徐景皓

(蘇州市職業(yè)大學 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

在DSP課程中開展實踐教學的探討

徐景皓

(蘇州市職業(yè)大學 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

闡述在高職高專院校電子類專業(yè)的DSP課程中開展實踐教學的基本目標、原則和方法，系統(tǒng)地介紹了一系列DSP實驗的選擇、設計和完善的過程，取得了良好的教學效果.

數(shù)字信號處理；集成開發(fā)環(huán)境；通用擴展語言

“DSP原理及應用”是電子信息工程系開設的一門重要的專業(yè)技術課程，旨在拓寬學生專業(yè)口徑，使其初步掌握數(shù)字信號處理(digital signal processor，DSP)這一新興技術的入門知識和技能.鑒于高職高專院校以培養(yǎng)應用型人才為目標，本課程在課堂教學中應避免數(shù)字信號處理的艱深知識，以介紹DSP芯片的結構原理及編程應用的方法為主；而在實踐教學中，則應精心地選擇和設計實驗，達到知識與技能同步發(fā)展，知行合一的教學目標[1].本文筆者根據(jù)多年的教學經(jīng)驗，將DSP實驗劃分為初級、提高級和綜合級三個層次，形成了一套由淺入深的實驗體系，收到了良好的教學效果.

1 初級的DSP實驗

初級階段的目標是讓學生掌握DSP程序基本的編寫及調試技術.選用的芯片是TMS320C54xDSP，開發(fā)工具是集成開發(fā)環(huán)境(code composer studio，CCS).這是目前業(yè)界最流行的DSP開發(fā)系統(tǒng)，在它內部集成了DSP代碼生成工具，匯編、鏈接和調試DSP目標程序工具，以及實時分析插件DSP/BIOS和實時數(shù)據(jù)交換模塊RTDX等單元[2].系統(tǒng)在Windows環(huán)境下運行，具有和Visual C++等高級語言相似的交互式界面，優(yōu)點是使用方便、功能強大，缺點是項目繁多、操作復雜.這使只學過單片機基于DOS環(huán)境的調試工具的學生感到困難，往往做到第三、第四個實驗時還不能掌握CCS環(huán)境的基本功能，因此，初級階段應特別關注CCS環(huán)境的使用方法，先用兩個簡單易學的實驗讓學生建立起對DSP程序和開發(fā)工具的初步認知[2].

實驗一選自文獻[3]第3章“匯編語言開發(fā)工具”中的一個范例.這是一個用匯編語言寫成的程序，功能是計算y=a1*x1+ a2*x2+ a3*x3+ a4*x4，即數(shù)字信號處理中最基礎的迭代運算.程序雖然簡單，卻包含了一個典型匯編DSP程序所具有的特點.它以COFF公共目標文件格式寫成，采取段(section)為基本組織單元.代碼中包含了5種基本的段：代碼段，數(shù)據(jù)段，未初始化變量段，自定義未初始化段，自定義已初始化段.代碼第一部分是對變量及常量的初始化，第二部分完成迭代運算，先將存放在程序區(qū)的系數(shù)傳遞到數(shù)據(jù)區(qū)，再調用子程序SUM計算迭代結果(代碼略).程序條理清晰，可讀性強，運用了單周期傳遞數(shù)據(jù)指令MVPD和單周期完成乘法累加指令MAC這兩種DSP特有的高效率的運算指令，很好地展示了DSP編程注重效率、優(yōu)化算法的技術特點.學生通過這個簡單的程序，能夠學到DSP編程的一些基本思想以及COFF公共文件的格式和語法.

實驗一的主程序放在匯編文件example.asm中，為了讓它能在一個真實或模擬的DSP芯片上運行，還必須為它編寫中斷向量表文件vectors.asm和鏈接命令文件example.cmd，中斷向量表文件為程序運行提供正確的入口地址，而鏈接命令文件定義DSP芯片物理內存的起始地址和長度，并將主程序中定義的各種段(如代碼段，數(shù)據(jù)段等)分配到內存空間中.它們將與匯編文件example.asm一起構建一個“工程”.工程(Project)是CCS開發(fā)環(huán)境特有的概念，任何DSP程序都必須在工程下進行組織，一切和任務相關的文件都放在同一個工程目錄中，進行統(tǒng)一管理和調度.建立工程是一個繁瑣而容易出錯的過程，學生不容易掌握，可以先在課堂上向學生講授工程的概念，實驗時也不要立刻讓學生著手創(chuàng)建工程，而是先用多媒體演示一個DSP工程的示例，讓學生依照范例建立自己的工程，并編譯調試.

實驗二選自文獻[3]第5章“匯編語言程序設計”，程序實現(xiàn)定點數(shù)與浮點數(shù)的轉換，以及浮點乘法運算等功能.算法比實驗一復雜，要用到冗余符號位提取指數(shù)，歸一化左移、右移等比較抽象的概念和指令.選取浮點乘法作為第二個實驗，有助于學生加深對理論知識的掌握.實驗二的調試難度也有所增加，由于源程序存在兼容性錯誤，學生必須使用斷點和單步調試技術，觀察每條指令執(zhí)行時DSP芯片內部各寄存器、累加器的改變，以及內存變量、地址指針等參數(shù)的改變，跟蹤浮點運算的每一個步驟，才能定位錯誤，獲得正確的運算結果.

2 提高級的DSP實驗

在這個階段應選取一些實用的DSP算法，使用CCS工具的高級調試功能，提高學生的編程技術和調試水平[4].

實驗三選用正弦調幅波信號，程序用C語言寫成，使用CCS提供的通用擴展語言(general extention language，GEL)調試程序.GEL語言是一種類似于C語言的解釋性語言，它可以用來創(chuàng)建GEL函數(shù)，建立GEL文件，讓用戶按照需要配置程序仿真運行的環(huán)境，動態(tài)地設定參數(shù)變量，這樣當調試中需要經(jīng)常修改某些參數(shù)、比較計算結果時，就不必每次都去修改源程序，再重新編譯鏈接，大大提高了效率.本實驗中調制度M是所需動態(tài)設置的參數(shù)，方法是向正弦調幅波工程目錄添加GEL文件：vary_M.gel，在此文件中添加GEL函數(shù)，分別使用關鍵字menuitem和slider構建用于操作參數(shù)M的菜單項和滑動條，試調制度從0%變化到100%.調試時，在菜單項中選擇GEL→My Functions→vary_M命令，就可用拉動滑動條或鍵入數(shù)值的方法改變調制度M，M每變化一次，計算500個采樣點的正弦調幅波信號，并通過恰當?shù)脑O置在CCS環(huán)境的圖形窗口中即時顯示不同調制度下的信號波形.

實驗四選用FIR(有限長沖激響應)濾波器，功能是產(chǎn)生一個高頻正弦波與低頻正弦波的混和信號，并讓它周期性地通過一個32階的低通FIR濾波器，濾掉高頻分量，保留低頻分量[5].程序用C語言編寫，F(xiàn)IR算法采取循環(huán)緩沖區(qū)法實現(xiàn).實驗中學生將使用一種CCS環(huán)境提供的動態(tài)模擬仿真技術，在菜單項中選擇DEBUG→Animate，然后恰當?shù)卦O置參數(shù)和斷點，使程序每運行256個采樣點輸出一次濾波結果，經(jīng)圖像處理軟件工具處理后，在圖形界面中顯示不斷向前移動的模擬信號波形，好像在示波器上看見的真實信號一樣.輸入與輸出信號可以在同一視窗中顯示，直觀地展現(xiàn)濾波效果，利用圖像處理軟件的FFT功能還可以實時顯示輸入和輸出信號的頻譜(圖略).

3 綜合級的DSP實驗

前面四個實驗都是在CCS環(huán)境中采用軟件仿真工具實現(xiàn)的.CCS還支持各種類型的硬件仿真設備，我系引進的ICETEK-D80型DSP教學實驗箱，以TMS320C55xDSP芯片(C54x的升級型)為核心，集成了信號源、仿真器模塊、顯示控制模塊、測試模塊以及DSP評估板模塊等硬件外設單元，可以用來開展軟硬件相接合的綜合級的DSP實驗，進一步提升學生設計和調試DSP程序的能力.

實驗五是交通燈綜合控制，學生可利用ICETEK實驗箱提供的顯示控制設備，設計模擬十字路口交通燈控制的程序.實驗箱上有12只發(fā)光二極管，分為東西南北四組，紅黃綠三色，通過這些二極管的亮滅實現(xiàn)交通信號的模擬.計時使用DSP芯片的內片定時器，定時產(chǎn)生時鐘計數(shù)，控制二極管亮滅的時間.除正常情況外，可在實驗箱控制模塊上用鍵盤產(chǎn)生外部中斷，模擬突發(fā)情況，中斷交通燈顯示順序.程序采取狀態(tài)機控制方法設計，首先列舉所有可能發(fā)生的狀態(tài)，再將這些狀態(tài)編號，按順序循環(huán)產(chǎn)生每個狀態(tài)；對于突發(fā)狀態(tài)，則采用在正常序列中插入特殊控制序列的方法處理.程序所有狀態(tài)如表1所示.

實驗六是語音采集和放送，學生將使用TCETEK實驗箱上的語音code芯片TLV320AIC23，與DSP的多通道串行口McBSP進行接口設計，實現(xiàn)語音信號的采集和放送.程序首先進行初始化，DSP通過I2C總線將配置命令發(fā)送到AIC23，配置完成后ATC23開始工作.語音信號的輸入是由AIC23通過AD轉換采集輸入的語音信號，每采集一個信號，將數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP的McBSP接口，由DSP 讀??；語音信號的輸出是由DSP通過McBSP接口將語音數(shù)據(jù)發(fā)送給AIC23，由AIC23的DA器件轉換成模擬信號輸出.原始語音信號擬用人聲，通過麥克風傳入實驗箱采集電路，經(jīng)DSP處理后由耳機輸出還原.還可在聲音放送中加入數(shù)字回聲，數(shù)字回聲的強弱與原聲的延遲均可在程序中設定和調整，擬作為實驗的思考題，讓學生修改實驗程序，實現(xiàn)添加回聲的功能.

表1 程序所有狀態(tài)

4 結語

DSP課程的實踐教學，不僅包括課程實驗，還有課程設計以及畢業(yè)設計等綜合性、實踐性更強的環(huán)節(jié).如何將DSP課程的這些實踐環(huán)節(jié)有機地結合起來，形成一整套彼此關聯(lián)、互相滲透的實踐教學模型，是一個值得思索的課題.限于篇幅，本文不在此進行探討，留待將來繼續(xù)研究.

[1]權建軍. 高職“DSP應用技術”教學方法探討[J]. 甘肅聯(lián)合大學學報：自然科學版，2012(2)：112-114.

[2]楊光，馮濤，秦永左. DSP應用技術實驗教學的研究與探索[J]. 中國管理信息化，2010(21)：78-79.

[3]戴明楨，周建江. TMS320C54xDSP結構、原理及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007：137-164.

[4]路敬!，劉霞，劉繼承，等. DSP原理與應用課程教學改革的探索與實踐[J]. 價值工程，2011(2)：242-243.

[5]寧更新，李建中，方學陽，等. DSP實驗多元化教學方法的探索[J]. 實驗室研究與探索，2011(7)：121-122.

[6]暢福善，暢年生. 基于TMS320VC5409的DSP教學系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 太原師范學院學報，2009，8(1)：94-99.

The Research of the Practical Teaching in DSP Class

XU Jing-hao

(Department of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

This paper discusses the objectives，principles，and methods of DSP’s practical class of electronic profession in vocational institute，and gives out the results by a series of carefully choiced and designed tests which have been experimented in long periods of teaching this class by the author.

digital signal processor；code composer studio；general extention language

TP391.6

A

1008-5475(2012)04-0076-03

2012-03-14；

2012-04-29

徐景皓(1974-)，男，貴州貴陽人，講師，碩士，主要從事寬帶網(wǎng)絡通信研究.

(責任編輯：沈鳳英)