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)字信號處理器 (Digital Signal Processor, 簡稱DSP 是伴隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和集成電路微電子技術(shù)的高速發(fā)展應(yīng)運而生的, 為數(shù)字信號處理算法的實現(xiàn)提供了高效而可靠的硬件基礎(chǔ), 已成 為數(shù)字信號處理算法的主要實現(xiàn)手段。 DSP應(yīng)用遍及信號處理、 通 信、 語音合成和圖像處理、 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)容及特點在DSP領(lǐng)域,

2、美國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 有高速運算和信息處理能力, 而且具有低功耗、 高性價比及高外設(shè) 集成度等特點, 將實時處理能力與外設(shè)功能集于一身, 非常適于電 氣設(shè)備和自動裝置的控制, 符合洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動化系 (以下簡稱 “我系” 所設(shè)專業(yè)的特點, 因此, 選擇TMS320LF240x 系列DSP作為講授和應(yīng)用對象。從授課體系結(jié)構(gòu)看, DSP課程由理論和實驗兩部分組成, 主要 包括DSP硬件資源、

3、尋址方式與指令系統(tǒng)、 程序編寫與軟件開發(fā)、 片 內(nèi)外設(shè)的應(yīng)用設(shè)計以及實驗環(huán)節(jié)等。 該課程特點如下 。 4(1 學(xué)時少 , 內(nèi)容多, 綜合性強。 大多數(shù)高校DSP課程的學(xué)時 都安排3248個學(xué)時, 理論教學(xué)約為2432個學(xué)時, 實驗教學(xué)約為 816個學(xué)時。 在計劃學(xué)時內(nèi), 不但要掌握DSP的硬件結(jié)構(gòu), 學(xué)習(xí)匯 編語言 , 而且還要學(xué)習(xí)片內(nèi)外設(shè)的應(yīng)用設(shè)計等, 課時不足, 學(xué)生普遍 認為學(xué)習(xí)難度較大。(2 實踐性強。 課程的目標是培養(yǎng)學(xué)生DSP應(yīng)用設(shè)計能力, 決 定了教學(xué)本身更注重實踐環(huán)節(jié)。 但由于受學(xué)時和考核方式的限制, 傳統(tǒng)教學(xué)普遍存在重理論、 輕實踐的弊端, 忽略了對學(xué)生動手能力 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, 學(xué)生不易理解和接受。因此, 針對DSP課程特點和教學(xué)存在的問題, 改革教學(xué)內(nèi)容、 手 段和方法, 確定一個科學(xué)的教學(xué)體系勢在必行。二、 教學(xué)目標與手段我系自動化本科專業(yè)開設(shè)了DSP原理與應(yīng)用課程, 總學(xué)時40學(xué) 時, 其中 , 理論教學(xué)32學(xué)時, 實踐教學(xué)8學(xué)時。 該課程安排在大四上 學(xué)期, 這時學(xué)生大都已經(jīng)修完 “單片機原理” 、 “C語言設(shè)計” 、 “數(shù) 字電路” 、 “微機原理” 及 “數(shù)字

5、信號處理技術(shù)” 等相關(guān)課程, 為本 課程的學(xué)習(xí)奠定了堅實的基礎(chǔ)。教學(xué)目標是教育方法的導(dǎo)向, 有什么樣的教學(xué)目標決定了應(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)計及軟件編程方法, 基本的開發(fā)調(diào)試技巧。 同時, 通 過課堂教學(xué)和實驗研究的緊密結(jié)合 , 培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的思維 方式, 提高他們的動手和實踐能力。 通過一個系列DSP芯片的學(xué)習(xí) , 能夠舉一反三, 學(xué)會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器件實現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字信號處理算法及相關(guān)DSP技 術(shù)的研發(fā)工作提供必

6、要的專業(yè)理論知識和實踐技能。由于DSP課程學(xué)時少、 內(nèi)容多, 在教學(xué)安排時務(wù)必做到精煉, 并 且能反映知識學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)的有機結(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 操作演示和實物等多種教學(xué)手段。 5對于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, 對于難點和重點, 教師 可通過板書進一步演示、 講解和推導(dǎo), 加深學(xué)生印象。 在課件制作 中 , 應(yīng)對內(nèi)容進行提煉和剪裁, 做到簡明扼要, 突出重點, 盡量避免 課本的重復(fù)和大量文字的堆砌, 可通過多媒體動畫的演示, 使授課 內(nèi)容變得通俗易懂。 在介紹CCS集成開發(fā)環(huán)境時

7、, 可將理論教學(xué)搬 進實驗室, 教師進行多媒體演示, 學(xué)生進行同步操作; 對于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踐性都很強的綜合性課程, 但由于該課程具有學(xué)時少 、 內(nèi)容多 、 知識面廣等特點, 傳統(tǒng)教學(xué)普遍存 在重理論、 輕實踐的弊端。 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)生動手能力和實踐水平 , 為實現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字信號處理算法及相關(guān)DSP技術(shù)的研發(fā) 工作提供必要的專業(yè)理論知識和實 踐技能。關(guān)鍵詞:DSP; 課程特點; 教學(xué)

8、手段; 教學(xué)方法作者簡介:王燕 (1981- , 女, 河南駐馬店人, 洛陽理工學(xué)院電氣工程與 自動化系, 講師; 姚惠林 (1964- , 男 , 湖北荊州人, 洛陽理工學(xué)院 電氣工程與 自動化系, 副教授。 (河南 洛陽 471023中圖分類號:G642.3 文獻標識碼:A 文章編號: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 , 可用多媒體展示硬件設(shè)計的原理圖及軟件流程 圖, 并結(jié)合TMS320LF2407實驗開發(fā)板進行講解, 使學(xué)生對DSP外 設(shè)的應(yīng)用設(shè)計形成直觀和系統(tǒng)的認識。三、 教學(xué)方法研究與探索1.采用比較式教學(xué)方法考慮到單片機與DS

9、P器件有相似之處, 在講解時應(yīng)注重這兩者 的區(qū)別和聯(lián)系, 以增強教學(xué)效果。 已選修過單片機的學(xué)生對單片機 的體系結(jié)構(gòu)與軟硬件設(shè)計都有一定的認識和輪廓感, 在學(xué)習(xí)DSP時 會不自覺地進行比較理解, 能較快地接受和進入新課程的學(xué)習(xí)。 比 如中斷系統(tǒng)的學(xué)習(xí), 單片機和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、 中斷標志及中斷屏蔽等, 有了單片機中斷系統(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 , 單片機用的是RETI指令; 而 DSP是RET指令。 (2

10、單片機和DSP都有一個中斷總開關(guān)位, 在主 程序的初始化中 , 必須把中斷總開關(guān)位打開 , CPU才能開放中斷, 單 片機是通過寫1(SETB EA 來使其中斷; 而DSP2407則是通過寫0 (CLRC INTM 實現(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 接受知識的傳統(tǒng)教學(xué)模式。對于DSP片內(nèi)外設(shè)的應(yīng)用設(shè)計 , 可給出一個具體示例, 把學(xué)生分 成若干小組進行討論。 具體問題能激發(fā)學(xué)生強烈的好奇心與求知 欲, 對增強學(xué)生獲取知識的主動性以及培養(yǎng)獨立解決問題的能力是 非常有效的。如介紹CAN控制器模塊時, 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)合教師參與過的科研項目基于 CAN總線通信的果蔬采摘機械手控制系統(tǒng), 把采摘機械手收獲果 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CAN總線形成一個真實的感知認識, 最后再分組討論如何從硬 件和軟件兩方面實現(xiàn)機械手各關(guān)節(jié)和上位機的CAN總線通信。 討 論結(jié)束后, 教師對結(jié)果進行補充、 修正、 評價和總結(jié)。 這樣不僅可 以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性, 還可以進一步培養(yǎng)他們的團隊合 作精神。3.弱化教學(xué)難點, 突出應(yīng)用能力的培養(yǎng)在DSP教學(xué)中, 匯編語言的學(xué)習(xí)一直是一個難點, 它的指令系 統(tǒng)比單片機要多很多, 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、片機指令時逐條講解, 不但會使學(xué)生產(chǎn)生畏難心 理, 而且難以達到預(yù)期的教學(xué)目的。 因此, 只介紹一些簡單常用的 指令 , 其他指令不要求馬上掌握, 而是在需要時再去查找指令手冊, 這樣經(jīng)過反復(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, 要在較短時間內(nèi)學(xué)會編寫一個完整的匯編程序 , 對學(xué)生來 說還是很困難的; 相比而言 , C語言的學(xué)習(xí)要簡單得多, 因為大多數(shù) 學(xué)生都有C語言編程的基礎(chǔ)。 但在用C語言開發(fā)DSP程序時, 可能會 遇到一些對實時性要求較高或需要對DSP的底層資源進行操作的 場合 , 這時就會給開發(fā)帶來一定的難度, 而且對于某些操作, C語言 根本無法實現(xiàn), 如對

13、INTM、 OVM、 CNF等位的操作, 如果把C語言 和匯編語言結(jié)合起來, 程序主體由C語言來控制; 對實時性要求較 高或需要對DSP底層資源進行操作的代碼用匯編語言實現(xiàn), 如FFT 算法的編程, 這樣可以使二者取長補短, 相得益彰, 達到對DSP軟硬 件資源的最佳利用的目的。4.加強和引導(dǎo)學(xué)生動手能力的培養(yǎng), 突出實踐教學(xué)在DSP教學(xué)中 的重要地位DSP課程強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生DSP應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計能力, 但由于實踐 教學(xué)僅有8學(xué)時, 除去2學(xué)時的CCS集成開發(fā)環(huán)境配置實驗, 實驗學(xué) 時只剩下6學(xué)時, 遠遠不能滿足實踐教學(xué)的需要。因此, 把實踐教學(xué)擴展到12學(xué)時, 在實驗內(nèi)容上, 僅安排了基礎(chǔ) 性實

14、驗, 夯實基礎(chǔ)很重要, 只有在熟練掌握基礎(chǔ)性實驗以后, 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行綜合實驗和創(chuàng)新 實驗?；A(chǔ)實驗主要有 :事件管理器模塊中的定時器實驗、 PWM脈沖 實驗及正交編碼電路實驗; A/D轉(zhuǎn)換、 串行通信接口和CAN通信實 驗、 快速傅里葉變換實驗等。 目的是讓學(xué)生掌握軟件調(diào)試工具CCS 的使用方法, 加深對理論課程的理解, 熟悉DSP片內(nèi)外設(shè)的軟硬件 設(shè)計方法。但僅憑12學(xué)時實驗尚無法實現(xiàn)讓學(xué)生精通設(shè)計DSP系統(tǒng)應(yīng)用, 因此, 還應(yīng)鼓勵有興趣的學(xué)生在課余時間自行設(shè)計實驗, 增加學(xué)生 自主學(xué)習(xí)和實踐的機會。另外, 在實驗時間安排上, 也摒棄以往課程結(jié)束集中實驗的做 法, 而是采取按照課程進度合理安排實驗, 讓實驗貫穿于理論學(xué)習(xí) 的全過程, 使實驗對教學(xué)起到提綱挈領(lǐng)的作用。四、 結(jié)束語通過對DSP課程的教學(xué)改革與實踐, 大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積 極性和主動性, 教學(xué)效果明顯改善, 但在課程的教學(xué)過程中仍然存 在很多問題和不足有待改善, 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, 切實培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能 力, 為今后深入學(xué)習(xí)和應(yīng)用DSP打下扎實的基礎(chǔ)。參考文獻: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)