数智化FPGA综合实训系统

    筑梦系列    

数智化FPGA综合实训系统

一、产品开发背景和目的

FPGA作为一种可编程逻辑器件，因其可重构、高并行等特性，在通信、图像处理和工业控制等领域被广泛应用。根据公开数据，2023年全球FPGA市场规模已超过80亿美元，预计未来数年仍将持续增长。在高校工程教学中，FPGA相关内容已成为数字电路、系统设计等课程的重要组成部分。然而，现有的实验平台在教学适配性、结构灵活性和功能延展性方面仍存在不足，难以满足基础教学与项目实践的多样化需求。

针对这一现状，我们设计了一款提高款FPGA-SOC实验箱，采用“基板 + 核心板 + 高速拓展区域 + 磁吸拓展模块”的模块化硬件架构。核心板集成主控逻辑与必要功能单元，可脱离基板独立部署至其他设备中，提升了平台的可移植性和应用广度。基板承载基础功能电路与通用接口，便于教学操作与系统认知；高速扩展区域采用高强度连接座以适配不同种类的外设；磁吸拓展位则最大限度的复用通信接口可以堆叠搭配，这样的组合搭配进一步对实验载具的功能进行拓展和创新。该平台配套提供教学指导资料与开发案例，帮助学习者逐步掌握FPGA-SOC设计方法、模块协同和项目构建过程，适用于课程实验、项目训练及基础开发学习及高级通信开发学习等多种教学应用场景。

1.产业发展趋势

根据Statista和MarketsandMarkets等公开数据显示，2023年全球FPGA市场规模约为83亿美元，预计到2028年将增长至130亿美元，年均复合增长率达9.3%。随着FPGA在通信、工业控制、边缘计算等领域的深入应用，行业对具备硬件描述语言、系统架构和调试能力的人才需求持续上升。高等院校在工科专业教学中，也日益重视对可编程逻辑器件的实践教学。

当前课程改革普遍以OBE（成果导向教育）为核心理念，更加强调学生“学会什么、能做什么”从学生能力出发设计教学目标。这对实验平台提出更高要求——既要支持基础知识教学，又要具备系统级设计与综合项目训练的能力。模块化结构（如“基板 + 核心板 + 高速扩展区域 + 磁吸拓展模组”）的实验平台可覆盖从逻辑验证到应用部署的全过程，提升教学的延展性与适配性。未来，教学对FPGA实验设备将更关注其资源开放性、任务驱动支持能力以及与实际工程项目的结合深度，从而更好地服务产业对工程应用型人才的培养需求。

2.产业发展趋势图

二、产品概述

平台面向电子信息及计算机专业的教学实验设备,由基板 + 核心板 + 高速拓展区域 + 磁吸拓展模组 + 教学资源库五部分组成完整的教学实验体系。该设备采用基础性设计，把所有外设模块提供给学生，提高学生可塑性，实现任意搭建 FPGA-SOC 的开发和学习工作。

1.产品结构图

2.特色功能

• 核心板采用8层高精度PCB设计，包含DDR内存颗粒，EMMC存储器，采用4组高速BTB连接母座与外设进行通信。
• 基板，包含丰富的外设资源，如10英寸RGB电容触摸显示屏、高速ADDA、带编码器的直流步进电机、温湿度传感器、超声波传感器、3路USB HOST接口、1路USB_SLAVE接口、TF卡接口、双路HDMI接口、PL/PS两路千兆自适应以太网接口，2路万兆SFP接口，以及常见的用户交互输入输出接口（按键、LED灯）。
• 实验平台采用直流电源供电，使用附带的12V电源为基板供电。
• 实验箱包含一组高速扩展接口以及磁吸拓展接口，高速拓展接口采用2个高强度BTB连接座，采用差分等长布线原则，可以通过基本调整适配多种电平标准，目前适配的扩展模组包含（高双通道ADC、高速双通道DAC、单目摄像头、双目摄像头、HDMI采集、音频模组、WIFI蓝牙）；磁吸接口则采用2组弹簧端子，模组带有定位磁铁，可以堆叠开展实验，目前包含（三色灯模组、继电器模组、数码管模组、矩阵键盘模组）。

三、平台结构
1.平台结构：基板+核心板+高速拓展模组+磁吸模组。
2.基板：显示交互区域、驱动区域、传感器区域、通信接口区域、拓展区域。

4.教学应用
1.高校与职业院校 —— EDA系统开发设计教学

FPGA系统设计：通过实验箱传感器（温湿度）与核心板（FPGA）通信，学生可以完成 “智能温湿度监测系统” 搭建。
2.高校案例：中国石油大学《EDA系统开发设计》课程改革

痛点：传统实验台体积庞大场地受限，学生常因教室排课及场地问题无法开展实验。

解决方案：引入FPGA实验箱，精简体积，移动方便，供电便捷，管理便利。

五、配套资源