DSP原理与应用教学方法研究与探索(精)_dsp教学方法论文精

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2011年第14期 数字信号处理器(Digital Signal Proceor, 简称DSP 是伴随着 数字信号处理技术和集成电路微电子技术的高速发展应运而生的, 为数字信号处理算法的实现提供了高效而可靠的硬件基础, 已成 为数字信号处理算法的主要实现手段。DSP应用遍及信号处理、通 信、语音合成和图像处理、医疗设备、家用电器等领域, 已成为电气 工程、自动控制、仪器仪表类专业需要掌握的前沿高新技术。[1,2]因 此, 为更好地适应课程教学的需要 , 培养掌握DSP技术的专门人才 , 研究和探索DSP课程的教学改革方法具有重要的意义。

一、课程内容及特点

在DSP领域, 美国TI(Texas Instruments 公司的TMS320系列 DSP已成为当今世界上最有影响力的DSP芯片 , 约占世界市场份额的 60%左右, [3]其中2000系列作为TI DSP家族三大系列之一, 不仅具 有高速运算和信息处理能力, 而且具有低功耗、高性价比及高外设 集成度等特点, 将实时处理能力与外设功能集于一身, 非常适于电 气设备和自动装置的控制, 符合洛阳理工学院电气工程与自动化系(以下简称 “我系” 所设专业的特点, 因此, 选择TMS320LF240x 系列DSP作为讲授和应用对象。

从授课体系结构看, DSP课程由理论和实验两部分组成, 主要 包括DSP硬件资源、寻址方式与指令系统、程序编写与软件开发、片 内外设的应用设计以及实验环节等。该课程特点如下。[4](1 学时少 , 内容多, 综合性强。大多数高校DSP课程的学时 都安排32~48个学时, 理论教学约为24~32个学时, 实验教学约为 8~16个学时。在计划学时内, 不但要掌握DSP的硬件结构, 学习汇 编语言 , 而且还要学习片内外设的应用设计等, 课时不足, 学生普遍 认为学习难度较大。

(2 实践性强。课程的目标是培养学生DSP应用设计能力, 决 定了教学本身更注重实践环节。但由于受学时和考核方式的限制, 传统教学普遍存在重理论、轻实践的弊端, 忽略了对学生动手能力 的培养。

(3 DSP芯片种类繁多, 更新速度快。不同公司的DSP芯片在 硬件和软件上都存在很大差别, 即使同一公司不同系列DSP的硬件 结构和汇编指令也不尽相同。此外, 大多数DSP技术资料都是英文 文献, 学生不易理解和接受。

因此, 针对DSP课程特点和教学存在的问题, 改革教学内容、手 段和方法, 确定一个科学的教学体系势在必行。

二、教学目标与手段

我系自动化本科专业开设了DSP原理与应用课程, 总学时40学 时, 其中 , 理论教学32学时, 实践教学8学时。该课程安排在大四上 学期, 这时学生大都已经修完 “单片机原理”、“C语言设计”、“数 字电路”、“微机原理” 及 “数字信号处理技术” 等相关课程, 为本 课程的学习奠定了坚实的基础。

教学目标是教育方法的导向, 有什么样的教学目标决定了应采 用什么样的教学方法。DSP原理与应用作为一门重要的专业课, 其 主要任务是使学生掌握DSP芯片的基本工作原理、常用算法、片内 外设的硬件设计及软件编程方法, 基本的开发调试技巧。同时, 通 过课堂教学和实验研究的紧密结合 , 培养学生理论联系实际的思维 方式, 提高他们的动手和实践能力。通过一个系列DSP芯片的学习 , 能够举一反三, 学会把握其他系列或其他公司DSP芯片的学习方 法, 为以后使用DSP器件实现复杂数字信号处理算法及相关DSP技 术的研发工作提供必要的专业理论知识和实践技能。

由于DSP课程学时少、内容多, 在教学安排时务必做到精炼, 并 且能反映知识学习与能力培养的有机结合。理论教学应根据不同内 容采用不同的方式来组织教学, 以多媒体为主, 板书为辅, 并结合 操作演示和实物等多种教学手段。[5]对于DSP硬件结构和片内外设 的基本工作原理等内容, 采用多媒体为主, 对于难点和重

点, 教师 可通过板书进一步演示、讲解和推导, 加深学生印象。在课件制作 中 , 应对内容进行提炼和剪裁, 做到简明扼要, 突出重点, 尽量避免 课本的重复和大量文字的堆砌, 可通过多媒体动画的演示, 使授课 内容变得通俗易懂。在介绍CCS集成开发环境时, 可将理论教学搬 进实验室, 教师进行多媒体演示, 学生进行同步操作;对于DSP片

DSP原理与应用教学方法研究与探索 王 燕 姚惠林

摘要:DSP原理与应用是一门工程性和实践性都很强的综合性课程, 但由于该课程具有学时少、内容多、知识面广等特点, 传统教学普遍存 在重理论、轻实践的弊端。因此, 为改善教学效果, 培养有技术、有创新能力的应用型人才 , 从改革教学手段、教学内容和教学方法入手 , 激发学 生学习的热情与信心, 提高学生动手能力和实践水平 , 为实现复杂数字信号处理算法及相关DSP技术的研发 工作提供必要的专业理论知识和实 践技能。

关键词:DSP;课程特点;教学手段;教学方法

作者简介:王燕(1981-, 女, 河南驻马店人, 洛阳理工学院电气工程与 自动化系, 讲师;姚惠林(1964-, 男 , 湖北荆州人, 洛阳理工学院 电气工程与 自动化系, 副教授。(河南 洛阳 471023 中图分类号:G642.3 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2011 14-0082-02 DOI编码:10.3969/j.in.1007-0079.2011.14.042 课程教材 总第201期

内外设的应用设计 , 可用多媒体展示硬件设计的原理图及软件流程 图, 并结合TMS320LF2407实验开发板进行讲解, 使学生对DSP外 设的应用设计形成直观和系统的认识。

三、教学方法研究与探索 1.采用比较式教学方法

考虑到单片机与DSP器件有相似之处, 在讲解时应注重这两者 的区别和联系, 以增强教学效果。已选修过单片机的学生对单片机 的体系结构与软硬件设计都有一定的认识和轮廓感, 在学习DSP时 会不自觉地进行比较理解, 能较快地接受和进入新课程的学习。比 如中断系统的学习, 单片机和DSP的很多基本概念、原理及使用方 法都是相似的, 如中断向量、中断优先级、中断标志及中断屏蔽等, 有了单片机中断系统学习的基础, 学生就很容易理解DSP的中断系 统, 因此, 讲授的重点应放在它们之间的区别上。(1 在中断服务 程序的末尾, 必须安排一条返回指令 , 单片机用的是RETI指令;而 DSP是RET指令。(2 单片机和DSP都有一个中断总开关位, 在主 程序的初始化中 , 必须把中断总开关位打开 , CPU才能开放中断, 单 片机是通过写1(SETB EA 来使其中断;而DSP2407则是通过写0(CLRC INTM 实现。

2.采用分组讨论式教学方法, 摆脱以往以教师为中心 , 学生被动 接受知识的传统教学模式。

对于DSP片内外设的应用设计 , 可给出一个具体示例, 把学生分 成若干小组进行讨论。具体问题能激发学生强烈的好奇心与求知 欲, 对增强学生获取知识的主动性以及培养独立解决问题的能力是 非常有效的。

如介绍CAN控制器模块时, 在讲解CAN模块基本原理、相关 寄存器及发送接收操作后, 结合教师参与过的科研项目——基于 CAN总线通信的果蔬采摘机械手控制系统, 把采摘机械手收获果 蔬的相关视频短片作为辅助教学, 激发学生的学习热情, 让学生 对CAN总线形成一个真实的感知认识, 最后再分组讨论如何从硬 件和软件两方面实现机械手各关节和上位机的CAN总线通信。讨 论结束后, 教师对结果进行补充、修正、评价和总结。这样不仅可 以激发学生自主学习的主动性, 还可以进一步培养他们的团队合 作精神。

3.弱化教学难点, 突出应用能力的培养

在DSP教学中, 汇编语言的学习一直是一个难点, 它的指令系 统比单片机要多很多, 即使同一公司, 不同DSP之间的指令也不尽 相同, 若像讲解单片机指令时逐条讲解, 不但会使学生产生畏难心 理, 而且难以达到预期的教学目的。因此, 只介绍一些简单常用的 指令 , 其他指令不要求马上掌握, 而是在需要时再去查找指令手册, 这样经过反复查找, 一些常用指令就被学生自然而然地掌握了。即 使这样, 要在较短时间内学会编写一个完整的汇编程序 , 对学生来 说还是很困难的;相比而言 , C语言的学习要简单得多, 因为大多数 学生都有C语言编程的基础。但在用C语言开发DSP程序时, 可能会 遇到一些对实时性要求较高或需要对DSP的底层资源进行操作的 场合 , 这时就会给开发带来一定的难度, 而且对于某些操作, C语言 根本无法实现, 如对INTM、OVM、CNF等位的操作, 如果把C语言 和汇编语言结合起来, 程序主体由C语言来控制;对实时性要求较 高或需要对DSP底层资源进行操作的代码用汇编语言实现, 如FFT 算法的编程, 这样可以使二者取长补短, 相得益彰, 达到对DSP软硬 件资源的最佳利用的目的。

4.加强和引导学生动手能力的培养, 突出实践教学在DSP教学中 的重要地位 DSP课程强调培养学生DSP应用系统的设计能力, 但由于实践 教学仅有8学时, 除去2学时的CCS集成开发环境配置实验, 实验学 时只剩下6学时, 远远不能满足实践教学的需要。

因此, 把实践教学扩展到12学时, 在实验内容上, 仅安排了基础 性实验, 夯实基础很重要, 只有在熟练掌握基础性实验以后, 才能 更好地引导学生根据自己的兴趣和研究需要进行综合实验和创新 实验。

基础实验主要有 :事件管理器模块中的定时器实验、PWM脉冲 实验及正交编码电路实验;A/D转换、串行通信接口和CAN通信实 验、快速傅里叶变换实验等。目的是让学生掌握软件调试工具CCS 的使用方法, 加深对理论课程的理解, 熟悉DSP片内外设的软硬件 设计方法。

但仅凭12学时实验尚无法实现让学生精通设计DSP系统应用, 因此, 还应鼓励有兴趣的学生在课余时间自行设计实验, 增加学生 自主学习和实践的机会。

另外, 在实验时间安排上, 也摒弃以往课程结束集中实验的做 法, 而是采取按照课程进度合理安排实验, 让实验贯穿于理论学习 的全过程, 使实验对教学起到提纲挈领的作用。

四、结束语

通过对DSP课程的教学改革与实践, 大大提高了学生学习的积 极性和主动性, 教学效果明显改善, 但在课程的教学过程中仍然存 在很多问题和不足有待改善, 这就要求教师在以后的教学中不断 更新教学理念, 改革教学内容与方法, 切实培养学生实践和创新能 力, 为今后深入学习和应用DSP打下扎实的基础。

参考文献: [1] 张小鸣.DSP 控制器原理及应用 [M].北京 :清华大学出版社 ,2009.[2] 刘艳萍.DSP 技术原理及应用教程 [M].北京 :北京航空航天大学出 版社 ,2008.[3] 张毅刚 , 赵光权 , 孙宁, 等.TMS320LF240x 系列 DSP 原理、开发与 应用 [M].哈尔滨 :哈尔滨工业大学出版社,2006.[4] 李亚 , 罗仁泽 , 罗朗 , 等.“ DSP 芯片原理与应用”教学方法探索 [J].电气电子教学学报 ,2008,30(6:89-90.[5] 倪福银 , 朱幼莲 , 钱志文.“ DSP 技术与应用”课程教学改革 [J].江 苏技术师范学院学报 ,2010,16(6:85-88.(责任编辑 :沈清 83