唐圣學(xué)， 黎 霞， 張繼欣， 陳 麗

(1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室(河北工業(yè)大學(xué))， 天津300130；2.河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室(河北工業(yè)大學(xué))， 天津 300130)

0 引言

隨著成本不斷下降、性能不斷提升，DSP技術(shù)在電機(jī)控制、開關(guān)電源、微機(jī)保護(hù)、電能質(zhì)量分析等場合得到了廣泛應(yīng)用，尤其是隨著智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，電工裝備主控芯片采用DSP芯片已占有很大份額。因此，基于DSP工作原理、算法與編程設(shè)計開設(shè)的相關(guān)課程，也成為了電氣專業(yè)學(xué)生必須掌握的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一[1]。

DSP課程教學(xué)不僅要傳授數(shù)字信號處理技術(shù)的理論基礎(chǔ)知識，還需培養(yǎng)學(xué)生實踐應(yīng)用技能，即算法、軟件和硬件的綜合實踐創(chuàng)新技能[2～3]。常規(guī)DSP課程實驗技能訓(xùn)練，需要PC機(jī)、仿真器、實驗箱、擴(kuò)展板、相關(guān)的硬件設(shè)備。案例教學(xué)是一種非常有效的培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新技能的方法。然而，對于實施培養(yǎng)實踐技能的創(chuàng)新性案例教學(xué)，因受實驗室建設(shè)、實驗場所、實驗學(xué)時制約，一些創(chuàng)新性強的工程案例難以開展實驗驗證，如自擬題目的創(chuàng)新性項目教學(xué)中，在構(gòu)思前期常因?qū)嶒灄l件限制而阻礙了學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)揮。從典型性、實踐性和前沿性角度，本文通過優(yōu)選設(shè)計案例庫，并以Proteus、Matlab為平臺，開展了虛擬實驗案例庫開發(fā)。并基于虛擬案例庫，探索了面向創(chuàng)新性工程實踐教學(xué)的案例二次設(shè)計。通過案例的二次開發(fā)設(shè)計，可幫助學(xué)生快速、直觀地、高效地實現(xiàn)創(chuàng)新性實踐中的新構(gòu)想、新方案、新模型的虛擬驗證與仿真演示，有助于學(xué)生實現(xiàn)從構(gòu)想-理論-程序-硬件的實踐能力培養(yǎng)，克服實驗條件對學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的限制。

1 DSP虛擬實驗案例設(shè)計與開發(fā)

1.1 虛擬實驗典型案例庫設(shè)計

近年來，國內(nèi)教育界積極進(jìn)行了案例教學(xué)法的探索和實踐[4～6]。案例教學(xué)法通過選擇典型、生動、工程實踐性強的個案的描述來引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識參與分析、討論，使學(xué)生在具體的問題情境中積極思考，主動探索和工程實踐，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題能力的目的。

案例是案例教學(xué)法的特色，如何選擇案例，是案例教學(xué)法實施的關(guān)鍵。因此，筆者在DSP課程實驗案例庫素材的選擇中突出了以下原則：一是典型性，案例呈現(xiàn)的問題具有代表性，即關(guān)注典型電氣領(lǐng)域應(yīng)用素材和基礎(chǔ)性知識；二是實踐性，案例面向培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能和創(chuàng)新能力，具有工程實踐特點；三是前沿性，關(guān)注電氣工程研究的最新成果，以呈現(xiàn)電氣工程最前沿的成果與研究動態(tài)，如太陽能發(fā)電、直流輸電、電動汽車電源等案例；四是易擴(kuò)展性，有助于二次開發(fā)利用，節(jié)約開發(fā)設(shè)計時間。根據(jù)上述原則，針對電氣專業(yè)學(xué)生DSP課程建立的虛擬實驗案例庫如圖1所示。

圖1 DSP虛擬實驗典型案例庫

1.2 虛擬實驗軟件平臺

DSP虛擬實驗案例開發(fā)與設(shè)計主要利用Matlab、Proteus、CCS三種軟件來實施。借助Matlab軟件可以快速建立典型案例模型，完成如濾波器、FFT變換、小波分解等算法的數(shù)值驗證，使學(xué)生快速設(shè)計和驗證數(shù)字信號處理算法，掌握信號處理算法基礎(chǔ)知識。CCS用于開發(fā)DSP芯片虛擬實驗程序，實現(xiàn)算法到程序的轉(zhuǎn)換。Proteus用于搭建DSP芯片硬件系統(tǒng)和外圍電路，并加載匯編程序，實現(xiàn)CCS和Proteus聯(lián)調(diào)，完成硬件仿真[7～8]。

1.3 虛擬實驗案例設(shè)計開發(fā)流程

虛擬實驗案例具體設(shè)計流程如圖2所示。流程根據(jù)案例需求，先讓學(xué)生掌握算法原理，進(jìn)而進(jìn)行DSP虛擬實驗案例設(shè)計，最后進(jìn)行調(diào)試、運行和仿真，目的是實現(xiàn)構(gòu)想-理論-程序-硬件仿真的能力提升培養(yǎng)。

圖2 DSP虛擬實驗案例設(shè)計流程

2 典型案例開發(fā)與二次開發(fā)的過程

下面以DSP課程中FIR濾波器案例為例，闡述案例設(shè)計及其案例的二次設(shè)計應(yīng)用。

2.1 FIR濾波器虛擬實驗設(shè)計

FIR濾波器是基礎(chǔ)部件，在通信、圖像處理、模式識別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。本文以DSP實現(xiàn)FIR濾波器的案例設(shè)計過程為例，進(jìn)一步說明虛擬實驗案例的開發(fā)步驟。

首先，學(xué)生要在理解模擬信號數(shù)字化濾波原理上，完成DSP的電路設(shè)計。實現(xiàn)電路包含預(yù)處理電路、A/D采樣電路、DSP濾波電路、D/A重構(gòu)電路和輸出平滑電路，如圖3所示。即原始模擬信號需要先經(jīng)過限幅、抗混疊濾波等預(yù)處理以滿足A/D采樣要求，經(jīng) A/D采樣后輸入DSP濾波器，完成濾波運算，運算結(jié)果D/A電路實現(xiàn)數(shù)字到模擬信號轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)平滑濾波電路輸出模擬信號。

圖3 DSP實現(xiàn)的數(shù)字化濾波電路構(gòu)成

其中，F(xiàn)IR濾波器數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中s(n)為輸入信號，h(n)為濾波器的有限長脈沖響應(yīng)。根據(jù)式(1)，只要獲取濾波器的有限長脈沖響應(yīng)h(n)，就可以由式(1)運算所得輸出信號y(n)。而h(n)由設(shè)計指標(biāo)與設(shè)計方法共同決定。設(shè)計方法主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法和切比雪夫等波紋逼近的最優(yōu)化設(shè)計方法，設(shè)計指標(biāo)有采樣頻率、截止頻率、衰減系數(shù)等。學(xué)生通過對上述指標(biāo)的比較、選擇、設(shè)計、應(yīng)用，鞏固濾波理論的認(rèn)識和理解。

按照虛擬實驗案例的設(shè)計步驟，濾波算法利用Matlab/Simulink平臺編程或建模實現(xiàn)。例如在FDAtool工具工作界面中調(diào)整指標(biāo)：選擇高通濾波器與窗函數(shù)設(shè)計法，輸入采樣頻率Fs=8kHz、通帶截止頻率Fpass=1.05kHz、阻帶截止頻率Fstop=1kHz、通帶最大衰減Apass=1dB 、阻帶最小衰減Astop=80dB后，運行設(shè)計，即可獲得濾波函數(shù)波特圖(如圖4)。利用FDAtool工具，可以直觀地學(xué)習(xí)濾波器指標(biāo)與性能的關(guān)系。

圖4 濾波函數(shù)波特圖

濾波器設(shè)計完畢后，通過Code Composer Studio(tm) IDE功能，可獲得設(shè)定的16位帶符號整型濾波系數(shù)C語言數(shù)組，最終獲得的805個系數(shù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：const int16_T B[805] ={1612，205，-2309，-5211，-7519，24371，-7519，-5211，-2309，205，1612}。數(shù)組元素呈現(xiàn)偶對稱特性，滿足FIR濾波器線性相位特性[9]。

利用上述數(shù)據(jù)和FIR濾波器式(1)，在Matlab平臺驗證算法，在CCS中生成.cof文件，加載到Proteus搭建的DSP虛擬實驗濾波電路模型(如圖5)。實驗設(shè)備選型與電路設(shè)計均需由學(xué)生自主選擇完成。圖6為某實驗小組的電路設(shè)計。采用兩路模擬信號疊加模擬輸入信號，選用TMS320F28027實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換與濾波。選用2個DAC0832做數(shù)模轉(zhuǎn)換，完成模擬信號輸出。調(diào)試完成后運行，示波器觀察到的濾波前后的波形如圖6所示，基本達(dá)到設(shè)計要求。

圖5 DSP濾波虛擬實驗電路模型

圖6 FIR濾波器DSP電路模型波形

2.2 FIR濾波器虛擬實驗的二次開發(fā)

除了經(jīng)典的濾波作用外，F(xiàn)IR濾波器還可應(yīng)用于諧波檢測、無功補償、變換器控制等工程領(lǐng)域。在這些新的應(yīng)用背景下，借助庫中的FIR濾波器案例，可實現(xiàn)新的創(chuàng)新性工程的FIR濾波器應(yīng)用虛擬案例的二次開發(fā)。這種創(chuàng)新性的工程應(yīng)用二次開發(fā)，不僅有利于學(xué)生進(jìn)一步掌握FIR濾波器理論，還能拓展新的知識，提升應(yīng)用設(shè)計技能和創(chuàng)新技能。下面以FIR濾波器在電力電子控制系統(tǒng)的二次開發(fā)為例，闡述DSP虛擬案例的二次開發(fā)過程。在并網(wǎng)變換器的重復(fù)控制中，為克服理想內(nèi)?？刂破鳠o法實現(xiàn)全頻率范圍內(nèi)無靜差跟蹤的缺陷，可引入FIR濾波器，借助其相頻特性線性特征和低通濾波的能力，降低諧波畸變率及穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差[10]。理想內(nèi)?？刂破髋c改進(jìn)內(nèi)?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖7所示，其中Q(z)為FIR濾波器的傳遞函數(shù)，需要根據(jù)新的應(yīng)用背景和延時指標(biāo)進(jìn)行二次設(shè)計以實現(xiàn)新的應(yīng)用。

(a) 理想內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu) (b) 改進(jìn)內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)圖7 FIR濾波器的二次開發(fā)案例

綜上可見，根據(jù)新的應(yīng)用背景中重復(fù)控制的延時控制要求，對FIR濾波器Q(z)進(jìn)行二次開發(fā)，既能進(jìn)一步加深理解FIR濾波器相位知識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還能培養(yǎng)學(xué)生的知識推廣應(yīng)用能力。同時，虛擬案例的二次開發(fā)克服了實驗條件的限制，拓展了創(chuàng)新性工程實踐案例的應(yīng)用范圍。

3 結(jié)語

本文研究了DSP虛擬實驗案例開發(fā)與二次設(shè)計，解決了DSP課程創(chuàng)新性工程實踐教學(xué)中實驗場所和實驗設(shè)備不足問題。利用Proteus、Matlab等平臺，設(shè)計了面向電氣工程應(yīng)用的典型案例庫，并探索了典型案例的二次開發(fā)利用。利用DSP虛擬案例庫的建設(shè)與案例二次開發(fā)，可直觀、靈活、有效的實現(xiàn)從構(gòu)想-理論-程序-硬件的創(chuàng)新性工程實踐能力的培養(yǎng)。