初探實驗教學(xué)平臺的研究

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1實驗平臺方案

設(shè)計本實驗平臺以Freescale公司的DSPMC56F8346評估板為基礎(chǔ)，通過外擴(kuò)資源形成完整的硬件電路。該評估板以DSPMC56F8346為核心處理單元，配備外設(shè)擴(kuò)展接口、CAN總線接口、512KB外部存儲器和一對子板接口，可方便進(jìn)行外圍電路的設(shè)計，拓展評估板功能，實現(xiàn)實驗平臺的設(shè)計。實驗平臺以DSP為核心算法處理單元，通過外接FPGA實現(xiàn)外圍設(shè)備控制功能的擴(kuò)展。DSP與FPGA之間采用外部存儲器總線(EMI)連接，將液晶、鍵盤等外部設(shè)備映射到相應(yīng)存儲器地址，通過讀寫外部存儲器的方式來控制外部設(shè)備。本文利用MC56F8346評估板豐富的硬件資源，并結(jié)合教學(xué)實際，設(shè)計了LED燈閃爍、人機(jī)交互、電機(jī)控制、SPI及I2C通信和4－20mA電流環(huán)輸出等基礎(chǔ)性實驗以及閉環(huán)控制、FIR濾波和FFT變換等拓展實驗。

2硬件平臺搭建

實驗平臺通過對MC56F8346評估板的擴(kuò)展，具有128×64點陣液晶、4×4鍵盤、步進(jìn)電機(jī)、直刷電機(jī)、SPI接口存儲器和I2C接口D/A轉(zhuǎn)換芯片外圍設(shè)備。下面針對電源模塊、電機(jī)模塊和通訊模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。電源模塊實驗箱采用220V交流供電，經(jīng)開關(guān)電源穩(wěn)壓整流后得到12V直流電壓。實驗箱擁有眾多外圍設(shè)備，不同的設(shè)備所需供電電壓均有所差別。為提高實驗平臺的電源質(zhì)量，降低電源噪聲，在SE1117系列電源轉(zhuǎn)換芯片輸入端接入一個100uF電解電容與一個0．1uF電容進(jìn)行濾波，并在輸出端接入一個22uF電解電容進(jìn)行去耦，以保證芯片穩(wěn)定工作。實驗箱通過LED燈指示各設(shè)備電源是否正常工作。電機(jī)模塊電機(jī)模塊包括直刷電機(jī)步進(jìn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼盤及光電檢測開關(guān)。MC56F8346DSP內(nèi)部擁有PWM模塊，通過輸出PWM波控制電機(jī)。電機(jī)上安裝有旋轉(zhuǎn)編碼盤及光電檢測開關(guān)，光電檢測開關(guān)的輸出經(jīng)過電壓比較器后變成方波信號，DSP通過檢測方波信號而實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速測量和轉(zhuǎn)動圈數(shù)累計。由于DSP通用輸入輸出接口的驅(qū)動能力有限，需外接驅(qū)動器以驅(qū)動電機(jī)，因此實驗平臺采用L298P芯片與DSPPWM模塊直接相連，DSP通過驅(qū)動芯片控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。光電檢測開關(guān)通過電壓比較器與FPGA相連，電壓比較器檢測光電開關(guān)所輸出信號并將其轉(zhuǎn)換為方波信號后送入FPGA，DSP通過EMI總線讀取相關(guān)信息。

由于MC56F8346DSP內(nèi)部集成RS232，且評估板設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)串口，因此可直接利用評估板實現(xiàn)串口通信。SPI為同步串行通信總線，是微電子通信領(lǐng)域廣泛采用的總線標(biāo)準(zhǔn)，在外圍拓展電路中選用具備SPI通信能力的鐵電存儲器，通過讀取寫入的數(shù)據(jù)檢驗SPI通信是否正常。在工業(yè)控制過程中，與傳送電壓調(diào)制信號的方式相比，4～20mA的電流環(huán)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)信號。為讓學(xué)生對實際工業(yè)應(yīng)用有一定認(rèn)識，實驗平臺開發(fā)了相應(yīng)的功能。實驗平臺選用MAX5822型D/A轉(zhuǎn)換芯片，該芯片為12位數(shù)字輸入，具有良好的線性度與較高的精度，能滿足教學(xué)實驗的需求。D/A轉(zhuǎn)換芯片通過I2C總線與FPGA進(jìn)行通信，DSP通過FPGA將數(shù)字信號傳送至D/A轉(zhuǎn)換芯片，D/A轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。利用運(yùn)算放大器與三極管實現(xiàn)V－I變換，實現(xiàn)電流控制，將D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出接至運(yùn)算放大器同相輸入端，運(yùn)算放大器反向輸入端與三極管射極相連構(gòu)成反饋系統(tǒng)，通過對射極電流的調(diào)節(jié)使得同相輸入端與反相輸入端電壓相等，電壓轉(zhuǎn)化為電流輸出。選用高精度電阻可以提高電流輸出精度。

3軟件開發(fā)環(huán)境

實驗平臺采用CodewarriorIDE為開發(fā)環(huán)境。CodewarriorIDE是一款高度智能化、集成化的開發(fā)環(huán)境。與其它開發(fā)環(huán)境不同，CodewarriorIDE不是按傳統(tǒng)的命令行方式進(jìn)行代碼的設(shè)計和輸入，用戶只需要在Bean選擇器中選擇所需要的端口、寄存器、外設(shè)等對應(yīng)的Bean，在Bean監(jiān)視器中設(shè)置相應(yīng)模塊的參數(shù)，就能將程序的基本構(gòu)架搭建起來。使用CodewarriorIDE時，用戶不用輸入冗長的代碼、添加修改頭文件等，只需考慮一些核心的程序段，大大提高了開發(fā)效率。

4實驗教學(xué)內(nèi)容

以基礎(chǔ)性實驗為主，待其對DSP開發(fā)有一定的理解之后再進(jìn)行其它硬件實驗，最后結(jié)合DSP的特點進(jìn)行數(shù)字信號處理實驗，通過循序漸進(jìn)的方式引導(dǎo)學(xué)生快速入門，并在此基礎(chǔ)上加深對DSP的理解與認(rèn)識。LED燈閃爍實驗LED燈閃爍實驗是最經(jīng)典的基礎(chǔ)性實驗之一。評估板擁有12個調(diào)試用LED燈，LED通過反相器與DSP相連。該實驗分為兩部分:點亮LED燈實驗與跑馬燈實驗，主要目的是讓學(xué)生能熟悉Codewar-riorIDE開發(fā)環(huán)境，熟悉利用專家系統(tǒng)(PE)建立工程，掌握添加Bean及獲取Bean說明的方法，為后續(xù)實驗做準(zhǔn)備。電機(jī)實驗電機(jī)模塊擁有兩種電機(jī):步進(jìn)電機(jī)與直刷電機(jī)。利用該模塊可實現(xiàn)不同難度的電機(jī)控制實驗。基本實驗為利用旋鈕電阻控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，旋鈕電阻變化引起電壓變化，DSP片上ADC將電壓值讀入并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)解算后輸出PWM波，對電機(jī)進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)控制實驗流程。碼盤與光電開關(guān)能采集電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，并通過EMI總線傳回DSP，可在此基礎(chǔ)上拓展電機(jī)實驗。DSP將處理后的轉(zhuǎn)速經(jīng)EMI總線送至FPGA，并控制液晶顯示轉(zhuǎn)速。另外，可通過鍵盤設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速，形成閉環(huán)，利用控制理論相關(guān)知識實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。通過一系列的電機(jī)實驗，學(xué)生不僅能對DSP有更深入的了解，還能更直觀的認(rèn)識閉環(huán)控制。FIR濾波器實驗該實驗可結(jié)合Matlab軟件進(jìn)行。首先利用Matlab編程實現(xiàn)濾波器，并對不同的信號進(jìn)行濾波，觀察輸出波形。將Matlab程序移植至DSP，外部信號經(jīng)BNC接頭接入DSP，經(jīng)濾波器濾波后由片外DA輸出，利用示波器觀察輸出波形。通過對比輸出波形與輸入波形以及理論波形，學(xué)生能對數(shù)字信號處理有更清晰的認(rèn)識。選擇采樣周期為0．004s，生成含有10Hz和50Hz的正弦信號，對信號進(jìn)行傅里葉變換，得到信號的頻譜。利用所設(shè)計的FIR濾波器進(jìn)行濾波即可得到所需信號。

5結(jié)束語

6FIR濾波器濾波效果圖本文開發(fā)了一款基于FreescaleMC56F8346型圖6FIR濾波器濾波效果圖本文開發(fā)了一款基于FreescaleMC56F8346型DSP的實驗教學(xué)平臺。通過對MC56F8346評估板進(jìn)行拓展，實驗平臺擁有眾多的硬件資源，實驗內(nèi)容豐富，完全滿足教學(xué)實驗需求。實驗平臺核心板通過總線與外部電路相連，可方便升級，并通過對外圍電路進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化后應(yīng)用于高級DSP實驗教學(xué)。該實驗平臺經(jīng)過不斷測試與完善，目前已成功應(yīng)用于本科生實驗教學(xué)，并取得了良好的教學(xué)效果。

作者：王 豪 王 帥 鄭德智 單位：北京航空航天大學(xué)