片实现三人表决器数字电路逻辑功能的实验，在该实验中，学生可以对传统数字电路有一个直观的认识，保留传统数字电路实验的命题的同时，剩余的三次实验分别是利用Quartus虚拟元件库实现奇偶校验器（图2所示），利用Verilog HDL语言实现不同进制的计数器，最好是综合设计实验，要求学生利用Verilog HDL语言实现FPGA与计算机的串口通信。
四 实践教学改革的成效与进一步思考
“数字系统原理与应用”课程的理论性、实践性、应用性都很强,教学大纲要求引入了“验证性—设计性—综合性”的多层次实验模式，做到既因材施教，又培养学生的动手能力、创新能力。我校从2016年来，利用Altera FPGA开发平台对“数字系统原理与应用”教学进行了改革，缩减并提炼传统的数电教学内容，把FPGA、Verilog HDL语言编程、微处理器等知识加入到理论教学中，将数字电路扩展到“数字系统”层面。FPGA、微处理器也是是信息工程专业本科生必须掌握的知识，在信息工程专业的培养中和数字系统原理与应用课程一脉相承[4-6]。为了验证本次教学实践的改革效果，笔者对信息工程16的同学进行了座谈。大部分同学表示对实践教学过程非常感兴趣，大部分同学都可以利用Quartus虚拟元件库完成数字系统原理图的设计，并下载到FPGA中进行运行测试，受限于数字系统原理与应用理论课程的学习深度和Verilog HDL语言熟悉程度，只有15%的同学可以完成利用FPGA和电脑进行串口通信的设计。针对学生遇到的问题，笔者通过增加额外的实践学时，必要的代码辅导最终帮助全部学生顺利完成了综合设计实验。我校不仅在数字系统原理与应用的课程中采用了Altera FPGA开发平台进行实践教学，在数字系统课程设计环节中，也首次利用FPGA作为信息工程15级大学生的设计平台，大部分学生完成了VGA显示数字电路的设计，有3名学生完成了利用FPGA读取SD卡中图片并显示在VGA显示器的设计，学生的实际操作能力大为提高，设计过程中不仅加深了理论知识的理解，也获得一定的成就感。在今后的数字系统课程设计，计划采用以信号与系统、工程数学为基础的系统性更强的课程设计方案，通过课程设计要求学生掌握时域离散信号和系统的基本理论、基本分析方法以及FFT、数字滤波器等数字信号处理技术。设计一套基于MFCC语言识别的教学实验项目，利用Altera FFT IP核、ROM、FIR核对音频解码模块采集到的语音进行MFCC特征向量提取[7]，实现基于FPGA和MFCC的自动语音识别系统[8]。通过实验教学内容，培养学生学会综合运用数字信号处理的理论知识进行信号的采样，重构，频谱分析和滤波器的设计，掌握用数字信号处理的方法实现模拟电路中信号的调制与解调的方法，并能通过理论推导得出相应结论。以研究型本科教育教学为导向，以培养学生解决复杂工程问题为出发点，设计综合创新性实验教学内容，既让学生能掌握基础的电子信息工程相关知识，又让学生充分了解自动语音识别技术的发展前沿。
在此基础上学会利用FPGA作为工具进行硬件实现，从而加深对所学知识的理解，建立概念。推动相关课程的实践教学改革，促进教学紧贴电子信息产业发展与需求，培养电子信息产业发展急需的综合应用型高技能人才。通过该实践教学改革，学生能加深理解所学数字系统原理基础知识，锻炼自己的FPGA编程能力和培养自己在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力。除此以外，该实践教学改革能让学生接触到学科知识的具体应用和实现，极大地调动了学生的积极性，可以借此教学改革引导学生自发学习相关的知识，例如可以启发学生学习不同滤波器设计，了解各自的优点和适用条件。Altera FPGA新实验平台的引用和新的教学手段有力地支撑了实践教学的开展，提升了实验教学效果和实验效率，促进了课程教学质量的提高。
参考文献
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[6]肖杰,李强,龙胜春,等.数字逻辑电路课程设计实验教学改革与实践[J].计算机教育,2018(05):71-75.
[7]程锦盛,杜选民,周胜增,等.基于目标MFCC特征的监督学习方法在被动声呐目标识别中的应用研究[J].舰船科学技术,2018,40(17):116-121.
[8]林朗,王让定,严迪群,等.基于逆梅尔对数频谱系数的回放语音检测算法[J].电信科学,2018,34(05):90-98.
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