電氣專業(yè)DSP實驗教學模式改革探討

康 偉，張麗霞

（中國石油大學〔華東〕 電氣工程系，山東 青島 266580）

引言

DSP芯片具有高效的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)，在電力電子變流、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制及新能源等領(lǐng)域具有廣泛的應用，已經(jīng)成為電氣專業(yè)學生必須掌握的一門實用技術(shù)，對培養(yǎng)學生的實踐和創(chuàng)新能力具有重要的作用。為此，中國石油大學〔華東〕電氣專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計劃中將“DSP數(shù)字控制技術(shù)”列為專業(yè)核心課程，也是普通本科生的專業(yè)選修課程。該門課程的實踐性非常強，課本知識只有通過實驗、課程設(shè)計或科研創(chuàng)新活動等實踐環(huán)節(jié)才能加深理解和掌握，而所學的知識最終也要應用到DSP系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試中，因此實驗環(huán)節(jié)是學好本門課程的關(guān)鍵。

目前采用的DSP實驗教學使用校外采購的DSP試驗箱，其整合度過高，結(jié)構(gòu)功能復雜，缺乏透明度，學生知其然不知其所以然，導致實驗過程走過場，只能進行驗證性實驗，學生缺乏積極性；試驗箱造價高，體積較大，便攜性較差，損壞后難以修復；試驗箱只能進行廠家指定的幾種實驗，無法滿足電氣專業(yè)的教學需求；只能在實驗室內(nèi)進行實驗，在實驗室資源緊張、學時有限的情況下，難以為學生提供大量的實踐機會，也無法充分激發(fā)學生的創(chuàng)新性，達不到應有的教學效果，因此有必要對以往的單純驗證性的DSP課程實驗內(nèi)容進行改革，加入設(shè)計性內(nèi)容，改變以往以教師為主的實驗教學模式，給學生提供靈活開放的實驗內(nèi)容，讓學生通過驗證性實驗鞏固課堂所學知識。在此基礎(chǔ)上自主設(shè)計實驗內(nèi)容，鍛煉學生的創(chuàng)新能力和DSP知識綜合運用的能力。

一、實驗內(nèi)容體系改革

實驗內(nèi)容的設(shè)計對實驗教學效果有重大的影響，考慮到電氣專業(yè)DSP課程的特點，實驗內(nèi)容的安排應該包括驗證性實驗和自主設(shè)計性實驗兩大類。驗證性實驗主要對DSP基本模塊的功能進行驗證，通過這些實驗對課堂所學知識進行驗證和消化，掌握DSP的基本應用；自主設(shè)計實驗內(nèi)容并開放實驗室，只給學生提供基本的硬件單元，具體實驗內(nèi)容和實驗目的由學生自主設(shè)計，通過創(chuàng)新設(shè)計過程，學生進一步消化了所學內(nèi)容，并能夠自主應用，可以更好地掌握DSP的相關(guān)知識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。具體實驗內(nèi)容見表1。

表1 驗證性試驗和設(shè)計性實驗相結(jié)合的課程內(nèi)容安排

由于設(shè)計性實驗的功能相對復雜，學生在完成驗證性實驗，掌握了DSP的基本用法后，以大作業(yè)的方式向?qū)W生發(fā)布，任選一個設(shè)計性內(nèi)容進行自主設(shè)計。由于實驗室資源有限，可以考慮讓學生將DSP實驗平臺帶離實驗室，利用課余時間進行實驗。傳統(tǒng)的DSP試驗箱無法滿足上述要求，因此需要根據(jù)實驗教學模式設(shè)計新的DSP實驗平臺。

DSP實驗平臺基于模塊化思想研制，采用“DSP核心板+功能擴展模塊”的方式設(shè)計。在進行實驗時根據(jù)實驗內(nèi)容向?qū)W生提供相應的功能模塊，可以進行靈活多變的組合。除了完成基本的實驗教學外，也可以作為電子設(shè)計大賽及大學生創(chuàng)新活動的平臺，進一步提高實驗設(shè)備的利用率和應用范圍。其中，驗證性實驗主要包括AD采集轉(zhuǎn)換、串行通信、QEP轉(zhuǎn)速測量及液晶顯示屏驅(qū)動等，只需要使用核心板即可實現(xiàn)。綜合實驗主要鍛煉學生的創(chuàng)新實踐能力，根據(jù)學生設(shè)計的內(nèi)容，選擇直流斬波模塊或者三相逆變模塊。

二、模塊化DSP實驗平臺開發(fā)

根據(jù)本專業(yè)的特點，DSP的主要領(lǐng)域是電力電子，無論是電機拖動還是電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制，其主要內(nèi)容就是控制AC和DC之間的相互變換，根據(jù)常見的應用場合，可以歸納為DC/DC和PWM變流?？紤]接線的難易程度及模塊接口的標準化，將DSP實驗系統(tǒng)分為三個模塊：DSP核心板、直流斬波模塊（DC/DC）及PWM變流模塊。

（一）DSP核心板

DSP核心板使用TI公司高性能32位浮點DSP芯片TMS320F28335作為主控芯片，配合電源管理芯片TPS767D301、MAX3232、SN65HVD230，以及電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC245A等組成最小系統(tǒng)，將DSP的主要通信接口、PWM接口、AD轉(zhuǎn)換電路接口及部分數(shù)據(jù)總線引出，在板子邊緣按照功能分為8個接口，可以實現(xiàn)232通信、CAN通信、PWM輸出、QEP測量電機轉(zhuǎn)速、AD數(shù)據(jù)采集，以及液晶顯示和鍵盤控制等功能接口。PCB采用四層板設(shè)計，兩個電源層加兩個信號層，通過增加PCB板層數(shù)增加核心板的抗干擾能力。由于DSP管腳是3.3V電源供電，而大部分外圍電路都是5V供電，因此在板子的I/O管腳上增加了3.3V和5V電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC245A，可以避免學生在實驗時將5V電平的外圍電路接入DSP的I/O口導致DSP芯片燒毀。為了減輕電源的復雜度，簡化實驗接線，除了給DSP供電的電源芯片TPS767D301外，還在核心板上增加了一塊5V轉(zhuǎn)3.3V的電源芯片LM3940，對外提供3.3V電源，這樣整個系統(tǒng)在工作時只需要一個5V電源即可，其他需要3.3V供電的外設(shè)可以連接到核心板上的LM3940提供的3.3V電源?？紤]到核心板的體積，以及不同模擬量采集裝置反饋的信號特性不同，如交流電壓互感器輸出雙極性信號和直流霍爾電流傳感器輸出的單極性信號，模擬信號調(diào)理電路并未在核心板上，而是放到其他兩個模塊上，根據(jù)各自信號特點調(diào)理為0～3V信號，然后再接到DSP核心板上，同時在核心板上設(shè)計了兩個LED，可以進行GPIO調(diào)試實驗。核心板結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 核心板結(jié)構(gòu)框

（二）斬波模塊

由于實驗的重點是幫助學生理解DSP在直流斬波領(lǐng)域的應用，因此在進行設(shè)計實驗內(nèi)容時選擇了BUCK和BOOST兩種典型斬波電路分別實現(xiàn)降壓與升壓變換，同時所有功能集成在一塊電路板上。其中，BUCK電路部分基本結(jié)構(gòu)如下：由核心板產(chǎn)生的PWM驅(qū)動信號經(jīng)過扁平電纜連接到斬波模塊，由IR2125放大后驅(qū)動BUCK電路中的MOS管IRF540，輸出的直流電壓由直流霍爾電壓傳感器BJHVS-AS3.3-05采集，經(jīng)運放調(diào)理后反饋回核心板AD接口，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。升壓斬波部分外圍電路與BUCK電路相同，只不過驅(qū)動芯片由IR2125改為IR2101。板上集成了按鍵、電容、電感等元器件，各個模塊清晰明了，避免了傳統(tǒng)實驗箱的黑箱模式，更便于學生理解。為了防止學生誤操作造成短路，板子上在24V電源回路中集成了自恢復保險絲。斬波模塊結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 斬波模塊結(jié)構(gòu)框

（三）PWM變流模塊

PWM變流模塊主電路選擇三相電壓型PWM變流器拓撲結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)三相PWM整流、逆變等功能，能夠滿足大多數(shù)情況的需求。在進行電路設(shè)計時，同樣按照接線盡量簡單的原則進行，將驅(qū)動芯片、主電路、濾波電路、交直流信號采集、按鍵等模塊集成在一塊電路板上。核心板產(chǎn)生的三相PWM信號由扁平電纜連接至變流模塊，經(jīng)三塊IR2110放大后驅(qū)動六片IRF540，板上集成的電感電容濾波后輸出信號。為了進行閉環(huán)控制，板上設(shè)計了交流電壓互感器、直流霍爾電壓采集模塊及鍵盤。由于電壓采樣信號為交流，在板上設(shè)計了信號調(diào)理電路，將交流信號變換為0～3V直流信號，可以直接接入核心板的AD端口。板上集成了電源模塊給IR2110供電，在進行實驗時只需外接一路電源即可。變流模塊的結(jié)構(gòu)基本和斬波模塊一致。

三、改革效果

在進行了驗證性實驗和自主設(shè)計實驗相結(jié)合的DSP實驗課程改革后，取得了良好的教學效果。學生普遍反映雖然實驗難度加大，通過自主設(shè)計實驗內(nèi)容、實驗方案，并最終進行實驗驗證后，學生獲得了較強的成就感，感覺對DSP的教授內(nèi)容掌握得更加牢固，同時創(chuàng)新能力也得到了鍛煉。這一結(jié)論通過后續(xù)學生參加電子設(shè)計大賽時的表現(xiàn)得到了驗證。

結(jié)語

本文對高校電氣類專業(yè)DSP實驗課程的教學內(nèi)容和教學模式改革進行了探討，改傳統(tǒng)的驗證性實驗為“驗證性+設(shè)計性”實驗內(nèi)容相結(jié)合，既保證了學生對基礎(chǔ)知識的掌握，又通過自主設(shè)計部分讓學生實現(xiàn)了基礎(chǔ)知識的創(chuàng)新性應用。為了滿足實驗內(nèi)容的改革要求，設(shè)計了一種基于模塊化思想的DSP實驗平臺，該平臺主要面對電氣工程及其相關(guān)專業(yè)，根據(jù)DSP在電力行業(yè)的應用特點，分別設(shè)計了DSP核心板、直流斬波模塊和變流模塊，將復雜的系統(tǒng)解構(gòu)為簡單的系統(tǒng)。該模塊化實驗平臺除了完成基本的實驗教學外，也作為電子設(shè)計大賽及大學生創(chuàng)新活動的平臺。學生可以在基本模塊的基礎(chǔ)上，搭建自己感興趣的應用系統(tǒng)，充分發(fā)揮學生的創(chuàng)造性，實驗室只需要提供每個模塊的原理圖和使用方式，由學生自主選擇所需模塊并自行設(shè)計實驗方案，通過這種方式可以極大地提高學生的積極性，有利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。由于采用了模塊化設(shè)計，不同于傳統(tǒng)實驗箱的“黑盒子”便于學生理解和操作，減少了實驗教師的工作量和參與程度，如果配合相應的開放實驗室政策和門禁卡管理制度，讓學生自主選擇實驗時間，有利于緩解實驗室資源緊張的局面，提高實驗室的利用率，也為任課教師布置設(shè)計性的大作業(yè)提供了基礎(chǔ)。