定制式創(chuàng)新型DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚國(guó)珍 尚秋峰 張靜

摘 要 針對(duì)現(xiàn)有DSP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)一種定制式創(chuàng)新型DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K和實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)底板兩部分構(gòu)成，有機(jī)結(jié)合便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K和固定場(chǎng)所用實(shí)驗(yàn)箱的優(yōu)點(diǎn)，適用于分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。應(yīng)用實(shí)踐表明：該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)有助于增強(qiáng)DSP實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)；便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K；實(shí)驗(yàn)箱；電子信息科學(xué)與技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）22-0026-04

Design of Customized Innovative DSP Experimental Teaching System//YAO Guozhen， SHANG Qiufeng， ZHANG Jing

Abstract Aiming at the shortcomings of the existing DSP experimental system， a customized innovative experimental teaching system is?designed in this paper. The system consists of two parts： portable experiment module and experiment box bottom plate. It combines the advantages of portable experiment module and experiment box used at fixed place， and it is suitable for hierarchical experiment tea-ching mode. The application practice shows that the experimental?teaching system is helpful to improve the teaching effect of DSP experiment and cultivate innovative practice ability of students.

Key words DSP experimental teaching system; portable experiment module; experiment box; electronic information science and techno-logy

0 引言

教育部于2017年上半年發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》。新工科的本質(zhì)就是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，需要具備扎實(shí)的理論知識(shí)基礎(chǔ)，具有創(chuàng)造思維和創(chuàng)新工程實(shí)踐能力[1]。對(duì)于電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，微處理器類(lèi)課程是培養(yǎng)創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力方面非常重要的專(zhuān)業(yè)課[2-3]。

數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）是一種適合進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的微處理器，已被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。為了使學(xué)生掌握數(shù)字信號(hào)處理理論，并且能夠應(yīng)用數(shù)字信號(hào)理論解決實(shí)際問(wèn)題，很多高校開(kāi)設(shè)了DSP技術(shù)相關(guān)課程[4-6]。DSP技術(shù)課程與實(shí)踐結(jié)合比較緊密，為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，該課程一般都設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容相對(duì)應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。實(shí)踐環(huán)節(jié)采用的實(shí)驗(yàn)裝置一般分兩類(lèi)：便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K和實(shí)驗(yàn)箱。便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K可以在宿舍、教室等很多地方使用，但一般只能完成部分基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)箱上的硬件資源比較豐富，可完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，但一般僅限于在實(shí)驗(yàn)室使用。

基于實(shí)驗(yàn)箱和便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K的優(yōu)缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種定制式創(chuàng)新型DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該教學(xué)系統(tǒng)由便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K和實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)底板兩部分組成，便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K可獨(dú)立運(yùn)行，兩部分結(jié)合到一起即構(gòu)成實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。此種設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K和實(shí)驗(yàn)箱的不足，并特別針對(duì)電子信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)定制了部分硬件資源，使用更加靈活和有針對(duì)性。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TI公司的DSP在市場(chǎng)上占有的份額比較大，其中的5000系列為低功耗DSP，主要用于通信、信號(hào)處理等方面。TMS320VC5509A為5000系列DSP的主流型號(hào)，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用TI公司的TMS320VC5509A作為核心處理器。

1.1 便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K的選擇

為了節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K選擇在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)。選擇便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K時(shí)遵循幾個(gè)原則：能獨(dú)立運(yùn)行；體積小；有總線擴(kuò)展接口；工作穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)調(diào)研，按照原則確定便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K，該實(shí)驗(yàn)?zāi)K的資源除了構(gòu)成最小系統(tǒng)必需的SDRAM、Flash、電源和JTAG外，還擴(kuò)展了音頻輸入輸出、DA、RS232、LED和撥碼開(kāi)關(guān)，可以完成一些基本實(shí)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)板的功能框圖如圖1所示。

該實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)了四個(gè)擴(kuò)展接口，接口信號(hào)主要包括總線及控制信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、AD輸入信號(hào)、外部中斷信號(hào)、定時(shí)器輸出信號(hào)、通用I/O信號(hào)及電源等。利用上述信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)DSP外圍電路的擴(kuò)展。

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)底板設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上有多種型號(hào)的DSP教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，但廠家為了節(jié)約研發(fā)成本，銷(xiāo)售的實(shí)驗(yàn)箱一般適用于電子通信類(lèi)、自動(dòng)化類(lèi)和計(jì)算機(jī)類(lèi)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)，通用性比較強(qiáng)。針對(duì)電子信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的DSP教學(xué)，實(shí)驗(yàn)箱上的一些硬件資源冗余，如電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)；而有些功能卻沒(méi)有，如CPLD的邏輯控制實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)適用于電子信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)底板的功能框圖如圖2所示。

1）模擬信號(hào)源模塊。模擬信號(hào)源模塊可以產(chǎn)生兩路不同頻率和幅度的正弦波、方波和三角波信號(hào)，并且可產(chǎn)生兩路疊加后的信號(hào)。此模塊主要用于DSP的AD采集實(shí)驗(yàn)和信號(hào)分析實(shí)驗(yàn)，如FFT、FIR和IIR實(shí)驗(yàn)。

模擬信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3a所示，核心芯片采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器芯片ICL8038。由于ICL8038產(chǎn)生的信號(hào)存在0 V以下部分，而TMS320VC5509A的片上AD的輸入信號(hào)要求必須在0～3.3 V之間，因此，利用運(yùn)算放大器LF347構(gòu)成反向求和電路，將信號(hào)抬高到0 V以上，如圖3b所示。反向求和電路的兩個(gè)輸入分別是-12 V直流電壓和ICL8038產(chǎn)生的信號(hào)，將-12 V和ICL8038產(chǎn)生的信號(hào)按一定比例關(guān)系求和之后再進(jìn)行反向，就可以在ICL8038產(chǎn)生的信號(hào)中疊加上一個(gè)直流成分，從而滿(mǎn)足DSP片上AD的要求。

2）電源模塊。實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的總電源為輸出電壓，包含±12 V和+5 V的開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的輸出經(jīng)電源模塊處理后得到實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)使用的±12 V和3.3 V電壓。電源模塊的電路如圖4所示，由于開(kāi)關(guān)電源輸出的直流電壓中包含紋波，會(huì)對(duì)模擬和數(shù)字電路產(chǎn)生干擾，因此，±12 V

電壓經(jīng)過(guò)33 μH的電感和10 μF及0.1 μF的電容濾波后再提供給實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)電路使用；數(shù)字電路中使用的3.3 V電壓選用DC-DC芯片AMS1117產(chǎn)生，其輸入為5 V，輸出為3.3 V，

同樣在輸入及輸出端采用10 μF及0.1 μF電容進(jìn)行降噪處理。

3）液晶顯示模塊和鍵盤(pán)模塊。為了能夠完成綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)上擴(kuò)展液晶顯示模塊和鍵盤(pán)模塊。由于TMS320VC5509A的通用I/O口較少，直接與液晶和鍵盤(pán)接口比較困難，因此采用CPLD實(shí)現(xiàn)DSP和液晶及鍵盤(pán)間的譯碼功能。

液晶顯示模塊采用128×64液晶顯示器，利用并行接口控制，接口電路如圖5a所示。對(duì)CPLD編程時(shí)采用圖形化編程方法，程序框圖如圖5b所示。

鍵盤(pán)模塊采用4×4的矩陣鍵盤(pán)，通過(guò)行列掃描方式工作，接口電路和CPLD的程序框圖如圖6所示。控制液晶顯示模塊和鍵盤(pán)的DSP地址都分配在CE2對(duì)應(yīng)的地址空間，所以在地址譯碼邏輯的輸入端都引入TMS320VC5509A的CE2信號(hào)，同時(shí)引入讀寫(xiě)控制信號(hào)ARE和AWE，以便于進(jìn)行時(shí)序的控制。

在微處理器系統(tǒng)中常用CPLD實(shí)現(xiàn)譯碼和邏輯控制，但在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)CPLD在此方面的應(yīng)用理解起來(lái)很困難。針對(duì)此問(wèn)題，系統(tǒng)中上述對(duì)液晶和鍵盤(pán)控制的CPLD模塊對(duì)學(xué)生開(kāi)放，學(xué)生可自己編程下載和調(diào)試程序，從而可加深對(duì)CPLD功能的理解。

將上述便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K通過(guò)擴(kuò)展接口插到實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)底板上，即可構(gòu)成完整的DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，其實(shí)物圖如圖7所示。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用

目前，該定制式創(chuàng)新型DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)已制作30余套，被應(yīng)用在電子信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的本科生和研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。在教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的時(shí)間里，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)；在教學(xué)計(jì)劃內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生則將便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K帶回宿舍，利用課余時(shí)間繼續(xù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，從而突破在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)空間和時(shí)間上的限制，提高實(shí)驗(yàn)效率。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的硬件資源，設(shè)計(jì)不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，共分為三類(lèi)：

1）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，包括存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、I/O口實(shí)驗(yàn)等僅和TMS320VC5509A的片上資源有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，此部分實(shí)驗(yàn)只需要便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K就可完成，所以大部分安排在課下完成；

2）綜合性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的多種硬件資源完成，如簡(jiǎn)易計(jì)算器設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，所以一般安排在實(shí)驗(yàn)室利用課內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)間完成；

3）課程設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要學(xué)生根據(jù)題目要求和實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的硬件資源自行設(shè)計(jì)和編程完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，綜合和設(shè)計(jì)的內(nèi)容較多，如簡(jiǎn)易示波器的設(shè)計(jì)，一般安排在兩周的課程設(shè)計(jì)階段完成。

以上教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的題目如表1所示。三類(lèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置都充分結(jié)合了實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的特點(diǎn)，且難度逐漸遞進(jìn)，實(shí)現(xiàn)多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了定制式創(chuàng)新型DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，克服了便攜實(shí)驗(yàn)?zāi)K硬件資源少和實(shí)驗(yàn)箱不便于攜帶的缺點(diǎn)。應(yīng)用實(shí)踐表明：利用該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主學(xué)習(xí)能力，對(duì)增強(qiáng)教學(xué)效果、提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手實(shí)踐能力有很大幫助。

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