初探實驗教學平臺的研究論文
1實驗平臺方案
設計本實驗平臺以Freescale公司的DSPMC56F8346評估板為基礎，通過外擴資源形成完整的硬體電路。該評估板以DSPMC56F8346為核心處理單元，配備外設擴充套件介面、CAN匯流排介面、512KB外部儲存器和一對子板介面，可方便進行外圍電路的設計，拓展評估板功能，實現實驗平臺的設計。實驗平臺以DSP為核心演算法處理單元，通過外接FPGA實現外圍裝置控制功能的擴充套件。DSP與FPGA之間採用外部儲存器匯流排(EMI)連線，將液晶、鍵盤等外部裝置對映到相應儲存器地址，通過讀寫外部儲存器的方式來控制外部裝置。本文利用MC56F8346評估板豐富的硬體資源，並結合教學實際，設計了LED燈閃爍、人機互動、電機控制、SPI及I2C通訊和4－20mA電流環輸出等基礎性實驗以及閉環控制、FIR濾波和FFT變換等拓展實驗。
2硬體平臺搭建
實驗平臺通過對MC56F8346評估板的擴充套件，具有128×64點陣液晶、4×4鍵盤、步進電機、直刷電機、SPI介面儲存器和I2C介面D/A轉換晶片外圍裝置。下面針對電源模組、電機模組和通訊模組進行詳細介紹。電源模組實驗箱採用220V交流供電，經開關電源穩壓整流後得到12V直流電壓。實驗箱擁有眾多外圍裝置，不同的裝置所需供電電壓均有所差別。為提高實驗平臺的電源質量，降低電源噪聲，在SE1117系列電源轉換晶片輸入端接入一個100uF電解電容與一個0．1uF電容進行濾波，並在輸出端接入一個22uF電解電容進行去耦，以保證晶片穩定工作。實驗箱通過LED燈指示各裝置電源是否正常工作。電機模組電機模組包括直刷電機步進電機、旋轉編碼盤及光電檢測開關。MC56F8346DSP內部擁有PWM模組，通過輸出PWM波控制電機。電機上安裝有旋轉編碼盤及光電檢測開關，光電檢測開關的輸出經過電壓比較器後變成方波訊號，DSP通過檢測方波訊號而實現電機轉速測量和轉動圈數累計。由於DSP通用輸入輸出介面的驅動能力有限，需外接驅動器以驅動電機，因此實驗平臺採用L298P晶片與DSPPWM模組直接相連，DSP通過驅動晶片控制電機轉動。光電檢測開關通過電壓比較器與FPGA相連，電壓比較器檢測光電開關所輸出訊號並將其轉換為方波訊號後送入FPGA，DSP通過EMI匯流排讀取相關資訊。
由於MC56F8346DSP內部整合RS232，且評估板設有標準串列埠，因此可直接利用評估板實現串列埠通訊。SPI為同步序列通訊匯流排，是微電子通訊領域廣泛採用的匯流排標準，在外圍拓展電路中選用具備SPI通訊能力的鐵電儲存器，通過讀取寫入的資料檢驗SPI通訊是否正常。在工業控制過程中，與傳送電壓調製訊號的方式相比，4～20mA的電流環具有很強的抗干擾能力，逐漸成為標準的工業訊號。為讓學生對實際工業應用有一定認識，實驗平臺開發了相應的功能。實驗平臺選用MAX5822型D/A轉換晶片，該晶片為12位數字輸入，具有良好的線性度與較高的精度，能滿足教學實驗的需求。D/A轉換晶片通過I2C匯流排與FPGA進行通訊，DSP通過FPGA將數字訊號傳送至D/A轉換晶片，D/A轉換晶片將其轉換為模擬訊號輸出。利用運算放大器與三極體實現V－I變換，實現電流控制，將D/A轉換晶片輸出接至運算放大器同相輸入端，運算放大器反向輸入端與三極體射極相連構成反饋系統，通過對射極電流的調節使得同相輸入端與反相輸入端電壓相等，電壓轉化為電流輸出。選用高精度電阻可以提高電流輸出精度。
3軟體開發環境
實驗平臺採用CodewarriorIDE為開發環境。CodewarriorIDE是一款高度智慧化、整合化的開發環境。與其它開發環境不同，CodewarriorIDE不是按傳統的命令列方式進行程式碼的設計和輸入，使用者只需要在Bean選擇器中選擇所需要的埠、暫存器、外設等對應的Bean，在Bean監視器中設定相應模組的引數，就能將程式的基本構架搭建起來。使用CodewarriorIDE時，使用者不用輸入冗長的程式碼、新增修改標頭檔案等，只需考慮一些核心的程式段，大大提高了開發效率。
4實驗教學內容
以基礎性實驗為主，待其對DSP開發有一定的理解之後再進行其它硬體實驗，最後結合DSP的特點進行數字訊號處理實驗，通過循序漸進的方式引導學生快速入門，並在此基礎上加深對DSP的理解與認識。LED燈閃爍實驗LED燈閃爍實驗是最經典的.基礎性實驗之一。評估板擁有12個除錯用LED燈，LED通過反相器與DSP相連。該實驗分為兩部分:點亮LED燈實驗與跑馬燈實驗，主要目的是讓學生能熟悉Codewar-riorIDE開發環境，熟悉利用專家系統(PE)建立工程，掌握新增Bean及獲取Bean說明的方法，為後續實驗做準備。電機實驗電機模組擁有兩種電機:步進電機與直刷電機。利用該模組可實現不同難度的電機控制實驗。基本實驗為利用旋鈕電阻控制電機的轉速與轉向，旋鈕電阻變化引起電壓變化，DSP片上ADC將電壓值讀入並轉換為數字訊號，經解算後輸出PWM波，對電機進行控制。步進電機控制實驗流程。碼盤與光電開關能採集電機轉速資訊，並通過EMI匯流排傳回DSP，可在此基礎上拓展電機實驗。
DSP將處理後的轉速經EMI匯流排送至FPGA，並控制液晶顯示轉速。另外，可通過鍵盤設定電機轉速，形成閉環，利用控制理論相關知識實現對電機轉速的精確控制。通過一系列的電機實驗，學生不僅能對DSP有更深入的瞭解，還能更直觀的認識閉環控制。FIR濾波器實驗該實驗可結合Matlab軟體進行。首先利用Matlab程式設計實現濾波器，並對不同的訊號進行濾波，觀察輸出波形。將Matlab程式移植至DSP，外部訊號經BNC接頭接入DSP，經濾波器濾波後由片外DA輸出，利用示波器觀察輸出波形。通過對比輸出波形與輸入波形以及理論波形，學生能對數字訊號處理有更清晰的認識。選擇取樣週期為0．004s，生成含有10Hz和50Hz的正弦訊號，對訊號進行傅立葉變換，得到訊號的頻譜。利用所設計的FIR濾波器進行濾波即可得到所需訊號。
5結束語
6FIR濾波器濾波效果圖本文開發了一款基於FreescaleMC56F8346型圖6FIR濾波器濾波效果圖本文開發了一款基於FreescaleMC56F8346型DSP的實驗教學平臺。通過對MC56F8346評估板進行拓展，實驗平臺擁有眾多的硬體資源，實驗內容豐富，完全滿足教學實驗需求。實驗平臺核心板通過匯流排與外部電路相連，可方便升級，並通過對外圍電路進行適當優化後應用於高階DSP實驗教學。該實驗平臺經過不斷測試與完善，目前已成功應用於本科生實驗教學，並取得了良好的教學效果。
