电气专业DSP教学内容与形式改革探析

摘要：电气专业DSP课程实践性强而理论性相对较弱，授课内容既有软件又有硬件，传统的教学方式不能满足教学需要。分析了目前DSP的教学现状，从教学内容、教学形式以及考核方式等方面进行了探讨，提出了改革思路，以期达到良好的教学效果。

关键词：DSP；教学改革；图形化编程；实践教学

作者简介：康伟（1977-），男，河南上蔡人，中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，讲师；王艳松（1965-），女，山东蓬莱人，中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，教授。（山东 青岛 266580）

基金项目：本文系中国石油大学（华东）大学生教育与管理项目（项目编号：XJ1202）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）02-0065-02

DSP是数字信号处理器的英文简称，由于采用了哈佛结构，将数据与指令分开存放，可以同时读取指令与数据，与传统的单片机相比具有先天的速度优势，[1]因此在通信、电力、自动控制以及军事等需要进行大量数据处理的领域具有广泛的应用前景。[2]近年来，随着微电子技术的不断发展，DSP的运算能力不断提升，而成本则大幅度下降，越来越多的场合开始应用DSP作为主控芯片，这就要求高校毕业生需要掌握DSP的相关知识，因此许多高校开设了DSP课程。以笔者所在的电气专业为例，DSP在电力系统中的应用非常广泛，如电力系统参数采集与处理、微机继电保、电机数字控制、PWM变流装置、大功率开关电源等，尤其是随着近年来智能电网概念和新能源的兴起，所使用的各种无功补偿、有源滤波以及功率转换装置的主控芯片一般都是DSP，所以学习DSP应用类课程对电气专业学生来说是非常必要的。

一、课程内容及现状

目前市场上DSP芯片的生产厂家众多，其中以德州仪器（TI）所占有的份额最大，其产品应用最为广泛。TI公司的DSP大致可以分为C2000系列、C5000系列和C6000系列，[3]其中C5000系列是定点、低功耗通用系列；C6000是高性能系列，主要应用于图像处理与宽带应用的数据密集型场合；C2000系列集成了RAM、FLASH、A/D、各种串口、WATCHDOG、CAN总线、PWM发生器、QEP数字编码器输入、CAP捕获端口以及大量的通用IO脚等，是针对控制应用最佳化的DSP，尤其是在电机控制以及PWM变流等领域应用非常广泛，与电气工程类专业的需要非常吻合，因此本学院选用C2000系列的TMS320F2812作为学习对象。

目前本院DSP安排授课32学时，实验8学时。由于DSP课程内容既有硬件部分如DSP原理及外设设计，又有软件部分如各种控制原理实现，因此课程学时非常紧张，教师为了在有限的时间内把内容教授完毕，很容易出现流水账样的内容罗列，导致出现学生普遍听不懂的状况。目前课程安排的主要问题是内容刻板、枯燥，理论多而实践少（学时有限）。笔者课下与学生沟通发现，学生本来对DSP有浓厚的兴趣，带着很大激情来学习这门课程，但很快就被枯燥的教学内容弄得昏昏欲睡，教学效果很差。

许多DSP教材的内容安排也不尽合理，甚至是对TI数据资料的简单翻译，更近似于手册而不是教材，细节部分讲的很清楚，但却失去了整体上的把握，学生翻开课本就被里面各种寄存器设置等弄得头晕眼花，找不到重点，学完之后一头雾水。

由于DSP是一门偏重于应用的课程，因此如何对学生的学习情况进行评价也是一个难题，由于条件限制，目前一般采用闭卷考试的方式。要对一门实践性很强的课程用笔试来进行考核，教师在出题时就会很为难，因此只好出一些死记硬背的试题了事，造成考试考不出学生的真实水平，考得好的不见得会用DSP，而一些动手能力强的同学虽然掌握了DSP的使用方法却很难取得高分，造成考分失去了原有的意义。

举个不太恰当的例子，学习DSP其实好比骑自行车，假设有学骑自行车这门课程，目前的现状就是：平常学习很少能摸到自行车，主要进行理论学习，课堂简述的是自行车每个部件的结构以及原理等细节，骑行技巧之类反而很少讲，好不容易有个实验课可以动下手，车子却被固定在支架上，根本感觉不到骑车的乐趣，等到考试时不考谁自行车骑得好，而是考链条几节，辐条多少根之类的问题，可想而知其教学效果会有多差，评价机制也不合理。其实最好的方法就是教师给学生一辆自行车，告诉基本的要领和注意事项后，让其多骑多练，这样才能取得好的教学效果，DSP教学也是如此。

二、课程改革构想

为了改变目前DSP课程教学效果不理想的状况，笔者考虑从以下几个方面进行课程内容和教学形式的改革。

1.把课堂搬进实验室，实行案例式教学[4]

对于电气专业DSP这种偏重于实践性的课程来说，应该给学生提供更多动手的机会。教师可以考虑采用小班授课的方式，将课堂搬进实验室，给学生充分动手的机会，提高学习效果。由于学时有限，授课内容应该采用提纲式，只讲要点和大致框架，具体的寄存器设置等内容让学生在实践中掌握，不要详细讲解寄存器的每一位起什么作用，让学生学会如何查手册即可。就像爱因斯坦说的一样，任何能在字典中查到的东西绝不记忆在大脑中。结合DSP的特点，每一部分用一个实际的程序（案例）来概括，并要求学生进行调试，做出修改，以得到不同的效果，让学生在动手过程中掌握授课内容。比如TMS320F2812内部集成AD的几种采样方式，如果结合试验很容易就可以讲清楚，比单纯的在黑板上讲解效果要好的多。当学生初步掌握课程知识后就可以采用课堂练习的方式给学生布置任务，让学生利用本次课程学习的知识进行编程，进一步加深对知识的理解，教师在旁边进行答疑，并对学生进行评价，根据表现给出平时成绩，避免了期末考试一锤定音带来的不公平问题，同时也能进一步激发学生的进取心。通过这种方式把DSP课程的内容分割为相对独立的小块，让学生逐步掌握DSP的应用方法。

2.激发兴趣，充分利用学生课余时间

课堂上的时间毕竟有限，而DSP这样实践性强的课程需要通过大量的练习才能够最终掌握，所以要调动学生的积极性，鼓励他们在课下时间利用DSP进行一些电子制作，可以很好地提高教学效果。在课堂上可以专门花一些时间，给学生讲解DSP最小系统设计方法，提供基本的原理图，并提供一些电子制作的方案，方便学生自己进行设计，从而更好地掌握DSP的应用方法。一般不提倡学生购买现成的开发板，一方面是因为DSP的开发板都比较昂贵，增加了学生的经济负担，另一方面是由于起不到锻炼学生硬件设计能力的目的。为了锻炼学生自己获取资料的能力，应该在课堂将TI公司网址告诉学生，让其自己从上面查找资料，并申请样片（TI公司的DSP和主要外部芯片一般都提供免费样片申请）进行DSP最小系统制作，节省金钱，且可以收到更好的教学效果。

3.结合Matlab，实行图形化编程

在电气专业的DSP课程中，教师需要结合具体的控制对象（比如电动机）讲解各种控制算法，这些控制算法原理上并不复杂，但是用C语言实现起来比较繁琐，需要一定的编程能力，且程序长难以读懂，不易排错和移植，学生很容易纠缠于细节而不能从整体上把握课程内容。图形化编程方式可以让学生集中精力于算法的设计而并非编程的技巧，也更容易让学生掌握控制算法的原理，自己搭出更复杂的控制方案，而不必在编程上浪费时间，在有限的课时内取得更好的教学效果。Matlab /Simulink中的Real-Time Workshop Embedded Coder（RTWEC）能够与TI 公司DSP 芯片的开发工具Code Composer Studio 联动，实现DSP 代码的图形化编程。[5]利用该工具可以在Matlab环境中以菜单式方式更改DSP 的存储器或寄存器，可直接通过Matlab中的Simulink模型生成DSP的可执行代码，可以在集成统一的Matlab环境下完成DSP的整个开发过程。

图1所示为matlab环境下利用图形化编程技术搭建的三相永磁同步电机磁场定向控制程序图，该程序如果用C语言编写将会十分复杂，学生很难看懂，难以进行调试和修改参数，但是通过这种图形化的编程方式，让学生可以比较容易的掌握控制算法的核心，避免出现将电气控制算法课变成计算机编程课的问题，从而收到更好的教学效果。

4.改进对学生的考核方式

该门课程即有硬件又有控制算法，内容较多，且偏重于实践，因此很难通过一次笔试来衡量学生的学习情况，为此教师需要在教学过程中给学生提供较多的动手实践机会，让他们设计硬件电路或者调试程序并据此给出平时成绩，期末时再进行笔试，最终成绩将平时成绩和期末成绩相结合，以平时成绩为主，主要考核学生的实际掌握能力，而不是记忆能力。这样那些真正学懂了这门课程的学生就能够拿到高分，避免靠死记硬背通过考试而出现高分低能的现象。

三、结论

大学课程应该具有一定的自主性，不必拘泥于某一本教材，通过对教学内容和教学形式的改革，增加实践环节，让学生通过学习真正具有DSP的硬件设计和软件编程能力，在实践的过程中提高自学能力和创新能力，实现教学效果的提升。

参考文献：

[1]张小鸣.DSP控制器原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]叶青，黄明，宋鹏.DSP应用技术课程教学改革的研究与探索[J].中国现代教育装备，2011，（5）.

[3]赵红怡.DSP技术与应用实例[M].第2版.北京：电子工业出版社，2008.

[4]张萍.任务驱动法在DSP课程教学中的实践[J].计算机教育，2010，（16）.

[5]黄硕，王胜辉.基于Matlab /Simulink的SPWM算法嵌入式模型化编程[J].沈阳工程学院学报，2011，7（4）：344-347.