基于綜合案例的高校DSP課程教學(xué)改革研究

陳恩慶　宋豫全　張亮　王忠勇

（鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南　鄭州　450001）

基于綜合案例的高校DSP課程教學(xué)改革研究

陳恩慶宋豫全張亮王忠勇

（鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州450001）

針對高校DSP課程教學(xué)中存在的一些問題，提出一種基于綜合性案例的DSP教學(xué)和實驗內(nèi)容改革方案，給出一個具體的DSP綜合性應(yīng)用案例，即以DSP為核心實現(xiàn)的基于語音識別的智能家居控制系統(tǒng)案例，并給出以實現(xiàn)此案例為目標(biāo)的DSP教學(xué)和實驗內(nèi)容具體設(shè)置安排。分析和實踐結(jié)果表明，此案例和教學(xué)實驗設(shè)計方案可以獲得較好的效果。

DSP；案例教學(xué)；課程改革

DSP（Digital Signal Processors）芯片又稱為數(shù)字信號處理器，是主要用來完成數(shù)字信號處理的方法與技術(shù)的通用或?qū)Ｓ眯酒ｋS著信息技術(shù)和DSP芯片的發(fā)展，采用DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字信號處理成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢，在通信、電子信息、自動控制、儀器儀表等領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，DSP技術(shù)已成為工科電類專業(yè)本科生和研究生必須掌握的一門實用技術(shù)。因此，很多高校都針對工科電類高年級本科生或研究生開設(shè)了《DSP原理及應(yīng)用》或類似課程。該課程是一門綜合性和實踐性很強的課程，目的是使學(xué)生掌握DSP開發(fā)應(yīng)用技術(shù)，并將數(shù)字信號處理、自動控制原理等所學(xué)理論知識應(yīng)用于工程實際，提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力和實踐創(chuàng)新能力，并且以此為基礎(chǔ)對其他嵌入芯片的開發(fā)有所了解。在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，掌握好DSP技術(shù)對于學(xué)生在IT領(lǐng)域的繼續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。然而，由于課時數(shù)、學(xué)生人數(shù)、實驗條件等諸多因素的限制，目前很多DSP課程的教學(xué)過程中都不同程度地存在一些重原理輕編程、重講述輕實驗等問題。因此，需要不斷創(chuàng)新DSP課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，提供更多動手實踐機會，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)達(dá)到能夠編程開發(fā)的目的［1-3］。

本文提出設(shè)計一個具體的DSP綜合性應(yīng)用案例，并將此具體案例貫穿于DSP課程教學(xué)和實驗過程，探索用解決具體案例所需知識和編程技能為主線進行教學(xué)的新方式，從而使學(xué)生實現(xiàn)“做中學(xué)”和“所學(xué)即所用”的目的。然后，結(jié)合現(xiàn)有實驗設(shè)備介紹一個具體DSP綜合性案例的設(shè)計，并給出將具體案例貫穿于DSP課程教學(xué)和實驗環(huán)節(jié)的方法。

1　DSP綜合性應(yīng)用案例設(shè)計

由于DSP芯片應(yīng)用的廣泛性，DSP生產(chǎn)廠商眾多，并且同一個DSP廠商生產(chǎn)的DSP芯片型號針對不同應(yīng)用需求而型號繁多。因此，DSP課程教學(xué)中對DSP芯片的選擇余地很大。但是，各種型號的DSP芯片從硬件架構(gòu)和軟件開發(fā)流程上都有相通之處，因此各高校往往結(jié)合自身設(shè)備情況和專業(yè)特點選取某一型號DSP芯片為例進行教學(xué)，同時也兼顧對其他型號DSP芯片類似功能的介紹。下面以目前鄭州大學(xué)DSP教學(xué)中使用的TI公司TMS320F2812芯片為基礎(chǔ)給出一個復(fù)雜度不高、適合初學(xué)者入門，同時又涵蓋F2812芯片主要功能模塊的綜合性應(yīng)用案例。

本案例為一個以F2812DSP芯片為核心的智能家居語音控制系統(tǒng)。目前，語音識別技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟［4，5］，已經(jīng)有很多開源的識別系統(tǒng)，并且一些公司開放了其應(yīng)用接口。國內(nèi)免費開放的平臺就包括百度開放平臺和科大訊飛語音開放平臺。本案例系統(tǒng)依托云端的科大訊飛語音識別平臺，通過DSP芯片控制本地語音的采集與處理，并通過DSP管理的WiFi模塊連入互聯(lián)網(wǎng)將本地語音傳輸至云端識別平臺，最后根據(jù)返回的識別結(jié)果控制電機等本地執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)智能家居的控制功能。下面分別具體介紹系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。

1.1系統(tǒng)硬件整體構(gòu)成

系統(tǒng)以F2812DSP芯片為控制核心，本地硬件包括F2812核心處理板、語音采集模塊、WiFi傳輸模塊、外設(shè)執(zhí)行模塊和本地端服務(wù)器，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.2語音采集模塊設(shè)計

在語音采集部分，采用Micphone模塊來完成語音能量信號向模擬電信號的轉(zhuǎn)化，然后再通過TLV320AIC23AD轉(zhuǎn)換芯片將電信號采樣量化為數(shù)字信號。TLV320AIC23為TI推出的一款高性能語音音頻處理芯片，該芯片的物理接口可分為數(shù)字接口和模擬接口［6］。數(shù)字接口包括控制接口和數(shù)據(jù)接口?？刂平涌趥鬏敺绞桨↖2C和SPI串行接口模式，數(shù)據(jù)接口可與DSP芯片的McBSPs接口無縫連接。根據(jù)科大訊飛語音開放平臺的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要將AIC23的輸出數(shù)據(jù)配置為8kHz采樣率，16bits分辨率的PCM編碼數(shù)據(jù)，通過SPI方式進行控制信號的傳輸，通過DSP模式進行數(shù)據(jù)的傳輸。

控制信號包括用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟DIN，用于傳輸時鐘信號的SCLK和用于鎖存數(shù)據(jù)字進入芯片的CS，硬件上分別對應(yīng)芯片的23號、24號、21號引腳?？蓪⑦@三路接口分別接到DSP的相應(yīng)引腳用于控制信號傳輸。每一個控制數(shù)據(jù)字長為16位，其中高7位為芯片內(nèi)部寄存器地址位，低9位為控制數(shù)據(jù)位。每一次進行AIC23的配置只修改需要傳入相應(yīng)的控制字即可。為了方便指令的傳輸，在程序中采用GPIO模擬構(gòu)建了一個SPI模式的指令傳輸函數(shù)，在函數(shù)內(nèi)自動構(gòu)建地址和指令數(shù)據(jù)的16位組合數(shù)值并進行傳輸工作。

IC23的音頻數(shù)據(jù)傳輸接口模式采用DSP模式，該模式與TI的McBSP接口能夠完美兼容。該模式中，AIC23的LRCIN和LRCOUT連接到McBSP的幀同步控制接口，幀同步控制接口的下降沿信號觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。其數(shù)據(jù)傳輸幀構(gòu)成為：左聲道數(shù)據(jù)在前，右聲道數(shù)據(jù)緊隨其后，組成一個雙字的數(shù)據(jù)幀，其時序圖如圖2所示。

圖2　TLV320AIC23的數(shù)據(jù)的時序圖

本文中選擇的傳輸數(shù)據(jù)字長為16位，故在上述時序圖中的n值為16。每一次幀同步信號會先后傳輸左右聲道的32位數(shù)據(jù)。

1.3串口轉(zhuǎn)WiFi模塊設(shè)計

為了將采集到的語音數(shù)據(jù)傳給本地服務(wù)器，采用現(xiàn)成的串行口轉(zhuǎn)WiFi透傳模塊，只需通過DSP芯片將語音數(shù)據(jù)發(fā)送給串口，再配置好WiFi模塊就能夠?qū)崟r地將語音數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議傳輸出去，然后在本地服務(wù)器上通過TCP協(xié)議實現(xiàn)接收。

本文中采用的是USR-WIFI232-A串口轉(zhuǎn)WiFi模塊。其模塊本身支持2種模式，即無線接入點和作為無線終端模式。作為無線接入點，其可以作為一個WiFi熱點由其他設(shè)備進行連接，而作為無線終端模式可以去連接路由器等其他熱點發(fā)送設(shè)備實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。將其設(shè)為無線終端模式，連接路由器然后訪問同一個局域網(wǎng)下的本地服務(wù)器。其數(shù)據(jù)傳輸流順序為：下位機串口到模塊串口，模塊串口到模塊WiFi，模塊WiFi到本地局域網(wǎng)。

1.4控制功能實現(xiàn)

為了實現(xiàn)電機等設(shè)備的控制功能，本系統(tǒng)中使用F2812芯片事件管理器產(chǎn)生一路PWM波輸出作為控制信號。DSP芯片相應(yīng)功能模塊的主要配置過程如下：①通過配置SysCtrlRegs開啟事件管理器A的系統(tǒng)內(nèi)部高速時鐘的配置，即置位PCLKCR的EVAENCLK位，即開啟了EVA的高速外設(shè)時鐘；②進行事件管理器的配置，即配置寄存器EvaRegs，因為選擇為高速外設(shè)時鐘作為PWM的計數(shù)時鐘，此時計數(shù)時鐘頻率等于系統(tǒng)高速時鐘頻率SYSCLK/2，為75MHz；③配置時間管理器，使T1CNT=0，初始化計數(shù)寄存器為0；④配置T1PR=7 499，則整個周期數(shù)為7 500，則其時鐘周期為0.1ms；⑤在T1CON中選擇連續(xù)遞增模式，不分頻，采用內(nèi)部時鐘，并使能時鐘；⑥配置ACTRA的CMP1ACT=1，設(shè)置PWM2接口為高態(tài)有效模式；⑦配置COMCONA的CENABLE位為1，使能比較；FCOMPOE=1，使能比較輸出，即輸出PWM波信號。

此外，需要注意的是，在初始化過程中需配置CMPR1為0，不輸出PWM波。在調(diào)用過程中通過修改CMPR1的數(shù)值來修改電機速度。

2　基于綜合案例的教學(xué)和實驗設(shè)計

為了在有限課時內(nèi)更好地使學(xué)生掌握DSP芯片結(jié)構(gòu)和原理，熟悉DSP編程開發(fā)流程和技巧，結(jié)合上述具體設(shè)計案例，對DSP課程教學(xué)和實驗內(nèi)容進行了設(shè)計，具體如下。

2.1課堂教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

為了用盡可能少的課時將DSP芯片結(jié)構(gòu)、工作原理及基本編程開發(fā)流程介紹給學(xué)生，將整體課堂教學(xué)內(nèi)容劃分成兩大部分，即硬件結(jié)構(gòu)原理和軟件開發(fā)流程。

硬件結(jié)構(gòu)原理部分，大致使用10個左右的課時簡要介紹和DSP芯片開發(fā)密切相關(guān)的芯片基本結(jié)構(gòu)、CPU寄存器、中斷管理機制、存儲器分配機制等內(nèi)容。同時，根據(jù)實現(xiàn)本設(shè)計案例的需要，著重介紹片內(nèi)外設(shè)部分的McBSPs模塊、SCI模塊和事件管理器模塊。

在軟件開發(fā)流程部分，使用6個左右的課時介紹DSP芯片的集成開發(fā)環(huán)境CCS，程序編譯、調(diào)試的基本流程和一個基本的C語言實現(xiàn)的DSP基礎(chǔ)例程。對于一個DSP工程來說，既可以用C語言實現(xiàn)，也可以用匯編語言實現(xiàn)，或是兩者混合編程。由于采用匯編語言指令較多且十分繁瑣，而且目前實際工程中使用較少，因此過多匯編語言介紹反而不利于學(xué)生的理解和實際開發(fā)能力的快速提高。因此，直接介紹C語言編程方法，不僅可以增強軟件的可讀性，提高軟件開發(fā)速度，而且使學(xué)生在短時間內(nèi)可以上手編程，從而提高學(xué)習(xí)效率，也提高學(xué)習(xí)積極性。

2.2課程實驗內(nèi)容設(shè)計

DSP課程實驗環(huán)節(jié)是使學(xué)生深入理解DSP芯片各部分結(jié)構(gòu)和工作原理，提高編程開發(fā)能力的關(guān)鍵。為了使學(xué)生能最終實現(xiàn)本設(shè)計案例的功能，并充分考慮不同學(xué)生的能力水平和學(xué)習(xí)期望的差異，在課程實驗內(nèi)容設(shè)計上采用分層的設(shè)計方案。既保證大多數(shù)學(xué)生具有基本的DSP編程開發(fā)能力，又著重培養(yǎng)一部分有愿望且有能力和潛力的學(xué)生成為具有較強DSP實際開發(fā)能力的嵌入式軟件工程師。實驗具體分為以下3個層次。

2.2.1基礎(chǔ)實驗。包括熟悉CCS開發(fā)環(huán)境、程序編譯流程和調(diào)試工具，用C語言實現(xiàn)一個基本的用定時器和GPIO端口控制的LED燈閃爍功能。通過實驗培養(yǎng)學(xué)生基本的DSP編程能力。

2.2.2模塊實驗。根據(jù)DSP各模塊編程開發(fā)的特點和實現(xiàn)綜合性案例的需要，分層次地逐步提高學(xué)生DSP編程能力，為實現(xiàn)綜合案例的各模塊功能做好準(zhǔn)備。實驗包括McBSPs控制串口通信實驗、GPIO模擬串口控制實驗、事件管理器控制電機實驗。通過這些實驗使學(xué)生深入理解DSP各模塊工作原理并鞏固提高DSP編程應(yīng)用能力。

2.2.3綜合案例實驗。要求5名左右學(xué)生一組，根據(jù)自身興趣和能力選擇實現(xiàn)本綜合案例的部分功能或全部功能，或者自選相應(yīng)課題進行基于DSP的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。綜合性案例實驗既可以培養(yǎng)學(xué)生DSP編程開發(fā)的綜合應(yīng)用能力，又可以培養(yǎng)其團隊合作精神。最終由任課和實驗老師分組驗收實驗程序和成果。

3　結(jié)語

DSP技術(shù)是伴隨著計算機與信息技術(shù)不斷發(fā)展的技術(shù)，其課程教學(xué)方法也應(yīng)不斷創(chuàng)新發(fā)展。本文針對高校DSP課程教學(xué)和實驗環(huán)節(jié)中課時少、內(nèi)容多、學(xué)習(xí)難度大、不易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情等問題，設(shè)計綜合性DSP應(yīng)用案例，提出以實現(xiàn)綜合性案例為目標(biāo)設(shè)計教學(xué)內(nèi)容和實驗環(huán)節(jié)，強調(diào)簡要介紹芯片原理并著重加強C語言編程訓(xùn)練，使學(xué)生在有限課時內(nèi)既掌握DSP基本原理，又以明確的應(yīng)用目標(biāo)為牽引充分鍛煉編程開發(fā)能力，獲得了較好的效果。

［1］茅劍.DSP課程教學(xué)方法改革研究［J］.計算機教育，2014（24）：39-42.

［2］裴榮，卜雄洙，牛國柱，等.基于工程的DSP課程實驗設(shè)計研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2011（8）：96-99.

［3］于冬梅，韓曉新，朱成喜.“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程中實驗教學(xué)改革研究［J］.江蘇理工學(xué)院學(xué)報，2015（2）：116-120.

［4］邢銘生，朱浩，王宏斌.語音識別技術(shù)綜述［J］.科協(xié)論壇，2010（3）：62-63.

［5］董桂官，劉云，徐楠.智能電視中文語音識別測試研究［J］.電聲技術(shù)，2014（11）：57-59.

［6］丁祥，萬旺根.音頻編解碼器TLV320AIC23及其與DSP接口設(shè)計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002（6）：35-37.

Research on Teaching Reform of DSP Course in Universities Based on Comprehensive Example

Chen EnqingSong YuquanZhang LiangWang Zhongyong
（School of Information Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

According to the problem in the teaching of DSP course in colleges and universities，a scheme of teaching and experiment reform was proposed.A comprehensive practical example，the intelligent home control systems based on speech recognition using DSP，was designed in this paper.In addition，the detailed schedule of teaching and experiment in order to realize the practical example was given.The analysis and practical results showed that the proposed comprehensive example and teaching scheme could achieve favorable effect.

DSP；case teaching method；course reform

G642

A

1003-5168（2016）06-0021-03

2016-05-05

陳恩慶（1977-），男，博士，副教授，研究方向：信號處理理論與應(yīng)用、計算機視覺與人工智能等。