电气类专业DSP原理及应用教学模式的建设

　数字信号处理是20世纪60年代前后发展起来并广泛应用于许多领域的新兴学科，而数字信号处理器（DSP）作为可编程数字信号处理专用芯片，是数字信号处理理论实用化的重要技术工具，它是综合微电子学、数字信号处理和计算机技术3个学科科研成果的微处理器元件， 在电子信息、通信、自动控制仪器仪表、智能家电等高科技领域获得越来越广泛的应用[1]。 随着社会对DSP人才需求的增加，学生对掌握DSP技术有着越来越浓厚的兴趣，使得很多高校在电气信息类专业及相关专业中开设了DSP原理及应用课程。
　　DSP原理及应用课程涵盖的知识面较宽，以数字电路、微机原理、数字信号处理以及单片机原理及应用等课程为基础，所以大部分高校在大四开设本门课程。开设DSP原理及应用课程的目的是重点培养学生具备利用通用可编程数字信号处理器芯片完成数字信号处理硬件系统设计和软件编程的能力。从课程体系结构看，DSP原理及应用课程由理论教学和实验教学两部分组成。教学内容较之单片机系统明显增多，包括DSP芯片的结构、DSP指令、DSP程序设计、DSP程序开发工具与调试工具、DSP系统设计等。因此，要求学生不但熟悉DSP的硬件结构、指令系统和开发平台，而且要学会使用汇编语言、C语言、DSP代码生成与调试等相关工具。由于DSP是一门综合性很强的课程，侧重应用原理的掌握与应用，以培养学生对DSP的实际应用能力，这些因素决定了课程本身更强调实践环节，需要综合考虑学生的专业知识背景，选择合适的DSP芯片，为学生制定合理的设计计划和任务，促进学生对本门课程的理解和掌握，在提高学习兴趣的同时能够使其真正学有所获。
　　1 理论教学现状和探索
　　1.1 理论教学方法
　　DSP芯片种类多、更新换代快，而且厂商众多，不同厂商开发的DSP芯片在软硬件上的差异很大，因此，各学校DSP原理及应用课程由于专业不同、定位不同，选用的DSP芯片类型也不相同。作为一所应用型本科高校，目前我校开设DSP原理及应用课程的专业为电气工程及其自动化。本专业侧重电气传动，培养目标是具有实践经验的一线电气工程师，因此，为了提高电气类专业学生对本门课程的理解以及学生的实践应用能力，我们选择美国TI公司C2000系列TMS320LF240x的DSP芯片作为学习芯片，学习DSP相关理论知识。
　　我校该课程教学内容主要集中在介绍DSP芯片的硬件结构和基本特点。包括TMS320LF240x DSP芯片的CPU结构、总线结构、存储器分配、芯片外围电路、串行口、外部总线和中断等相关问题；TMS320LF240x DSP的指令系统、寻址方式、程序地址的生成以及流水线操作；软件开发过程、汇编语言程序的编写方法、汇编程序的编辑与汇编和连接。教学方式主要是多媒体教学，教学过程主要以叙述及多媒体演示的方式进行。对于教学重点内容，通过与学生生活中熟悉的例子进行比较，增加理论学习的直观性。例如：介绍TMS320LF240x DSP芯片的CPU哈佛结构和改进型的哈佛结构时，与学生普遍熟悉的计算机的冯诺依曼结构进行对比；在中断系统学习时，以学校的管理体系结构甚至社会体系结构进行类比；在介绍软件设计方法的时候，通过以常见程序为例进行介绍，使学生能够更加直观地理解。
　　1.2 理论教学模式探索
　　该课程包括实验在内共32学时，要在有限学时内高质量地完成DSP课程的大量教学及实验内容，保证学生基本掌握DSP的基本特点并能运用DSP芯片进行一些系统设计，对教师和学生确实具有很大挑战。通过近几年的教学调研发现，学生普遍反映DSP原理及应用课程知识点太多，课堂上对很多内容尤其是指令系统部分，难以理解，甚至学习结束后，对部分内容仍然理解不透。因此，这两年我校着手对本门课程进行教学改革。
　　在学时不变的情况下，重新选择授课内容，注重内容的精选和分块。提炼教学内容，实现授课内容的“少而精”，以提高课堂效率；课程教学遵循以讲授基本概念、掌握基本技能为主，兼顾内容全面性和系统性的原则。综合多本关于TMS320LF240x DSP的教材，我们确定了DSP原理及应用的主要授课内容。硬件部分：中央处理器、总线结构、存储器、片内外设；软件部分：集成开发环境的使用、DSP的指令系统、程序结构。为了让学生更好地掌握DSP芯片，从系统的角度理解并掌握DSP芯片的应用，我们增加了DSP的C语言以及程序设计和DSP软硬件应用两部分内容。同时，2013年我校将DSP原理及应用理论教学课时增加至40学时，以保证较为充分的授课时间，教学内容安排见表1。
　　在教学方法上，一部分内容继续采用多媒体教学的方式，教学过程中除采用直接描述法、对比法、类比法以及通过日常生活中熟悉的实例进行举例说明之外，将TMS320LF240x应用程序开发过程、C语言程序设计和DSP芯片的软硬件应用的授课地点改在实验室。教师在实验室教学时，可以通过实际操作、演示，增加理论教学的直观性。同时，学生也可以随时自行操作，修改部分代码，增加对DSP芯片亲近感的同时增强对本门课程的深层次理解。
　　2 实验教学现状与探索
　　该课程配套的教学实验设备是ICETEK-LF2407-USB-EDU教学实验箱。该实验箱主要由DSP主板、电源模块、音频A/D、D/A模块、CPLD模块、外扩RAM模块、单片机模块、人机接口模块、串口收发接口模块等组成，在控制领域有很强的实用性。
　　2.1 传统实验教学环节
　ICETEK-LF2407-USB-EDU教学实验箱提供了DSP原理及应用课程的配套实验指导书。共设计了9个实验，包括验证性实验、综合性实验和设计性实验，实验目的和要求明确，实验内容具体并有很强的灵活性，有利于发挥学生的主观能动性。目前，由于课时的限制，分配在实验环节的课时仅为6学时，仅能做3个实验。同时，因为理论教学课时少，不能系统地对本门课程进行教学，所以实验过程中，学生只能进行简单的验证性实验，要求能够打开编译环境中已有的实验项目，学会编译和下载程序，观察实验结果，对实验代码进行简单的修改。很多学生做完实验后，对DSP编程和开发环境所知甚少，实验效果不理想。
　　2.2 实验教学环节的探索
　　DSP原理及应用课程的实验教学环节，基本上设置为三层次的实验类型：验证性实验、综合实验和创新性实验[2]，每种实验的实验过程是：设置任务要求，学生自行设计解决方案。对于验证性实验，如DSP的基本特点、CCS环境的熟悉和DS P数据存取实验等，主要培养学生的学习兴趣和对芯片的初步了解；综合性实验和创新性实验由指导教师设置任务要求，在关键环节提供指导，主要由学生独立完成既定的实验任务。编程语言中，汇编程序的效率高，但它为底层设计，编程相对复杂；而C/C++更易被学生所接受，在软件系统设计中使用的较多，很多时候采用混合编程的方式[3]。
　　我校DSP原理及应用的实验教学，在原来验证性实验的基础上，增加了综合实验环节。利用电气实验室现有的实验条件，结合学生学习的其他知识，如PLC技术、C语言、变频调速技术等，设计三相电机的驱动系统。利用TMS320LF2407 DSP事件管理器模块产生的PWM波，并利用理论教学过程中增加的C语言编程或者利用汇编语言和C语言混合编程的方式，控制三相电机的启动、停止、转速以及转向等。对DSP原理及应用进行系统性的应用，大大激发了学生学习本门课程的兴趣，同时，也提高了他们对DSP芯片的应用能力。
　　3 对DSP教学模式的进一步探索
　　我校对DSP原理及应用教学模式的探索和改革还在继续，对于下一步教学模式的改革，集中在三方面：
　　3.1 芯片升级换代
　　随着科技发展速度加快，产品的更新换代速度也越来越快，旧型号芯片不断被淘汰，新型号芯片层出不穷，DSP原理与应用课程的内容也需及时更新。我校电气工程类专业采用的是TMS320LF2407 DSP芯片，此款芯片不再被提倡应用在新的设计中，目前替代产品为TMS320F2808。TMS320F2808是美国TI公司C2000平台上的32位定点芯片，具有低成本低功耗和高性能处理的特点，外设功能增强且具有价格优势。改变芯片，意味着授课教材、实验设备以及配套实验等一系列的改变。
　　3.2 采用双语教学方式
　　DSP配套的说明书以及典型应用案例都是英文资料，很多教材也由英文资料翻译而来，译者在翻译过程中掺杂了自己对DSP芯片的理解，难免有模棱两可的地方。因此，建议DSP原理及应用的授课课件采用英语作为描述语言[4]。另外，本科教学过程中，专门设有专业英语课程，以提高本科生对英文文献的阅读和理解能力。DSP原理及应用的授课采用英语课件，可以实践专业英语的所学内容，让学生更好地理解DSP知识的同时，提高对科技英语的阅读和理解能力。当然，因为本科生英语水平参差不齐，重在传授DSP知识的前提下，在课件制作中尽可能采用原文的句子，在不影响句意准确表达的前提下，尽量用简单的语句表达方式，以降低英语课件的理解难度。
　　3.3 以实际案例组织教学内容，与科研相结合
　　我校涉及数字信号处理及DSP芯片的科研工作很多，但是目前处于教学和科研分离的状态，没有通过科研工作进一步推动教学的发展。如果能将有关科研工作引入到教学中，作为案例进行学习，或者让学生参与到科研活动中，将非常有助于提高学生学习DSP原理及应用的兴趣和积极性，促进本门课程的学习。
　　4 结束语
　　完成DSP原理及应用课程的教学任务，使学生掌握DSP的关键技术并具备一定的应用能力是每一位DSP课程教师面临的挑战。随着信息技术的发展，DSP技术应用领域越来越广，如何教好本门课程以及学生如何学好本门课程则成为必须解决的问题。我校对DSP原理及应用教学模式的探讨和改革，希望能为其他高校提供借鉴。
　　参考文献
　　[1] 秦永左.TMS320LF240xDSP原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2009.
　　[2] 尹维春.面向电气类专业的DSP实验教学的探讨[J].科技致富向导，2013（24）：137.
　　[3] 徐杰，秦士涛.基于DSP学习的多角度交叉式的研究与实践[J].边疆经济与文化，2013（6）：92-93.
　　[4] 周亚丽.DSP原理及应用课程教学方案探索[J].科技信息，2010（29）：438-439.
　　[5] 刘莹，李娜，冯暖.DSP教学改革的研究[J].黑龙江科技信息，2012（28）：258.
　　[6] 侯海良，成运，陈洁.《DSP原理及应用》开放式教学初探[J].电脑知识与技术，2011（14）：164-165，174.

;高教》2014年第5期，版权归原作者和期刊所有，如有异议请联系，本站将及时处理。