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基于SOPC技术的综合实验平台开发
牛炯,迟书凯,黎明,刘兰军,周琳,周丽芹
（中国海洋大学,山东青岛266100）
摘 要：实践是自动化专业教学工作中非常重要的一个环节,而目前很多高校现有教学设备无法满足自动化专业实践教学的需求,严重阻碍了学生工程实践的培训和创新的热情.本文提出基于SOPC技术开发一套综合实验平台,该综合实验平台结合了自动化多门课程的知识点,站在工程的角度设计了多个综合性实验,满科生工程实训和创新活动的需求.
关键词：SOPC；综合实验平台；教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）32-0246-02
一、引言
对于电子信息类专业的本科教学,实践是教学工作中非常重要的一环.就自动化专业来说,2012年新版教学大纲中实践教学的学时较之前的教学大纲增加了近30%.目前对于实验课程的开设,更多的是购买现成的实验仪器箱.而受到现有实验箱硬件的限制,无法将一门或多门课程的实验相结合,学生只能在各个实验箱上做单元性实验和验证性实验,很难将各门课程在实际应用中相关联起来,学生难以养成系统性思维.同时,根据近几年电子信息类各种实践型竞赛和就业来看,要求学生不仅掌握单元性的知识,更偏重于要求学生能够将几门课程的知识在实践中融合起来,对题目进行系统性的思考,学习如何完成顶层设计.综上所述,以前在实践教学过程中存在如下矛盾：①实验内容与人才培养目标的矛盾.对于工科人才培养模式的讨论是现在的热点问题,培养创新性工科人才,提高其实践能力,首先是实验内容设计,其次是实验设备采购或开发.目前的情况大多是按照传统的实验内容设计了现有的实验设备,而实验设备又制约了实验内容的创新,无法为创新性人才培养提供保障.②学生创新的热情与实验条件之间的矛盾.根据我校近几年比赛情况来看,自动化专业的参赛学生人数是日益增加的,学生对此抱有很大的热情,期望从中培养自己的工程实践经验,得到系统、全面的锻炼.虽然我们的创新实验室几乎是全天候对从事创新和竞赛的学生开放,但由于实验设备较为陈旧,功能已经不能完全满足需要,严重影响了学生的创新热情.针对上述问题,我校实践指导教师需要站在系统的角度上,将工程实践经验和理论教学中涉及的知识点相结合,开发了用于本科实践教学的基于SOPC技术的综合实验平台.该平台的研发综合考虑了模拟电子技术、过程控制、自动控制原理、单片机原理、数字电子技术、SOPC技术以及现场总线等多门核心课程的实践教学需求,本科生可以在该平台上进行综合性实验设计.开发该综合实验平台的最终目的是使学生在大二到大四的三年中,利用该平台完成相关综合性实验课程、电子课程设计、毕业设计和创新活动等实践活动,从感性认识到理论学习,由理论仿真到实践调试,最终实现系统、完整、理论和实践互动的学习过程,让学生经历并熟悉系统方案设计、系统功能仿真、硬件电路设计、软件程序编写、系统功能调试整个工程设计的流程.
二、综合开发平台的特点
该综合实验开发平台用于自动化本科生教学实践和创新活动,与传统的实践教学模式相比,具有如下特点.
1.理论与实践相结合.本实验平台采用顶层设计思路,覆盖了自动化几乎所有的专业课程的实践教学,教师在讲授理论知识的同时,相关知识点可以实现在此实验平台上体现,改变了以往实践教学与理论教学脱钩的状态.
2.各门课程之间相关联.此实验平台可以涉及信号的输入、采集、处理、传输以及显示的全过程,而每一个环节又应用到了不同的技术,通过合理的设计综合性的实验内容,各门课程教师可以重点对照平台中本课程的知识点讲授应用,而对其他环节的内容简单讲解,使学生明白本门课程内容在整个自动化教学体系中所处的位置以及承担的作用.这样经过四年的培训,学生所学到的各个知识点将不再孤立,而是融会贯通的,并且能够非常清楚每门课程学到的知识点用在哪个环节.
3.系统性、灵活性和扩展性.本实验平台从硬件设计到实验内容设计均采用顶层设计的思路,每一个综合性实验都尽可能多的涵盖知识点,同时硬件的设计预留了足够的扩展接口,以便于兼容后期开发其他的实验扩展板.同时,软硬件的设计过程中强调模块化的设计思路,使学生在学习过程中更深刻的理解了各个知识点,也能更方便的用新学到的技术搭建的新模块替换旧的功能模块.
4.遵循CDIO工程教育培养模式.使学生在四年学习中通过该综合实验平台体验“做中学”的模式.大一学生通过参观实践平台系统,观看实验结果,倾听教师讲解,对自动控制系统有初步的概念,引发其好奇心,课后查阅文献,达到对本学科有初步认识的目的；大二学生运用学习过的《电路原理》、《模拟电路》、《数字电路》以及FPGA中的知识点,弄清楚该平台电路的工作原理,并运用它完成《电子课程设计》综合课程；大三学生需要对该平台的硬件电路进行焊接,加深对整个系统的体系结构和功能的理解,建立系统的概念,并在该平台上进行《SOPC技术》、《过程控制》等课程中的知识点进行仿真调试；大四学生通过该平台进行生产实习和毕业设计,根据指导教师要求设计综合性实验,通过查阅文献,进行方案论证、技术选择、系统仿真、软件编程、系统调试几个步骤,最终完成综合性实验.通过这样的培养,学生对各个模块、每个技术都会有较深的理解,对四年中所学的专业知识会有更深刻、更系统的认识.
三、综合实验平台的搭建
综合实验教学平台主要由一块主控板和若干扩展板构成.主控板为自主开发的基于SOPC技术的实验板,扩展板包括：开关电源扩展板、电机驱动扩展板和过程通道扩展板等.本实验平台的开发能够支持《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《过程控制》、《电机调速》、《SOPC技术》、《检测技术》等相关课程的综合性实验,教学过程中学生根据学习到的知识点选择相应的扩展板进行开发学习.目前主控板和开关电源扩展板已经开发完成,并用于实践教学.电源板与主控板连接框图如图1所示.图中红色虚线部分可以由模拟器件搭建,也可以通过使用SOPC开发板编程实现.学生在学习的不同阶段采用不同的技术来实现相应的功能.当学生在不同阶段采用不同的技术实现相同的功能时,加深了其对各门课程之间的关联,也大大激发了学生学习的热情.
开关电源扩展板是一个由模拟器件搭建的完整的闭环开关电路.涉及到的知识点有比例积分调节器、集成运放、比较器、三极管以及MOS管的使用、二极管特性及稳压管的使用、过流保护、单相整流桥、buck电路调试、PWM脉宽调制等.电路完全根据功能模块进行布局,每个功能模块的输入输出均预留接口,学生可以根据学习到的新知识设计电路来替代相应的功能模块.SOPC实验主控板是基于ALTERA公司的CycloneⅡ EP2C35芯片开发的.考虑到设计的灵活性和成本,主控板由核心板和扩展底板构成.核心板由FPGA芯片、FLASH芯片、SDRAM芯片、有源晶振以及其他阻容器件等组成,采用六层板设计,大大增加了系统的可靠性；扩展底板采用四层板设计,其接口丰富,包括：USB控制器、SD卡、时钟芯片、CAN控制器、LCD、8位AD、8位DA、LED、扩展口等、射频收发器、PS2接口以及串口收发器等.
实验指导书的编写要适用于各个层次的学生,分为基础篇和系统篇.基础篇用于所涵盖的各门课程的基础知识点,适用于所有学生.基础篇中的知识点都属于综合性实验中的某个模块,使学生能明白所学习的基础电路在系统中的作用,在此基础上,学生以后能更深刻地掌握综合性实验的开发；系统篇由具有工程实践经验的教师编写,该部分内容设计的综合性实验能够使学生深刻理解工程应用,在每个综合性实验的训练中,学生都需要经历需求分析、方案设计、技术手段分析、仿真、编程、调试等过程.该开发平台可以很好的应用于本科生各种专业实习以及本科生毕业设计等,同时也可以支持SRDP的创新平台以及电子设计大赛的培训等创新活动.
四、结语
新教学大纲要求自动化专业培养的本科生具有较强的工程实践能力,本综合实验开发平台的开发解决了目前高校中现有教学设备无法满足创新活动的问题,从工程角度出发,站在顶层设计的角度,为增强学生系统工程的意识、从事工程实践奠定了良好的基础.
参考文献：
[1]周丽芹,黎明,臧爱云,等.自动化专业实践教学体系的构建[J].教育教学论坛,2015,（11）：169-170.
平台开发论文范文结:
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