摘要：为加强研究生工程应用与科技创新能力培养，针对DSP在控制领域的应用需求设计、开发了一种开放式综合创新实验平台。该实验平台采用可插拔DSP核心板和模块化外设扩展板的开放架构，实验者可根据任务需求设计和选择相应模块，通过简单的连线构建所需DSP应用系统硬件，在此基础上通过软件开发完成相应DSP应用系统设计。基于该实验平台开发了基础实验、综合设计实验，并支持进行开放性创新设计，有助于研究生由浅入深、循序渐进地掌握DSP原理与开发、应用技术。
关键词：DSP；实验平台；实验开发；工程应用；科技创新
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）29-0065-03
研究生教育担负着培养高素质人才和发展科学技术的双重任务，是培养高层次创新人才的主渠道。[1]随着国家新型工业化发展道路、建设创新型国家战略的实施，社会对人力资源要素提出了更高要求，尤其是对现代研究型卓越工程师的需求不断增加，要求越来越高。
数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）具有计算速度快、体积小、功耗低等优点，是实现数字信号处理的强大工具。[2]近30年来，DSP的应用已从军事、航空航天扩大到数字通信、信号处理、工业控制、仪器仪表、家用电器等领域。[3]IT产业及其相关工程领域对熟悉、了解DSP技术人才的需求量越来越大。
目前，国内许多高校相继为研究生开设了DSP技术及应用课程，但大部分以理论教学为主、实验教学为辅，不利于研究生工程应用与科技创新能力的培养。且实验平台多采用市场上现成的开发板或实验箱，虽提供代码和实验指导书，但功能单一、灵活性较差[4]，往往只能根据既定步骤做实验、观察结果或修改参数，进行一些简单的设计性实验；很难根据需要修改外围接口电路，进行综合实验和创新设计。为此，我们针对DSP在控制领域的应用需求，设计、开发了一种开放式综合创新实验平台。并在此基础上开发了相应的基础实验、综合设计实验，以及创新设计专题，以满足研究生对DSP技术的工程应用与创新设计需求。
一、综合创新实验平台硬件系统设计
本实验平台由主要由两部分构成：一部分是可插拔的DSP控制核心板，另一部分是模块化的外设扩展板，其结构框图如图1所示。其中核心板和扩展板在电路上各自独立，通过标准接插件连接；外设扩展板中各模块内部电路连接也相互独立，以免互相影响。为了实现外设扩展板的一板多用和便于核心板的升级换代，核心板和扩展板连接的接插件中核心板的信号定义固定。核心板和外设扩展板中各关键引脚和信号以均通过测试孔引出，方便连线。
1.核心板设计
目前，在控制领域广泛应用的是美国德州仪器（TI）的C2000系列DSP控制器。该控制器主要包括定点系列、浮点系列和精简版的小封装系列。在设计中分别选择这三个系列中的典型芯片TMS320F2812、F28335和F28027开发了独立的核心控制板，即最小硬件系统。它们均可作为开发板独立使用，也可插入外设扩展板中构成应用系统实验箱。
以TMS320F28335为例，其核心板包括电源电路、复位电路、时钟电路、JTAG仿真电路、12路LED显示电路。电源电路采用TPS767D301双路低压差电源调节器分别产生3.3V和1.9V的电压。模拟3.3V和1.9V由数字3.3V与1.9V通过加上电感、电容进一步滤波得到，模拟地和数字地通过电感隔离。采用TPS3305芯片作为复位电路，可通过按键手动复位，也可对系统电源电压进行监控。时钟电路采用片内时钟电路外加30M晶体和2个负载电容组成。该核心板原理图和实物图分别如图2（a）、（b）所示。
2.外设扩展板设计
外设扩展板包括各DSP片内外设的扩展接口和其他常用标准外设接口。片内基本外设接口包括用于通用数字量输入输出（GPIO）模块的8×8发光二极管（LED）点阵和8路数字量输入用拨码开关，模拟/数字转换（ADC）输入通道接口和0～3V可调模拟电压输出，增强脉冲宽度调制EPWM输出接口，捕获输入ECAP接口、异步串行通信SCI接口等。通过这些基本外设的扩展接口可以方便研究生对DSP片内各外设模块进行应用开发。为了进一步培养研究生的工程实践和DSP应用系统设计能力，在扩展板上设计了串行和并行数字/模拟转换（DAC）接口、8位数码管显示电路、液晶显示模块、音频输入输出模块、PS2键盘接口、USB模块、SD卡模块、以太网模块等。扩展板实物图如图2（c）所示（其中核心板位置插的是F28335核心板），部分扩展接口原理电路如下：
（1）USB通信接口。USB是由COMPAQ、INTEL、MICROSOFT和NEC等公司共同开发的一种新型快速、双向、同步、可热插拔的通用串行数据传输总线，具有带宽同步、灵活稳定、易于与PC机接口、成本低廉和易于升级等优点。我们采用USB接口芯片CH375设计了USB通信接口，如图3（a）所示。该器件内置USB通信传输协议，可配置为从机和主机工作模式，使用方便，能减少控制器代码量，也免去从0开始实现USB传输协议的烦恼。
（2）AIC23音频解码接口。为方便研究生掌握DSP的多通道缓冲McBSP接口、集成电路总线I2C接口的应用开发方法，以及设计DSP音频解码系统，采用音频芯片AIC23设计了音频解码接口电路，如图3（b）所示。AIC23是TI公司生产的音频Codec芯片，它内置耳机输出放大器，支持MIC和LINE IN两种输入方式。AIC23芯片内部集成了ADC和DAC，并采用了Sigma-delta过采样技术，可在8K到96K的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样，具有高保真音质。它有左判断、右判断、I2S和DSP四种音频接口模式；DSP模式下，能够与DSP实现无缝连接。图3（b）中，DSP通过I2C接口向AIC23发送控制命令，通过McBSP接口与AIC23进行数据通信。
二、综合创新实验平台软件开发
1.开发环境
对实验平台进行软件开发时，使用SEED-XDS510硬件仿真器将DSP控制器通过JTAG标准测试接口与PC机相连，如图4所示。根据实验平台的硬件结构，分别用C、C和汇编混合编程的方法设计了系统的主控制模块和各功能模块的设计范例，可以方便地在CCS集成开发环境下调试，并编写了实验指导书。
2.基础实验项目
在硬件平台的基础上，设计、开发了相应的基础实验项目，包括CCS的使用及C程序设计、GPIO输入输出实验、定时器中断实验、外部中断实验、AD采集及数码管显示实验、PWM输出实验、串行和并行DA实验、通信模块实验（包括SCI串行通信实验、SPI串行外设接口通信实验、CAN总线实验、I2C总线实验）、液晶显示实验等实验。通过这些基础实验能够熟练掌握CCS开发环境的应用、汇编和C语言程序的开发方法以及DSP的编程思想，熟悉DSP的各片内外设模块的工作原理和应用、开发方法，为下一步利用该实验平台进行综合设计实验项目打下基础。
3.综合设计实验项目
综合性实验要求研究生综合应用本学科知识和相应实验条件完成系统级的复杂实验。为了进一步训练和培养研究生的工程实践能力和DSP应用系统设计能力，开发了音频实验、PS2鼠标和键盘实验、USB主机从机实验、SD卡文件系统实验、网卡实验、数字滤波器设计等系统性综合设计实验。综合设计实验提供了标准、规范的代码，通过综合设计实验可以培养研究生进行DSP应用系统软、硬件设计和开发的能力。
4.开放式创新设计专题
为提高研究生的创新素质和工程实践能力，我们支持各位研究生根据自身情况与研究需要选择设计开放式创新设计专题内容。考虑到实验条件、完成设计与验证的时间需要等因素，建议选题方向为数字信号处理系统、数据通信与网络、数字控制系统、自动化仪表、机电测控系统等。设计任务完成并验证后，要求研究生提交完整的设计报同时，内容包括：对象的具体描述或算法分析、系统设计思路与方法、系统组成和硬件电路原理图、DSP源程序、实验或仿真方法与手段（含制作的样机照片）、实验结果及其分析、实验总结或者收获/建议等。
三、结语
该实验平台的DSP核心板可根据需要进行更换，外设扩展板采用工程化观点设计，不仅包含了各种常用接口和外设，而且所有模块的内部电路独立，外部接口以连接孔的方式开放，实验者可根据任务需求自行设计和选择相应模块，通过简单的连线构建所需的DSP应用系统硬件，在此基础上通过软件开发完成完整的DSP应用系统设计。
创新实验平台可完成相关课程基础实验、综合设计实验和各种创新设计专题。在同一平台上，可完成从最基本的GPIO操作到复杂的EPWM波输出等对单个外设模块进行操作的基础实验，到综合应用专业知识和多个外设模块进行的综合设计实验，再到自行选题完成开放性的创新设计专题，独立进行DSP应用系统开发，循序渐进地培养研究生对DSP技术的工程实践能力，并以此为契机，提高其创新意识和创新思维。
该实验平台可直接用于电气工程、电子信息、控制科学与工程、仪器科学与技术、机电自动化工程等相关学科研究生DSP技术与应用课程教学中，也可用于高年级本科生、专科生相关课程的实验教学中，有效提高DSP设计、开发与应用水平，增强创新设计和工程实践能力，解决普遍存在的理论教学与工程实际需求相脱节的矛盾。
参考文献：
[1]王鲁杨.以课程教学为载体培养研究生创新能力的探索[J].中国电力教育，2014，303（8）：18-20.
[2]姚睿，王友仁，储剑波，等.DSP—C2000综合实验平台的研制与开发[J].沈阳理工大学学报，2005，（2）：22-25.
[3]何苏勤，单惠瑜.DSP开放式教学实验系统的研究与应用[J].实验技术与管理，2009，26（7）：69-72.
[4]杨旭.开放式DSP实验教学系统设计与开发[J].实验室科学，
2007，（5）：84-86.
（责任编辑：王祝萍）