DSP原理及應(yīng)用教學(xué)方案.docVIP

DSP原理及應(yīng)用課程整體設(shè)計(jì)一、管理信息課程名稱(chēng)：DSP原理及應(yīng)用 課程代碼：學(xué)分：3學(xué)分 總學(xué)時(shí)：36+18授課對(duì)象：電子信息科學(xué)專(zhuān)業(yè)、電子信息工程專(zhuān)業(yè)制訂人：張靜 制定時(shí)間：2012年12月30日二、課程性質(zhì)根據(jù)教育部有關(guān)文件精神，結(jié)合學(xué)院電子信息科學(xué)和電子信息工程人才培養(yǎng)方案要求，DSP原理與應(yīng)用是為電子信息工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課程。本課程全面系統(tǒng)地介紹DSP芯片的基本原理、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。主要以目前應(yīng)用最廣泛的TI DSP芯片中的TMS320C5000系列芯片為主，詳細(xì)介紹其硬件結(jié)構(gòu)、匯編指令及其編程知識(shí)、基于C和匯編語(yǔ)言的混合編程開(kāi)發(fā)方法，要求學(xué)生在熟悉CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)上，掌握DSP的基本工作原理和基本編程方法，了解DSP系統(tǒng)的基本開(kāi)發(fā)過(guò)程及其典型應(yīng)用，為以后從事專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)打下基礎(chǔ)。本課程主要培養(yǎng)學(xué)生選擇應(yīng)用各類(lèi)DSP芯片的能力，分析、設(shè)計(jì)、各種基本的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的能力，這些能力是構(gòu)成本專(zhuān)業(yè)職業(yè)崗位技能的重要部分。為實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體，強(qiáng)化學(xué)生能力的培養(yǎng)，課程按“項(xiàng)目式教學(xué)”模式實(shí)施教學(xué)。三、課程整體設(shè)計(jì)1 課程目標(biāo)設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：模擬信號(hào)-抗混疊濾波-AD轉(zhuǎn)換-數(shù)字信號(hào)處理核心芯片-DA轉(zhuǎn)換基于此，為了具有對(duì)實(shí)際電子產(chǎn)品的分析能力和對(duì)實(shí)際電子項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)能力，課程目標(biāo)的能力目標(biāo)、知識(shí)目標(biāo)、職業(yè)目標(biāo)具體如下。1.1能力目標(biāo) 模擬信號(hào)的獲得：模塊1：傳感器類(lèi)型及選用模塊（分析和設(shè)計(jì)）（1）能夠用常用萬(wàn)用表、示波器等常用儀器儀表做各種傳感器性能的檢查，判別其好壞；（2）能夠根據(jù)檢測(cè)要求合理選用傳感器；模塊2：放大器模塊（分析和設(shè)計(jì)）（1）能夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的放大電路；（2）能夠用不同類(lèi)型的傳感器設(shè)計(jì)制作相應(yīng)的放大模塊電路；抗混疊濾波處理：模塊3：濾波電路模塊（分析和設(shè)計(jì)）（1）能夠根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的濾波電路；（2）能夠用不同類(lèi)型的傳感器設(shè)計(jì)制作相應(yīng)的濾波模塊電路；數(shù)字電路部分：模塊4：AD、DA、顯示、接口模塊（分析和設(shè)計(jì)）（1）能夠根據(jù)要求，選擇使用合適的AD、DA、顯示、接口芯片、存儲(chǔ)器；數(shù)字信號(hào)處理核心芯片模塊5：cpu模塊（分析和設(shè)計(jì)任意合適的cpu最小系統(tǒng)）（1）能夠根據(jù)要求，選擇使用合適的cpu最小系統(tǒng)（單片機(jī)系統(tǒng)、dsp系統(tǒng)、arm系統(tǒng)等）（2）理解各種硬件初始化程序、完成簡(jiǎn)單的算法基礎(chǔ)部分模塊6：電源模塊（分析和設(shè)計(jì)）（1）能夠根據(jù)硬件電路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作合理的電源電路，提供各種電源；1.2知識(shí)目標(biāo)（1）鞏固測(cè)量及誤差理論等知識(shí)，各模塊的基本知識(shí)；（2）掌握信號(hào)處理及抗干擾技術(shù)的基本知識(shí)；（3）了解掌握dsp最小系統(tǒng)硬件及初始化程序，完成簡(jiǎn)單的算法；（4） 掌握分析和設(shè)計(jì)任意合適的cpu最小系統(tǒng)； 1.3職業(yè)目標(biāo)（1）能獨(dú)立承擔(dān)電子產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)、設(shè)備維護(hù)管理、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等崗位的工作，具有良好的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)；（2）養(yǎng)成良好的工作責(zé)任心、堅(jiān)強(qiáng)的意志力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)；（3）在實(shí)際工作中能創(chuàng)造性地完成各項(xiàng)任務(wù)，了解電子信息產(chǎn)業(yè)的相關(guān)法律法規(guī)常識(shí)；2課程內(nèi)容設(shè)計(jì)根據(jù)課程能力目標(biāo)的要求，DSP原理及應(yīng)用課程的內(nèi)容分兩大模塊，10個(gè)子模塊。分別為基本教學(xué)模塊和綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練模塊。基本教學(xué)模塊包括：DSP介紹和基本實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。DSP介紹從應(yīng)用的角度說(shuō)明其硬件資源組成及初始化；基本實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)完成相應(yīng)的硬件初始化實(shí)驗(yàn)。具體內(nèi)容安排見(jiàn)表1所示：表1DSP原理及應(yīng)用課程內(nèi)容一級(jí)模塊二級(jí)子模塊 課時(shí)基本教學(xué)模塊DSP介紹之cpu資源2DSP介紹之片內(nèi)外設(shè)（定時(shí)器、中斷、串口、并口） 4 DSP介紹之存儲(chǔ)器、PLL 2實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)之ccs實(shí)驗(yàn)3實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)之硬件實(shí)驗(yàn) 12實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)之算法實(shí)驗(yàn) 3綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練項(xiàng)目 信號(hào)發(fā)生器或音頻信號(hào)的采集分析識(shí)別12電子秤或恒溫系統(tǒng)或其它 10課程答辯 4 3能力訓(xùn)練項(xiàng)目設(shè)計(jì)整個(gè)課程設(shè)計(jì)2個(gè)綜合型設(shè)計(jì)制作項(xiàng)目，要求完成理論設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)物制作。學(xué)期初，將學(xué)生分成四至六名一組的學(xué)習(xí)小組，DSP介紹部分在教室完成，其它內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中完成常用基本DSP軟硬件設(shè)計(jì)和綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)訓(xùn)練等8個(gè)項(xiàng)目。前6個(gè)項(xiàng)目中：ccs實(shí)驗(yàn)屬于DSP開(kāi)發(fā)環(huán)境；4個(gè)硬件實(shí)驗(yàn)屬于基本DSP硬件設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)訓(xùn)練，完成片內(nèi)外設(shè)（定時(shí)器、中斷、串口、并口）、存儲(chǔ)器和外設(shè)基本使用，1個(gè)算法軟件實(shí)驗(yàn)屬于基本DSP軟件算法設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)訓(xùn)練，完成FFT、濾波器的算法實(shí)現(xiàn)。2個(gè)項(xiàng)目（總數(shù)目5個(gè)）綜合型設(shè)計(jì)制作項(xiàng)目為綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行較為完整電子系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和制作，每組學(xué)生設(shè)計(jì)并動(dòng)手制作實(shí)物，寫(xiě)出設(shè)計(jì)說(shuō)明文件，并進(jìn)行課程答辯。具體的能力訓(xùn)練項(xiàng)目安排見(jiàn)表2所示表2DSP原理及應(yīng)用課程能力訓(xùn)練項(xiàng)目編號(hào)能力訓(xùn)練項(xiàng)目能力訓(xùn)練亞項(xiàng)目擬實(shí)現(xiàn)的能力目標(biāo)相關(guān)支撐知識(shí)訓(xùn)練方式手段及步驟結(jié)果(可展示)1基本實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)1.1ccs實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驑?gòu)造DSP 開(kāi)發(fā)軟件環(huán)境安裝CCS 軟件；安裝DSP 通用仿真器驅(qū)動(dòng)、安裝初始化仿真器程序使用CCS完成簡(jiǎn)單程序1.2 硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲瓿善瑑?nèi)外設(shè)（定時(shí)器、中斷、串口、并口）、存儲(chǔ)器和外設(shè)基本使用片內(nèi)外設(shè)（定時(shí)器、中斷、串口、并口）、存儲(chǔ)器和外設(shè)基本知識(shí)實(shí)現(xiàn)片內(nèi)外設(shè)（定時(shí)器、中斷、串口、并口）、存儲(chǔ)器和外設(shè)相關(guān)的連接和初始化程序片內(nèi)外設(shè)（定時(shí)器、中斷、串口、并口）、存儲(chǔ)器和外設(shè)與CPU能夠工作1.3 算法實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲瓿蒄FT、濾波器的算法實(shí)現(xiàn)完成FFT、濾波器的算法基本知識(shí)編程完成FFT、濾波器的算法、并在ccs環(huán)境中顯示在ccs環(huán)境中顯示2綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練項(xiàng)目2.1信號(hào)發(fā)生器2.2 音頻信號(hào)的采集分析識(shí)別2.3 電子秤2.4 恒溫系統(tǒng)2.5 超聲波測(cè)距能夠?qū)崿F(xiàn)基于DSP的多種波形及頻率可調(diào)的信號(hào)采集（錄音或播放或傳感器）音頻范圍信號(hào)，利用matlab分析其頻譜等，使用DSP實(shí)現(xiàn)其高頻或低頻成分比例判斷選擇傳感器，設(shè)計(jì)放大濾波電路，選擇AD/DA、顯示電路和cpu，實(shí)現(xiàn)功能重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。選擇傳感器，設(shè)計(jì)放大濾波電路，選擇AD和cpu，執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射電路及接收電路，編寫(xiě)單片機(jī)發(fā)射脈沖、采集溫度、定時(shí)器計(jì)時(shí)等程序，實(shí)現(xiàn)測(cè)距布置該設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，上網(wǎng)查找所需技術(shù)資料，本組學(xué)生分工合作完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)同上同上同上同上完成系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)，制作出實(shí)物，會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，正確設(shè)定系統(tǒng)的參數(shù)同上同上同上同上4 綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練項(xiàng)目相關(guān)說(shuō)明 信號(hào)發(fā)生器項(xiàng)目相關(guān)說(shuō)明（1） 項(xiàng)目概況 信號(hào)發(fā)生器又稱(chēng)信號(hào)源或振蕩器，各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來(lái)表示。能夠產(chǎn)生矩形波（含方波）、正弦波等多種波形。要求：基于TMS320VC5416DSP實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)現(xiàn)的信號(hào)發(fā)生器。精度高、穩(wěn)定性好、頻率可設(shè)置。（2） 項(xiàng)目技術(shù)原理利用余弦函數(shù)的遞推公式或泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)等計(jì)算方法，計(jì)算每一點(diǎn)函數(shù)值，經(jīng)過(guò)DA輸出，得到正弦波；利用定時(shí)器定時(shí)可得到方波；（3）思考 上述僅僅實(shí)現(xiàn)頻率可設(shè)的矩形波（含方波）、正弦波，如何實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)？還可以增加什么功能接近實(shí)際產(chǎn)品？如何實(shí)現(xiàn)？音頻信號(hào)的采集分析識(shí)別項(xiàng)目相關(guān)說(shuō)明（1） 項(xiàng)目概況音頻的范圍是20Hz至20KHz，在實(shí)際工程中廣泛存在。例如：案例1：目前國(guó)內(nèi)延遲焦化裝置在水力除焦過(guò)程中，普遍依靠操作人員不斷觀察塔底部出中溜槽中的焦炭水，憑借高壓水射流發(fā)出的聲音判斷依據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷焦炭塔內(nèi)的焦炭是否切干凈。高壓水射流發(fā)出的聲音即音頻的范圍。案例2：機(jī)械設(shè)備是當(dāng)今各種機(jī)械和工業(yè)設(shè)備的最通用裝置，為了保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行，常常需要工作人員定期檢修、維護(hù)。機(jī)械設(shè)備在發(fā)生故障時(shí)，維護(hù)人員足憑借機(jī)械設(shè)備發(fā)出的聲音判斷故障的類(lèi)型。案例3：便攜式心電監(jiān)護(hù)儀。結(jié)合心電監(jiān)測(cè)技術(shù)與移動(dòng)計(jì)算技術(shù)，對(duì)心電異常變化進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警的輔助性診斷設(shè)備。該設(shè)備具有心電信息的采集、存儲(chǔ)、智能分析預(yù)警等功能。音頻信號(hào)的采集分析識(shí)別為此類(lèi)應(yīng)用項(xiàng)目的核心部分。要求：基于TMS320VC5416DSP實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)現(xiàn)的音頻信號(hào)采集、分析、識(shí)別。采集（錄音或播放或傳感器）音頻范圍信號(hào)，利用matlab分析其頻譜等，使用DSP實(shí)現(xiàn)其高頻或低頻成分比例判斷（2） 項(xiàng)目技術(shù)原理利用TI公司AIC23 通過(guò)其中的AD 轉(zhuǎn)換采集輸入的語(yǔ)音信號(hào)，每采集完一個(gè)信號(hào)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP 的McBSP 接口上，DSP 可以讀取到語(yǔ)音數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)為16 位無(wú)符號(hào)整數(shù)。利用matlab分析其頻譜等，使用DSP實(shí)現(xiàn)其高頻或低頻成分比例判斷（3）思考 1、輸入的語(yǔ)音信號(hào)可以采用AIC23錄音或播放；若使用傳感器，如何實(shí)現(xiàn)采集（選擇傳感器、設(shè)計(jì)放大濾波）？ 2、便攜式心電監(jiān)護(hù)儀還需要具有什么功能？（如短信功能，將心電異常情況立即告知本人或家人或醫(yī)生）電子秤項(xiàng)目相關(guān)說(shuō)明（1） 項(xiàng)目概況電子秤采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一體化的電子稱(chēng)量裝置，才能滿(mǎn)足并解決現(xiàn)實(shí)生活中提出的快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)稱(chēng)量要求，同時(shí)有效地消除人為誤差，使之更符合法制計(jì)量管理和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的應(yīng)用要求。案例1：襄樊高隆磷化工有限責(zé)任公司公司現(xiàn)有85%磷酸包裝采用人工逐桶計(jì)量，單件凈重35Kg，現(xiàn)需按照重量進(jìn)行設(shè)計(jì)的自動(dòng)灌裝裝置，設(shè)計(jì)包裝凈重為35Kg50g。按年產(chǎn)磷酸量6000噸，需要包裝17萬(wàn)個(gè)包裝桶，按每個(gè)包裝節(jié)省磷酸50g，同時(shí)節(jié)省了人工費(fèi)用。電子秤為該項(xiàng)目的的核心部分。（2） 項(xiàng)目技術(shù)原理系統(tǒng)單片機(jī)（自選）為控制核心，運(yùn)用稱(chēng)重傳感器、運(yùn)算放大器等器件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)易電子秤，具有稱(chēng)重、計(jì)價(jià)等功能。具體來(lái)說(shuō)，采用電阻應(yīng)變片稱(chēng)重傳感器將砝碼重量變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化，并用精密儀表放大器放大信號(hào)，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的放大與低通濾波以及A/D轉(zhuǎn)化，最終將信號(hào)送往單片機(jī)處理，得到物體重量，同時(shí)，該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)通過(guò)按鍵對(duì)電子稱(chēng)設(shè)置單價(jià)并計(jì)價(jià)功能。（3）思考實(shí)現(xiàn)上述公司的要求，難點(diǎn)是什么？（灌裝動(dòng)態(tài)、誤差精度高，0.14%）。如何解決？恒溫系統(tǒng)項(xiàng)目相關(guān)說(shuō)明（1） 項(xiàng)目概況恒溫是指通過(guò)自動(dòng)溫控設(shè)備，使溫度保持不變得狀態(tài),溫度值不受時(shí)間的影響。初始溫度與任何一時(shí)刻的溫度相同或者相近似。重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。案例1：高精度測(cè)量系統(tǒng)中，為了提高測(cè)量精度，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度檢測(cè)是必須的環(huán)節(jié)。案例2：工業(yè)工程中的加熱爐、熱處理爐及反應(yīng)爐等；醫(yī)療等其他行業(yè)也有廣泛應(yīng)用。（2） 項(xiàng)目技術(shù)原理系統(tǒng)單片機(jī)（自選）為控制核心，運(yùn)用溫度傳感器、運(yùn)算放大器等器件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，再根據(jù)溫度值求控制量控制電爐加熱。具體來(lái)說(shuō)，采用溫度傳感器將實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化，并用精密儀表放大器放大信號(hào)，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的放大與低通濾波以及A/D轉(zhuǎn)化，最終將信號(hào)送往單片機(jī)處理，得到實(shí)際溫度，再根據(jù)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的差值，和控制策略，計(jì)算控制量，控制PWM波，進(jìn)而控制電爐加熱。（3）思考一般控制策略是什么？先進(jìn)的控制策略（如模糊控制）有哪些？如何實(shí)現(xiàn)？其它項(xiàng)目相關(guān)說(shuō)明：綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練項(xiàng)目包含并不限于上述項(xiàng)目，其它參考項(xiàng)目可為下列項(xiàng)目，或其它學(xué)生自選的符合要求的項(xiàng)目。1、 國(guó)家、省電子競(jìng)賽課題2、 TI公司、英特爾公司等大公司舉辦的電子類(lèi)競(jìng)賽課題5 指定參考文獻(xiàn)：1 運(yùn)算放大器權(quán)威指南(第3版)(已發(fā)10電科、電工班群共享)2 /ww/cn/uprogram/news/news_20120824_d.html （2012年8月TI公司電子競(jìng)賽)3 /pages/index_cn.html （2012年8月Intel公司電子競(jìng)賽)6 考核方案根據(jù)DSP原理及應(yīng)用課的特點(diǎn)和課程整體設(shè)計(jì)要求，為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生所學(xué)知識(shí)和能力進(jìn)行檢查，重在測(cè)試學(xué)生的動(dòng)手操作能力和知識(shí)運(yùn)用能力。為體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)態(tài)度，考核分以下四個(gè)方面進(jìn)行：第一，任課老師根據(jù)學(xué)生的平時(shí)學(xué)習(xí)情況，包括到課率、課堂表現(xiàn)、作業(yè)完成情況和實(shí)訓(xùn)完成的熟練程度進(jìn)行評(píng)定，此項(xiàng)為15分。具體分配如下：到課率課堂表現(xiàn)5分，電子產(chǎn)品分析報(bào)告15分；第二，平時(shí)的6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每個(gè)項(xiàng)目5分，根據(jù)完成情況和撰寫(xiě)實(shí)訓(xùn)報(bào)告的認(rèn)真程度評(píng)定，此項(xiàng)共30分；第三，綜合項(xiàng)目，此項(xiàng)為40分。在本課程學(xué)習(xí)每組學(xué)生應(yīng)完成的2個(gè)綜合性項(xiàng)目（自選）。以培養(yǎng)學(xué)生選用各種元器件和cpu的能力和綜合運(yùn)用能力，具備一定的電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)一定的成本核算意識(shí)和經(jīng)濟(jì)頭腦，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和良好的職業(yè)道德，培養(yǎng)良好的人際關(guān)系協(xié)調(diào)能力和互助合作精神。每個(gè)綜合性項(xiàng)目20分：其中10為設(shè)計(jì)分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：整體設(shè)計(jì)方案，包括原理框圖和實(shí)現(xiàn)原理圖（2分）；選擇各種元器件，說(shuō)明理由，設(shè)計(jì)電路（3分）；設(shè)計(jì)說(shuō)明文件（3分）；成本預(yù)算費(fèi)用（2分）；每一單項(xiàng)的具體標(biāo)準(zhǔn)為完成很好得滿(mǎn)分，良好得該項(xiàng)的80%，中等為70%，一般為60%，差為40%，根據(jù)具體情況每個(gè)等第可以有5%到10%的浮動(dòng)。另10分為制作分，主要看實(shí)物制作的完成情況及實(shí)際效果。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：實(shí)物美觀大方，