МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Технологии проектирования цифровых радиофизических устройств

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки03.03.03. Радиофизика
ПрофильМетоды и технологии цифровой экономики
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость4 ЗЕТ
Учебный план03_03_03_РФ-1-2020
Часов по учебному плану 144
в том числе:
аудиторные занятия 54
самостоятельная работа 90
Виды контроля по семестрам
зачеты: 8

Распределение часов по семестрам

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

Программу составил(и):
к.т.н, доцент, Суранов А.Я.

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент, Рудер Д.Д.

Рабочая программа дисциплины
Технологии проектирования цифровых радиофизических устройств

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.03.03 РАДИОФИЗИКА (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 12.03.2015г. №225)

составлена на основании учебного плана:
03.03.03 Радиофизика
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 9
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
д.ф.-м.н., профессор Лагутин Анатолий Алексеевич


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 9
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор Лагутин Анатолий Алексеевич


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
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)
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".
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
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

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.