研究生公共实验课“DSP技术”建设

徐科军， 王海欣

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 安徽 合肥 230009)

0 引言

培养实践创新能力是我校培养工科研究生的重要目标之一，这一目标要贯穿于整个工科研究生的培养过程。为此，在学校的大力支持下，考虑到DSP(数字信号处理器)技术应用的广泛性和实践性，针对相关电类专业，面向我校的电气与自动化工程学院、电子科学与应用物理学院、智能制造技术研究院、光电技术研究院、工业与装备技术研究院的相关专业，开设了研究生公共实验课“DSP技术”。通过16学时的实验，训练学生应用及开发DSP的基本技能，培养学生合理选择DSP接口芯片、正确设计DSP应用系统、熟练调试DSP程序的能力，为后续的论文工作中研制DSP应用系统或者其他相关系统打下基础。迄今，已有8届共2159名研究生选修该公共实验课。该课程开设背景、建设进展和开设效果，如图1所示。

图1 “DSP技术”公共实验课建设

1 开设背景

近十几年来，IT产业及其相关的各工程领域迫切需要大量掌握DSP应用的人才。对于自动化、电气工程等电类专业的研究生来说，DSP技术应该成为他们必须掌握的高新技术之一。由于“DSP技术”是一门实践性很强、应用面广的基础课程，为电类专业研究生开设“DSP技术”公共实验课是非常必要的。恰逢2009年我校启动“研究生培养质量工程”，其中包括建设实验课程平台，要求按照不同学科门类，开设若干类公共实验、实践、实习课程，每位研究生必修一门实验课程，以提高研究生实验动手能力、运用实验提高解决工程实际问题的能力以及常用基础工具的使用能力。我院为此申报“DSP技术”公共实验课，通过了学校的评审并得到经费支持。

我院开设这门公共实验课有着良好的基础[1]。早在2002年我院就为“控制理论与控制工程”、“检测技术与自动化装置”、“电工理论与新技术”、“电力电子与电力传动”、“电力系统及其自动化”和“电机与电器”6个硕士点的研究生开设了“DSP应用系统设计”课程。虽然是选修课，但是，每年选修这门课的研究生人数都有60-70人，超过全院硕士生总数的一半。可见，这门课对研究生非常有吸引力。这为开设这门公共实验课打下了良好的教学基础。

此外，我院多年来将TI公司C2000系列DSP应用于传感器与自动化仪表、电气传动、电力系统、新能源利用和电机控制等方面，完成国家863计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金、省部委基金和企业委托项目，取得了一系列科研成果。这些成果有的已经被有关单位采用，有的已经在企业产业化，取得了较好的社会和经济效益，被TI公司工程师评价为覆盖了C2000系列 DSP 80%的应用[2]。这为研究生开设“DSP技术”公共实验课打下了良好的基础。

还有，根据多年的科研积累和教学经验，我院已研制了实验内容丰富、接线方便、显示直观的基于TMS320LF2407A的DSP实验箱18套，编写了实验指导书，组建了DSP实验室。实验室配置了相应数量的计算机、示波器、信号发生器和直流稳压电源等设备。这为开设研究生“DSP技术”公共实验课提供了基本条件。

2 课程建设

2.1 芯片选择

课程建设首先考虑的是实验对象——DSP芯片的选择。制造DSP芯片的国际大公司有若干家、DSP的系列和型号较多。考虑到公共实验课的学时有限，所以，必须选择一个具有代表性、学科覆盖面宽、又比较容易上手和掌握的系列芯片作为实验的对象。美国德州仪器公司(简称TI公司)的DSP市场占有率为60%，应用非常广泛。TI公司的DSP有3个系列：C6000、C5000和C2000。C6000主要用于图像处理；C5000主要用于通信；C2000既具有一般DSP芯片的高速运算和信号处理能力，又和单片机一样在片内集成了丰富的外设，所以，C2000不仅适用于普通的数字信号处理，还适用于高性能数字控制系统，覆盖的学科面较宽。C2000已广泛应用于工业领域中的电机控制、数字电源和先进传感诸方面[3～5]。例如，自动化装置、电气设备控制、新能源利用、仪器仪表、数据采集、数字信号处理、电力系统监控，生物医疗诊断、汽车电子和家用电气等。再则，与C6000和C5000相比，C2000运算部分的结构相对简单，所以，研究生比较容易学习和掌握。此外，开发C2000系列DSP的集成开发环境CCS，与C6000和C5000的是相同的。虽然不同系列DSP的汇编指令系统不兼容，但汇编语言的语法非常相似，除了汇编语言外，TI还为每个系列都提供了优化的C/C++编译器，方便用户使用高级语言进行开发，因此，在C2000上运行的常用的数字信号处理算法，例如，FFT和FIR滤波器等C语言程序，不需改动就可以移植到C6000和C5000上去。所以，学会了C2000系列DSP也有助于掌握C6000和C5000系列DSP。综上所述，具体选择C2000系列DSP作为“DSP技术”公共实验课的实验对象是合宜的。

2.2 内容确定

“DPS技术”公共实验课安排16学时的实验，其中包括：①基本实验，包括集成开发环境CCS实验、C语言编程实验、C语言和汇编语言混合编程实验；②片内外设实验，包括系统总线实验、A/D输入实验、PWM信号的产生、脉冲捕获实验、定时器相关实验、存储器测试和SCI、SPI、USB通信实验；③片外设备控制实验，包括键盘实验、拨码开关实验、液晶显示实验、数码管显示实验、D/A输出实验、PWM模拟D/A输出实验、EEPROM实验；④数字信号处理实验，包括FFT和FIR实验；⑤系统综合实验，包括直流电机、步进电机实验。这些实验训练学生进行DSP应用及开发的基本技能，培养学生合理选择DSP的接口芯片、正确设计DSP的接口电路、学会程序调试的基本方法以及提高解决实验中所遇到问题的能力，为结合科研方向、研制DSP应用系统打下基础。这就要求学生能够掌握TMS320F2812 DSP的基本原理、系统组成和软、硬件开发，验证所学的数字信号处理算法，将理论知识与实际操作相结合，培养其工程实践和综合创新能力；同时，为学位论文相关研究工作奠定基础。

2.3 开设方式

根据研究生的实际情况，进行分类实验。因为我院部分研究生在研一的下学期选修了“DSP应用系统设计”课程，有了一定的基础，而大部分研究生没有接触过DSP技术。根据这一实际情况，把学生分成两部分来开展实验并提出不同的要求，对于没有上过DSP课程的这部分研究生，安排12个实验。为便于他们做实验，先用4个学时(不占用公共实验课的16个学时)讲授：DSP概述、DSP体系结构和硬件组成、DSP寻址和指令系统、DSP开发工具和流程等内容。对于上过“DSP应用系统设计”的这部分研究生，则安排他们做4个设计性实验，进一步加深他们对DSP技术的理解，掌握DSP技术的应用。

公共实验课中有验证型和综合设计型实验，教师进行分类指导。对于验证型实验，教师在实验前介绍基本原理及实验步骤，由学生独立完成实验。对于综合设计性实验，教师介绍设计实验的基本要求、主要模块的基本原理并提供部分程序；学生综合所学知识，编写程序，并在实验箱上实现；教师帮助解决实验过程中出现的问题。

采用撰写实验报告和实验过程中提问相结合的方式，兼顾出勤情况进行考核。考虑到研究生课业负担较重，同时，研究生在第3学期已经进入课题。所以，要求没有接触过DSP技术的研究生写3个实验报告，接触过DSP技术的研究生写2个实验报告。具体写哪个，实验结束时由实验教师决定，避免学生只作要上交实验报告的实验，同时要求同组实验的研究生选择不同的实验内容写实验报告。

2.4 更新实验条件

为了使学生掌握最新的DSP技术，2011年我们在学校经费的支持下，自制了50套C2000系列中更高性能的TMS320F2812的DSP实验箱，供研究生实验。模拟示波器全部换成了数字存储示波器。

2.5 实验教材

针对自制的TMS320F2812 DSP实验箱，我们编写了配套的实验指导书。该实验指导书共分两部分。第一部分是实验设备的软、硬件介绍以及安装说明。第二部分介绍在TMS320F2812的实验箱进行的22个实验。同时我们将2010年科学出版社出版的《TMS320F2812 DSP应用技术》，作为研究生公共实验课的教材[6]；2010年北京航空航天大学出版社出版的《DSP及其电气与自动化工程应用》，作为研究生公共实验课的参考读物[2]。

3 结语

通过研究生公共实验课“DSP技术”的教学，我们训练了学生从事DSP应用及开发的基本技能，培养了学生合理选择DSP的接口芯片、正确设计DSP的接口电路、学会程序调试的基本方法以及提高解决实验中所遇到问题的能力。通过实验，学生加深了对理论内容的理解，掌握了TMS320C2000系列DSP的基本原理、系统组成和软、硬件开发，验证了所学的数字信号处理算法和运动控制算法，将理论知识与实际操作相结合，培养了工程实践和综合创新能力。

该公共实验课从2010年立项迄今，已为8届共2159名研究生开设了实验。从该公共实验课的成绩分析可见，中等以上成绩的学生居多，说明90%以上的研究生较好地掌握了实验的主要内容和方法。2010年下半年开始为2009级研究生开课。

基于公共实验课程的基础，我们研究生研制的基于DSP的应用系统在国内一些重要的学科竞赛中取得了优良的成绩。例如，“基于高频励磁和统计信号处理的浆液型电磁流量计” 获得2011年第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛三等奖；“基于DSP和FPGA的双核心高精度气体超声波流量计”获得2017年第七届“挑战杯”安徽省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖；“基于DSP的数字科里奥利质量流量计”获第三屆台湾-中国大陆大专(高校)TI DSP邀请赛最高奖，该奖项是海峡两岸两年一度DSP大赛的最高奖；“基于DSP的矢量控制电动执行器”获2013年首届全国大学生测量控制与仪器创新设计大赛最高奖；“基于TMS320C6726的直管式科氏质量流量变送器”荣获2013-2014年度TI(德州仪器)DSP及嵌入式大奖赛一等奖(该次比赛没有特等奖)。