在DSP课程中开展实践教学的探讨

徐景皓

(苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104)

在DSP课程中开展实践教学的探讨

徐景皓

(苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104)

阐述在高职高专院校电子类专业的DSP课程中开展实践教学的基本目标、原则和方法，系统地介绍了一系列DSP实验的选择、设计和完善的过程，取得了良好的教学效果.

数字信号处理；集成开发环境；通用扩展语言

“DSP原理及应用”是电子信息工程系开设的一门重要的专业技术课程，旨在拓宽学生专业口径，使其初步掌握数字信号处理(digital signal processor，DSP)这一新兴技术的入门知识和技能.鉴于高职高专院校以培养应用型人才为目标，本课程在课堂教学中应避免数字信号处理的艰深知识，以介绍DSP芯片的结构原理及编程应用的方法为主；而在实践教学中，则应精心地选择和设计实验，达到知识与技能同步发展，知行合一的教学目标[1].本文笔者根据多年的教学经验，将DSP实验划分为初级、提高级和综合级三个层次，形成了一套由浅入深的实验体系，收到了良好的教学效果.

1 初级的DSP实验

初级阶段的目标是让学生掌握DSP程序基本的编写及调试技术.选用的芯片是TMS320C54xDSP，开发工具是集成开发环境(code composer studio，CCS).这是目前业界最流行的DSP开发系统，在它内部集成了DSP代码生成工具，汇编、链接和调试DSP目标程序工具，以及实时分析插件DSP/BIOS和实时数据交换模块RTDX等单元[2].系统在Windows环境下运行，具有和Visual C++等高级语言相似的交互式界面，优点是使用方便、功能强大，缺点是项目繁多、操作复杂.这使只学过单片机基于DOS环境的调试工具的学生感到困难，往往做到第三、第四个实验时还不能掌握CCS环境的基本功能，因此，初级阶段应特别关注CCS环境的使用方法，先用两个简单易学的实验让学生建立起对DSP程序和开发工具的初步认知[2].

实验一选自文献[3]第3章“汇编语言开发工具”中的一个范例.这是一个用汇编语言写成的程序，功能是计算y=a1*x1+ a2*x2+ a3*x3+ a4*x4，即数字信号处理中最基础的迭代运算.程序虽然简单，却包含了一个典型汇编DSP程序所具有的特点.它以COFF公共目标文件格式写成，采取段(section)为基本组织单元.代码中包含了5种基本的段：代码段，数据段，未初始化变量段，自定义未初始化段，自定义已初始化段.代码第一部分是对变量及常量的初始化，第二部分完成迭代运算，先将存放在程序区的系数传递到数据区，再调用子程序SUM计算迭代结果(代码略).程序条理清晰，可读性强，运用了单周期传递数据指令MVPD和单周期完成乘法累加指令MAC这两种DSP特有的高效率的运算指令，很好地展示了DSP编程注重效率、优化算法的技术特点.学生通过这个简单的程序，能够学到DSP编程的一些基本思想以及COFF公共文件的格式和语法.

实验一的主程序放在汇编文件example.asm中，为了让它能在一个真实或模拟的DSP芯片上运行，还必须为它编写中断向量表文件vectors.asm和链接命令文件example.cmd，中断向量表文件为程序运行提供正确的入口地址，而链接命令文件定义DSP芯片物理内存的起始地址和长度，并将主程序中定义的各种段(如代码段，数据段等)分配到内存空间中.它们将与汇编文件example.asm一起构建一个“工程”.工程(Project)是CCS开发环境特有的概念，任何DSP程序都必须在工程下进行组织，一切和任务相关的文件都放在同一个工程目录中，进行统一管理和调度.建立工程是一个繁琐而容易出错的过程，学生不容易掌握，可以先在课堂上向学生讲授工程的概念，实验时也不要立刻让学生着手创建工程，而是先用多媒体演示一个DSP工程的示例，让学生依照范例建立自己的工程，并编译调试.

实验二选自文献[3]第5章“汇编语言程序设计”，程序实现定点数与浮点数的转换，以及浮点乘法运算等功能.算法比实验一复杂，要用到冗余符号位提取指数，归一化左移、右移等比较抽象的概念和指令.选取浮点乘法作为第二个实验，有助于学生加深对理论知识的掌握.实验二的调试难度也有所增加，由于源程序存在兼容性错误，学生必须使用断点和单步调试技术，观察每条指令执行时DSP芯片内部各寄存器、累加器的改变，以及内存变量、地址指针等参数的改变，跟踪浮点运算的每一个步骤，才能定位错误，获得正确的运算结果.

2 提高级的DSP实验

在这个阶段应选取一些实用的DSP算法，使用CCS工具的高级调试功能，提高学生的编程技术和调试水平[4].

实验三选用正弦调幅波信号，程序用C语言写成，使用CCS提供的通用扩展语言(general extention language，GEL)调试程序.GEL语言是一种类似于C语言的解释性语言，它可以用来创建GEL函数，建立GEL文件，让用户按照需要配置程序仿真运行的环境，动态地设定参数变量，这样当调试中需要经常修改某些参数、比较计算结果时，就不必每次都去修改源程序，再重新编译链接，大大提高了效率.本实验中调制度M是所需动态设置的参数，方法是向正弦调幅波工程目录添加GEL文件：vary_M.gel，在此文件中添加GEL函数，分别使用关键字menuitem和slider构建用于操作参数M的菜单项和滑动条，试调制度从0%变化到100%.调试时，在菜单项中选择GEL→My Functions→vary_M命令，就可用拉动滑动条或键入数值的方法改变调制度M，M每变化一次，计算500个采样点的正弦调幅波信号，并通过恰当的设置在CCS环境的图形窗口中即时显示不同调制度下的信号波形.

实验四选用FIR(有限长冲激响应)滤波器，功能是产生一个高频正弦波与低频正弦波的混和信号，并让它周期性地通过一个32阶的低通FIR滤波器，滤掉高频分量，保留低频分量[5].程序用C语言编写，FIR算法采取循环缓冲区法实现.实验中学生将使用一种CCS环境提供的动态模拟仿真技术，在菜单项中选择DEBUG→Animate，然后恰当地设置参数和断点，使程序每运行256个采样点输出一次滤波结果，经图像处理软件工具处理后，在图形界面中显示不断向前移动的模拟信号波形，好像在示波器上看见的真实信号一样.输入与输出信号可以在同一视窗中显示，直观地展现滤波效果，利用图像处理软件的FFT功能还可以实时显示输入和输出信号的频谱(图略).

3 综合级的DSP实验

前面四个实验都是在CCS环境中采用软件仿真工具实现的.CCS还支持各种类型的硬件仿真设备，我系引进的ICETEK-D80型DSP教学实验箱，以TMS320C55xDSP芯片(C54x的升级型)为核心，集成了信号源、仿真器模块、显示控制模块、测试模块以及DSP评估板模块等硬件外设单元，可以用来开展软硬件相接合的综合级的DSP实验，进一步提升学生设计和调试DSP程序的能力.

实验五是交通灯综合控制，学生可利用ICETEK实验箱提供的显示控制设备，设计模拟十字路口交通灯控制的程序.实验箱上有12只发光二极管，分为东西南北四组，红黄绿三色，通过这些二极管的亮灭实现交通信号的模拟.计时使用DSP芯片的内片定时器，定时产生时钟计数，控制二极管亮灭的时间.除正常情况外，可在实验箱控制模块上用键盘产生外部中断，模拟突发情况，中断交通灯显示顺序.程序采取状态机控制方法设计，首先列举所有可能发生的状态，再将这些状态编号，按顺序循环产生每个状态；对于突发状态，则采用在正常序列中插入特殊控制序列的方法处理.程序所有状态如表1所示.

实验六是语音采集和放送，学生将使用TCETEK实验箱上的语音code芯片TLV320AIC23，与DSP的多通道串行口McBSP进行接口设计，实现语音信号的采集和放送.程序首先进行初始化，DSP通过I2C总线将配置命令发送到AIC23，配置完成后ATC23开始工作.语音信号的输入是由AIC23通过AD转换采集输入的语音信号，每采集一个信号，将数据发送到DSP的McBSP接口，由DSP 读取；语音信号的输出是由DSP通过McBSP接口将语音数据发送给AIC23，由AIC23的DA器件转换成模拟信号输出.原始语音信号拟用人声，通过麦克风传入实验箱采集电路，经DSP处理后由耳机输出还原.还可在声音放送中加入数字回声，数字回声的强弱与原声的延迟均可在程序中设定和调整，拟作为实验的思考题，让学生修改实验程序，实现添加回声的功能.

表1 程序所有状态

4 结语

DSP课程的实践教学，不仅包括课程实验，还有课程设计以及毕业设计等综合性、实践性更强的环节.如何将DSP课程的这些实践环节有机地结合起来，形成一整套彼此关联、互相渗透的实践教学模型，是一个值得思索的课题.限于篇幅，本文不在此进行探讨，留待将来继续研究.

[1]权建军. 高职“DSP应用技术”教学方法探讨[J]. 甘肃联合大学学报：自然科学版，2012(2)：112-114.

[2]杨光，冯涛，秦永左. DSP应用技术实验教学的研究与探索[J]. 中国管理信息化，2010(21)：78-79.

[3]戴明桢，周建江. TMS320C54xDSP结构、原理及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007：137-164.

[4]路敬!，刘霞，刘继承，等. DSP原理与应用课程教学改革的探索与实践[J]. 价值工程，2011(2)：242-243.

[5]宁更新，李建中，方学阳，等. DSP实验多元化教学方法的探索[J]. 实验室研究与探索，2011(7)：121-122.

[6]畅福善，畅年生. 基于TMS320VC5409的DSP教学系统的设计与实现[J]. 太原师范学院学报，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，贵州贵阳人，讲师，硕士，主要从事宽带网络通信研究.

(责任编辑：沈凤英)