数字信号处理课程虚拟实验室设计

摘要: 本文设计了一个基于校园网的数字信号处理课程虚拟实验室,该实验室可以通过远程控制为各实验设备单独供电,并通过开关矩阵灵活组合连接实验设备。运行表明虚拟实验室构造简便,结果正确,可以为学生提供一个方便的开放实验室。

Abstract: This paper is concerned with how to build a "virtual lab" for Real-Time DSP course based on campus network. The lab supplies separate power to every laboratory equipment by the remote control device,and connects the laboratory equipment through the switch matrix flexible combination. Operation shows that the virtual laboratory structure is simple and accurate,which can provide a convenient open laboratory to students.

关键词: 数字信号处理;虚拟实验室

Key words: digital signal processing;virtual lab

中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)19-0153-02

1建设背景

数字信号处理(DSP)技术在近30年来得到飞速发展,它在语音、雷达、声纳、图像、通信、遥感遥测、航空航天等众多领域都获得极其广泛的应用。为适应这一发展对人才的需求,许多高校都开设了数字信号处理课程,并且已由过去的面向电子信息类专业逐渐扩展到面向电气工程、仪器仪表、机械制造及生物医学等更多的专业领域。数字信号处理是一门涉及众多学科又应用于众多领域的学科,它既有较为完整的理论体系,又具有实际的应用价值,因此要建设好数字信号处理课程,不仅要有完善的课堂教学,还要强调课外的实验支持。

在我们开设的数字信号处理课程中,除了包含信号与系统的基本知识、DSP构建、计算机算法、有限字长和定点处理器、快速傅里叶变换的应用以及实时多媒体和通讯应用等教学内容,还建立了一个有力的硬件实验支撑。在课程的最后,学生们需要利用DSP开发平台实现对语音信号的采样、滤波、频谱分析及D/A转换,通过对语音信号进行较为完整的处理来加深对课内教学内容的理解。此外,通过使用DSP内部并行的执行单元、硬件循环、以寻址为模,多重DMA和片内存储器,学生将对DSP处理器有深刻的认识,加深对DSP算法的理解,探索DSP处理器相比通用处理器在构建应用系统上的优势。

数字信号处理实验包括八套实验设备,每套实验设备包含两种不同的TI公司DSP开发系统、信号发生器及示波器。DSP开发系统不仅包含DSP处理器,还包括A/D、D/A、SDRAM、FLASH、扬声器等设备,可以开展数据采集、滤波、频谱分析等实验。学生以小组的方式开展工作,每个小组三名成员,要在两周内完成每一个实验所要求完成的任务。为了使学生灵活安排实验时间、充分利用实验资源,我们构建了一个小型的“虚拟实验室”,使学生能够通过网络直接使用硬件设备和软件,方便地学习研究DSP的应用。我们采取开放的实验室使用政策,学生们可以24小时以他们方便的途径随意使用实验室,对于在线的学生,采用了类似的“提问-回答”的会议方式,在这个会议上助教回答学生的提问,提供实验指导。此外所有的讲稿笔记、家庭作业和其他分配任务,包括实验室考试都会在网上发送而且也可以在网上上交和批改。

2虚拟实验室构建

实验室共有12套实验设备,每套设备包括一台Tektronix AFG310函数发生器,一台Tektronix TDS3012B示波器,一个TI的DSK5510的工具包和一个DSK6713工具包。此外,软件工具包括由项目管理人,用户图形界面,编译器,连接器,调试器,源编码浏览器和编辑工具(如TI的Codecomposer)组成的IDE。NI Labview是一个用模块代替代码行来创造应用的图形语言。它用于远程访问来同时和AFG310函数发生器和TDS3012数字滤波器进行通信。此外,执行实验还需要一些附件如扬声器,耳机和网络摄影。虚拟实验室的目标是创造一个和实物实验室尽可能接近的环境,它必须能远程控制,所有的软件硬件工具都能够实时使用,这样在线的学生就可以实现远程连接到实验室并且方便地使用工具和设备。图1(a)展示了虚拟实验室的安装连接。在实验室内,主控计算机通过各种接口和协议与硬件设备的控制端口相连,实现对各种设备的操作,如通过HTTP接口控制TDS3012B示波器,通过GPIB接口控制AFG310函数发生器,通过USB接口控制DSK5510及DSK6713开发平台。这些设备的输入或输出通道通过一个称作“开关矩阵”的设备连接在一起,开关矩阵由主控计算机控制,可以灵活组合成不同的实验平台,其结构如图1(b)所示。学生终端经校园网连接到实验室主控计算机,通过LabviewTM图形用户语言来实现对实验设备的远程操控。

实验设备及开关矩阵的电源都由可远程控制的电源管理单元来供电,在线用户能够独立启动函数发生器、示波器、主控计算机、TDSK5510工具包和DSK6713工具包。实验室使用的是来自Synaccess的NP08,它拥有八个电源控制端口,一个独立的电源控制单元就可以使用八个实验设备。NP08提供三个用户权限级别:

管理员级别:管理系统配置和无限制有权使用所有电源引口和所有串行端口。

用户级别:允许每个用户保留和管理他自己的端口,以及改变大多数系统配置。

匿名级别(客人):用户可以观看所有设置和操作没有限制的电源引口和串行控制台端口。

标记不同级别的权限是非常有用的,例如实验室助教会授予管理员权限以便于控制所有可用的实验台,在线学生会被授予一个用户名/口令和指定的权限访问他自己的实验台。用户可以利用telnet命令发送指令到控制单元,用来重启用户设备、永久打开/关闭用户电源等。此外,系统会周期性地利用Ping指令查询用户的设备,如果用户设备停止应答Ping的请求,该设备将会重启。为了确保电源管理单元的正常工作,用户可以通过网络摄影看见实验台来确保设备正常工作。要注意的是视频只是作为反馈而不是展示工具。视频不是用来读仪器的显示,用户可以使用LabviewTM图形用户界面来显示和控制仪器。

3在线实验

数字信号处理课程虚拟实验室目前开设了两个实验,一个是语音信号的采集与滤波,另一个是双音多频(DTMF)信号的生成。这两个实验分别基于DSK6713开发平台与DSK5510开发平台进行,实验设备连接如图2所示。

在语音信号处理实验中,主控计算机中保存的语音或音乐信号(已叠加噪声)经扬声器输出端(LINE OUT)进入DSK6713开发板的A/D模块,经采集后得到的数字信号传给TMS320C6713处理器,在那进行低通滤波,之后经DSK6713的D/A模块转变为模拟信号,经主控计算机的麦克风输入端(LINE IN)传入主控计算机。学生可在远程终端上选择源信号,并且可以在远程终端上播放源信号及处理后的结果以进行对比。在第二个实验中,由DSK5510开发板的TMS320C5510处理器根据主控计算机设定的参数生成DTMF信号(多个单频信号的叠加),经开发板的D/A模块转变为模拟信号后送至TDS32012B示波器进行信号时域波形显示及FFT频谱显示。学生可以通过LabviewTM界面操控示波器并看到处理结果。这两个实验都使用TI公司的Code Compser软件进行开发。对虚拟实验室进行测评,结果表明实验步骤简洁清晰,实验所得结果和在实验室中实际进行操作的结果相同。音频流的声音质量也得到所有实验者的满意,远程软件工具Code Composer Studio运行也十分流畅。

4结论

我们采用了一个简单有效的方法来远程访问硬件和软件,并构建了一个数字信号处理课程虚拟实验室。在线的学生可以通过虚拟实验室开展实时硬件实验,并得到和在实际实验室相同的准确的结果。由此可以采取开放的实验室管理与使用政策,方便学生学习研究DSP的应用。

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