研究生DSP開放型綜合創新實驗平臺設計與開發

摘要：為加強研究生工程應用與科技創新能力培養，針對DSP在控制領域的應用需求設計、開發了一種開放式綜合創新實驗平臺。該實驗平臺采用可插拔DSP核心板和模塊化外設擴展板的開放架構，實驗者可根據任務需求設計和選擇相應模塊，通過簡單的連線構建所需DSP應用系統硬件，在此基礎上通過軟件開發完成相應DSP應用系統設計。基于該實驗平臺開發了基礎實驗、綜合設計實驗，并支持進行開放性創新設計，有助于研究生由淺入深、循序漸進地掌握DSP原理與開發、應用技術。

關鍵詞：DSP；實驗平臺；實驗開發；工程應用；科技創新

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）29-0065-03

研究生教育擔負著培養高素質人才和發展科學技術的雙重任務，是培養高層次創新人才的主渠道。[1]隨著國家新型工業化發展道路、建設創新型國家戰略的實施，社會對人力資源要素提出了更高要求，尤其是對現代研究型卓越工程師的需求不斷增加，要求越來越高。

數字信號處理器（Digital Signal Processor，簡稱DSP）具有計算速度快、體積小、功耗低等優點，是實現數字信號處理的強大工具。[2]近30年來，DSP的應用已從軍事、航空航天擴大到數字通信、信號處理、工業控制、儀器儀表、家用電器等領域。[3]IT產業及其相關工程領域對熟悉、了解DSP技術人才的需求量越來越大。

目前，國內許多高校相繼為研究生開設了DSP技術及應用課程，但大部分以理論教學為主、實驗教學為輔，不利于研究生工程應用與科技創新能力的培養。且實驗平臺多采用市場上現成的開發板或實驗箱，雖提供代碼和實驗指導書，但功能單一、靈活性較差[4]，往往只能根據既定步驟做實驗、觀察結果或修改參數，進行一些簡單的設計性實驗；很難根據需要修改外圍接口電路，進行綜合實驗和創新設計。為此，我們針對DSP在控制領域的應用需求，設計、開發了一種開放式綜合創新實驗平臺。并在此基礎上開發了相應的基礎實驗、綜合設計實驗，以及創新設計專題，以滿足研究生對DSP技術的工程應用與創新設計需求。

一、綜合創新實驗平臺硬件系統設計

本實驗平臺由主要由兩部分構成：一部分是可插拔的DSP控制核心板，另一部分是模塊化的外設擴展板，其結構框圖如圖1所示。其中核心板和擴展板在電路上各自獨立，通過標準接插件連接；外設擴展板中各模塊內部電路連接也相互獨立，以免互相影響。為了實現外設擴展板的一板多用和便于核心板的升級換代，核心板和擴展板連接的接插件中核心板的信號定義固定。核心板和外設擴展板中各關鍵引腳和信號以均通過測試孔引出，方便連線。

1.核心板設計

目前，在控制領域廣泛應用的是美國德州儀器（TI）的C2000系列DSP控制器。該控制器主要包括定點系列、浮點系列和精簡版的小封裝系列。在設計中分別選擇這三個系列中的典型芯片TMS320F2812、F28335和F28027開發了獨立的核心控制板，即最小硬件系統。它們均可作為開發板獨立使用，也可插入外設擴展板中構成應用系統實驗箱。

以TMS320F28335為例，其核心板包括電源電路、復位電路、時鐘電路、JTAG仿真電路、12路LED顯示電路。電源電路采用TPS767D301雙路低壓差電源調節器分別產生3.3V和1.9V的電壓。模擬3.3V和1.9V由數字3.3V與1.9V通過加上電感、電容進一步濾波得到，模擬地和數字地通過電感隔離。采用TPS3305芯片作為復位電路，可通過按鍵手動復位，也可對系統電源電壓進行監控。時鐘電路采用片內時鐘電路外加30M晶體和2個負載電容組成。該核心板原理圖和實物圖分別如圖2（a）、（b）所示。

2.外設擴展板設計

外設擴展板包括各DSP片內外設的擴展接口和其他常用標準外設接口。片內基本外設接口包括用于通用數字量輸入輸出（GPIO）模塊的8×8發光二極管（LED）點陣和8路數字量輸入用撥碼開關，模擬/數字轉換（ADC）輸入通道接口和0～3V可調模擬電壓輸出，增強脈沖寬度調制EPWM輸出接口，捕獲輸入ECAP接口、異步串行通信SCI接口等。通過這些基本外設的擴展接口可以方便研究生對DSP片內各外設模塊進行應用開發。為了進一步培養研究生的工程實踐和DSP應用系統設計能力，在擴展板上設計了串行和并行數字/模擬轉換（DAC）接口、8位數碼管顯示電路、液晶顯示模塊、音頻輸入輸出模塊、PS2鍵盤接口、USB模塊、SD卡模塊、以太網模塊等。擴展板實物圖如圖2（c）所示（其中核心板位置插的是F28335核心板），部分擴展接口原理電路如下：

（1）USB通信接口。USB是由COMPAQ、INTEL、MICROSOFT和NEC等公司共同開發的一種新型快速、雙向、同步、可熱插拔的通用串行數據傳輸總線，具有帶寬同步、靈活穩定、易于與PC機接口、成本低廉和易于升級等優點。我們采用USB接口芯片CH375設計了USB通信接口，如圖3（a）所示。該器件內置USB通信傳輸協議，可配置為從機和主機工作模式，使用方便，能減少控制器代碼量，也免去從0開始實現USB傳輸協議的煩惱。

（2）AIC23音頻解碼接口。為方便研究生掌握DSP的多通道緩沖McBSP接口、集成電路總線I2C接口的應用開發方法，以及設計DSP音頻解碼系統，采用音頻芯片AIC23設計了音頻解碼接口電路，如圖3（b）所示。AIC23是TI公司生產的音頻Codec芯片，它內置耳機輸出放大器，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式。AIC23芯片內部集成了ADC和DAC，并采用了Sigma-delta過采樣技術，可在8K到96K的頻率范圍內提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣，具有高保真音質。它有左判斷、右判斷、I2S和DSP四種音頻接口模式；DSP模式下，能夠與DSP實現無縫連接。圖3（b）中，DSP通過I2C接口向AIC23發送控制命令，通過McBSP接口與AIC23進行數據通信。

二、綜合創新實驗平臺軟件開發

1.開發環境

對實驗平臺進行軟件開發時，使用SEED-XDS510硬件仿真器將DSP控制器通過JTAG標準測試接口與PC機相連，如圖4所示。根據實驗平臺的硬件結構，分別用C、C和匯編混合編程的方法設計了系統的主控制模塊和各功能模塊的設計范例，可以方便地在CCS集成開發環境下調試，并編寫了實驗指導書。

2.基礎實驗項目

在硬件平臺的基礎上，設計、開發了相應的基礎實驗項目，包括CCS的使用及C程序設計、GPIO輸入輸出實驗、定時器中斷實驗、外部中斷實驗、AD采集及數碼管顯示實驗、PWM輸出實驗、串行和并行DA實驗、通信模塊實驗（包括SCI串行通信實驗、SPI串行外設接口通信實驗、CAN總線實驗、I2C總線實驗）、液晶顯示實驗等實驗。通過這些基礎實驗能夠熟練掌握CCS開發環境的應用、匯編和C語言程序的開發方法以及DSP的編程思想，熟悉DSP的各片內外設模塊的工作原理和應用、開發方法，為下一步利用該實驗平臺進行綜合設計實驗項目打下基礎。

3.綜合設計實驗項目

綜合性實驗要求研究生綜合應用本學科知識和相應實驗條件完成系統級的復雜實驗。為了進一步訓練和培養研究生的工程實踐能力和DSP應用系統設計能力，開發了音頻實驗、PS2鼠標和鍵盤實驗、USB主機從機實驗、SD卡文件系統實驗、網卡實驗、數字濾波器設計等系統性綜合設計實驗。綜合設計實驗提供了標準、規范的代碼，通過綜合設計實驗可以培養研究生進行DSP應用系統軟、硬件設計和開發的能力。

4.開放式創新設計專題

為提高研究生的創新素質和工程實踐能力，我們支持各位研究生根據自身情況與研究需要選擇設計開放式創新設計專題內容。考慮到實驗條件、完成設計與驗證的時間需要等因素，建議選題方向為數字信號處理系統、數據通信與網絡、數字控制系統、自動化儀表、機電測控系統等。設計任務完成并驗證后，要求研究生提交完整的設計報同時，內容包括：對象的具體描述或算法分析、系統設計思路與方法、系統組成和硬件電路原理圖、DSP源程序、實驗或仿真方法與手段（含制作的樣機照片）、實驗結果及其分析、實驗總結或者收獲/建議等。

三、結語

該實驗平臺的DSP核心板可根據需要進行更換，外設擴展板采用工程化觀點設計，不僅包含了各種常用接口和外設，而且所有模塊的內部電路獨立，外部接口以連接孔的方式開放，實驗者可根據任務需求自行設計和選擇相應模塊，通過簡單的連線構建所需的DSP應用系統硬件，在此基礎上通過軟件開發完成完整的DSP應用系統設計。

創新實驗平臺可完成相關課程基礎實驗、綜合設計實驗和各種創新設計專題。在同一平臺上，可完成從最基本的GPIO操作到復雜的EPWM波輸出等對單個外設模塊進行操作的基礎實驗，到綜合應用專業知識和多個外設模塊進行的綜合設計實驗，再到自行選題完成開放性的創新設計專題，獨立進行DSP應用系統開發，循序漸進地培養研究生對DSP技術的工程實踐能力，并以此為契機，提高其創新意識和創新思維。

該實驗平臺可直接用于電氣工程、電子信息、控制科學與工程、儀器科學與技術、機電自動化工程等相關學科研究生DSP技術與應用課程教學中，也可用于高年級本科生、專科生相關課程的實驗教學中，有效提高DSP設計、開發與應用水平，增強創新設計和工程實踐能力，解決普遍存在的理論教學與工程實際需求相脫節的矛盾。

參考文獻：

[1]王魯楊.以課程教學為載體培養研究生創新能力的探索[J].中國電力教育，2014，303（8）：18-20.

[2]姚睿，王友仁，儲劍波，等.DSP—C2000綜合實驗平臺的研制與開發[J].沈陽理工大學學報，2005，（2）：22-25.

[3]何蘇勤，單惠瑜.DSP開放式教學實驗系統的研究與應用[J].實驗技術與管理，2009，26（7）：69-72.

[4]楊旭.開放式DSP實驗教學系統設計與開發[J].實驗室科學，

2007，（5）：84-86.

（責任編輯：王祝萍）