DSP原理与运动控制系统课程教学研究

1、DSP原理与运动控制系统课程教学研究茅靖峰，吴爱华，吴 晓( 南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226007 )摘 要：“DSP原理与运动控制系统”课程具有知识面宽、综合性和实践性强的特点，是一门较为难教难学的课程。为了切实培养学生的DSP技术应用能力，取得良好的教学效果，本文从课程的教学目的，教学内容、教学方法和课程考核方式等方面进行了一些有益的教学研究和探讨，对电气控制类DSP技术的教学有一定的参考意义。关键词：DSP原理；运动控制；教学研究；任务驱动法中图分类号: G642.3；TM301.2 文献标识码：A 文章编号：10080686（2007）01000803Teaching Re

2、search of “DSP Principle and Motion Control Systems”MAO Jing-feng , WU Ai-hua , WU Xiao(Institute of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226007, China)Abstract：“DSP Principles and Motion Control Systems” is a course with characteristics of wide knowledge, extremely strong integration

3、 and practicality. The course is generally difficult for teaching and learning. In order to train student to good DSP technology practical application ability, and to achieve satisfying teaching effect, this paper introduces some helpful course teaching research experiences in teaching goals, teachi

4、ng contents, teaching methods and examination method. These experiences may have some reference value for DSP technology education of electrical engineering major.Keywords：DSP principles; motion control; teaching research; task-driving methodDSP课程的专业知识背景深、综合性和实践性强，如何在有限的学时内，高质量地完成教学任务是一个值得研究的问题。笔者根据

5、本校电气控制类专业的实际培养需要，开设了“DSP原理与运动控制系统”课程，经过几轮的教学，总结了一些经验。以下介绍对这门新课程的实践和探索情况。一、课程特点分析已经出版发行的多数DSP教材较适用在通信与信号处理领域的应用，而适合于电气控制类专业的DSP运动控制类教材和教学资源相对较少，我院开设的“DSP原理与运动控制系统”课程具有如下特点：（1）知识面宽：DSP在体系结构、硬件接口设计和软件编程思想等方面较之前续微处理器（MPU）课程，有着一定的继承性和相似性；运动控制是电气控制类专业的主干必修课程。由这两部分组成的“DSP原理与运动控制系统”课程，涉及知识面较为广泛，学习起点较高。在课程的教

6、学上，不仅需要学生必备一定的基础知识，例如：微机原理、单片机技术、运动控制、特种电机、自动控制原理、计算机控制技术，电子技术、C语言编程等。而且在课堂上也需要教师经常对这些内容进行简要的穿插回顾。因此，需要在整定课程教学内容和应用先进教学手段上下功夫。（2）综合性强：基于DSP的应用控制系统是集器件原理、专业知识、算法软件与硬件设计为一身的紧密结合体。“DSP原理与运动控制系统”课程的两大组成部分应该是有机地联系在一起的。这些DSP在运动控制中的典型应用不仅培养了学生对DSP控制器的整体理解能力，还进一步帮助学生加深了对电子技术、计算机控制技术、自动控制、调速系统、检测技术等诸多专业领域知识的

7、再认识，增强学生的“系统”感念，有效培养了学生的系统综合能力和创新能力。（3）实践性强：本课程的目标是培养电气控制类学生的DSP器件应用能力，使学生具有独立分析、设计和调试DSP系统的工程应用能力。但是，在目前专业课普遍缺少课时的情况下，本门课程的实验环节课时规划和实验内容选材也是课程教学研究的关键。二、课程教学的研究与探讨针对电气控制类DSP课程的以上几方面特点，我们在进行“DSP原理与运动控制系统”课程的教学中明确：以培养DSP技术的实际应用能力为中心，把学习器件的理论知识与控制背景的实际应用紧密结合起来的教学思路。1、合理选择教学内容和授课方式我们考虑到市场占有率和器件生命周期，选择了T

8、I公司C2000系列的TMS320LF240x DSP作为教学的目标芯片。开设的这门课程由TMS320LF240x控制器原理与基于DSP的交、直流电机和开关磁阻电机控制系统设计两大部分组成，前者是基础，后者是实例。在具体的DSP原理教学内容上，我们突出总体结构、事件管理器、中断管理系统和指令系统的讲解。这一部分宜采用“比较法”进行教学，即将LF240x的相关内容与学生们熟悉的MCS-51内容相穿插，进行比较对照，以帮助学生更好地理解和接受新知识。例如，在讲授LF240x存储器结构时，我们可首先回顾MCS-51的存储器结构，即程序与数据总线合一的冯诺曼结构，它在寻址过程中，总线使用ALE信号实现

9、分时复用，显然工作效率不高；然后我们引出DSP处理速度快的一个原因就是，芯片广泛采用了程序与数据空间分立的哈佛结构，指出这种结构不仅较MCS-51增大了存储器空间，使DSP芯片具有了独立的16位程序、数据与I/O空间，而且配合多总线技术和并行工作机制，大大提高了数据的处理速度。此处还可以为DSP汇编指令所具有的多步操作能力埋下伏笔。接下来我们再进一步说明，由于LF240x存储器结构的改进（多空间的分立），导致了DSP存储器接口的复杂度增高，使芯片具有与MCS-51不同的数据线、地址线及片选信号线（DS、PS、IS、BR、STRB等），因此要在DSP存储器扩展时多加注意。显然，采用“比较法”教学

10、方式可将复杂的内容逐步分解，陌生的概念被已知的内容类比（替代），如此循序渐进、逐步深入，提高了学生的学习兴趣，易于新知识点的理解和掌握。在具体的运动控制系统实例教学内容上，我们突出两个方面：一是硬件接口，二是软件框架。前者需要结合DSP原理部分讲解在具体的电机控制应用案例中各引脚资源的合理使用方法；后者应就具体案例讲解DSP应用控制程序的整体结构、各功能寄存器的配置顺序、算法编写技巧等。这一部分宜采用“任务驱动法”进行教学，即将一个典型DSP应用案例，按所学的DSP知识要点细化分解为多个控制任务，通过教师逐步引导，激励学生主动思考并找出解决方案，以提高学生学习和应用DSP知识的能力。以开关磁阻

11、电机调速系统为例，当电机原理讲述完毕后，我们可以依次向同学提出如下问题：对于电机的位置闭环问题，我们需要使用那些DSP片内外设？若使用捕获引脚进行转速测量，应采用什么捕获触发方式？与捕获相匹配的定时器采用什么计数模式？分频系数如何设定？转子定位的计算式如何推导？对于转矩闭环，DSP需采集什么反馈量？电流反馈信号如何调理？ADC模块如何合理配置？在实验内容的安排上，重点突出基本应用技能的掌握。我们采用内容由简单到复杂的实验方式，如从必选的仿真器使用、数据运算及传送、定时器及I/O使用等，到选做的频率计、可控正弦波发生器、数字PID算法等。让学生真正学会一些基本的DSP开发调试方法，为将来的毕业设

12、计和工作打下基础。此外，在课堂理论教学上，非常有必要花一定的精力对课程第一章的概述部分进行较生动充实的讲解。向同学们讲明诸如：DSP的定义、特征、历程、分类及主流芯片等问题。并应用实例法，给出DSP三种典型应用：图像处理、语音处理和电机控制的整体系统功能图、实物照片以及样品PCB板，力争勾勒出一幅DSP器件应用、发展和前景的全貌，以使在本课程的起始阶段就能激发学生的学习热情、快速地进入角色。2、应用多媒体教学手段制作的多媒体课件不仅能够简单明了地概括出各章节的知识要点，还大量运用网络资源，将DSP的新技术、新应用以及具有代表性的表格、图形、图像和动画搬进课堂，创造出一个图文井茂、有声有色、生动

13、逼真的教学环境。例如，在DSP器件原理介绍时，我们把总线结构、中央处理单元、程序/数据存储器配置、各模块内部结构以及控制寄存器功能等重要的图和表，用多媒体课件的形式来很好的展示；把复杂的汇编指令执行时序和影响状态位的变化过程等，不易单纯用语言文字讲清楚的内容，用动画演绎的形式表示出来，以使教授内容有的放矢、重点突出、易于学生掌握；在DSP运动控制应用中，我们将直流电机的H桥逆变电路开关工作状态和电流响应时序、交流异步电机SVPWM控制的空间电压矢量合成原理、开关磁阻电机的转子位置与相电感变化趋势等抽象内容，用图形和彩色动画的形式表现出来，力争在有限的课堂时间内对这些已学知识有个快速回顾。对于D

14、SP汇编程序设计和开发环境使用这一章节，仅采用多媒体课件进行讲解是不够的，描述程序编写和调试流程不如在课堂进行现场演示。因此，针对这一章节，我们采用将实际DSP开发环境搬入课堂的办法进行讲授。首先，让同学们对DSP开发套件的三大部分（调试软件CCS、仿真器TDS和评估板EVM）进行实物接触，然后，教师以一个流水灯实验为例，通过直接操作CCS软件，讲授DSP工程的建立方法、三类文件：头文件（F2407REG.H）、配置文件（LED.CMD）和主文件（LED.ASM）的功能、结构和编写方法，以及具体调试方法等基本概念和操作。进一步通过更改诸如：头文件的宏指令定义、配置文件的“段”定位配置、主文件的

15、延时常数等参数，使学生亲身感受到实验结果的变化。3、 加强师生互动交流在授课过程中，加强了师生互动的交流环节。其具体措施不仅是在课堂上老师多提启发性问题引导学生主动思考（任务驱动），课间多请学生提问题，还将教学小组成员主持和完成了多项DSP控制系统课题的科研成果融入到教学环节中，通过参观和现场讲解DSP应用案例的成果实物3,4，如开关磁阻电机控制系统和磁悬浮数控系统等，以调动学生的学习积极性。4、 采用科学的考核方式我们将“DSP原理与运动控制系统”课程的考核方式定为平时成绩期末笔试的综合方式。平时成绩来自于学生的课堂表现、师生问答、作业成绩和实验技能等方面的综合。期末笔试采用开卷考试的方式进

16、行，要求学生在120分钟时间内独立完成诸如：功能寄存器的模式配置、中断服务程序框架的编制、算法软件的编写、硬件接口的设计和运动控制系统的分析等应用型考核试题。这一部分注重学生实际能力的体现。三、 结束语“DSP原理与运动控制系统”课程是电气控制类一门涉及多类课程、知识背景深、实用性强、技术更新速度快的专业课程。在课程教学中我们需要明确树立学生的主体观，合理安排理论和实践教学内容，运用合理的教学方法和手段，以及科学的评价体系，努力提高教学效果，切实培养控制类学生的DSP工程实践能力、自主学习能力和创新能力。参考文献：1 邹彦. DSP原理及应用M.北京:电子工业出版社,20052 周云松.DSP原理与应用课程教学研究与实践J.福建电脑,2005,12:159-160