Технологии проектирования цифровых радиофизических устройств - Рабочая программа дисциплины - 03.03.03. Радиофизика - Направления подготовки

Закреплена за кафедрой	Кафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки	03.03.03. Радиофизика
Профиль	Методы и технологии цифровой экономики
Форма обучения	Очная
Общая трудоемкость	4 ЗЕТ
Учебный план	03_03_03_РФ-1-2020

Курс (семестр)	4 (8)	Итого
Недель	8
Вид занятий	УП	РПД	УП	РПД
Лекции	18	18	18	18
Практические	36	36	36	36
Сам. работа	90	90	90	90
Итого	144	144	144	144

1. Цели освоения дисциплины

1.1.	Получение базовых знаний о технологиях и системах автоматизации проектирования радиоэлектронных устройств на базе ПЛИС. Освоение навыков проектирования радиоэлектронных устройств набазе ПЛИС.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.01.01

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-2	способностью использовать основные методы радиофизических измерений
ПК-5	способностью внедрять готовые научные разработки
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.	Знать:
3.1.1.	Современный уровень развития ПЛИС и их функциональные возможности. Возможности систем автоматизации проектирования РЭУ на базе ПЛИС. Языки описания цифровых устройств. Технологию проектирования радиоэлектронных устройств Технологии автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств
3.2.	Уметь:
3.2.1.	Выбирать архитектуру ПЛИС при разработке новых радиоэлектронных устройств Пользоваться системами автоматизированного проектирования устройств на базе ПЛИС Реализовывать этапы проектирования радиоэлектронных устройств Применять системный подход к проектированию новых радиоэлектронных устройств Работать с научной, технической и учебной литературой по данному направлению.
3.3.	Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.	Технологией отладки и тестирования программных модулей, предназначенных для записи в ПЛИС Технологией отладки и тестирования аппаратных модулей на ПЛИС Методами тестирования разработанных радиоэлектронных устройств Методами документирования результатов испытаний

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия	Наименование разделов и тем	Вид занятия	Семестр	Часов	Компетенции	Литература
Раздел 1. Общие вопросы проектирования радиоэлектронных устройств
1.1.	Эволюция радиоэлектронных устройств и средств их проектирования. Этапы проектирования радиоэлектронных устройств. Основные виды информационных технологий, применяемых в процессе проектирования и производства РЭУ. Архитектура информационных технологий и систем.	Лекции	8	2	ПК-2, ПК-5	Л1.2, Л3.1, Л2.2
1.2.	Эволюция радиоэлектронных устройств и средств их проектирования. Этапы проектирования радиоэлектронных устройств. Основные виды информационных технологий, применяемых в процессе проектирования и производства РЭУ. Архитектура информационных технологий и систем.	Сам. работа	8	6	ПК-2	Л1.2, Л3.1, Л2.2
1.3.	Системный подход к проектированию радиоэлектронных устройств. Основные признаки системы. Основные положения системного подхода применительно к проектированию РЭУ.	Лекции	8	2	ПК-2, ПК-5	Л3.1, Л1.1
1.4.	Выполнение индивидуального задания по проектированию радиоэлектронного устройства.	Практические	8	6	ПК-2, ПК-5	Л3.1, Л1.1
1.5.	Системный подход к проектированию радиоэлектронных устройств. Основные признаки системы. Основные положения системного подхода к проектированию РЭУ.	Сам. работа	8	10	ПК-2, ПК-5	Л3.1, Л1.1
1.6.	Классификация и основные свойства микросхем программируемой логики. Рекомендации по выбору семейства и типа ПЛИС для разрабатываемого устройства.	Лекции	8	2	ПК-2	Л3.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 2. Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx в среде WEBPACK ISE
2.1.	Проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx с использованием пакета WEBPACK ISE. Структура проекта и методика создания нового проекта в САПР WebPACK ISE. Создание схемотехнического описания проектируемого устройства. Ввод временных и топологических ограничений проекта. Синтез проекта с использованием средств пакета WebPACK ISE.	Лекции	8	2	ПК-2, ПК-5	Л3.1, Л2.3
2.2.	Знакомство с САПР Xilinx ISE. Методика сквозного проектирования цифровых устройств на базе ПЛИС Xilinx. Освоение технологии создания проектов цифровых устройств в САПР Xilinx ISE.	Практические	8	4	ПК-2, ПК-5	Л3.1, Л2.3
2.3.	Изучение САПР Xilinx ISE	Сам. работа	8	12		Л3.1
2.4.	Проектирование цифровых устройств на ПЛИС с помощью схемотехнического редактора Xilinx ECS.	Практические	8	4	ПК-2	Л3.1
2.5.	Изучение схемотехнического редактора Xilinx ECS.	Сам. работа	8	10	ПК-2	Л3.1
2.6.	Использование языка VHDL для описания проектируемого устройства. Структура описания устройства на языке VHDL. Определение функций и процедур, используемых в составе архитектуры объекта. Применение различных стилей определения архитектуры объекта. Параллельно и последовательно выполняемые операторы языка VHDL.	Лекции	8	2	ПК-2, ПК-5	Л3.1, Л2.1, Л2.3
2.7.	Описание в VHDL типовых дискретных устройств. Использование шаблонов встроенного HDL-редактора и шаблонов описаний, создаваемых разработчиком. VHDL-синтез проекта с использованием средств пакета WebPACK ISE.	Лекции	8	2	ПК-2, ПК-5	Л3.1, Л2.1, Л2.3
2.8.	Описание в VHDL типовых дискретных устройств. Использование шаблонов встроенного HDL-редактора и шаблонов описаний, создаваемых разработчиком. VHDL-синтез проекта с использованием средств пакета WebPACK ISE.	Практические	8	4	ПК-2	Л3.1, Л2.1
2.9.	Изучение архитектуры проекта, синтаксиса, типов данных и операций пакета языка VHDL.	Сам. работа	8	12	ПК-2	Л3.1, Л2.1, Л2.3
2.10.	Проектирование асинхронного приёмопередатчика (UART) на базе ПЛИС	Практические	8	4	ПК-2	Л3.1, Л2.1, Л2.3
2.11.	Изучение функциональных модулей, обеспечивающих работу последовательного порта.	Сам. работа	8	10	ПК-2	Л3.1, Л2.1, Л2.3
2.12.	Функциональное моделирование проектируемого устройства на базе ПЛИС.Структура и способы подготовки тестового модуля проекта. Создание тестового модуля проекта в текстовом формате и в форме временных диаграмм. Этапы моделирования цифровых устройств на базе ПЛИС.	Лекции	8	2	ПК-2	Л3.1, Л2.1, Л2.3
2.13.	Изучение технологии функционального моделирования в среде WebPACK ISE.	Сам. работа	8	10	ПК-2	Л2.1, Л2.3
Раздел 3. Проектирование реконфигурируемых устройств ввода-вывода на основе FPGA
3.1.	Реконфигурируемые устройства ввода-вывода на основе FPGA. Типовые архитектуры реконфигурируемого ввода-вывода. Системы на основе контроллера реального времени. Состав и особенности среды проектирования реконфигурируемых систем.	Лекции	8	2	ПК-2, ПК-5	Л3.1, Л2.2
3.2.	Технология создания проекта на базе модуля NI myRIO.	Практические	8	6	ПК-2	Л3.1, Л2.2
3.3.	Субпалитры FPGA. Методы и средства отладки FPGA-приложений. Разработка реконфигурируемых систем в LabVIEW. Этапы разработки реконфигурируемых систем.	Сам. работа	8	8	ПК-5	Л3.1, Л2.2
3.4.	Разработка реконфигурируемых устройств ввода и обработки цифровых сигналов на базе FPGA.	Практические	8	8	ПК-2	Л1.2, Л3.1, Л2.2
3.5.	Оптимизация FPGA VI. Управление FPGA VI. Разработка Host VI. Синхронизация обмена данными между Host VI и FPGA VI. Проектирование систем на платформе myRIO.	Лекции	8	2	ПК-2, ПК-5	Л1.2, Л3.1, Л2.2
3.6.	Оптимизация FPGA VI. Управление FPGA VI. Разработка Host VI. Синхронизация обмена данными между Host VI и FPGA VI. Проектирование систем на платформе myRIO.	Сам. работа	8	12	ПК-2	Л1.2, Л3.1, Л2.2

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

1. Этапы проектирования радиоэлектронных устройств.
2. Системный подход к проектированию радиоэлектронных устройств.
3. Основные признаки системы. Основные положения системного подхода применительно к проектированию РЭУ.
4. Основные производители ПЛИС. Особенности ПЛИС каждого производителя. Классификация и внутренняя организацию современных ПЛИС компании Xilinx.
5. Методика проектирования цифровых устройств на основе ПЛИС компании Xilinx. Языковой и схемотехнический подход к проектированию.
6. Основные элементы и конструкции языка VHDL: константы, переменные, сигналы. Основные типы данных. Атрибуты. (атрибуты сигналов, скалярные атрибуты, атрибуты массивов).
7. Базовая структура VHDL-файла. Интерфейс и архитектура объекта. Синтаксис объявления интерфейса и структуры объекта.
8. Архитектура проекта в поведенческой и структурной формах. Примеры реализации архитектуры для комбинационных и регистровых схем (мультиплексор, демультиплексор, D-триггер с асинхронным сбросом, счетчик с асинхронным сбросом).
9. Поведенческая форма проекта: явно заданный оператор PROCESS со списком и без списка чувствительности. Синтаксис записи операторов PROCESS. Последовательные операторы (перечень и краткая характеристика).
10. Операторы цикла LOOP, WHILE… LOOP и FOR… LOOP. Последовательные операторы IF и CASE.
11. Поведенческая форма проекта: неявно заданные операторы PROCESS:
12. Структурная форма проекта. Синтаксис операторов COMPONENT и PORT MAP.
13. Проектирование устройств на ПЛИС в среде LabVIEW. Компоненты проекта.
14. Технология трансляции исходного кода.

5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)

5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации

См. ФОС в Приложении

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
	Авторы	Заглавие	Издательство, год	Эл. адрес
Л1.1	Батоврин, В.К.	Системная и программная инженерия. Словарь-справочник: : учебное пособие для вузов	М. : ДМК Пресс // ЭБС "Лань", 2010	https://e.lanbook.com/book/1097
Л1.2	Жуков К.Г.	Модельное проектирование встраиваемых систем в LabVIEW: учеб.-метод. пособие	М. : ДМК Пресс // ЭБС "Лань", 2011	https://e.lanbook.com/book/1337.
6.1.2. Дополнительная литература
	Авторы	Заглавие	Издательство, год	Эл. адрес
Л2.1	Бабак В.П., Корченко А.Г., Тимошенко Н.П., Филоненко С.Ф.	VHDL [Электронный ресурс] Справочное пособие по основам языка :	М.: ДМК Пресс, 2016	http://www.student library.ru/book/ISBN9785941201693.html
Л2.2	Баран Е.Д.	LabVIEW FPGA Реконфигурируемые измерительные и управляющие системы: Бакалавриат, Магистратура, Специалитет	М.: ДМК Пресс // ЭБС "Лань", 2009	e.lanbook.com
Л2.3	Максфилд К.	Проектирование на ПЛИС. Курс молодого бойца [Электронный ресурс]:	М.: ДМК Пресс, 2015	www.studentlibrary.ru
6.1.3. Дополнительные источники
	Авторы	Заглавие	Издательство, год	Эл. адрес
Л3.1	А.Ю. Бортников	Проектирование устройств на базе ПЛИС: Методические указания к выполнению лабораторных работ	АлтГУ, 2010
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
	Название		Эл. адрес
Э1	Spartan-3 Generation. FPGA User Guide www.xilinx.com
Э2	Spartan-3 FPGA Family: Complete Data Sheet www.xilinx.com
Э3	ЭБС «Лань» (http://e.lanbook.com/)
Э4	ЭБС «Юрайт» (http://www.biblio-online.ru/)
Э5	ЭБС "АлтГУ" (http://elibrary.asu.ru)
Э6	Курс " Технологии проектирования цифровых радиофизических устройств" на Образовательном портале [Электронный ресурс]		portal.edu.asu.ru
6.3. Перечень программного обеспечения
Microsoft Windows Microsoft Office 7-Zip AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория	Назначение	Оборудование
001вК	склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования	Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032
519М	электронный читальный зал с доступом к ресурсам «ПРЕЗИДЕНТСКОЙ БИБЛИОТЕКИ имени Б.Н. Ельцина» - помещение для самостоятельной работы	Учебная мебель на 46 посадочных мест; 1 Флипчарт; компьютеры; ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" и доступом в электронную информационно-образовательную среду; стационарный проектор: марка Panasonic, модель PT-ST10E; стационарный экран: марка Projecta, модель 10200123; система видеоконференцсвязи Cisco Telepresence C20; конгресс система Bosch DCN Next Generation; 8 ЖК-панелей
304К	лаборатория телекоммуникаций и цифрового телевидения центр систем автоматизации и управления - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации	Учебная мебель на 10 посадочных мест; рабочее место преподавателя; стеллажи под лабораторное оборудование; проектор: марка INFOCUS модель IN24 - 1 единица; программно-аппаратный комплекс измерения технологических параметров на базе плат, система сбора данных AFS, средства отладки и программирования DL-NEXYS, станции паяльные ERSA (2шт.), телефон системный Panasonic KX-DT321RU-B (2шт.), IP-платформа Panasonic KX-NCP1000RU, Анализатор спектра R&S FSH8, модальная система анализа и генерации сигналов, персональные портативные устройства сбора данных NI myDAQ; методические указания по выполнению лабораторных работ по курсам "Техника приема и обработки сигналов", "Проектирование устройств на ПЛИС", "Цифровая и микропроцессорная техника".
Учебная аудитория	для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик	Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Курс состоит из трёх основных разделов:
1. общие вопросы проектирования радиоэлектронных устройств;
2. проектирование цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx в среде WEBPACK ISE;
3. проектирование реконфигурируемых устройств ввода-вывода на основе FPGA

При изучении первого раздела необходимо уяснить для себя, что проектирование – это разработка проектной, конструкторской и другой технической документации, предназначенной для создания новых видов и образцов промышленной продукции (БСЭ). Т.е. при проектировании речь идёт, прежде всего, о разработке документации. Необходимо также чётко представить этапы проектирования в соответствие с ГОСТ 2.103-68 и уяснить – какие этапы выполняются в форме научно-исследовательской работы, а какие – в форме опытно-конструкторской работы. Для закрепления теоретических сведений по проектированию в курсе предлагается выполнить учебный проект по разработке радиоэлектронного устройства. Этот проект должен включать все этапы «настоящего» проектирования, а именно – составление технического задания и формулирование технического предложения, разработку эскизного проекта, разработку технического проекта и разработку рабочей документации. Вместе с тем, необходимо сделать поправку на учебный характер проекта и уменьшить объём документации по последним трём этапам.
При изучении технологии проектирования цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx в среде WEBPACK ISE на практических занятиях рассматривается реализация проектов как в схемотехнической форме, так и с помощью языка VHDL. Первое практическое занятие по этому разделу включает именно схемотехническую реализацию проекта, в то время как на втором и третьем занятии рассматривается языковая реализация проекта.
При изучении языка VHDL необходимо учесть его специфику, связанную с моделированием цифровых схем, в частности с использованием многочисленных параллельно выполняющихся операторов, иерархичностью проектов и с использованием событийного принципа управления выполнением программы. При составлении проектов необходимо пользоваться готовыми шаблонами программных конструкций. При работе с тактируемыми цифровыми схемами необходимо усвоить связь разрядности счётчиков с частотой их выходного сигнала.
При изучении технологии проектирования реконфигурируемых устройств ввода-вывода на основе FPGA следует изучить структуру проекта, функции его отдельных компонентов и также связь настройки тактирующих элементов с частотой формируемых колебаний или скорость передачи данных. Для закрепления навыков проектирования радиоэлектронных устройств с помощью данной технологии на практических занятиях предусмотрена разработка проекта простейшего цифрового фильтра.