科研反哺教學在EDA課程教學中的應用探究

李金義+李晶+宋麗梅

摘 要 為了實現教學和科研相互促進、共同發展，進而培養本科生的解決實際問題的能力，筆者在做好科研工作的同時，將科研思想、科研成果融入到本科生EDA教學中。結合自身實際的科研項目，將EDA相關的開發與應用實例融入到課堂教學中，實現科研反哺教學。本文陳述了設計方案、過程以及測試驗證，培養學生在實踐教學中有工程創新能力，工程實踐能力，不僅實現科學研究的學術價值，更能實現科學研究的教學價值。

關鍵詞 科研反哺教學 EDA課程教學 教學價值

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.09.045

Abstract In order to realize the teaching and research of mutual promotion and common development， and to cultivate the students ability to solve practical problems， the author in doing research work at the same time， thought in scientific research， scientific research achievements into EDA Teaching for undergraduates. Combined with their own actual research projects， EDA related development and application examples into classroom teaching， achieve scientific nurturing teaching. Were stated in this paper design， process and test validation， cultivating students engineering innovation ability in the teaching practice and engineering practice ability， not only to achieve the academic value of scientific research， can achieve the teaching value of scientific research.

Key words scientific research nurturing teaching； EDA Course Teaching； teaching values

0 引言

教學和科研是高校最主要的兩個職能，也是高校教師的首要工作。高等學校的創立、發展歷史表明，教學和科研互相促進、共同發展是高校和諧發展的最佳選擇。因此，作為高校教師，應意識到科研反哺教學的重要性，在做好科研工作的基礎上，積極主動地將科研思想、科研成果融入到教學中，促進教學工作的發展。①②

電子設計自動化（EDA）技術是現代電子工程領域的一門新技術，它提供了基于計算機和信息技術的電路系統設計方法。它以計算機和EDA開發軟件為工作平臺，以硬件描述語言為設計語言，以專用集成電路為實現載體，設計并實現復雜電子電路或電子系統。③EDA技術的發展和推廣應用極大地推動了電子工業的發展。隨著EDA技術的發展，硬件電子電路的設計幾乎全部可以依靠計算機來完成，這樣大大提高了硬件電子電路設計的效率。因此，EDA是非常重要的專業課程，并且具有很強的實踐性。這就要求我們在教學中，更要注重培養大學生的實踐能力和創造力，提高他們的綜合素質。

本文以筆者在電子設計自動化（EDA）這門課程教學實踐為例，以項目教學為突破，④⑤結合自身實際的科研項目，將EDA相關的開發與應用實例融入到課堂教學中，實現科研反哺教學。

1 項目導入

筆者從事可調諧激光光譜檢測技術及應用方面的研究?？烧{諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）是一種高靈敏的痕量氣體在線監測技術，它無須采樣和樣品預處理，利用激光二極管的可調諧特性，使激光頻率（或波長）在氣體吸收的中心波長附近的掃描，從而得到直接吸收光譜，光譜強度與吸收氣體的濃度、溫度等參量相關。實際應用中，可對激光器的注入電流進行高頻調制，以鎖相放大器對氣體吸收光譜做調制頻率的倍頻解調，可有效抑制背景噪聲、激光強度起伏以及外界干擾的影響，極大的提高了檢測靈敏度。TDLAS具有高靈敏度、高譜分辨率、快速的響應時間、非破壞和健壯特性等優點，因此近年來，在環境監測、工業過程控制、燃燒流場診斷等領域都有廣泛的應用。如圖1所示。

信號發生器模塊是TDLAS系統的核心部件之一。作為用于TDLAS調制與解調用的信號源，應具有低噪聲，多通道，各通道嚴格同步的特點；同時作為嵌入TDLAS中的模塊，除了其性能可靠外，還應具備體積小、重量輕、方便拆卸等特點。因此，開發用于TDLAS的專用高質量信號模塊非常重要。

2 設計方案

用于TDLAS的多通道DDS信號源設計和實現，包括對用FPGA分立器件對DDS的設計和實現、信號輸出模擬處理電路的設計與實現。電路上可分為兩大塊：數字電路和模擬電路。本設計主要研究由單片機控制，用高速現場可編程邏輯器件FPGA實現DDS功能，產生一路頻率為f的正弦調制信號疊加一低頻鋸齒波掃描信號，并產生兩路頻率分別為f與2f的方波解調信號，其相位嚴格與正弦調制信號同步的。

信號發生電路整體框圖如圖2所示，FPGA在里面實現了DDS中的頻率控制字、相位控制字、相位累加脈沖時鐘和相位累加器等最重要的單元。DDS中的可編程相幅變換表，放在SRAM中，通過一個相位-地址轉換單元，存儲與讀取對應相位的幅度值；工作中，由相位累加器出來的相位學習，通過相符變換表，轉化為幅度信息，送到DA輸出；而方波的輸出，因為對應相位，要么是0，要么是1，所以不需要專門相幅變換表。

由于SRAM的存儲速度雖然快，但是，無法掉電保持波形，所以本方案使用一塊FLASH芯片存儲波形文件；波形文件在PC端設計好后，通過串口，與ARM通信，把波形文件發送到ARM，再讓ARM存儲到FLASH里面，這樣，掉電后不會丟失。

系統上電之后，如果用戶不干預，系統會自動進入波形發生模式，由ARM把存儲在FLASH里面的波形文件，讀取出來，通過FPGA里的一個交流單元，寫到SRAM，當波形文件寫完后，ARM不再參與系統工作，由FPGA完成其他工作內容；波形文件存儲了三路波形所需要的信息。

如果用戶進入刷機模式，則PC通過串口芯片，把數據發送給ARM，再有ARM寫入FLASH。

3 設計過程

FPGA內部，共四個主要單元，一個系統控制單元，一個任意波形輸出DDS單元，兩個方波輸出DDS單元，分別輸出f解調信號與2f解調信號。系統控制，主要處理各通道時鐘分配與同步，以及與ARM交流，并控制三個DDS單元。

對于內部實現的DDS單元，如圖3所示，DDS的主要部分，都在FPGA內部；對于相幅變化表，存儲在SRAM里面。FPGA里面，有一個相位到SRAM地址的轉換單元，假設波形長度為L，則對應某一相位的地址為：SRAMADDR = *。

然后，將對應地址的內容讀取出來，則完成一次相幅變換的過程，將幅度信息，打入DAC，更新輸出；對應輸出方波的通道，無需復雜的相幅變換表，只需要判斷是否小于某一值便可，對應50%占空比的方波，如果< ，則輸出0，否則輸出1。本系統FPGA的功能硬件描述，使用VHDL語言完成，在QUARTUS-II環境下開發。

4 測試驗證

通過示波器觀察，如圖3所示，輸出波形質量和參數，均與期望符合。為了評價輸出兩路信號的相位差，利用圖4所示的系統，通過鎖相放大器SR830，測試圖見圖5。

結果如表1所示，輸出的兩路信號的相位差非常穩定，漂移在以內，達到預定指標。

5 結束語

將自身的科研活動與教學活動結合起來，把具體的科研項目融入教學、帶動教學，拓寬學生的視野，提升同學們的學習興趣，增強學生的實踐能力，培養學生的創新能力，提高學生的團隊精神和溝通協作能力。讓學生了解了實際工程項目的開發模式并參與其中，為培養合格的工程師人才奠定了基礎，為學生今后走向工作崗位，解決工程問題積累了經驗。

注釋

① 徐穎.國外研究性大學教學與科研互動經驗及借鑒[J].技術經濟與管理研究，2011.6：52-57.

② 費正東，屠美玲.科研平臺反哺教學探索與實踐[J].教學研究，2012.4：8-10+123.

③ 呂常智，范迪.對EDA課程試驗教學的幾點認識[J].中國科教創新導刊，2010.4：111+114.

④ 梁曉琳，包本剛，張丹.項目教學法在EDA技術課程中的實踐[J].無線互聯科技，2014.12：271-272.

⑤ 崔莉，周躍佳，馬文龍.基于項目教學法的EDA技術課程應用實踐[J].教育現代化，2016.2：156-157+170.