DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

李志遠(yuǎn)

(濱州學(xué)院　航空工程學(xué)院，山東　濱州　256600)

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DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

李志遠(yuǎn)

(濱州學(xué)院航空工程學(xué)院，山東濱州256600)

DSP技術(shù)是一門工程性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，在DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。介紹了TMS320VC5502實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)組成和主要特點(diǎn)，闡述了使用該平臺(tái)在DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽等方面進(jìn)行的探索與實(shí)踐，并舉例說明該平臺(tái)在DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明，改革措施能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

DSP技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

DSP芯片的高速發(fā)展促進(jìn)了實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的突飛猛進(jìn)，DSP的市場(chǎng)規(guī)模也越來越大。為了滿足企事業(yè)單位對(duì)DSP技術(shù)開發(fā)人員的大量需求，各本科高校紛紛開設(shè)DSP技術(shù)課程。DSP技術(shù)課程的實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)。DSP教學(xué)主要針對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程應(yīng)用教育，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和實(shí)踐能力，在DSP教學(xué)中需突出實(shí)踐教學(xué)的重要地位。針對(duì)DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜，內(nèi)容缺乏實(shí)用性和創(chuàng)新性，考核機(jī)制單一以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后等問題，選用美國(guó)德州儀器公司的開發(fā)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生利用該平臺(tái)設(shè)計(jì)DSP軟硬件的能力，進(jìn)而提高使用數(shù)字信號(hào)處理的方法解決實(shí)際問題的能力[1]。

1　理論教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，選用德州儀器生產(chǎn)的TMS320VC5502芯片進(jìn)行CPU結(jié)構(gòu)和外圍電路的講解。主要內(nèi)容包括：芯片特點(diǎn)、硬件結(jié)構(gòu)原理、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、匯編語言與混合編程以及CCS(codecomposerstudio)集成開發(fā)環(huán)境的使用[2]。

結(jié)合我院DSP課程現(xiàn)有的條件以及實(shí)際情況，深化教學(xué)研究，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，在以下4個(gè)方面進(jìn)行改革以提高教學(xué)效果:1)抓住中央處理單元(centralprocessingunit，CPU)寄存器這條主線，強(qiáng)調(diào)對(duì)CPU寄存器的講解要詳細(xì)到位[3]，學(xué)生只要抓住這條主線，在學(xué)習(xí)該課程時(shí)就能從整體上進(jìn)行把握；2)圍繞DSP軟硬件設(shè)計(jì)的中心——盡可能提高運(yùn)算的速度，更好地適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理算法；3)突出教學(xué)重點(diǎn)，教學(xué)中不需要做到面面俱到，對(duì)于體現(xiàn)DSP特性和優(yōu)勢(shì)的知識(shí)點(diǎn)需講細(xì)講透；4)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)行講授，在講授實(shí)際案例時(shí)，聯(lián)系整個(gè)開發(fā)過程一起來介紹，不但能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且讓學(xué)生在解決問題的過程中逐步掌握軟件開發(fā)的步驟[4]。

2　實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)、開放實(shí)驗(yàn)、學(xué)科競(jìng)賽等，分別針對(duì)不同水平和不同學(xué)習(xí)方向的學(xué)生，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力[5]。

2.1實(shí)驗(yàn)教學(xué)

開發(fā)平臺(tái)的基本架構(gòu)如圖1所示，包括主頻300MHz的TMS320VC5502芯片、2M×32位的SDRAM、256K×16位的Flash、看門狗電路(WatchDogTimer)、主機(jī)接口HPI、異步收發(fā)傳輸器UART和AC97 標(biāo)準(zhǔn)的Audio音頻接口。

圖1　開發(fā)平臺(tái)的基本架構(gòu)

在此平臺(tái)上進(jìn)行以下8個(gè)實(shí)驗(yàn)：1)CCS入門實(shí)驗(yàn)；2)DSP數(shù)據(jù)存取實(shí)驗(yàn)；3)DARAM讀寫實(shí)驗(yàn)；4)定時(shí)器控制實(shí)驗(yàn)；5)交通燈實(shí)驗(yàn)；6)A/D采樣實(shí)驗(yàn)；7)無限沖擊響應(yīng)(infiniteimpulseresponse，IIR)濾波器算法實(shí)驗(yàn)；8)回聲實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)該掌握以下6個(gè)方面的內(nèi)容：1)明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?)明確實(shí)驗(yàn)包含的文件；3)畫出程序流程；4)寫出實(shí)驗(yàn)步驟及每一步的執(zhí)行情況；5)給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果；6)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)也應(yīng)包括以上內(nèi)容[6]。

下面以無限沖擊響應(yīng)(IIR)濾波器算法實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹。

1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

① 掌握IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過程；

② 了解IIR數(shù)字濾波器的原理和特性；

③ 熟悉設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的原理和方法。

2)實(shí)驗(yàn)包含的文件。

①DEC5502_Filter.c：這是實(shí)驗(yàn)的主程序，包括了系統(tǒng)的初始化，音頻芯片的各控制寄存器初始化，A/D采樣的程序，IIR_Filter子程序；

② 音頻芯片各控制寄存器的初始化程序；

③ 多通道緩存串行口配置程序；

④ 鏈接命令文件：聲明了系統(tǒng)的存儲(chǔ)器配置與程序各段的連接關(guān)系。

3)程序流程。

無限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2　無限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)流程

4)寫出實(shí)驗(yàn)步驟。

① 打開CCS，進(jìn)入CCS的操作環(huán)境；

②創(chuàng)建工程文件DEC5502_IIR.pjt，添加SEED_DEC5502.gel文件，開始進(jìn)行調(diào)試；

③編輯DEC5502_Filter.c文件，修改SAMPLELONG宏定義，確定采樣長(zhǎng)度；

④修改宏定義后，編譯以及連接生成DEC5502_Filter.out文件，然后裝載程序DEC5502_Filter.out；

⑤ 設(shè)置好實(shí)驗(yàn)箱的信號(hào)源。利用液晶屏和鍵盤，選擇“信號(hào)發(fā)生器設(shè)置”菜單，設(shè)置好信號(hào)源；

⑥ 在DEC5502_Filter.c文件設(shè)置斷點(diǎn)；

⑦ 運(yùn)行程序，程序停在第一個(gè)斷點(diǎn)處，表明數(shù)據(jù)采集完成，這是濾波前信號(hào)，如圖3所示；繼續(xù)執(zhí)行程序，程序會(huì)在第2個(gè)斷點(diǎn)處停住，表示濾波完成。此時(shí)能觀察收到的數(shù)據(jù)并顯示為圖像，如圖4所示，為濾波后信號(hào)。

5)給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行分析。

比較濾波前后信號(hào)圖像，發(fā)現(xiàn)高頻干擾明顯得到了抑制，說明該低通濾波器的效果良好。

圖3　濾波前信號(hào)

圖4　濾波后信號(hào)

2.2開放實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室全天開放。成績(jī)優(yōu)秀、實(shí)踐能力強(qiáng)的學(xué)生，經(jīng)選拔考核后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室鍛煉。很多同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行訓(xùn)練后，畢業(yè)前就已經(jīng)成為系統(tǒng)開發(fā)和電路設(shè)計(jì)的熟手，并能參與DSP技術(shù)教材的部分編寫校對(duì)工作和相關(guān)的科研工作。通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的鍛煉后，學(xué)生掌握了應(yīng)用DSP技術(shù)設(shè)計(jì)DSP軟硬件系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理各種信號(hào)的能力；通過撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，總結(jié)項(xiàng)目論證、電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試的過程，提高了學(xué)生的科研素質(zhì)，為以后的工作和深造奠定了良好的基礎(chǔ)[7]。

積極推行教學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)，開展了小組協(xié)同學(xué)習(xí)方式的探索。通過提高實(shí)驗(yàn)難度及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性，布置了一些大的實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生通過組建4～6人的實(shí)驗(yàn)小組來共同完成。收到了較好的實(shí)驗(yàn)效果，并進(jìn)一步提高了教學(xué)質(zhì)量，受到了學(xué)生的普遍歡迎[8]。

2.3學(xué)科競(jìng)賽

為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生積極參加創(chuàng)新實(shí)踐，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生節(jié)能減排大賽等創(chuàng)新科技活動(dòng)。另外學(xué)院還設(shè)立了大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃、大學(xué)生創(chuàng)新基金等項(xiàng)目[9]。每年學(xué)院都會(huì)遴選若干學(xué)習(xí)扎實(shí)、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力強(qiáng)的學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽。2011年“瑞薩”杯全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，我院學(xué)生獲得山東省一等獎(jiǎng)5項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，全國(guó)二等獎(jiǎng)3項(xiàng)；2012年“TI”杯全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲得山東賽區(qū)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)8項(xiàng)；2013年“瑞薩杯”全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，我院學(xué)生榮獲山東省二等獎(jiǎng)10項(xiàng)、一等獎(jiǎng)5項(xiàng)。獲獎(jiǎng)的層次和數(shù)量居省內(nèi)同類高校前列。對(duì)學(xué)生而言，創(chuàng)新科技活動(dòng)的開展，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高了創(chuàng)新能力，而且能夠培養(yǎng)和發(fā)展拼搏精神和團(tuán)隊(duì)合作精神，營(yíng)造出一種積極向上的學(xué)風(fēng)和濃厚的學(xué)術(shù)氣氛[10]。

3　多元化的實(shí)驗(yàn)考核方式

只有考核方式科學(xué)合理，才能對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果作出公平公正的評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的考核方法不能體現(xiàn)學(xué)生分析解決問題的能力，也不利于學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)?？紤]到DSP技術(shù)這門課程的理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)是緊密結(jié)合的，考核方式將結(jié)合上機(jī)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)考試等多個(gè)環(huán)節(jié)，促使學(xué)生更加注重平時(shí)的學(xué)習(xí)過程，使學(xué)生從應(yīng)試型轉(zhuǎn)變到能力型[11]。

實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定，應(yīng)當(dāng)全面、公正、客觀地反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，特別是學(xué)生的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題的能力?？己酥笜?biāo)包括實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的過程和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可分為小項(xiàng)，各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重和分值根據(jù)實(shí)際情況制定[12]。課下布置幾個(gè)項(xiàng)目，讓同學(xué)們分組選題進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，根據(jù)題目搜集相應(yīng)資料，分析要求作出課題方案并進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)程和效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)考試要對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)進(jìn)行考核，具體方法是：教師給出若干實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生結(jié)合自身實(shí)際和實(shí)驗(yàn)條件選擇1題，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)任務(wù)；目的是考察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、排除故障能力和軟件調(diào)試能力[13]。

4　結(jié)束語

將TMS320VC5502開發(fā)平臺(tái)應(yīng)用于DSP實(shí)驗(yàn)課程當(dāng)中，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)、開放實(shí)驗(yàn)和電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽。針對(duì)DSP實(shí)驗(yàn)的人才教學(xué)模式進(jìn)行了改革和探索，合理地選擇教學(xué)內(nèi)容，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，創(chuàng)新教學(xué)方法，引入多元化的考核方式，變“老師教”為“學(xué)生學(xué)”，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高了學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革結(jié)合了學(xué)生的課外創(chuàng)新科技活動(dòng)，兩者形成良好有機(jī)的互動(dòng)。實(shí)踐證明改革后的DSP技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程提高了學(xué)生對(duì)DSP實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣，得到了學(xué)生的歡迎，人才培養(yǎng)質(zhì)量明顯提高，取到了良好的效果。

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Reform and Practice of DSP Experiment Teaching

LI Zhiyuan

(CollegeofAeronauticalEngineering，BinzhouUniversity，Binzhou256600，China)

DSP(DigitalSignalProcessor)technologyisacomprehensivecoursewhichinvolvesengineeringtechnologyandpractice.Hence，helpingthestudentstodevelopengineeringutilitycapabilitystandsthemainpositioninDSPexperimentcourse.ThesystemcomponentsandthemainfeaturesofTMS320VC5502experimentalplatformwereintroduced，andthensomeusefulexplorationandpracticebasedonthisplatform，includingDSPexperimentteaching，openexperimentandsubjectcompetition，weredescribedindetail.Furthermore，somespecificapplicationsinDSPexperimentteachingwereillustrated.Itshowsthatthenewreformisusefultofurtherstimulatestudents’learninginitiativityandcreativity，sotheircomprehensiveknowledgeutilizationabilityisenhancedsimultaneously.

DSPtechnology；experimentteaching；teachingreform

2015-04-02；修改日期: 2015-04-13

山東省高等學(xué)校精品課程“DSP應(yīng)用技術(shù)”(2012BK006)；濱州學(xué)院實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目(BZXYSYXM201304)。

李志遠(yuǎn)(1983-)男，碩士，講師，主要從事數(shù)字信號(hào)處理、DSP應(yīng)用技術(shù)等的教學(xué)科研及實(shí)驗(yàn)工作。

G642.423

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.046