面向電力專業(yè)的“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)改革探索

摘要：“DSP技術(shù)及應(yīng)用”是一門綜合性和工程性很強(qiáng)的應(yīng)用型課程，傳統(tǒng)的以講授為主的教學(xué)方法和筆試的考核方法不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和知識(shí)的掌握。從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面探討了“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程的教學(xué)改革模式，著重增加實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣，有助于培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)課程的教學(xué)要求。

關(guān)鍵詞：教學(xué)內(nèi)容；實(shí)踐能力；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）30-0045-02

DSP通常理解為Digital Signal Processing或Digital Signal Processor，如果理解為數(shù)字信號(hào)處理，則強(qiáng)調(diào)對(duì)數(shù)字信息的提取與運(yùn)算，偏重于理論算法；如果指數(shù)字信號(hào)處理器，多強(qiáng)調(diào)硬件功能開發(fā)與使用?！癉SP”技術(shù)指的是通過應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器，完成數(shù)字信號(hào)處理的方法與技術(shù)。所以“DSP技術(shù)及應(yīng)用”是一門應(yīng)用性和工程性很強(qiáng)的課程，也是電子信息工程、電氣工程及自動(dòng)化、應(yīng)用電子技術(shù)教育等專業(yè)，本科生所必須掌握的一門理論和實(shí)際密切結(jié)合的課程。

上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院面向電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)碩士研究生開設(shè)“DSP 技術(shù)及應(yīng)用”課程。為了充分體現(xiàn)我校的電力特色人才培養(yǎng)理念，緊密結(jié)合電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)研究生培養(yǎng)方案中指定的研究方向，即電能質(zhì)量、可再生能源利用技術(shù)、新型電能變換技術(shù)、電力傳動(dòng)系統(tǒng)及高壓變頻技術(shù)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的DSP應(yīng)用開發(fā)能力與解決問題能力。以TI公司的TMSF320281系列的DSP芯片為例，使學(xué)生掌握DSP的基本硬件結(jié)構(gòu)及各部件的工作原理；借助于書本例程分析電力電子系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法，掌握DSP 的開發(fā)流程。

但是，DSP 技術(shù)作為一門新興的技術(shù)，具有DSP芯片種類繁多、軟件編程復(fù)雜不統(tǒng)一、教學(xué)過程容易重理論輕實(shí)踐等問題。針對(duì)這些問題，急需在教學(xué)實(shí)踐中的深入探索，在教學(xué)要點(diǎn)、教學(xué)方法上進(jìn)行重點(diǎn)改革，以適應(yīng)電力特色的教學(xué)要求。

一、課程教學(xué)內(nèi)容體系建設(shè)

針對(duì)DSP技術(shù)在無功補(bǔ)償系統(tǒng)中的應(yīng)用，控制系統(tǒng)由I/O、A/D采樣、PWM發(fā)生和通訊等環(huán)節(jié)組成，在有限的課時(shí)內(nèi)有針對(duì)性的優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，緊抓課程重點(diǎn)，由簡(jiǎn)而入，破解學(xué)生的畏難情緒，從而使學(xué)生快速掌握DSP的編程方法。

根據(jù)典型無功補(bǔ)償系統(tǒng)，DSP的重點(diǎn)內(nèi)容應(yīng)集中在以下幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)：

1.存儲(chǔ)器映射結(jié)構(gòu)

DSP內(nèi)到底有那些存儲(chǔ)器（ram，rom，flash，etc），這些存儲(chǔ)器到底是如何分配的，cmd文件如何編寫，如何定義存儲(chǔ)器映射和輸入輸出段的位置，這對(duì)了解DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)至關(guān)重要；

2.DSP時(shí)鐘和系統(tǒng)控制

了解DSP的外部晶振輸入，內(nèi)部如何設(shè)置鎖相環(huán)為DSP的CPU提供時(shí)鐘信號(hào)，SCI、EV、ADC等片內(nèi)外設(shè)的時(shí)鐘分別應(yīng)如何合理設(shè)置，從而了解DSP的時(shí)鐘機(jī)制。由于系統(tǒng)時(shí)鐘與PWM的頻率、死區(qū)的大小等密切相關(guān)，掌握系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)方法才能正確設(shè)計(jì)定時(shí)器周期值從而為后續(xù)的程序調(diào)試奠定理論基礎(chǔ)。

3.2812中斷系統(tǒng)

2812的CPU能夠支持一個(gè)不可屏蔽中斷NMI和16個(gè)可屏蔽的中斷INT1-INT14、RTOSINT和DLOGINT，2812的CPU為了能夠及時(shí)有效的處理好各個(gè)外設(shè)的中斷請(qǐng)求，設(shè)計(jì)了一個(gè)專門處理外設(shè)中斷的擴(kuò)展模塊（the Peripheral Interrupt Expansion block），叫做外設(shè)中斷控制器PIE，它能夠?qū)Ω鞣N中斷請(qǐng)求源做出判斷以及相應(yīng)的決策。2812的中斷是3級(jí)中斷機(jī)制，分別是外設(shè)級(jí)，PIE級(jí)以及CPU級(jí)。PIE級(jí)的中斷和外設(shè)級(jí)的中斷相比較，外設(shè)中斷的中斷標(biāo)志位是需要手工清除的，而PIE級(jí)的中斷標(biāo)志位都是自動(dòng)置位或者清除的，同時(shí)PIE多了一個(gè)PIEACK寄存器，同一時(shí)間只能放一個(gè)同組中斷進(jìn)入CPU，CPU級(jí)的操作都是自動(dòng)的，不管是中斷標(biāo)志位（IFR），還是中斷的使能位（IER）。

4.I/O、A/D、事件管理器重要寄存器設(shè)置

電力電子系統(tǒng)中I/O經(jīng)常用來檢測(cè)開關(guān)狀態(tài)或控制斷路器，A/D功能用來檢測(cè)系統(tǒng)電壓電流等信號(hào)，DSP利用外部電壓電流信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算產(chǎn)生占空比，再經(jīng)過事件管理器控制觸發(fā)脈沖，所以，這些功能的重要寄存器設(shè)置必須掌握。

其中，A/D轉(zhuǎn)換是連接現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與微處理器的橋梁，如何利用內(nèi)置A/D采集外部的模擬信號(hào)，讓學(xué)生建立對(duì)DSP的感性認(rèn)識(shí)尤為重要。2812內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)，16個(gè)采樣通道需進(jìn)行排序依次送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。排序的方法通過自動(dòng)排序器完成，自動(dòng)排序器可設(shè)置為雙排序和級(jí)聯(lián)排序方式，由AdcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC設(shè)置；自動(dòng)排序的連續(xù)模式又可分為順序采樣和并發(fā)采樣，由AdcRegs.ADCTRL3.bit.SMODE_SEL設(shè)置，其中順序采樣必須對(duì)16個(gè)通道的每一個(gè)通道都要進(jìn)行排序，而并發(fā)采樣可同時(shí)采樣兩路ADCIN輸入，這兩路輸入分別取自ADCINA0～ ADCINA7和ADCINB0～ ADCINB7。

二、實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)改革

面對(duì)復(fù)雜的知識(shí)體系，電力專業(yè)的碩士研究生應(yīng)懂得這些知識(shí)如何在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，更有助于學(xué)生掌握“DSP技術(shù)及應(yīng)用”的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生初步掌握DSP的開發(fā)過程。

以如圖所示的靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)為例：

傳統(tǒng)無功補(bǔ)償系統(tǒng)需要先檢測(cè)負(fù)荷中無功功率量或根據(jù)電壓穩(wěn)定需求給出無功功率控制量，再控制STATCOM發(fā)出無功功率實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。電壓電流的檢測(cè)需用DSP內(nèi)部A/D實(shí)現(xiàn)；STATCOM投入運(yùn)行時(shí)，首先經(jīng)過防浪涌電路使STATCOM不控整流緩慢對(duì)直流電容充電，穩(wěn)定后閉合斷路器切掉交流側(cè)電阻，這個(gè)過程需要利用DSP檢測(cè)并控制開關(guān)量。采樣后經(jīng)過控制算法生成調(diào)制信號(hào)，經(jīng)事件管理器產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件。事件管理器定時(shí)器計(jì)數(shù)方式的不同可產(chǎn)生不同的載波信號(hào)，同時(shí)定時(shí)器的中斷可啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。

結(jié)合STATCOM實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書除了包含CCS的操作、程序的調(diào)試、中斷、外設(shè)等內(nèi)容。應(yīng)突出時(shí)鐘控制系統(tǒng)、I/O、A/D采樣、事件管理器控制等主要內(nèi)容，增加紅燈閃爍控制、電壓采集實(shí)驗(yàn)、5KHz的SPWM脈沖發(fā)生實(shí)驗(yàn)、3.2us死區(qū)發(fā)生實(shí)驗(yàn)，同時(shí)每個(gè)實(shí)驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包含各種定時(shí)器值得計(jì)算過程，使學(xué)生牢固掌握增DSP相關(guān)內(nèi)容。加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)：在本課程中實(shí)驗(yàn)課程約占總學(xué)時(shí)的31%，其中綜合設(shè)計(jì)性的內(nèi)容占70%以上，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本覆蓋了理論課的授課內(nèi)容。在安排上也圍繞課程主線進(jìn)行，使理論課和實(shí)驗(yàn)課成為有機(jī)的整體，其目的要求如表1所示。

三、課程考核方式改革

考試形式由原來的大作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)報(bào)告加閉卷綜合考核方式：實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核典型實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力、程序調(diào)試軟件的使用能力和問題的分析能力，要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告附實(shí)驗(yàn)波形圖、編程思想和心得體會(huì)；閉卷考試，考試內(nèi)容為DSP的內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘系統(tǒng)、重要寄存器的設(shè)計(jì)方法和小程序的功能認(rèn)識(shí)等；為了加強(qiáng)實(shí)踐能力的鍛煉，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占綜合成績(jī)的60%，閉卷考試占40%。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）