初探实验教学平台的研究

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1实验平台方案

设计本实验平台以Freescale公司的DSPMC56F8346评估板为基础，通过外扩资源形成完整的硬件电路。该评估板以DSPMC56F8346为核心处理单元，配备外设扩展接口、CAN总线接口、512KB外部存储器和一对子板接口，可方便进行外围电路的设计，拓展评估板功能，实现实验平台的设计。实验平台以DSP为核心算法处理单元，通过外接FPGA实现外围设备控制功能的扩展。DSP与FPGA之间采用外部存储器总线(EMI)连接，将液晶、键盘等外部设备映射到相应存储器地址，通过读写外部存储器的方式来控制外部设备。本文利用MC56F8346评估板丰富的硬件资源，并结合教学实际，设计了LED灯闪烁、人机交互、电机控制、SPI及I2C通信和4－20mA电流环输出等基础性实验以及闭环控制、FIR滤波和FFT变换等拓展实验。

2硬件平台搭建

实验平台通过对MC56F8346评估板的扩展，具有128×64点阵液晶、4×4键盘、步进电机、直刷电机、SPI接口存储器和I2C接口D/A转换芯片外围设备。下面针对电源模块、电机模块和通讯模块进行详细介绍。电源模块实验箱采用220V交流供电，经开关电源稳压整流后得到12V直流电压。实验箱拥有众多外围设备，不同的设备所需供电电压均有所差别。为提高实验平台的电源质量，降低电源噪声，在SE1117系列电源转换芯片输入端接入一个100uF电解电容与一个0．1uF电容进行滤波，并在输出端接入一个22uF电解电容进行去耦，以保证芯片稳定工作。实验箱通过LED灯指示各设备电源是否正常工作。电机模块电机模块包括直刷电机步进电机、旋转编码盘及光电检测开关。MC56F8346DSP内部拥有PWM模块，通过输出PWM波控制电机。电机上安装有旋转编码盘及光电检测开关，光电检测开关的输出经过电压比较器后变成方波信号，DSP通过检测方波信号而实现电机转速测量和转动圈数累计。由于DSP通用输入输出接口的驱动能力有限，需外接驱动器以驱动电机，因此实验平台采用L298P芯片与DSPPWM模块直接相连，DSP通过驱动芯片控制电机转动。光电检测开关通过电压比较器与FPGA相连，电压比较器检测光电开关所输出信号并将其转换为方波信号后送入FPGA，DSP通过EMI总线读取相关信息。

由于MC56F8346DSP内部集成RS232，且评估板设有标准串口，因此可直接利用评估板实现串口通信。SPI为同步串行通信总线，是微电子通信领域广泛采用的总线标准，在外围拓展电路中选用具备SPI通信能力的铁电存储器，通过读取写入的数据检验SPI通信是否正常。在工业控制过程中，与传送电压调制信号的方式相比，4～20mA的电流环具有很强的抗干扰能力，逐渐成为标准的工业信号。为让学生对实际工业应用有一定认识，实验平台开发了相应的功能。实验平台选用MAX5822型D/A转换芯片，该芯片为12位数字输入，具有良好的线性度与较高的精度，能满足教学实验的需求。D/A转换芯片通过I2C总线与FPGA进行通信，DSP通过FPGA将数字信号传送至D/A转换芯片，D/A转换芯片将其转换为模拟信号输出。利用运算放大器与三极管实现V－I变换，实现电流控制，将D/A转换芯片输出接至运算放大器同相输入端，运算放大器反向输入端与三极管射极相连构成反馈系统，通过对射极电流的调节使得同相输入端与反相输入端电压相等，电压转化为电流输出。选用高精度电阻可以提高电流输出精度。

3软件开发环境

实验平台采用CodewarriorIDE为开发环境。CodewarriorIDE是一款高度智能化、集成化的开发环境。与其它开发环境不同，CodewarriorIDE不是按传统的命令行方式进行代码的设计和输入，用户只需要在Bean选择器中选择所需要的端口、寄存器、外设等对应的Bean，在Bean监视器中设置相应模块的参数，就能将程序的基本构架搭建起来。使用CodewarriorIDE时，用户不用输入冗长的代码、添加修改头文件等，只需考虑一些核心的程序段，大大提高了开发效率。

4实验教学内容

以基础性实验为主，待其对DSP开发有一定的理解之后再进行其它硬件实验，最后结合DSP的特点进行数字信号处理实验，通过循序渐进的方式引导学生快速入门，并在此基础上加深对DSP的理解与认识。LED灯闪烁实验LED灯闪烁实验是最经典的基础性实验之一。评估板拥有12个调试用LED灯，LED通过反相器与DSP相连。该实验分为两部分:点亮LED灯实验与跑马灯实验，主要目的是让学生能熟悉Codewar-riorIDE开发环境，熟悉利用专家系统(PE)建立工程，掌握添加Bean及获取Bean说明的方法，为后续实验做准备。电机实验电机模块拥有两种电机:步进电机与直刷电机。利用该模块可实现不同难度的电机控制实验。基本实验为利用旋钮电阻控制电机的转速与转向，旋钮电阻变化引起电压变化，DSP片上ADC将电压值读入并转换为数字信号，经解算后输出PWM波，对电机进行控制。步进电机控制实验流程。码盘与光电开关能采集电机转速信息，并通过EMI总线传回DSP，可在此基础上拓展电机实验。DSP将处理后的转速经EMI总线送至FPGA，并控制液晶显示转速。另外，可通过键盘设定电机转速，形成闭环，利用控制理论相关知识实现对电机转速的精确控制。通过一系列的电机实验，学生不仅能对DSP有更深入的了解，还能更直观的认识闭环控制。FIR滤波器实验该实验可结合Matlab软件进行。首先利用Matlab编程实现滤波器，并对不同的信号进行滤波，观察输出波形。将Matlab程序移植至DSP，外部信号经BNC接头接入DSP，经滤波器滤波后由片外DA输出，利用示波器观察输出波形。通过对比输出波形与输入波形以及理论波形，学生能对数字信号处理有更清晰的认识。选择采样周期为0．004s，生成含有10Hz和50Hz的正弦信号，对信号进行傅里叶变换，得到信号的频谱。利用所设计的FIR滤波器进行滤波即可得到所需信号。

5结束语

6FIR滤波器滤波效果图本文开发了一款基于FreescaleMC56F8346型图6FIR滤波器滤波效果图本文开发了一款基于FreescaleMC56F8346型DSP的实验教学平台。通过对MC56F8346评估板进行拓展，实验平台拥有众多的硬件资源，实验内容丰富，完全满足教学实验需求。实验平台核心板通过总线与外部电路相连，可方便升级，并通过对外围电路进行适当优化后应用于高级DSP实验教学。该实验平台经过不断测试与完善，目前已成功应用于本科生实验教学，并取得了良好的教学效果。

作者：王 豪 王 帅 郑德智 单位：北京航空航天大学