作者：吕常智　董晓虎　范迪　赵洪亮　苏涛 本文字数：2493
　　[摘           要]  紧跟技术发展，把FPGA技术平台引入山东科技大学电气工程专业中，开设FPGA在电气工程中的应用课程并对之进行设计。课程框架压缩理论教学，突出实验和实践，结合专业特点设计了丰富的基础实验和应用综合实验，应用Xilinx公司产学合作协同育人项目式综合实验的教学方法，以培养应用型、技能型人才为目标，锻炼学生的实践动手能力，提高创新意识和综合素质，弥补FPGA技术相关课程在教学过程中传统的单纯课堂讲解模式的不足，积极探讨实践教学模式，培养学生的实践创新能力，以满足现代企业对实践型人才的要求。
　　[关    键   词]  FPGA;电气工程;实践教学;应用综合实验
　　[中图分类号]  G642            [文献标志码]  A            [文章編号]  2096-0603（2019）22-0019-03
　　 一、引言
　　 FPGA称为现场可编程门阵列，是在PAL、GAL等可编程器件的基础上发展起来的，凭借其高度的硬件并行结构、流水线架构、分布式内存及可编程等特性，在电子信息、通信工程、自动化等领域中广泛应用。
　　 FPGA属于弱电，电气工程属于强电专业和领域，因此，FPGA与电气工程专业结合并应用其中的情况目前还很少，也缺乏针对电气工程领域的FPGA教材和实验装置。实际上，FPGA的高精度脉冲时间捕捉、高密度数字I/O以及PWM信号发生器等强大数据运算能力、积木式设计结构及快速的响应速度，可实现驱动控制电路进行高效集成，在电力电子技术应用中有明显的优势。其中ARM具有流水线设计方法、硬件乘法器、PWM模块等丰富的资源，具备并行处理、设计可重构、设计流程直观等优点，可快速地实现复杂算法，并根据需求可在FPGA内部重构出SVPWM波输出接口以及ADC接口，在工业多电机控制领域优势突出。因此，把FPGA课程引入并应用于电气工程专业是非常必要的。
　　 然而FPGA涉及的知识技能很多，需要掌握理论，更需要扎实的实践锻炼，它包含VHDL语言、软件开发平台、FPGA内部硬件结构及外围电路。器件的基础结构、内部硬件结构等内容的教学难度大，其描述语言语法规则较多，给FPGA技术课程理论与实践结合带来了困难，因此，目前国内不少高校都在对FPGA教学进行改革。比如，有的直接把FPGA融入数字电子技术课程，在其中设置了一定量的FPGA实验内容;有的投入大量资金建设FPGA实验室，为提高学生FPGA应用开发能培养提供有力支撑;有的将FPGA创新开发实验教学平台融入现代电子技术、通信技术、计算机技术、EDA技术及硬件描述语言，在教学体系上提供一个理论与实践结合的实验平台。
　　 本文结合目前教学现状，，把FPGA技术引入电气工程学科中，专门开设了FPGA在电气工程中的应用课程，根据我校FPGA实验室和电气实验中心的教学条件和实验设备，结合赛灵思（Xilinx）公司ZynqPynq设计验证平台和开发板等硬件条件，开设基于FPGA在电气工程应用的实践教学课程，设计教学计划、实验模块与实验教案。教学设计突出以FPGA为应用对象，以VERILOG语言为主要描述逻辑手段的电子电路设计方法，进一步增加实验课学时，提高综合设计性实验和创新研究性实验的比例，并对实验内容及时更新，有意识地将验证性实验、综合设计性实验和创新研究性实验与课程设计、实训、实习和毕业设计等实践环节密切联系起来，结合FPGA在电气工程中实际应用的工程项目实验，让学生按照工程设计要求，课内完成设计任务，培养学生的电子设计能力和工程实践能力，达到了较好的教学效果。
　　 二、课程框架的设计及强化实践的做法
　　 原FPGA课程共48学时，其中理论32学时，实验16学时，理论为主，实验为辅。显然这种模式不利于学生动手能力的培养。
　　 为此，学院专门成立了教研小组，对课程进行深入细致的研究，做出了比较合理、科学的规划。围绕能力培养，构建实践教学体系，在教学过程中理论与应用结合，引导学生独立思考，主动探索，激发学生的主观能动性。把传统学科体系中的相关知识转化为教学项目，围绕项目开展教学，组织学生进行实战性训练。课程框架设计为六章内容，前五章为理论部分，最后一章为实验，包含基础实验和应用综合实验。理论部分要求学生掌握FPGA软硬件设计工具、Verilog语言的基本知识、电气工程的相关理论;实验部分要求学生掌握FPGA在电气工程中应用的工程实践。课程加大综合设计实验的比例，FPGA理论教学修订为16学时，实验教学修订为32学时，而且综合设计性实验由原来的12学时增加到24学时，以提高学生基于电气工程的综合运用与工程实践能力，引入多个综合设计性实验训练项目，在学生完成课内基本实验内容的基础上，进入该层次进行综合训练。
　　 （一）实验部分教学设计
　　 综合考虑课程的特点，在实验环节进行改革创新，实验部分设计了丰富、进阶型的实验项目，基础和综合部分各包含10个实验项目。基础实验有计数器设计、译码器设计、串口通信控制、ADC采集控制、数字频率计的设计、任意信号与PWM发生器、IGBT驱动触发系统设计、三电平逆变器主控制器的设计、正弦波逆变器的设计。综合实验有智能电网自动化、智能断路器的设计、步进电机的控制、电网实时数据采集与控制、电力系统的临时保护装置、变电站测控装置、电力系统谐波分析仪的设计、电力系统谐波检测系统的研究、用Vivado实现嵌入式linux操作系统与液晶屏驱动、基于Linux用Vivado实现的电能采集与频谱分析。

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