探索以實(shí)踐動(dòng)手能力為基礎(chǔ)的工科實(shí)踐教學(xué)新模式——以DSP 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)與制作為例

陳孟元

(安徽工程大學(xué)，安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

1 實(shí)踐教學(xué)新模式的構(gòu)建

在工科專業(yè)本科培養(yǎng)的過程中，包含著大量的實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)，例如:認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、電工電子實(shí)習(xí)、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、綜合性實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等。這些教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，在學(xué)生的培養(yǎng)過程中占有重要的作用，能很好的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手實(shí)踐能力。當(dāng)前應(yīng)考慮將教師科研成果及工程實(shí)際適當(dāng)引入課堂，使理論緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際，逐步建立“開放實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、學(xué)科競(jìng)賽、科研訓(xùn)練”相結(jié)合的分層次實(shí)踐教學(xué)新模式，這種教學(xué)模式能拉近理論知識(shí)與實(shí)際工程的距離，學(xué)生進(jìn)入工作崗位后上手較快。

通過教學(xué)改革，將傳統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容相互聯(lián)系，通過認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、電工電子實(shí)習(xí)、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、綜合性實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，完成一個(gè)完整的"科研項(xiàng)目"，增強(qiáng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，突出了課程實(shí)踐性和技術(shù)性的特點(diǎn)。

具體的多模式、多層次循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)層次如表1 所示。

表1 多模式、多層次循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)層次(以DSP 課程為例)

0.認(rèn)識(shí)CCS 環(huán)境1.GPIO 應(yīng)用:流水燈實(shí)驗(yàn)2.GPIO 應(yīng)用:蜂鳴器實(shí)驗(yàn)3.GPIO 應(yīng)用:獨(dú)立按鍵掃描實(shí)驗(yàn)4.GPIO 應(yīng)用:12864 液晶顯示實(shí)驗(yàn)5.GPIO 應(yīng)用:四位數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)6.GPIO 應(yīng)用:E2PROM(I2C)實(shí)驗(yàn)(寄存器觀察)5 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn) 307 8..C外PU部 定中 時(shí)斷 器實(shí) 應(yīng)驗(yàn) 用(流 實(shí)水 驗(yàn)燈(點(diǎn)觀 亮察 流)水燈觀察)課程實(shí)驗(yàn)中完成9.USB 轉(zhuǎn)串口實(shí)驗(yàn)(SCIA)(串口調(diào)試助手)10.SPI 同步通信實(shí)驗(yàn)(寄存器觀察)11.CAN 總線實(shí)驗(yàn)12.事件管理器應(yīng)用之一:直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)13.事件管理器應(yīng)用之二:步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)14.A/D 轉(zhuǎn)換15.片內(nèi)FLASH 運(yùn)行1.綜合實(shí)驗(yàn)一:時(shí)間信息顯示(通過數(shù)碼管顯示)6 綜合性實(shí)驗(yàn) 242 3..綜綜合合實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)二三::溫串度口信通息信的實(shí)采驗(yàn)集(S(C通IB過)(液無晶線屏傳顯輸示))綜合實(shí)驗(yàn)中完成4.算法程序調(diào)試(FFT、FIR、IIR)7設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 畢業(yè)設(shè)計(jì)中完成

2 DSP 實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TI－F2812－DSP 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置由TI 公司的TMS320F2812 芯片的最小系統(tǒng)板和各個(gè)功能模塊組成。該系統(tǒng)采用核心處理板可插拔、整體結(jié)構(gòu)模塊化的設(shè)計(jì)，提供了豐富的外設(shè)單元模塊。核心板與各外設(shè)單元之間相對(duì)獨(dú)立，采用插孔引出方式，用戶可以自行設(shè)計(jì)和連接組成不同的DSP 應(yīng)用系統(tǒng);使用者在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中對(duì)引出腳的連接和軟件調(diào)試，很方便地對(duì)自主研究開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)的可行性和正確性進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置將DSP 最小系統(tǒng)板作為核心板，放置在底板之上，用插座與其固定，使其可插拔(DSP 芯片升級(jí)或維修更換時(shí)使用);DSP 的控制總線、數(shù)據(jù)線、地址線和片內(nèi)外設(shè)的引腳用插孔引到底板上;外擴(kuò)的功能模塊均分布在底板上，各模塊所用到的接口均用接線端子引出。實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置主要包括以下幾個(gè)部分:

圖1 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置框圖

(1)以TM320F2812 定點(diǎn)DSP 控制器為核心的最小系統(tǒng)板。

(2)128K 字的外部靜態(tài)存儲(chǔ)器、4 通道，12 位數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)。

(3)串口通信模塊:SCI(USB 轉(zhuǎn)串口和Zigbee 無線傳輸)、SPI、CAN 接口。

(4)5 個(gè)輸入按鈕和8 個(gè)發(fā)光二極管、四位數(shù)碼管、點(diǎn)陣式液晶屏和蜂鳴器。

(5)溫度傳感器和時(shí)鐘模塊。

(6)電機(jī)控制模塊:包括步進(jìn)電機(jī)控制和直流電機(jī)控制兩部分。

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置框圖如圖1 所示。

2.1 DSP 最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)

DSP 最小系統(tǒng)板既是一個(gè)獨(dú)立的DSP開發(fā)板，又是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。最小系統(tǒng)板采用的微處理芯片TMS320F2812 為TI 公司的一款針對(duì)控制領(lǐng)域的DSP 器件，具有高速處理功能和豐富的外設(shè)接口。使其能夠上電進(jìn)入仿真環(huán)境進(jìn)行開發(fā)。DSP 最小系統(tǒng)主要包括電源供電、內(nèi)存擴(kuò)展、時(shí)鐘與復(fù)位、輸入與輸出、仿真接口(JTAG)等基本組部分。

2.2 電源轉(zhuǎn)換電路

TMS320F2812 采用雙電源供電，即內(nèi)核供電是1.8V 和I/O 電源是3.3V 電源供電，為了滿足TMS320F2812 對(duì)電源的要求，選用TI 的TPS767D318 專用電源芯片，其電源輸入為5V，可輸出1.8V、3.3V電壓，其應(yīng)用電路如圖2 所示。

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路

2.3 USB 轉(zhuǎn)串口模塊

TMS320F2812 內(nèi)部具有兩個(gè)相同的SCI 模塊，SCIA 和SCIB。每一個(gè)SCI 模塊都各有一個(gè)接收器和發(fā)送器，接收器用于數(shù)據(jù)的接收功能，發(fā)送器用于數(shù)據(jù)的發(fā)送功能。本實(shí)驗(yàn)開發(fā)板選用SCIA 用于USB－RS232 接口轉(zhuǎn)換。為了完成USB－RS232 接口轉(zhuǎn)換，本實(shí)驗(yàn)開發(fā)板選用PL2303，PL2303 是Prolific 公司生產(chǎn)一種高精度集成的USB－RS232 接口轉(zhuǎn)換器。PL2303 一方面從主機(jī)接受USB 數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為RS232 的信息格式并發(fā)給DSP，另一方面從DSP 接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB 數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。其應(yīng)用電路如圖3 所示。

圖3 USB 轉(zhuǎn)串口電路

2.4 Zigbee 無線傳輸模塊

為了完成TMS320F2812 數(shù)據(jù)無線傳輸，選用SZ－05 系列Zigbee 嵌入式無線通信模塊，它提供標(biāo)準(zhǔn)RS232、RS485 和TTL 收發(fā)三種接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。TTL 為TX1，RX1 兩線工作模式，TTL 電平為3.3V。其應(yīng)用電路如圖4 所示。

圖4 Zigbee 無線傳輸電路

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

TMS320F2812 內(nèi)核集成了兩個(gè)事件管理器(EVA 和EVB)提供了強(qiáng)大的控制功能，特別適合電機(jī)控制領(lǐng)域。TMS320F2812 的每個(gè)事件管理器模塊可以同時(shí)產(chǎn)生8 路PWM 信號(hào)，其中6 路PWM 信號(hào)由3 對(duì)完全比較單元產(chǎn)生，2 路PWM 信號(hào)由通用定時(shí)器產(chǎn)生。本實(shí)驗(yàn)開發(fā)板是由TMS320F2812 的3 對(duì)完全比較單元產(chǎn)生6 路PWM 信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用L298N，L298N 是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，輸出電流2A，最高輸出電流為4A，其輸出端可以與DSP 直接連接，從而很方便的受DSP 控制。其應(yīng)用電路如圖5 所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置實(shí)物圖如圖6 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置實(shí)物圖

3 結(jié)語

這些實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置都是基于模塊化設(shè)計(jì)思路，載板、核心板與各外設(shè)單元之間相對(duì)獨(dú)立，采用插孔引出方式可插拔。使用者可以自行設(shè)計(jì)和連接組成外設(shè)單元模塊不同的DSP 應(yīng)用系統(tǒng)，很方便地對(duì)自主研究開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)的可行性和正確性進(jìn)行測(cè)試。便于擴(kuò)展功能和系統(tǒng)升級(jí)，非常適合在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等課外科技活動(dòng)中培訓(xùn)和競(jìng)賽中使用。

［1］ 陳孟元，陳躍東.以“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽為契機(jī)談工科院校青年教師非工化趨向和創(chuàng)型人才培養(yǎng):以安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院為例［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(高教版)，2012，7(2):20 ～21，23.

［2］ 陳孟元，郎朗.工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、組態(tài)技術(shù)在可編程控制器教學(xué)中的交互應(yīng)用研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30(6):129 ～131，135.

［3］ 郎朗，陳躍東.PLC 課程體系的多層次實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)研究［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(2):70 ～72.