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［摘要］針對(duì)傳統(tǒng)DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一、以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的缺點(diǎn)，提出了驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的電氣專業(yè)dsp實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革。為了滿足改革后的實(shí)驗(yàn)要求，研制出基于模塊化思想的DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別設(shè)計(jì)了DSP核心板、DC/DC直流斬波板和DC/AC變流板三種實(shí)驗(yàn)?zāi)K。改革后的教學(xué)模式根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行組合，可以給學(xué)生直觀的認(rèn)識(shí)，也可以為課外創(chuàng)新實(shí)踐、電子設(shè)計(jì)大賽等提供硬件平臺(tái)。通過(guò)教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容的改革，提高了DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)；模塊化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；變流；斬波

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(yīng)用，已經(jīng)成為電氣專業(yè)學(xué)生必須掌握的一門實(shí)用技術(shù)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力具有重要的作用［1，2］。為此，中國(guó)石油大學(xué)〔華東〕電氣專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計(jì)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(shí)踐性非常強(qiáng)，課本知識(shí)只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)或科研創(chuàng)新活動(dòng)等實(shí)踐環(huán)節(jié)才能加深理解和掌握，而所學(xué)的知識(shí)最終也要應(yīng)用到DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試中，因此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是學(xué)好本門課程的關(guān)鍵［3，4］。目前采用的DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用校外采購(gòu)的DSP試驗(yàn)箱，其整合度過(guò)高，結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜，缺乏透明度，學(xué)生知其然不知其所以然，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程走過(guò)場(chǎng)，只能進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺乏積極性；試驗(yàn)箱造價(jià)高，體積較大，便攜性較差，損壞后難以修復(fù)；試驗(yàn)箱只能進(jìn)行廠家指定的幾種實(shí)驗(yàn)，無(wú)法滿足電氣專業(yè)的教學(xué)需求；只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室資源緊張、學(xué)時(shí)有限的情況下，難以為學(xué)生提供大量的實(shí)踐機(jī)會(huì)，也無(wú)法充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性［5，6］，達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果，因此有必要對(duì)以往的單純驗(yàn)證性的DSP課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改革，加入設(shè)計(jì)性內(nèi)容，改變以往以教師為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，給學(xué)生提供靈活開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)鞏固課堂所學(xué)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力和DSP知識(shí)綜合運(yùn)用的能力。

一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系改革

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果有重大的影響，考慮到電氣專業(yè)DSP課程的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排應(yīng)該包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)兩大類。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要對(duì)DSP基本模塊的功能進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證和消化，掌握DSP的基本應(yīng)用；自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，只給學(xué)生提供基本的硬件單元，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠蓪W(xué)生自主設(shè)計(jì)，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程，學(xué)生進(jìn)一步消化了所學(xué)內(nèi)容，并能夠自主應(yīng)用，可以更好地掌握DSP的相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表1。由于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的功能相對(duì)復(fù)雜，學(xué)生在完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，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(gè)設(shè)計(jì)性內(nèi)容進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。由于實(shí)驗(yàn)室資源有限，可以考慮讓學(xué)生將DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)帶離實(shí)驗(yàn)室，利用課余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的DSP試驗(yàn)箱無(wú)法滿足上述要求，因此需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)新的DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于模塊化思想研制，采用“DSP核心板+功能擴(kuò)展模塊”的方式設(shè)計(jì)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容向?qū)W生提供相應(yīng)的功能模塊，可以進(jìn)行靈活多變的組合。除了完成基本的實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，也可以作為電子設(shè)計(jì)大賽及大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)的平臺(tái)，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率和應(yīng)用范圍。其中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要包括AD采集轉(zhuǎn)換、串行通信、QEP轉(zhuǎn)速測(cè)量及液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)等，只需要使用核心板即可實(shí)現(xiàn)。綜合實(shí)驗(yàn)主要鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

根據(jù)本專業(yè)的特點(diǎn)，DSP的主要領(lǐng)域是電力電子，無(wú)論是電機(jī)拖動(dòng)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(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)化，將DSP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為三個(gè)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(diǎn)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?jǐn)?shù)據(jù)總線引出，在板子邊緣按照功能分為8個(gè)接口，可以實(shí)現(xiàn)232通信、CAN通信、PWM輸出、QEP測(cè)量電機(jī)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(jì)，兩個(gè)電源層加兩個(gè)信號(hào)層，通過(guò)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(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)將5V電平的外圍電路接入DSP的I/O口導(dǎo)致DSP芯片燒毀。為了減輕電源的復(fù)雜度，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)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(duì)外提供3.3V電源，這樣整個(gè)系統(tǒng)在工作時(shí)只需要一個(gè)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。考慮到核心板的體積，以及不同模擬量采集裝置反饋的信號(hào)特性不同，如交流電壓互感器輸出雙極性信號(hào)和直流霍爾電流傳感器輸出的單極性信號(hào)，模擬信號(hào)調(diào)理電路并未在核心板上，而是放到其他兩個(gè)模塊上，根據(jù)各自信號(hào)特點(diǎn)調(diào)理為0～3V信號(hào)，然后再接到DSP核心板上，同時(shí)在核心板上設(shè)計(jì)了兩個(gè)LED，可以進(jìn)行GPIO調(diào)試實(shí)驗(yàn)。核心板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

（二）斬波模塊

由于實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是幫助學(xué)生理解DSP在直流斬波領(lǐng)域的應(yīng)用，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)選擇了BUCK和BOOST兩種典型斬波電路分別實(shí)現(xiàn)降壓與升壓變換，同時(shí)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(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)扁平電纜連接到斬波模塊，由IR2125放大后驅(qū)動(dòng)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(yùn)放調(diào)理后反饋回核心板AD接口，實(shí)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(guò)驅(qū)動(dòng)芯片由IR2125改為IR2101。板上集成了按鍵、電容、電感等元器件，各個(gè)模塊清晰明了，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的黑箱模式，更便于學(xué)生理解。為了防止學(xué)生誤操作造成短路，板子上在24V電源回路中集成了自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。斬波模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

（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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)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(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，同樣按照接線盡量簡(jiǎn)單的原則進(jìn)行，將驅(qū)動(dòng)芯片、主電路、濾波電路、交直流信號(hào)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(hào)由扁平電纜連接至變流模塊，經(jīng)三塊IR2110放大后驅(qū)動(dòng)六片IRF540，板上集成的電感電容濾波后輸出信號(hào)。為了進(jìn)行閉環(huán)控制，板上設(shè)計(jì)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(hào)為交流，在板上設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，將交流信號(hào)變換為0～3V直流信號(hào)，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(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)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(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的DSP實(shí)驗(yàn)課程改革后，取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生普遍反映雖然實(shí)驗(yàn)難度加大，通過(guò)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方案，并最終進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，學(xué)生獲得了較強(qiáng)的成就感，感覺(jué)對(duì)DSP的教授內(nèi)容掌握得更加牢固，同時(shí)創(chuàng)新能力也得到了鍛煉。這一結(jié)論通過(guò)后續(xù)學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)大賽時(shí)的表現(xiàn)得到了驗(yàn)證。結(jié)語(yǔ)本文對(duì)高校電氣類專業(yè)DSP實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式改革進(jìn)行了探討，改傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為“驗(yàn)證性+設(shè)計(jì)性”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相結(jié)合，既保證了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，又通過(guò)自主設(shè)計(jì)部分讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)知識(shí)的創(chuàng)新性應(yīng)用。為了滿足實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革要求，設(shè)計(jì)了一種基于模塊化思想的DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)主要面對(duì)電氣工程及其相關(guān)專業(yè)，根據(jù)DSP在電力行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了DSP核心板、直流斬波模塊和變流模塊，將復(fù)雜的系統(tǒng)解構(gòu)為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。該模塊化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除了完成基本的實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，也作為電子設(shè)計(jì)大賽及大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)的平臺(tái)。學(xué)生可以在基本模塊的基礎(chǔ)上，搭建自己感興趣的應(yīng)用系統(tǒng)，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，實(shí)驗(yàn)室只需要提供每個(gè)模塊的原理圖和使用方式，由學(xué)生自主選擇所需模塊并自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)這種方式可以極大地提高學(xué)生的積極性，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。由于采用了模塊化設(shè)計(jì)，不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的“黑盒子”便于學(xué)生理解和操作，減少了實(shí)驗(yàn)教師的工作量和參與程度，如果配合相應(yīng)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室政策和門禁卡管理制度，讓學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間，有利于緩解實(shí)驗(yàn)室資源緊張的局面，提高實(shí)驗(yàn)室的利用率，也為任課教師布置設(shè)計(jì)性的大作業(yè)提供了基礎(chǔ)。

作者:康偉 張麗霞 單位:中國(guó)石油大學(xué)〔華東〕電氣工程系