基于項目的DSP原理及應用與電力電子技術課程融合教學探討

李春杰 李洪美 趙明偉

摘要：文章在分析DSP原理及應用課程與電力電子技術課程教學過程中存在的現實問題基礎上提出了基于項目的課程融合教學改革思路。在實際教學中，以項目化為導向，采用企業規范的項目開發流程完成DSP與電力電子技術課程的項目式教學。通過課程融合教學，使學生將學到的零散知識系統化，做到學以致用，融會貫通。

關鍵詞：DSP原理及應用;電力電子技術;課程融合;項目開發

中圖分類號：G642? ?? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）16-0085-04

Abstract： Based on the analysis of the practical problems existing in the teaching process of DSP principle and application course and power electronics course， the reform idea of the integration teaching course based on the project is put forward in the paper. In the actual teaching， taking project as the orientation， the project development process of enterprise standard is adopted to complete the project teaching of DSP and power electronics courses. Through the course integration teaching， the students make the scattered knowledge learned systematize， practice what you have learned and achieve mastery through a comprehensive study of the subjects.

Keywords： DSP principle and application; power electronics; integration teaching; project development

引言

隨著數字化、信息化技術的快速發展，數字信號處理器 （Digital Signal Processing，DSP）的研究與應用均日益成熟。DSP已成為眾多科學研究和工程應用的關鍵技術，其應用已遍布各個領域，如家用設備類、消費電子類、航空航天、軍事國防等[1-2]。

電力電子技術是一門新興的電子技術，應用范圍十分廣泛。它不僅應用在交通運輸、電力系統、通信系統、新能源系統等新型領域中，而且在節能照明、家用電器、一般工業領域中也有廣泛的應用。由此可見，學院開設這門課程的必要性，以及學生掌握這門課程的重要性。

本文涉及的兩門課程是電氣工程及自動化專業的核心專業基礎課。目前的教學方式傾向于傳統教學，由于受實驗條件限制注重理論教學，學生缺乏學習興趣。為了使學生更好地理解、掌握它們，有必要進行教學改革。關于電力電子技術教學改革的文獻有很多，一部分電力電子技術教學改革方案傾向于利用仿真軟件[3-5]，但仿真軟件不能鍛煉學生的動手能力;一部分注重項目式教學[6-7]。DSP教學改革的文獻也有很多[1-2，8-9]，大多數是從教學內容、教學手段進行改革。從目前教學改革文獻來看，兩門課程獨立教學改革，沒有課程融合教學改革。本文將兩門課程融合教學進行了探索。采用多課程融合教學既可改善傳統教學存在的一些問題，又可突顯項目化專業知識的連貫性。一個實驗裝置可以完成多門課程的實驗課，既避免了實驗室重復建設，又節省了成本。一個實驗裝置就是一個簡單的項目，與企業項目接軌，使學生一開始就以實際項目鍛煉自己，為以后就業打下基礎，不至于從課堂所學的知識與企業實踐嚴重脫軌。

一、電力電子技術和DSP原理及應用教學中存在的問題

（一）課程內容偏重理論知識

我院開設了40學時的“DSP原理及應用”課程，其中，8學時的實驗課程。該課程的理論知識主要包含了DSP的硬件結構、存儲器配置、尋址方式、指令系統以及通信模式等基礎知識;實驗課程則要求學生掌握DSP的開發流程及仿真調試技術驗證所編的程序是否正確。該課程的目的是使學生掌握DSP芯片原理與應用。鑒于DSP課程難度較大，并且在教學過程中存在著教學學時有限而知識點繁多、教學內容陳舊、教學方法單一等多種問題，一定程度限制了DSP課程的教學效果。而且學生普遍反映這門課難懂，限制了DSP應用化。

對于電力電子技術課程，我院安排了48學時的理論教學和8學時的實驗課。教學內容包含了各種器件、整流電路、斬波電力、逆變電路和交流調壓變頻電路、PWM控制技術以及軟開關技術等。教學內容較多，原理分析較多。教學中采用的仍然是傳統的授課方式（PPT幻燈片+板書）。這種授課方式比較單一，導致所傳授的知識有限以及學生所掌握的知識也有限。實驗教學也存在缺陷，受實驗設備和實驗時間的限制，學生分組做實驗，很多學生不能親自動手做實驗。而且做實驗也是按照接線圖，插幾根線，看下實驗現象就結束了，也沒有留給學生一定的發揮空間。直到畢業設計或者參加競賽，學生的綜合分析問題、解決問題的缺陷顯現出來。在課堂上學生學到的是零散的知識，沒有一個完整的知識架構與整體性的概念，所以在后期畢業設計環節，教師指導學生很辛苦，簡直就是手把手教。學生所學的專業知識最終還是要轉化為實際工程應用，所以教師在教授課程知識時應舉實例說明，先整體后局部，采用項目式模塊化教學。另外，市場上涌現出各種各樣的仿真軟件，而且學生每人都會有一臺筆記本電腦，學生可以借助于仿真軟件進行課下鞏固學習。教師采用多種教學手段替代單一課堂教學，可以使學生加深對本課程專業知識的理解。

（二）兩門課程相互獨立

由于講授電力電子技術課程和DSP課程的教師并非同一人，教師專業背景、教學計劃也會有所不同，使得兩門課程獨立，無關聯，不能對兩門課程融合教學。比如器件的開通、關斷需要DSP 控制器發出驅動信號控制。所以，在授課時要加強DSP與電力電子技術的緊密聯系，使學生能夠學以致用并做到理論聯系實踐。因此，DSP與電力電子技術課程的融合教學是十分必要的。在一個完整的電源產品中，控制器、采集調理、保護電路、主電路是缺一不可的。DSP控制器的輸入是靠傳感器采集信息，調理電路和保護電路對采集的信息進行處理滿足DSP輸入電平的要求。DSP控制器的PWM引腳輸出的是PWM脈沖信號，用來控制電力電子器件的導通與關斷。主電路則是由電力電子器件構成的各種變換器。調理保護電路則由數字電子電路課程中的運算放大器等構成。所以，一個項目所涉及的專業技術知識是由大學時期所開設的專業課多門課程聯合構成。

目前，多門課程學完之后，學生不能系統地將多門課程的內容知識結合起來使用，知識零散。學生也困惑學的知識不知道怎么用，其實是學生缺乏不同課程之間的融合訓練。項目式教學可以融合各門課程知識，做到學以致用、融會貫通，是教師教學生的最終目的。

二、基于項目的課程教學融合實施

我院模擬電子技術、數字電子技術以及傳感器與測量技術課程開課安排在大二上學期。而大二下學期開設了電力電子技術（56學時）和DSP原理與應用（40學時）課程。依據項目化的DSP技術與電力電子技術融合教學的要求，授課學時需要調整。兩門專業課的應用性較強，需要加入課程設計實踐環節。為了使兩門課程相互銜接，承擔這兩門課程的教師盡量專業相同，且在開課前需要共同制定教案、教學計劃等。理論教學與基礎實驗由各任課教師單獨組織，課程設計需由兩門任課教師共同指導完成。基礎實驗和課程設計都可在融合實踐平臺上完成。

三、基于項目的課程融合實踐平臺的實施

（一）項目實例確定

根據電力電子技術課程的教學計劃，選取典型且簡單實用的變換器為例，使實踐教學平臺適應企業生產發展的需要。預選取buck、boost電路， 三相橋式PWM整流器和單相橋式PWM逆變器這幾個項目實踐平臺，讓學生掌握DSP是如何控制電力電子器件以及加深理解各種變換原理，學生通過動手操作這幾個項目，系統地將所學知識聯系起來，訓練了他們的電力電子科研實踐的基本技能，拓寬了專業視野。該實踐平臺既可用于兩門課程的實驗課以及課程設計也可用于各種電力電子設計大賽訓練。

（二）實踐平臺構建

實踐平臺系統結構原理示意圖，如圖1所示，可滿足實驗教學和研發需要。該系統結構主要由主電路、控制電路、信號調理＼保護電路、驅動電路、傳感器等功能模塊組成。實踐平臺開發的主電路有buck電路模塊、boost電路模塊、 三相橋式PWM整流器模塊和單相橋式PWM 逆變器模塊。學生做哪個項目調換相應的主電路模塊，根據電氣原理圖，連接相應的接口構成一個簡單的項目系統。在該平臺上，學生可自由發揮，比如改進控制算法，自己編程、調試等。該平臺配有每個模塊的使用說明書，以及文字介紹說明各個模塊功能，強化學生對相關知識的認識與理解。該平臺是個通用版，可自由開發，適合做各類電源產品、電機驅動實驗等。

圖1中實踐平臺系統的控制器采用了DSP與CPLD/FPGA相結合的方式來實現。DSP控制器的主要功能是為了實現整個系統的控制算法和軟件保護的工作，而CPLD則是完成對系統硬件保護的工作。整個控制系統中的硬件電路還包括采樣調理電路、保護電路和IGBT器件的驅動電路等。交流信號采樣調理電路的原理圖如圖2所示。由于負的電壓信號不能作為DSP控制器的輸入信號，因此有必要對交流信號的零位進行電平抬升，使其最小值也能保持在0V之上。如果采集的信號是直流信號，則不需要這么復雜，只需要將電平控制在0～3.3V即可。控制系統在實際運行中，難免會出現一些故障。為了防止系統被破壞，需要加保護電路。保護電路的工作原理就是將實時檢測的信號與設定的信號閥值相比較，當輸入信號超過閥值時，輸出電平翻轉，輸入給可編程邏輯器件CPLDM4A5-128，通過CPLD內部邏輯電路，產生一個高電平信號，送到74F245的使能端和DSP，兩者同時封鎖PWM波輸出，斷開控制電路和主功率電路，做到軟硬件雙重保護。交流信號過流保護電路原理圖如圖3所示。由于CPLD 不接受交流信號，需要將輸入的交流信號變成直流信號，這就需要絕對值電路。圖中標注的絕對值電路是通過附加了2個二極管將交流信號變成直流信號的。如果輸入的是直流信號，去掉這2個二極管即可。圖4為故障顯示電路，可以查看系統發生了什么故障，不同的LED燈對應不同的故障信號。

圖1中的DSP控制板和調理保護電路PCB板是按照虛線框中的電路原理圖制作而成，其中，采樣調理接口留有余量，根據設計情況選擇使用。為了讓程序調試方便、直觀，實現控制指令的傳遞和反饋，需實現上位機和硬件電路的通訊，它利用了DSP片內集成的串口通訊模塊SCI，采用了標準串行通信RS232。整個實驗平臺的接口如圖5所示， 包含了系統電源接口、系統信號接口和SCI通信接口。其中，系統電源接口包含了單相＼三相電源接口、輔助電源接口;系統信號接口包含了驅動信號輸入、輸出接口和信號檢測輸入、輸出接口。

四、結束語

本文探討了DSP和電力電子技術兩門課程融合教學，建立了項目化的教學科研實驗平臺。它不僅豐富了教學方法和教學內容，而且學生通過實驗平臺可以加深對所學專業知識的理解，實現專業理論知識和實踐相結合。該教學實驗改革方案可以拓寬學生的專業視野，提高學生對兩門課程的認知和興趣，以及訓練學生的綜合能力。

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基金項目：國家自然科學基金項目“基于碳化硅功率器件的三相高功率因數AC-DC諧振變換器研究”（編號：51707085）;江蘇省現代教育技術研究“基于‘互聯網+和‘VR+的《電力系統分析》課題建設”（編號：2019-R-69276）;江蘇省高校實驗室研究會“基于國家級實驗教學示范中心科學構建電氣類創新人才培養平臺的研究”（編號：GS2019YB37）

作者簡介：李春杰（1985-），女，漢族，山東聊城人，博士，講師，研究方向：電力電子變換技術。