DSP原理及应用教学方案.doc

DSP原理及应用课程整体设计一、管理信息课程名称：DSP原理及应用 课程代码：学分：3学分 总学时：36+18授课对象：电子信息科学专业、电子信息工程专业制订人：张静 制定时间：2012年12月30日二、课程性质根据教育部有关文件精神，结合学院电子信息科学和电子信息工程人才培养方案要求，DSP原理与应用是为电子信息工程、电子信息科学与技术专业本科生开设的一门专业课程。本课程全面系统地介绍DSP芯片的基本原理、开发及应用。主要以目前应用最广泛的TI DSP芯片中的TMS320C5000系列芯片为主，详细介绍其硬件结构、汇编指令及其编程知识、基于C和汇编语言的混合编程开发方法，要求学生在熟悉CCS集成开发环境的基础上，掌握DSP的基本工作原理和基本编程方法，了解DSP系统的基本开发过程及其典型应用，为以后从事专业开发打下基础。本课程主要培养学生选择应用各类DSP芯片的能力，分析、设计、各种基本的数字信号处理系统的能力，这些能力是构成本专业职业岗位技能的重要部分。为实现“教、学、做”一体，强化学生能力的培养，课程按“项目式教学”模式实施教学。三、课程整体设计1 课程目标设计数字信号处理系统的基本结构：模拟信号-抗混叠滤波-AD转换-数字信号处理核心芯片-DA转换基于此，为了具有对实际电子产品的分析能力和对实际电子项目的开发能力，课程目标的能力目标、知识目标、职业目标具体如下。1.1能力目标 模拟信号的获得：模块1：传感器类型及选用模块（分析和设计）（1）能够用常用万用表、示波器等常用仪器仪表做各种传感器性能的检查，判别其好坏；（2）能够根据检测要求合理选用传感器；模块2：放大器模块（分析和设计）（1）能够根据被测信号的特点，设计合理的放大电路；（2）能够用不同类型的传感器设计制作相应的放大模块电路；抗混叠滤波处理：模块3：滤波电路模块（分析和设计）（1）能够根据被测信号的特点，设计合理的滤波电路；（2）能够用不同类型的传感器设计制作相应的滤波模块电路；数字电路部分：模块4：AD、DA、显示、接口模块（分析和设计）（1）能够根据要求，选择使用合适的AD、DA、显示、接口芯片、存储器；数字信号处理核心芯片模块5：cpu模块（分析和设计任意合适的cpu最小系统）（1）能够根据要求，选择使用合适的cpu最小系统（单片机系统、dsp系统、arm系统等）（2）理解各种硬件初始化程序、完成简单的算法基础部分模块6：电源模块（分析和设计）（1）能够根据硬件电路的特点，设计制作合理的电源电路，提供各种电源；1.2知识目标（1）巩固测量及误差理论等知识，各模块的基本知识；（2）掌握信号处理及抗干扰技术的基本知识；（3）了解掌握dsp最小系统硬件及初始化程序，完成简单的算法；（4） 掌握分析和设计任意合适的cpu最小系统； 1.3职业目标（1）能独立承担电子产品的质量检验、设备维护管理、设计开发等岗位的工作，具有良好的团队合作意识；（2）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风；（3）在实际工作中能创造性地完成各项任务，了解电子信息产业的相关法律法规常识；2课程内容设计根据课程能力目标的要求，DSP原理及应用课程的内容分两大模块，10个子模块。分别为基本教学模块和综合设计训练模块。基本教学模块包括：DSP介绍和基本实验学习。DSP介绍从应用的角度说明其硬件资源组成及初始化；基本实验学习完成相应的硬件初始化实验。具体内容安排见表1所示：表1DSP原理及应用课程内容一级模块二级子模块 课时基本教学模块DSP介绍之cpu资源2DSP介绍之片内外设（定时器、中断、串口、并口） 4 DSP介绍之存储器、PLL 2实验学习之ccs实验3实验学习之硬件实验 12实验学习之算法实验 3综合设计训练项目 信号发生器或音频信号的采集分析识别12电子秤或恒温系统或其它 10课程答辩 4 3能力训练项目设计整个课程设计2个综合型设计制作项目，要求完成理论设计，并进行实物制作。学期初，将学生分成四至六名一组的学习小组，DSP介绍部分在教室完成，其它内容在实验室进行，在整个学习过程中完成常用基本DSP软硬件设计和综合应用设计训练等8个项目。前6个项目中：ccs实验属于DSP开发环境；4个硬件实验属于基本DSP硬件设计能力培养训练，完成片内外设（定时器、中断、串口、并口）、存储器和外设基本使用，1个算法软件实验属于基本DSP软件算法设计能力培养训练，完成FFT、滤波器的算法实现。2个项目（总数目5个）综合型设计制作项目为综合应用所学知识进行较为完整电子系统的理论设计和制作，每组学生设计并动手制作实物，写出设计说明文件，并进行课程答辩。具体的能力训练项目安排见表2所示表2DSP原理及应用课程能力训练项目编号能力训练项目能力训练亚项目拟实现的能力目标相关支撑知识训练方式手段及步骤结果(可展示)1基本实验学习1.1ccs实验能够构造DSP 开发软件环境安装CCS 软件；安装DSP 通用仿真器驱动、安装初始化仿真器程序使用CCS完成简单程序1.2 硬件实验能够完成片内外设（定时器、中断、串口、并口）、存储器和外设基本使用片内外设（定时器、中断、串口、并口）、存储器和外设基本知识实现片内外设（定时器、中断、串口、并口）、存储器和外设相关的连接和初始化程序片内外设（定时器、中断、串口、并口）、存储器和外设与CPU能够工作1.3 算法实验能够完成FFT、滤波器的算法实现完成FFT、滤波器的算法基本知识编程完成FFT、滤波器的算法、并在ccs环境中显示在ccs环境中显示2综合设计训练项目2.1信号发生器2.2 音频信号的采集分析识别2.3 电子秤2.4 恒温系统2.5 超声波测距能够实现基于DSP的多种波形及频率可调的信号采集（录音或播放或传感器）音频范围信号，利用matlab分析其频谱等，使用DSP实现其高频或低频成分比例判断选择传感器，设计放大滤波电路，选择AD/DA、显示电路和cpu，实现功能重点实现温度检测。选择传感器，设计放大滤波电路，选择AD和cpu，执行机构实现功能设计超声波发射电路及接收电路，编写单片机发射脉冲、采集温度、定时器计时等程序，实现测距布置该设计的各项要求，上网查找所需技术资料，本组学生分工合作完成系统的设计同上同上同上同上完成系统的理论设计，制作出实物，会对系统进行参数调试，正确设定系统的参数同上同上同上同上4 综合设计训练项目相关说明 信号发生器项目相关说明（1） 项目概况 信号发生器又称信号源或振荡器，各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生矩形波（含方波）、正弦波等多种波形。要求：基于TMS320VC5416DSP实验箱，实现的信号发生器。精度高、稳定性好、频率可设置。（2） 项目技术原理利用余弦函数的递推公式或泰勒级数展开等计算方法，计算每一点函数值，经过DA输出，得到正弦波；利用定时器定时可得到方波；（3）思考 上述仅仅实现频率可设的矩形波（含方波）、正弦波，如何实现幅度可调？还可以增加什么功能接近实际产品？如何实现？音频信号的采集分析识别项目相关说明（1） 项目概况音频的范围是20Hz至20KHz，在实际工程中广泛存在。例如：案例1：目前国内延迟焦化装置在水力除焦过程中，普遍依靠操作人员不断观察塔底部出中溜槽中的焦炭水，凭借高压水射流发出的声音判断依据工作经验来判断焦炭塔内的焦炭是否切干净。高压水射流发出的声音即音频的范围。案例2：机械设备是当今各种机械和工业设备的最通用装置，为了保证其安全稳定运行，常常需要工作人员定期检修、维护。机械设备在发生故障时，维护人员足凭借机械设备发出的声音判断故障的类型。案例3：便携式心电监护仪。结合心电监测技术与移动计算技术，对心电异常变化进行实时动态监测预警的辅助性诊断设备。该设备具有心电信息的采集、存储、智能分析预警等功能。音频信号的采集分析识别为此类应用项目的核心部分。要求：基于TMS320VC5416DSP实验箱，实现的音频信号采集、分析、识别。采集（录音或播放或传感器）音频范围信号，利用matlab分析其频谱等，使用DSP实现其高频或低频成分比例判断（2） 项目技术原理利用TI公司AIC23 通过其中的AD 转换采集输入的语音信号，每采集完一个信号后，将数据发送到DSP 的McBSP 接口上，DSP 可以读取到语音数据，每个数据为16 位无符号整数。利用matlab分析其频谱等，使用DSP实现其高频或低频成分比例判断（3）思考 1、输入的语音信号可以采用AIC23录音或播放；若使用传感器，如何实现采集（选择传感器、设计放大滤波）？ 2、便携式心电监护仪还需要具有什么功能？（如短信功能，将心电异常情况立即告知本人或家人或医生）电子秤项目相关说明（1） 项目概况电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量装置，才能满足并解决现实生活中提出的快速、准确、连续、自动称量要求，同时有效地消除人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求。案例1：襄樊高隆磷化工有限责任公司公司现有85%磷酸包装采用人工逐桶计量，单件净重35Kg，现需按照重量进行设计的自动灌装装置，设计包装净重为35Kg50g。按年产磷酸量6000吨，需要包装17万个包装桶，按每个包装节省磷酸50g，同时节省了人工费用。电子秤为该项目的的核心部分。（2） 项目技术原理系统单片机（自选）为控制核心，运用称重传感器、运算放大器等器件，设计并实现一个简易电子秤，具有称重、计价等功能。具体来说，采用电阻应变片称重传感器将砝码重量变化转换为电压信号的变化，并用精密仪表放大器放大信号，再经过进一步的放大与低通滤波以及A/D转化，最终将信号送往单片机处理，得到物体重量，同时，该系统还实现通过按键对电子称设置单价并计价功能。（3）思考实现上述公司的要求，难点是什么？（灌装动态、误差精度高，0.14%）。如何解决？恒温系统项目相关说明（1） 项目概况恒温是指通过自动温控设备，使温度保持不变得状态,温度值不受时间的影响。初始温度与任何一时刻的温度相同或者相近似。重点实现温度检测。案例1：高精度测量系统中，为了提高测量精度，需要进行温度补偿，温度检测是必须的环节。案例2：工业工程中的加热炉、热处理炉及反应炉等；医疗等其他行业也有广泛应用。（2） 项目技术原理系统单片机（自选）为控制核心，运用温度传感器、运算放大器等器件，设计并实现温度测量，再根据温度值求控制量控制电炉加热。具体来说，采用温度传感器将实际温度转换为电压信号的变化，并用精密仪表放大器放大信号，再经过进一步的放大与低通滤波以及A/D转化，最终将信号送往单片机处理，得到实际温度，再根据实际温度与设定温度的差值，和控制策略，计算控制量，控制PWM波，进而控制电炉加热。（3）思考一般控制策略是什么？先进的控制策略（如模糊控制）有哪些？如何实现？其它项目相关说明：综合设计训练项目包含并不限于上述项目，其它参考项目可为下列项目，或其它学生自选的符合要求的项目。1、 国家、省电子竞赛课题2、 TI公司、英特尔公司等大公司举办的电子类竞赛课题5 指定参考文献：1 运算放大器权威指南(第3版)(已发10电科、电工班群共享)2 /ww/cn/uprogram/news/news_20120824_d.html （2012年8月TI公司电子竞赛)3 /pages/index_cn.html （2012年8月Intel公司电子竞赛)6 考核方案根据DSP原理及应用课的特点和课程整体设计要求，为了更好地实现对学生所学知识和能力进行检查，重在测试学生的动手操作能力和知识运用能力。为体现学生的学习态度、学习积极性和学习态度，考核分以下四个方面进行：第一，任课老师根据学生的平时学习情况，包括到课率、课堂表现、作业完成情况和实训完成的熟练程度进行评定，此项为15分。具体分配如下：到课率课堂表现5分，电子产品分析报告15分；第二，平时的6个实验项目要求完成实验报告，每个项目5分，根据完成情况和撰写实训报告的认真程度评定，此项共30分；第三，综合项目，此项为40分。在本课程学习每组学生应完成的2个综合性项目（自选）。以培养学生选用各种元器件和cpu的能力和综合运用能力，具备一定的电子系统的设计能力，培养一定的成本核算意识和经济头脑，养成严谨的工作作风和良好的职业道德，培养良好的人际关系协调能力和互助合作精神。每个综合性项目20分：其中10为设计分，评分标准为：整体设计方案，包括原理框图和实现原理图（2分）；选择各种元器件，说明理由，设计电路（3分）；设计说明文件（3分）；成本预算费用（2分）；每一单项的具体标准为完成很好得满分，良好得该项的80%，中等为70%，一般为60%，差为40%，根据具体情况每个等第可以有5%到10%的浮动。另10分为制作分，主要看实物制作的完成情况及实际效果。评分标准为：实物美观大方，