DSP應用技術課程教學改革與研究

陸廣平　張蘭紅

摘 要： 本文針對DSP應用技術課程的教學現狀，根據自動化專業的培養目標，進行DSP課程教學改革與研究。在教學中應重視教材的選取，引導學生積極參與，豐富教學手段，啟發學生思維，進行教學方法和教學手段的改革。實踐表明，這些改革不僅有助于學生更好地學習DSP理論知識，而且有助于學生綜合能力的提高。

關鍵詞： DSP應用 教學方法 教學手段 實踐教學

隨著信息學科和計算機技術的飛速發展，DSP的理論與應用技術成為一門極其重要的學科，DSP已成為國內外許多大學電氣信息類專業的一門重要專業課程，但是DSP是一門理論性和實踐性較強的課程，所涉及的內容非常廣泛，學生要先修數字信號處理、單片機原理與接口技術等課程，在學習中往往感覺抽象，難以理解和掌握。結合我校電氣工程學院自動化專業實際教學的特點，我們在教學實踐的基礎上，對課程教學進行一定的改革與探討，將CCS軟件、實驗箱和DSP課程的理論知識有效結合起來。CCS軟件是開發DSP時所需的軟件開發環境，由于編寫、調試DSP代碼都需要在CCS軟件中進行，無論在統計、信號處理、人工智能與自動控制，還是在雷達、通信、計算機等領域，越來越多的工程技術人員擺脫C及C++語言繁瑣語法的束縛，更專心地將注意力集中在專業技術研究的核心問題上[1]。

一、課程體系及特點介紹

本課程是我校自動化專業本科生的專業選修課，一般在大四上學期開設。DSP是面向數字信號處理應用的單片處理器，具有軟硬件的功能，本身就是一個微型計算機，應用范圍非常廣泛、實踐性非常強。因此，要求學生了解DSP在數字信號處理系統中的核心作用，掌握DSP的基本工作原理和基本編程方法，了解DSP系統的基本開發過程及其典型應用。

本課程通過授課、練習、實驗使學生掌握數字信號處理器的基本原理和應用，以美國TI公司的TM320X281X系列為例，是32位的高性能微控制器，具有強大的控制和信號處理能力，著重介紹DSP的硬件結構、基本工作原理、片內資源應用開發及相關寄存器的配置、各個外設功能單元，最后介紹其典型應用，比如用DSP編程實現FIR濾波器、對模擬信號進行實時采集信號處理等。

二、DSP課程教材的選取

課程教材是教學的核心。作為一所應用型工科院校，以培養應用型人才為基本目的，以實用、適用、夠用為基本原則，教材要對本課程涉及的基本原理、基本性質、基本方法力求講全、講透，概念準確清晰，不片面追求理論的深度和內容的廣度，保證授課對象在實踐中“理論夠用”。由于DSP課程理論概念復雜，涉及的內容比較多，而且我校自動化專業DSP課程理論是24學時，實驗是8學時，結合自動化專業教學要求，要選取2000系列的DSP教材，這方面的教材比較少，針對課時少的特點，希望學生利用課后的時間多學習，找課程配套資料豐富的教材、網上評價比較高的、有利于學生自學的。DSP課程教材的選取要遵循以下幾個方面：選材精練，突出基本原理、基本概念與基本分析方法；各章節涉及的理論和方法與實驗箱能進行適當的結合；例題多，注重理論聯系實際；內容通俗易懂，易學易教。必須重視對教材的選取，擁有一本好的、優秀的DSP教材，教與學就會省時省力，我校選擇的教材是《手把手教你學DSP-基于TMS320X281X》，顧衛剛編著的，網上有配套的視頻、開發板和中國DSP開發服務平臺，學生如果上課時沒聽懂，就可以利用網絡資源反復學習。

三、教學方法和教學手段的改革

首先引導學生積極參與課堂教學，目前課堂教學仍是本科生進行理論學習的主要方法，課堂教學方法的改革應放在重要位置。在課程理論教學中，針對教學難點和重點提出問題，進行定期和不定期的課堂討論，使學生積極參與課堂討論，通過課堂討論引導學生積極思考，培養探究、創新的意識和學習習慣，同時加深學生對所學知識的理解，做到課堂氣氛融洽。學生參與課堂教學的積極性，參與課堂教學的廣度和深度，直接影響教學質量，沒有學生的主動參與，就沒有成功的課堂教學。

其次，采用多種教學手段，使課堂教學更生動形象，主要是多媒體教學結合少量板書，采用多媒體教學方式，充分利用聲音、圖像、視頻、動畫等多種形式進行互動教學。由于我校自動化專業DSP課程課時有限，僅憑24學時的課堂教學，學生在有限的時間里掌握DSP課程的重點和難點有一定的困難，因此大量板書不利于學生消化吸收，但是可以結合DSP實驗主板和CCS軟件現場演示DSP的經典應用，讓學生在課后對學習中碰到的問題用CCS開發環境結合網絡視頻鞏固、消化、理解課堂所學內容。

大四學生準備考研的學生比較多，所以一部分會忽視專業課程的學習，因此要提高學生學習的動力，對學生的考核要做到公平、公正、有效。DSP課程的重點是實踐應用，要增強學生的實踐創新能力，在理論教學和實踐教學中進行綜合評價，切實有效地提高學生動手能力，由被動轉為主動[2]，[3]。

四、基于DSP實驗板和CCS開發環境的教學實踐

DSP應用技術的數字信號處理部分概念抽象，其中的基本理論和分析方法先修課程已學過，現在要通過DSP硬件的方法實現，這樣能將數字信號處理的抽象理論以易于理解的可視化形式展示，將CCS軟件作為教學輔助工具，在講解多媒體教學課件的基礎上，在課堂上穿插講解用CCS軟件和實驗板實現的示例和仿真，下面舉幾個經典的例子說明CCS軟件是如何輔助DSP應用技術教學的[4]。

1.基于窗函數的FIR數字濾波器設計。MATLAB信號處理工具箱提供了基于窗函數法的FIR濾波器的設計函數fir1，利用它可以使設計更簡單，格式為b=fir1（N，wc，’ftype’，window），利用設計好的低通濾波器用于DSP實時應用系統中。設計好的低通濾波器處理結果如圖1所示。

輸入波形的形狀在時域上看不清楚，但是DSP的CCS軟件可以很方便地轉換到實時頻域部分，通過頻域波形可以看到信號是兩個頻率的疊加：一個低頻率的波形與一個高頻率的波形疊加而成。通過觀察輸入和輸出的時域和頻域圖，可以得知輸入波形中的低頻波形通過設計好的低通濾波器，而高頻部分則大部分被濾除。

2.自適應濾波在DSP中的應用。由于FIR和IIR濾波器無法實現最優化濾波的，而自適應濾波器，可以跟蹤信號和噪聲的變化，特別適合實時處理，如在腦電圖、心電圖測量、噪聲抵消等方面得到廣泛應用。自適應濾波仿真結果如圖2所示，要求學生對仿真結果進行討論。

從圖2中的三個波形可以看出，輸出波形在自適應濾波器的調整中逐漸與輸入波形吻合，誤差波形逐漸減小到0值附近，由此可說明設計的自適應濾波器提高了自動跟蹤能力。

上面的兩個例子將DSP理論課上的知識點和先修課程數字信號處理有機結合起來，通過DSP硬件方法講解理論知識，進一步激發學生學習DSP的強大功能，DSP是當今嵌入式系統開發中最熱門的學科。

五、結語

DSP應用技術是一門內容豐富、理論抽象、實踐性很強的課程，在近幾年的DSP應用技術的教學實踐過程中體會到，必須進行DSP課程教學改革，注重優秀教材的選取，采用多種靈活的教學方法、豐富的教學手段，采用CCS開發軟件和DSP實驗板優化課堂教學，不僅豐富教學內容，而且加深學生對理論知識的理解；DSP實驗室配套的實驗項目有幾十個，學生在有限的時間難以掌握，因此選做的四個實驗要概括基礎知識和拓展能力，對于學有余力的學生可以安排額外的時間進實驗室，通過實踐操作，使理論與實際緊密結合，取得令人滿意的教學效果。

參考文獻：

[1]高國旺，黨瑞榮，任志平.DSP課程教學改革與創新實踐探索[J].理工高教研究，2010，29（1）：131-133.

[2]劉愛民.一種DSP教學改革方法研究及實踐[J].信息與電腦，2012（10）：188-189.

[3]康偉，王艷松.電氣專業DSP教學內容與形式改革探析[J].中國電力教育，2013（2）：65-66.

[4]錢堃，房芳.面向運動控制的DSP技術及課程設計教學[J].電氣電子教學學報，2013，35（2）：27-29.

省級重點專業建設立項：電氣工程及其自動化，項目編號：2012JSZDZY-B185。