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物理学実験の要素技術としてのFPGA教材開発

物理实验基础技术FPGA教材开发

基本信息

批准号：
23914008
负责人：
八幡和志
金额：
$ 0.38万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-23914008/
关键词：
教材開発デジタル回路 FPGA

项目摘要

本研究では、学部3年次の実験授業に向けた、FPGAを使った教材の開発を行った。これは、従来の標準ロジックICによるデジタル回路の授業のアップデートで、最近の研究現場で使われているFPGAを導入することを目的とする。まず、FPGAのメーカー、機種、開発環境のベンチマークの上、Xilinx社のSpartan-3を、開発環境としてISEを、開発言語としてVerilog HDLを選定した。次に、物理学の実験教育としての在り方を検討した。この結果、自分で原理を考えながら回路を組立て、配線ミスなどのトラブルを切り分けるトレーニングを行わせることも重要と判断し、従来のICによる授業も残すこととした。また、多く市販されているFPGAや入出力回路が一体化された教育用ボードではなく、Spartan-3とJTAG、電源、クロックのみのボードと、ブレッドボード、LEDやスイッチ等、ディスクリートな部品で回路教材とした。また、従来の授業では、オシロスコープで波形観測、タイミング解析を行わせている。一方、ロジックアナライザーは、信号波形ではなく、サンプリングしたタイミングのロジックレベルのみを示すので、両者の特性を併せ持つミックスドシグナルオシロスコープを測定装置とした。これらと開発環境のISE上でVerilog HDLにてAND回路を作成し、FPGAに転送、入出力回路を配線して動作確認するチュートリアルと、簡易なVerilog HDLの言語マニュアルを作成して試作教材とした。この試作教材で5人の学部3年生で、従来の実験授業の最後の課題2つ、リングカウンターとストップウォッチ回路をFPGAで置き換える予備実験を行った。その結果、想定していなかったFPGAの原理回路や単位回路などの説明に時間がかかり、チュートリアルを終わらせるだけで2～2.5時間要し、リングカウンターの課題が終わった段階で授業時間が終了した。さらに、将来にわたって教材を供給するために、Spartan-6での互換性を検証した。今後は、デモンストレーションを追加するなど、さらなる教材開発を行ったうえで授業に導入したい。

In the course of this study, the Department of Education has taught students for three years, and the FPGA has made the teaching materials available for the first time. The standard and standard information system is that the operation of the IC circuit and the recent research field have made it possible for the FPGA to be introduced into the system. Training, FPGA training, machinery, open environmental training, Xilinx Spartan-3, open environmental training, ISE, and Verilog HDL selection. Second, physics, education, education and education. The results of the test, the principle of self-separation and the principle of self-separation are used to verify the results of the test, the principle of self-separation, and the principle of self-separation. Multi-market, multi-market, FPGA input and output loops, integrated equipment, educational equipment, Spartan- 3JTAG, power source, consumer electronics, electrical equipment, LED equipment, etc., as well as the teaching materials for the circuit of these products. In the system, in the computer, in the waveform, in the computer, in the computer. One party, the signal waveform, the signal waveform and the signal waveform. The operation of the Verilog HDL operating AND loop on the environmental ISE, the operation of the FPGA power supply and input