新能源背景下的電氣專業(yè)DSP課程建設與改革

陳瑞成 夏 帥 程國棟

（中國礦業(yè)大學徐海學院 江蘇 徐州 221000）

DSP，既被稱為數(shù)字信號處理技術(shù)，又指用于實時完成數(shù)字信號處理的微處理器。[1]DSP處理器因其存儲器架構(gòu)合理、處理速度快、實時性高等優(yōu)點，被廣泛應用于信號處理、通信、圖像識別、自動控制、儀器儀表等領(lǐng)域。因此，DSP課程已成為國內(nèi)多所高校開設的專業(yè)方向必修課程。[2]隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，DSP課程將煥發(fā)新生，以新能源為背景的電氣專業(yè)DSP課程建設與改革勢在必行。

新能源是一門多學科交叉的新興學科[3]，主體課程包括新能源發(fā)電技術(shù)和新能源汽車。無論是新能源發(fā)電還是新能源汽車都離不開高性能的數(shù)字信號處理器（DSP）的支持。DSP可以提供更高的處理速度和更多的外設資源，特別是模塊化的PWM控制模塊為新能源發(fā)電的變流器和新能源汽車用控制電機提供了更豐富的資源和控制自由度。因此，在新能源技術(shù)大發(fā)展的背景下，DSP課程的建設與改革應更具特色，且能夠服務于新能源技術(shù)的發(fā)展。為了引導學生建立正確的世界觀、價值觀和人生觀，響應國家“課程思政”建設的號召，DSP課程的改革還應引入思政元素。

一、DSP 課程建設存在的問題

（一）課程建設沒有結(jié)合專業(yè)特色

DSP課程涉及多個領(lǐng)域，國內(nèi)高校電子、信息、電氣、自動化等多個專業(yè)都開設了DSP課程，帶有普適性，教授內(nèi)容基本一致，沒有結(jié)合專業(yè)特色。另外，DSP課程涉及內(nèi)容較多，包括硬件結(jié)構(gòu)、存取器分配、各種外設、匯編指令、寄存器操作、CCS軟件開發(fā)等。由于是在大三下學期才開設的專業(yè)方向性課程，學時較少，如何結(jié)合專業(yè)特點，在有限的學時內(nèi)，對課程內(nèi)容進行優(yōu)化升級，是電氣專業(yè)DSP課程建設與改革首先要解決的問題。

（二）知識結(jié)構(gòu)沒有結(jié)合實際應用

傳統(tǒng)DSP課程側(cè)重于DSP芯片硬件結(jié)構(gòu)、匯編指令系統(tǒng)，應用部分涉及較少，課程知識結(jié)構(gòu)沒有結(jié)合實際應用。具體而言，體現(xiàn)在兩個方面：一方面，課程講授所使用的DSP芯片型號和工業(yè)現(xiàn)場有較大差距，更新?lián)Q代速度比較慢，導致課程知識結(jié)構(gòu)滯后，這對于應用性較強的DSP課程來說顯然是不合適的。另一方面，匯編語言使用的場合越來越少，把DSP課程的很大一部分學時分在匯編指令系統(tǒng)的講解上，不僅和單片機課程有所重復，而且壓縮了DSP課程應用部分的學時，無法引入和工業(yè)現(xiàn)場更加相關(guān)的實例化內(nèi)容。

（三）課程設計沒有結(jié)合思政元素

和其他專業(yè)課程類似，DSP課程作為專業(yè)必修課程，更多地側(cè)重于學生專業(yè)知識的拓展和專業(yè)能力的提高，對于學生思想道德方面的培養(yǎng)很少涉及。而大三是大學生涯的重要節(jié)點，這一時期大學生將會進行一次人生的重大抉擇——讀研或者就業(yè)，無論讀研還是就業(yè)，都需要正確的價值觀引導。讀研意味著繼續(xù)深造，意味著在中華民族偉大復興中有可能扮演更重要的角色，成為國家的高新技術(shù)人才，思想政治水平的提高至關(guān)重要。就業(yè)意味著走向社會，意味著將為祖國的社會主義建設添磚加瓦，需要具備辨別是非曲直的能力。DSP課程教學設計中思政元素的缺失，將使思政教育丟掉一塊重要陣地。

二、DSP 課程專業(yè)理論的建設與改革

（一）課程建設與改革的目標

在新能源技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下，電氣專業(yè)DSP課程建設與改革的總體目標為：培養(yǎng)能夠適應新能源技術(shù)發(fā)展的電氣專業(yè)應用型人才，通過課程內(nèi)容和形式上的改革，為《新能源汽車》《新能源發(fā)電》等課程提供更加堅強的編程技術(shù)支持，促進課程之間的交叉融合。具體而言，分為兩個方面：其一，以電氣專業(yè)為主體，結(jié)合新能源汽車技術(shù)，提高DSP課程的應用性，對理論內(nèi)容進行重新規(guī)劃，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)。其二，定向開發(fā)DSP實驗裝置，打造課內(nèi)實驗、課程實訓和畢業(yè)設計相統(tǒng)一的一體化實驗平臺。

（二）課程知識結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化

根據(jù)前述DSP課程建設與改革的目標，對課程知識結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整從兩個方面入手，分別是理論內(nèi)容的重新架構(gòu)和實驗內(nèi)容的整合升級。

1.理論內(nèi)容的重新架構(gòu)

改革后的理論內(nèi)容包括DSP硬件基本機構(gòu)、主要外設功能應用和DSP的綜合實例化三部分，所有涉及編程的內(nèi)容都使用C語言。這三部分內(nèi)容的選取非常必要，且相互銜接、環(huán)環(huán)相扣。硬件結(jié)構(gòu)的學習主要是了解DSP的特點、硬件機理及與其他微處理器的區(qū)別。了解了硬件結(jié)構(gòu)，外設部分的學習更有針對性，通過外設功能的學習應用，可為DSP的綜合實例化做準備。DSP的綜合實例化，是課程應用的終極目標，通過增加來源于工業(yè)實際應用中的被控對象或復雜實訓對象，例如直流電機、異步電機、直流無刷電機、永磁同步電機，可使學生加深對工業(yè)現(xiàn)場的理解，建立起系統(tǒng)化思維。

具體而言，為了體現(xiàn)DSP最新發(fā)展技術(shù)，選擇浮點型DSP控制器TMS320F28335作為硬件結(jié)構(gòu)的講解對象。該款芯片是TI主推高性能TMS320C28x系列DSP控制器，主頻高達150MHz；具備I2C、SPI、eCAN、ePWM等總線接口，適用于各種控制類工業(yè)設備，在新能源領(lǐng)域也有較廣泛的應用。選取的主要外設包括GPIO、ePWM、eQEP、ADC、SCI、SPI等，知識架構(gòu)由簡到難，循序漸進。DSP的綜合應用實例選擇永磁同步電機DSP控制系統(tǒng)，永磁同步電機因其體積小、效率高是新能源電動汽車驅(qū)動用電機的首選，學生通過該實例的鍛煉和培養(yǎng)，為未來從事新能源及相關(guān)行業(yè)或者進一步從事科學研究打下基礎。

2.實驗內(nèi)容的整合升級

實驗內(nèi)容的改革主要體現(xiàn)在實驗裝置的優(yōu)化升級和實驗項目的調(diào)整。

實驗裝置采用核心板和擴展板雙層箱式結(jié)構(gòu)，功能分區(qū)和布局如圖1所示，圖中28335核心板和電機接口具有擴展性。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，更高性能的芯片也會被制造出來，課程也應與時俱進，引入最新技術(shù)。此時，核心板的擴展性優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。而電機接口的可擴展性，有利于更多的應用實例被引入實驗課程，直流電機、永磁無刷電機、永磁同步電機、交流異步電機都可以作為實驗裝置的電機擴展模塊。

圖1 DSP實驗裝置功能分區(qū)和布局

實驗項目則針對不同的應用對象進行設置和調(diào)整。針對課內(nèi)實驗，設置3—5個基本外設實驗，包括GPIO、ADC、PWM和SCI通信等；針對課程實訓，除基本的外設實驗外，增加難度較小的永磁無刷電機應用實驗；針對畢業(yè)設計，則可以進行永磁同步電機矢量控制實驗。

三、DSP 課程思政理論的探索與引入

課程思政是指高校教師在傳授課程知識的基礎上引導學生將所學的知識轉(zhuǎn)化為內(nèi)在德性，轉(zhuǎn)化為自己精神系統(tǒng)的有機構(gòu)成，轉(zhuǎn)化為自己的一種素質(zhì)或能力，成為個體認識世界與改造世界的基本能力和方法。[4]“課程思政”的目標是將全程育人的理念融入所有課程中。[5]因此，DSP課程也應該引入思政元素。

（一）透過DSP課程看愛國主義教育

大學生是實現(xiàn)祖國偉大復興的后備力量，針對大學生的愛國主義教育應體現(xiàn)在大學生涯的每個時期。愛國主義教育不能停留在口號上，也不能僅僅依賴于思政課程的直接滲透，應在專業(yè)課程的教學中融入愛國主義教育。[6]但專業(yè)課程的主要目的是提升學生的專業(yè)能力，這一點不能變，不能本末倒置，專業(yè)課程的愛國主義應該是潤物細無聲的。

在DSP課程的教學中，有很多可以和愛國主義相結(jié)合的點。講到DSP芯片的市場份額時，應告訴學生，DSP芯片大都被國外公司壟斷，中國的DSP芯片基本上都依賴于進口。但是，國內(nèi)的一些公司已經(jīng)開始自主設計生產(chǎn)，例如進芯電子生產(chǎn)的3個系列的芯片與美國TI公司生產(chǎn)的DSP芯片完全兼容，且某些方面性能更優(yōu)，激發(fā)學生的愛國熱情。提醒學生保持正確的認知，不能偏激，既要學習美國先進的技術(shù)和理念，又不能忘記中華民族的優(yōu)良傳統(tǒng)，要為祖國的偉大復興添磚加瓦。

（二）透過DSP芯片迭代看發(fā)展創(chuàng)新

新時代大學生應該具備創(chuàng)新意識，能夠用創(chuàng)新思維獨立解決實際問題。而專業(yè)課的教學內(nèi)容更加貼近實際，在教學過程中應通過選擇合適的內(nèi)容，提取其中的哲學思想，并以此對學生進行思政教育。

發(fā)展是哲學術(shù)語，DSP芯片的迭代更新就是體現(xiàn)了發(fā)展的內(nèi)涵，由低位到高位、由低頻率到高頻率、由定點型到浮點型、從單核到多核都體現(xiàn)了由小到大、由簡到繁、由低級到高級、由舊物質(zhì)到新物質(zhì)的運動變化過程。告誡學生要用發(fā)展的眼光看問題，不能墨守成規(guī)；教育學生要有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，要大膽求變。

四、結(jié)語

以電氣專業(yè)為主體，結(jié)合新能源發(fā)展背景，對DSP課程進行建設和改革，從理論和實踐兩方面對課程知識結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，對課程理論內(nèi)容進行重新架構(gòu)，對實驗內(nèi)容進行重新調(diào)整和升級，使其能夠滿足培養(yǎng)新能源技術(shù)人才的需要。以愛國主義教育和發(fā)展創(chuàng)新的哲學思想為切入點，在改革中引入思政元素，使專業(yè)必修課程也能起到“育人”的功能，體現(xiàn)“課程思政”全程育人的理念。本文對電氣專業(yè)DSP課程的建設與改革為其他專業(yè)相關(guān)課程改革提供了一個重要思路。