定制式創新型DSP實驗教學系統設計

姚國珍 尚秋峰 張靜

摘 要 針對現有DSP實驗系統的不足，設計一種定制式創新型DSP實驗教學系統。該系統由便攜實驗模塊和實驗教學系統底板兩部分構成，有機結合便攜實驗模塊和固定場所用實驗箱的優點，適用于分層次實驗教學模式。應用實踐表明：該實驗教學系統有助于增強DSP實驗的教學效果，培養學生的創新實踐能力。

關鍵詞 DSP實驗教學系統；便攜實驗模塊；實驗箱；電子信息科學與技術

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）22-0026-04

Design of Customized Innovative DSP Experimental Teaching System//YAO Guozhen， SHANG Qiufeng， ZHANG Jing

Abstract Aiming at the shortcomings of the existing DSP experimental system， a customized innovative experimental teaching system is?designed in this paper. The system consists of two parts： portable experiment module and experiment box bottom plate. It combines the advantages of portable experiment module and experiment box used at fixed place， and it is suitable for hierarchical experiment tea-ching mode. The application practice shows that the experimental?teaching system is helpful to improve the teaching effect of DSP experiment and cultivate innovative practice ability of students.

Key words DSP experimental teaching system; portable experiment module; experiment box; electronic information science and techno-logy

0 引言

教育部于2017年上半年發布《關于開展新工科研究與實踐的通知》。新工科的本質就是培養創新型人才，需要具備扎實的理論知識基礎，具有創造思維和創新工程實踐能力[1]。對于電子信息類專業學生來說，微處理器類課程是培養創新能力、工程實踐能力方面非常重要的專業課[2-3]。

數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是一種適合進行數字信號處理的微處理器，已被廣泛應用于很多領域。為了使學生掌握數字信號處理理論，并且能夠應用數字信號理論解決實際問題，很多高校開設了DSP技術相關課程[4-6]。DSP技術課程與實踐結合比較緊密，為了加強學生對課程內容的理解，該課程一般都設置和教學內容相對應的實踐環節。實踐環節采用的實驗裝置一般分兩類：便攜實驗模塊和實驗箱。便攜實驗模塊可以在宿舍、教室等很多地方使用，但一般只能完成部分基礎實驗；實驗箱上的硬件資源比較豐富，可完成的實驗內容較多，但一般僅限于在實驗室使用。

基于實驗箱和便攜實驗模塊的優缺點，本文設計一種定制式創新型DSP實驗教學系統。該教學系統由便攜實驗模塊和實驗教學系統底板兩部分組成，便攜實驗模塊可獨立運行，兩部分結合到一起即構成實驗教學系統。此種設計彌補了便攜實驗模塊和實驗箱的不足，并特別針對電子信息科學與技術專業定制了部分硬件資源，使用更加靈活和有針對性。

1 實驗教學系統設計

TI公司的DSP在市場上占有的份額比較大，其中的5000系列為低功耗DSP，主要用于通信、信號處理等方面。TMS320VC5509A為5000系列DSP的主流型號，因此，實驗教學系統設計時選用TI公司的TMS320VC5509A作為核心處理器。

1.1 便攜實驗模塊的選擇

為了節約開發時間和成本，便攜實驗模塊選擇在市場上購買。選擇便攜實驗模塊時遵循幾個原則：能獨立運行；體積小；有總線擴展接口；工作穩定。經過調研，按照原則確定便攜實驗模塊，該實驗模塊的資源除了構成最小系統必需的SDRAM、Flash、電源和JTAG外，還擴展了音頻輸入輸出、DA、RS232、LED和撥碼開關，可以完成一些基本實驗和簡單的綜合實驗。實驗板的功能框圖如圖1所示。

該實驗模塊設計了四個擴展接口，接口信號主要包括總線及控制信號、時鐘信號、復位信號、AD輸入信號、外部中斷信號、定時器輸出信號、通用I/O信號及電源等。利用上述信號即可實現DSP外圍電路的擴展。

1.2 實驗教學系統底板設計

目前市場上有多種型號的DSP教學實驗箱，但廠家為了節約研發成本，銷售的實驗箱一般適用于電子通信類、自動化類和計算機類等多個專業，通用性比較強。針對電子信息科學與技術專業的DSP教學，實驗箱上的一些硬件資源冗余，如電機控制實驗；而有些功能卻沒有，如CPLD的邏輯控制實驗。

針對上述問題，本文設計適用于電子信息科學與技術專業的實驗教學系統，實驗教學系統底板的功能框圖如圖2所示。

1）模擬信號源模塊。模擬信號源模塊可以產生兩路不同頻率和幅度的正弦波、方波和三角波信號，并且可產生兩路疊加后的信號。此模塊主要用于DSP的AD采集實驗和信號分析實驗，如FFT、FIR和IIR實驗。

模擬信號產生電路如圖3a所示，核心芯片采用函數信號發生器芯片ICL8038。由于ICL8038產生的信號存在0 V以下部分，而TMS320VC5509A的片上AD的輸入信號要求必須在0～3.3 V之間，因此，利用運算放大器LF347構成反向求和電路，將信號抬高到0 V以上，如圖3b所示。反向求和電路的兩個輸入分別是-12 V直流電壓和ICL8038產生的信號，將-12 V和ICL8038產生的信號按一定比例關系求和之后再進行反向，就可以在ICL8038產生的信號中疊加上一個直流成分，從而滿足DSP片上AD的要求。

2）電源模塊。實驗教學系統的總電源為輸出電壓，包含±12 V和+5 V的開關電源，開關電源的輸出經電源模塊處理后得到實驗教學系統使用的±12 V和3.3 V電壓。電源模塊的電路如圖4所示，由于開關電源輸出的直流電壓中包含紋波，會對模擬和數字電路產生干擾，因此，±12 V

電壓經過33 μH的電感和10 μF及0.1 μF的電容濾波后再提供給實驗教學系統電路使用；數字電路中使用的3.3 V電壓選用DC-DC芯片AMS1117產生，其輸入為5 V，輸出為3.3 V，

同樣在輸入及輸出端采用10 μF及0.1 μF電容進行降噪處理。

3）液晶顯示模塊和鍵盤模塊。為了能夠完成綜合性、設計性實驗，在實驗教學系統上擴展液晶顯示模塊和鍵盤模塊。由于TMS320VC5509A的通用I/O口較少，直接與液晶和鍵盤接口比較困難，因此采用CPLD實現DSP和液晶及鍵盤間的譯碼功能。

液晶顯示模塊采用128×64液晶顯示器，利用并行接口控制，接口電路如圖5a所示。對CPLD編程時采用圖形化編程方法，程序框圖如圖5b所示。

鍵盤模塊采用4×4的矩陣鍵盤，通過行列掃描方式工作，接口電路和CPLD的程序框圖如圖6所示。控制液晶顯示模塊和鍵盤的DSP地址都分配在CE2對應的地址空間，所以在地址譯碼邏輯的輸入端都引入TMS320VC5509A的CE2信號，同時引入讀寫控制信號ARE和AWE，以便于進行時序的控制。

在微處理器系統中常用CPLD實現譯碼和邏輯控制，但在教學過程中發現，學生對CPLD在此方面的應用理解起來很困難。針對此問題，系統中上述對液晶和鍵盤控制的CPLD模塊對學生開放，學生可自己編程下載和調試程序，從而可加深對CPLD功能的理解。

將上述便攜實驗模塊通過擴展接口插到實驗教學系統底板上，即可構成完整的DSP實驗教學系統，其實物圖如圖7所示。

2 實驗教學系統應用

目前，該定制式創新型DSP實驗教學系統已制作30余套，被應用在電子信息科學與技術專業的本科生和研究生實驗教學中。在教學計劃內的時間里，學生在實驗室利用實驗教學系統開展實驗；在教學計劃內的實驗結束后，學生則將便攜實驗模塊帶回宿舍，利用課余時間繼續開展實驗，從而突破在實驗室開展實驗時空間和時間上的限制，提高實驗效率。

針對實驗教學系統的硬件資源，設計不同類型的實驗教學項目，共分為三類：

1）基礎實驗，包括存儲器實驗、定時器實驗、I/O口實驗等僅和TMS320VC5509A的片上資源有關的實驗，此部分實驗只需要便攜實驗模塊就可完成，所以大部分安排在課下完成；

2）綜合性實驗，要求學生利用實驗教學系統的多種硬件資源完成，如簡易計算器設計、數據采集與分析系統設計等，所以一般安排在實驗室利用課內實驗時間完成；

3）課程設計，實驗項目需要學生根據題目要求和實驗教學平臺的硬件資源自行設計和編程完成實驗內容，綜合和設計的內容較多，如簡易示波器的設計，一般安排在兩周的課程設計階段完成。

以上教學實驗項目的題目如表1所示。三類教學實驗項目的設置都充分結合了實驗教學平臺的特點，且難度逐漸遞進，實現多層次的實驗教學。

3 結束語

本文設計了定制式創新型DSP實驗教學系統，克服了便攜實驗模塊硬件資源少和實驗箱不便于攜帶的缺點。應用實踐表明：利用該實驗教學系統，提高了學生的學習積極性和自主學習能力，對增強教學效果、提升學生的創新能力和動手實踐能力有很大幫助。

參考文獻

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[2]李雪霞，劉雪梅，李建勇.基于微處理器系列課程的大學生創新能力培養與研究[J].教育現代化，2018，5（40）：54-56.

[3]靳其寶，劉璨，楊芳.項目驅動下單片機新型翻轉教學模式探索[J].電氣電子教學學報，2020，42（6）：110-115.

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