DSP原理與應(yīng)用教學(xué)方法研究與探索

1、 822011年第14期 數(shù)字信號(hào)處理器 (Digital Signal Processor, 簡(jiǎn)稱DSP 是伴隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和集成電路微電子技術(shù)的高速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的, 為數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)提供了高效而可靠的硬件基礎(chǔ), 已成 為數(shù)字信號(hào)處理算法的主要實(shí)現(xiàn)手段。 DSP應(yīng)用遍及信號(hào)處理、 通 信、 語(yǔ)音合成和圖像處理、 醫(yī)療設(shè)備、 家用電器等領(lǐng)域, 已成為電氣 工程、 自動(dòng)控制、 儀器儀表類專業(yè)需要掌握的前沿高新技術(shù)。 1,2因 此, 為更好地適應(yīng)課程教學(xué)的需要 , 培養(yǎng)掌握DSP技術(shù)的專門人才 , 研究和探索DSP課程的教學(xué)改革方法具有重要的意義。一、 課程內(nèi)容及特點(diǎn)在DSP領(lǐng)域,

2、美國(guó)TI (Texas Instruments 公司的TMS320系列 DSP已成為當(dāng)今世界上最有影響力的DSP芯片 , 約占世界市場(chǎng)份額的 60%左右, 3其中2000系列作為TI DSP家族三大系列之一, 不僅具 有高速運(yùn)算和信息處理能力, 而且具有低功耗、 高性價(jià)比及高外設(shè) 集成度等特點(diǎn), 將實(shí)時(shí)處理能力與外設(shè)功能集于一身, 非常適于電 氣設(shè)備和自動(dòng)裝置的控制, 符合洛陽(yáng)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化系 (以下簡(jiǎn)稱 “我系” 所設(shè)專業(yè)的特點(diǎn), 因此, 選擇TMS320LF240x 系列DSP作為講授和應(yīng)用對(duì)象。從授課體系結(jié)構(gòu)看, DSP課程由理論和實(shí)驗(yàn)兩部分組成, 主要 包括DSP硬件資源、

3、尋址方式與指令系統(tǒng)、 程序編寫與軟件開(kāi)發(fā)、 片 內(nèi)外設(shè)的應(yīng)用設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等。 該課程特點(diǎn)如下 。 4(1 學(xué)時(shí)少 , 內(nèi)容多, 綜合性強(qiáng)。 大多數(shù)高校DSP課程的學(xué)時(shí) 都安排3248個(gè)學(xué)時(shí), 理論教學(xué)約為2432個(gè)學(xué)時(shí), 實(shí)驗(yàn)教學(xué)約為 816個(gè)學(xué)時(shí)。 在計(jì)劃學(xué)時(shí)內(nèi), 不但要掌握DSP的硬件結(jié)構(gòu), 學(xué)習(xí)匯 編語(yǔ)言 , 而且還要學(xué)習(xí)片內(nèi)外設(shè)的應(yīng)用設(shè)計(jì)等, 課時(shí)不足, 學(xué)生普遍 認(rèn)為學(xué)習(xí)難度較大。(2 實(shí)踐性強(qiáng)。 課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生DSP應(yīng)用設(shè)計(jì)能力, 決 定了教學(xué)本身更注重實(shí)踐環(huán)節(jié)。 但由于受學(xué)時(shí)和考核方式的限制, 傳統(tǒng)教學(xué)普遍存在重理論、 輕實(shí)踐的弊端, 忽略了對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力 的培養(yǎng)。(3

4、 DSP芯片種類繁多, 更新速度快。 不同公司的DSP芯片在 硬件和軟件上都存在很大差別, 即使同一公司不同系列DSP的硬件 結(jié)構(gòu)和匯編指令也不盡相同。 此外, 大多數(shù)DSP技術(shù)資料都是英文 文獻(xiàn), 學(xué)生不易理解和接受。因此, 針對(duì)DSP課程特點(diǎn)和教學(xué)存在的問(wèn)題, 改革教學(xué)內(nèi)容、 手 段和方法, 確定一個(gè)科學(xué)的教學(xué)體系勢(shì)在必行。二、 教學(xué)目標(biāo)與手段我系自動(dòng)化本科專業(yè)開(kāi)設(shè)了DSP原理與應(yīng)用課程, 總學(xué)時(shí)40學(xué) 時(shí), 其中 , 理論教學(xué)32學(xué)時(shí), 實(shí)踐教學(xué)8學(xué)時(shí)。 該課程安排在大四上 學(xué)期, 這時(shí)學(xué)生大都已經(jīng)修完 “單片機(jī)原理” 、 “C語(yǔ)言設(shè)計(jì)” 、 “數(shù) 字電路” 、 “微機(jī)原理” 及 “數(shù)字

5、信號(hào)處理技術(shù)” 等相關(guān)課程, 為本 課程的學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。教學(xué)目標(biāo)是教育方法的導(dǎo)向, 有什么樣的教學(xué)目標(biāo)決定了應(yīng)采 用什么樣的教學(xué)方法。 DSP原理與應(yīng)用作為一門重要的專業(yè)課, 其 主要任務(wù)是使學(xué)生掌握DSP芯片的基本工作原理、 常用算法、 片內(nèi) 外設(shè)的硬件設(shè)計(jì)及軟件編程方法, 基本的開(kāi)發(fā)調(diào)試技巧。 同時(shí), 通 過(guò)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究的緊密結(jié)合 , 培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的思維 方式, 提高他們的動(dòng)手和實(shí)踐能力。 通過(guò)一個(gè)系列DSP芯片的學(xué)習(xí) , 能夠舉一反三, 學(xué)會(huì)把握其他系列或其他公司DSP芯片的學(xué)習(xí)方 法, 為以后使用DSP器件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理算法及相關(guān)DSP技 術(shù)的研發(fā)工作提供必

6、要的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐技能。由于DSP課程學(xué)時(shí)少、 內(nèi)容多, 在教學(xué)安排時(shí)務(wù)必做到精煉, 并 且能反映知識(shí)學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。 理論教學(xué)應(yīng)根據(jù)不同內(nèi) 容采用不同的方式來(lái)組織教學(xué), 以多媒體為主, 板書為輔, 并結(jié)合 操作演示和實(shí)物等多種教學(xué)手段。 5對(duì)于DSP硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)外設(shè) 的基本工作原理等內(nèi)容, 采用多媒體為主, 對(duì)于難點(diǎn)和重點(diǎn), 教師 可通過(guò)板書進(jìn)一步演示、 講解和推導(dǎo), 加深學(xué)生印象。 在課件制作 中 , 應(yīng)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行提煉和剪裁, 做到簡(jiǎn)明扼要, 突出重點(diǎn), 盡量避免 課本的重復(fù)和大量文字的堆砌, 可通過(guò)多媒體動(dòng)畫的演示, 使授課 內(nèi)容變得通俗易懂。 在介紹CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境時(shí)

7、, 可將理論教學(xué)搬 進(jìn)實(shí)驗(yàn)室, 教師進(jìn)行多媒體演示, 學(xué)生進(jìn)行同步操作; 對(duì)于DSP片DSP原理與應(yīng)用教學(xué)方法研究與探索王 燕 姚惠林摘要:DSP原理與應(yīng)用是一門工程性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的綜合性課程, 但由于該課程具有學(xué)時(shí)少 、 內(nèi)容多 、 知識(shí)面廣等特點(diǎn), 傳統(tǒng)教學(xué)普遍存 在重理論、 輕實(shí)踐的弊端。 因此, 為改善教學(xué)效果, 培養(yǎng)有技術(shù)、 有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才 , 從改革教學(xué)手段、 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法入手 , 激發(fā)學(xué) 生學(xué)習(xí)的熱情與信心, 提高學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐水平 , 為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理算法及相關(guān)DSP技術(shù)的研發(fā) 工作提供必要的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí) 踐技能。關(guān)鍵詞:DSP; 課程特點(diǎn); 教學(xué)

8、手段; 教學(xué)方法作者簡(jiǎn)介:王燕 (1981- , 女, 河南駐馬店人, 洛陽(yáng)理工學(xué)院電氣工程與 自動(dòng)化系, 講師; 姚惠林 (1964- , 男 , 湖北荊州人, 洛陽(yáng)理工學(xué)院 電氣工程與 自動(dòng)化系, 副教授。 (河南 洛陽(yáng) 471023中圖分類號(hào):G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-0079(2011 14-0082-02課程教材 總第201期內(nèi)外設(shè)的應(yīng)用設(shè)計(jì) , 可用多媒體展示硬件設(shè)計(jì)的原理圖及軟件流程 圖, 并結(jié)合TMS320LF2407實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行講解, 使學(xué)生對(duì)DSP外 設(shè)的應(yīng)用設(shè)計(jì)形成直觀和系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。三、 教學(xué)方法研究與探索1.采用比較式教學(xué)方法考慮到單片機(jī)與DS

9、P器件有相似之處, 在講解時(shí)應(yīng)注重這兩者 的區(qū)別和聯(lián)系, 以增強(qiáng)教學(xué)效果。 已選修過(guò)單片機(jī)的學(xué)生對(duì)單片機(jī) 的體系結(jié)構(gòu)與軟硬件設(shè)計(jì)都有一定的認(rèn)識(shí)和輪廓感, 在學(xué)習(xí)DSP時(shí) 會(huì)不自覺(jué)地進(jìn)行比較理解, 能較快地接受和進(jìn)入新課程的學(xué)習(xí)。 比 如中斷系統(tǒng)的學(xué)習(xí), 單片機(jī)和DSP的很多基本概念、 原理及使用方 法都是相似的, 如中斷向量、 中斷優(yōu)先級(jí)、 中斷標(biāo)志及中斷屏蔽等, 有了單片機(jī)中斷系統(tǒng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ), 學(xué)生就很容易理解DSP的中斷系 統(tǒng), 因此, 講授的重點(diǎn)應(yīng)放在它們之間的區(qū)別上。 (1 在中斷服務(wù) 程序的末尾, 必須安排一條返回指令 , 單片機(jī)用的是RETI指令; 而 DSP是RET指令。 (2

10、單片機(jī)和DSP都有一個(gè)中斷總開(kāi)關(guān)位, 在主 程序的初始化中 , 必須把中斷總開(kāi)關(guān)位打開(kāi) , CPU才能開(kāi)放中斷, 單 片機(jī)是通過(guò)寫1(SETB EA 來(lái)使其中斷; 而DSP2407則是通過(guò)寫0 (CLRC INTM 實(shí)現(xiàn)。2. 采用分組討論式教學(xué)方法, 擺脫以往以教師為中心 , 學(xué)生被動(dòng) 接受知識(shí)的傳統(tǒng)教學(xué)模式。對(duì)于DSP片內(nèi)外設(shè)的應(yīng)用設(shè)計(jì) , 可給出一個(gè)具體示例, 把學(xué)生分 成若干小組進(jìn)行討論。 具體問(wèn)題能激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心與求知 欲, 對(duì)增強(qiáng)學(xué)生獲取知識(shí)的主動(dòng)性以及培養(yǎng)獨(dú)立解決問(wèn)題的能力是 非常有效的。如介紹CAN控制器模塊時(shí), 在講解CAN模塊基本原理、 相關(guān) 寄存器及發(fā)送接收操作后,

11、 結(jié)合教師參與過(guò)的科研項(xiàng)目基于 CAN總線通信的果蔬采摘機(jī)械手控制系統(tǒng), 把采摘機(jī)械手收獲果 蔬的相關(guān)視頻短片作為輔助教學(xué), 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情, 讓學(xué)生 對(duì)CAN總線形成一個(gè)真實(shí)的感知認(rèn)識(shí), 最后再分組討論如何從硬 件和軟件兩方面實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各關(guān)節(jié)和上位機(jī)的CAN總線通信。 討 論結(jié)束后, 教師對(duì)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充、 修正、 評(píng)價(jià)和總結(jié)。 這樣不僅可 以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性, 還可以進(jìn)一步培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)合 作精神。3.弱化教學(xué)難點(diǎn), 突出應(yīng)用能力的培養(yǎng)在DSP教學(xué)中, 匯編語(yǔ)言的學(xué)習(xí)一直是一個(gè)難點(diǎn), 它的指令系 統(tǒng)比單片機(jī)要多很多, 即使同一公司, 不同DSP之間的指令也不盡 相同, 若像講解單

12、片機(jī)指令時(shí)逐條講解, 不但會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生畏難心 理, 而且難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。 因此, 只介紹一些簡(jiǎn)單常用的 指令 , 其他指令不要求馬上掌握, 而是在需要時(shí)再去查找指令手冊(cè), 這樣經(jīng)過(guò)反復(fù)查找, 一些常用指令就被學(xué)生自然而然地掌握了 。 即 使這樣, 要在較短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)編寫一個(gè)完整的匯編程序 , 對(duì)學(xué)生來(lái) 說(shuō)還是很困難的; 相比而言 , C語(yǔ)言的學(xué)習(xí)要簡(jiǎn)單得多, 因?yàn)榇蠖鄶?shù) 學(xué)生都有C語(yǔ)言編程的基礎(chǔ)。 但在用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP程序時(shí), 可能會(huì) 遇到一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高或需要對(duì)DSP的底層資源進(jìn)行操作的 場(chǎng)合 , 這時(shí)就會(huì)給開(kāi)發(fā)帶來(lái)一定的難度, 而且對(duì)于某些操作, C語(yǔ)言 根本無(wú)法實(shí)現(xiàn), 如對(duì)

13、INTM、 OVM、 CNF等位的操作, 如果把C語(yǔ)言 和匯編語(yǔ)言結(jié)合起來(lái), 程序主體由C語(yǔ)言來(lái)控制; 對(duì)實(shí)時(shí)性要求較 高或需要對(duì)DSP底層資源進(jìn)行操作的代碼用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn), 如FFT 算法的編程, 這樣可以使二者取長(zhǎng)補(bǔ)短, 相得益彰, 達(dá)到對(duì)DSP軟硬 件資源的最佳利用的目的。4.加強(qiáng)和引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng), 突出實(shí)踐教學(xué)在DSP教學(xué)中 的重要地位DSP課程強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生DSP應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力, 但由于實(shí)踐 教學(xué)僅有8學(xué)時(shí), 除去2學(xué)時(shí)的CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境配置實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)學(xué) 時(shí)只剩下6學(xué)時(shí), 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)踐教學(xué)的需要。因此, 把實(shí)踐教學(xué)擴(kuò)展到12學(xué)時(shí), 在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上, 僅安排了基礎(chǔ) 性實(shí)

14、驗(yàn), 夯實(shí)基礎(chǔ)很重要, 只有在熟練掌握基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)以后, 才能 更好地引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的興趣和研究需要進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新 實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要有 :事件管理器模塊中的定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、 PWM脈沖 實(shí)驗(yàn)及正交編碼電路實(shí)驗(yàn); A/D轉(zhuǎn)換、 串行通信接口和CAN通信實(shí) 驗(yàn)、 快速傅里葉變換實(shí)驗(yàn)等。 目的是讓學(xué)生掌握軟件調(diào)試工具CCS 的使用方法, 加深對(duì)理論課程的理解, 熟悉DSP片內(nèi)外設(shè)的軟硬件 設(shè)計(jì)方法。但僅憑12學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生精通設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)應(yīng)用, 因此, 還應(yīng)鼓勵(lì)有興趣的學(xué)生在課余時(shí)間自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn), 增加學(xué)生 自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐的機(jī)會(huì)。另外, 在實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排上, 也摒棄以往課程結(jié)束集中實(shí)驗(yàn)的做 法, 而是采取按照課程進(jìn)度合理安排實(shí)驗(yàn), 讓實(shí)驗(yàn)貫穿于理論學(xué)習(xí) 的全過(guò)程, 使實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)起到提綱挈領(lǐng)的作用。四、 結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)DSP課程的教學(xué)改革與實(shí)踐, 大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積 極性和主動(dòng)性, 教學(xué)效果明顯改善, 但在課程的教學(xué)過(guò)程中仍然存 在很多問(wèn)題和不足有待改善, 這就要求教師在以后的教學(xué)中不斷 更新教學(xué)理念, 改革教學(xué)內(nèi)容與方法, 切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能 力, 為今后深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用DSP打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn):1 張小鳴.DSP 控制器原理及應(yīng)用 M.北京 :清華大學(xué)出版社 ,2009. 2 劉艷萍.DSP 技術(shù)原理及應(yīng)用教程 M.北京 :北京航空航天大學(xué)