DSP虚拟实验案例的开发与二次设计

唐圣学， 黎 霞， 张继欣， 陈 丽

(1. 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学)， 天津300130；2.河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(河北工业大学)， 天津 300130)

0 引言

随着成本不断下降、性能不断提升，DSP技术在电机控制、开关电源、微机保护、电能质量分析等场合得到了广泛应用，尤其是随着智能电网、能源互联网技术、高压直流输电技术的发展，电工装备主控芯片采用DSP芯片已占有很大份额。因此，基于DSP工作原理、算法与编程设计开设的相关课程，也成为了电气专业学生必须掌握的专业基础课程之一[1]。

DSP课程教学不仅要传授数字信号处理技术的理论基础知识，还需培养学生实践应用技能，即算法、软件和硬件的综合实践创新技能[2～3]。常规DSP课程实验技能训练，需要PC机、仿真器、实验箱、扩展板、相关的硬件设备。案例教学是一种非常有效的培养学生创新技能的方法。然而，对于实施培养实践技能的创新性案例教学，因受实验室建设、实验场所、实验学时制约，一些创新性强的工程案例难以开展实验验证，如自拟题目的创新性项目教学中，在构思前期常因实验条件限制而阻碍了学生创新思维的发挥。从典型性、实践性和前沿性角度，本文通过优选设计案例库，并以Proteus、Matlab为平台，开展了虚拟实验案例库开发。并基于虚拟案例库，探索了面向创新性工程实践教学的案例二次设计。通过案例的二次开发设计，可帮助学生快速、直观地、高效地实现创新性实践中的新构想、新方案、新模型的虚拟验证与仿真演示，有助于学生实现从构想-理论-程序-硬件的实践能力培养，克服实验条件对学生创新思维能力培养的限制。

1 DSP虚拟实验案例设计与开发

1.1 虚拟实验典型案例库设计

近年来，国内教育界积极进行了案例教学法的探索和实践[4～6]。案例教学法通过选择典型、生动、工程实践性强的个案的描述来引导学生运用所学知识参与分析、讨论，使学生在具体的问题情境中积极思考，主动探索和工程实践，从而达到培养学生分析问题、解决问题能力的目的。

案例是案例教学法的特色，如何选择案例，是案例教学法实施的关键。因此，笔者在DSP课程实验案例库素材的选择中突出了以下原则：一是典型性，案例呈现的问题具有代表性，即关注典型电气领域应用素材和基础性知识；二是实践性，案例面向培养学生的实践技能和创新能力，具有工程实践特点；三是前沿性，关注电气工程研究的最新成果，以呈现电气工程最前沿的成果与研究动态，如太阳能发电、直流输电、电动汽车电源等案例；四是易扩展性，有助于二次开发利用，节约开发设计时间。根据上述原则，针对电气专业学生DSP课程建立的虚拟实验案例库如图1所示。

图1 DSP虚拟实验典型案例库

1.2 虚拟实验软件平台

DSP虚拟实验案例开发与设计主要利用Matlab、Proteus、CCS三种软件来实施。借助Matlab软件可以快速建立典型案例模型，完成如滤波器、FFT变换、小波分解等算法的数值验证，使学生快速设计和验证数字信号处理算法，掌握信号处理算法基础知识。CCS用于开发DSP芯片虚拟实验程序，实现算法到程序的转换。Proteus用于搭建DSP芯片硬件系统和外围电路，并加载汇编程序，实现CCS和Proteus联调，完成硬件仿真[7～8]。

1.3 虚拟实验案例设计开发流程

虚拟实验案例具体设计流程如图2所示。流程根据案例需求，先让学生掌握算法原理，进而进行DSP虚拟实验案例设计，最后进行调试、运行和仿真，目的是实现构想-理论-程序-硬件仿真的能力提升培养。

图2 DSP虚拟实验案例设计流程

2 典型案例开发与二次开发的过程

下面以DSP课程中FIR滤波器案例为例，阐述案例设计及其案例的二次设计应用。

2.1 FIR滤波器虚拟实验设计

FIR滤波器是基础部件，在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。本文以DSP实现FIR滤波器的案例设计过程为例，进一步说明虚拟实验案例的开发步骤。

首先，学生要在理解模拟信号数字化滤波原理上，完成DSP的电路设计。实现电路包含预处理电路、A/D采样电路、DSP滤波电路、D/A重构电路和输出平滑电路，如图3所示。即原始模拟信号需要先经过限幅、抗混叠滤波等预处理以满足A/D采样要求，经 A/D采样后输入DSP滤波器，完成滤波运算，运算结果D/A电路实现数字到模拟信号转换，最后经平滑滤波电路输出模拟信号。

图3 DSP实现的数字化滤波电路构成

其中，FIR滤波器数学表达式为：

(1)

式中s(n)为输入信号，h(n)为滤波器的有限长脉冲响应。根据式(1)，只要获取滤波器的有限长脉冲响应h(n)，就可以由式(1)运算所得输出信号y(n)。而h(n)由设计指标与设计方法共同决定。设计方法主要有窗函数法、频率采样法和切比雪夫等波纹逼近的最优化设计方法，设计指标有采样频率、截止频率、衰减系数等。学生通过对上述指标的比较、选择、设计、应用，巩固滤波理论的认识和理解。

按照虚拟实验案例的设计步骤，滤波算法利用Matlab/Simulink平台编程或建模实现。例如在FDAtool工具工作界面中调整指标：选择高通滤波器与窗函数设计法，输入采样频率Fs=8kHz、通带截止频率Fpass=1.05kHz、阻带截止频率Fstop=1kHz、通带最大衰减Apass=1dB 、阻带最小衰减Astop=80dB后，运行设计，即可获得滤波函数波特图(如图4)。利用FDAtool工具，可以直观地学习滤波器指标与性能的关系。

图4 滤波函数波特图

滤波器设计完毕后，通过Code Composer Studio(tm) IDE功能，可获得设定的16位带符号整型滤波系数C语言数组，最终获得的805个系数，部分数据如下：const int16_T B[805] ={1612，205，-2309，-5211，-7519，24371，-7519，-5211，-2309，205，1612}。数组元素呈现偶对称特性，满足FIR滤波器线性相位特性[9]。

利用上述数据和FIR滤波器式(1)，在Matlab平台验证算法，在CCS中生成.cof文件，加载到Proteus搭建的DSP虚拟实验滤波电路模型(如图5)。实验设备选型与电路设计均需由学生自主选择完成。图6为某实验小组的电路设计。采用两路模拟信号叠加模拟输入信号，选用TMS320F28027实现模数转换与滤波。选用2个DAC0832做数模转换，完成模拟信号输出。调试完成后运行，示波器观察到的滤波前后的波形如图6所示，基本达到设计要求。

图5 DSP滤波虚拟实验电路模型

图6 FIR滤波器DSP电路模型波形

2.2 FIR滤波器虚拟实验的二次开发

除了经典的滤波作用外，FIR滤波器还可应用于谐波检测、无功补偿、变换器控制等工程领域。在这些新的应用背景下，借助库中的FIR滤波器案例，可实现新的创新性工程的FIR滤波器应用虚拟案例的二次开发。这种创新性的工程应用二次开发，不仅有利于学生进一步掌握FIR滤波器理论，还能拓展新的知识，提升应用设计技能和创新技能。下面以FIR滤波器在电力电子控制系统的二次开发为例，阐述DSP虚拟案例的二次开发过程。在并网变换器的重复控制中，为克服理想内模控制器无法实现全频率范围内无静差跟踪的缺陷，可引入FIR滤波器，借助其相频特性线性特征和低通滤波的能力，降低谐波畸变率及稳态跟踪误差[10]。理想内模控制器与改进内模控制器结构如图7所示，其中Q(z)为FIR滤波器的传递函数，需要根据新的应用背景和延时指标进行二次设计以实现新的应用。

(a) 理想内模控制结构 (b) 改进内模控制结构图7 FIR滤波器的二次开发案例

综上可见，根据新的应用背景中重复控制的延时控制要求，对FIR滤波器Q(z)进行二次开发，既能进一步加深理解FIR滤波器相位知识，提高学生学习兴趣，还能培养学生的知识推广应用能力。同时，虚拟案例的二次开发克服了实验条件的限制，拓展了创新性工程实践案例的应用范围。

3 结语

本文研究了DSP虚拟实验案例开发与二次设计，解决了DSP课程创新性工程实践教学中实验场所和实验设备不足问题。利用Proteus、Matlab等平台，设计了面向电气工程应用的典型案例库，并探索了典型案例的二次开发利用。利用DSP虚拟案例库的建设与案例二次开发，可直观、灵活、有效的实现从构想-理论-程序-硬件的创新性工程实践能力的培养。