初探實(shí)驗教學(xué)平臺的研究論文
1實(shí)驗平臺方案
設計本實(shí)驗平臺以Freescale公司的DSPMC56F8346評估板為基礎，通過(guò)外擴資源形成完整的硬件電路。該評估板以DSPMC56F8346為核心處理單元，配備外設擴展接口、CAN總線(xiàn)接口、512KB外部存儲器和一對子板接口，可方便進(jìn)行外圍電路的設計，拓展評估板功能，實(shí)現實(shí)驗平臺的設計。實(shí)驗平臺以DSP為核心算法處理單元，通過(guò)外接FPGA實(shí)現外圍設備控制功能的擴展。DSP與FPGA之間采用外部存儲器總線(xiàn)(EMI)連接，將液晶、鍵盤(pán)等外部設備映射到相應存儲器地址，通過(guò)讀寫(xiě)外部存儲器的方式來(lái)控制外部設備。本文利用MC56F8346評估板豐富的硬件資源，并結合教學(xué)實(shí)際，設計了LED燈閃爍、人機交互、電機控制、SPI及I2C通信和4－20mA電流環(huán)輸出等基礎性實(shí)驗以及閉環(huán)控制、FIR濾波和FFT變換等拓展實(shí)驗。
2硬件平臺搭建
實(shí)驗平臺通過(guò)對MC56F8346評估板的擴展，具有128×64點(diǎn)陣液晶、4×4鍵盤(pán)、步進(jìn)電機、直刷電機、SPI接口存儲器和I2C接口D/A轉換芯片外圍設備。下面針對電源模塊、電機模塊和通訊模塊進(jìn)行詳細介紹。電源模塊實(shí)驗箱采用220V交流供電，經(jīng)開(kāi)關(guān)電源穩壓整流后得到12V直流電壓。實(shí)驗箱擁有眾多外圍設備，不同的設備所需供電電壓均有所差別。為提高實(shí)驗平臺的電源質(zhì)量，降低電源噪聲，在SE1117系列電源轉換芯片輸入端接入一個(gè)100uF電解電容與一個(gè)0．1uF電容進(jìn)行濾波，并在輸出端接入一個(gè)22uF電解電容進(jìn)行去耦，以保證芯片穩定工作。實(shí)驗箱通過(guò)LED燈指示各設備電源是否正常工作。電機模塊電機模塊包括直刷電機步進(jìn)電機、旋轉編碼盤(pán)及光電檢測開(kāi)關(guān)。MC56F8346DSP內部擁有PWM模塊，通過(guò)輸出PWM波控制電機。電機上安裝有旋轉編碼盤(pán)及光電檢測開(kāi)關(guān)，光電檢測開(kāi)關(guān)的'輸出經(jīng)過(guò)電壓比較器后變成方波信號，DSP通過(guò)檢測方波信號而實(shí)現電機轉速測量和轉動(dòng)圈數累計。由于DSP通用輸入輸出接口的驅動(dòng)能力有限，需外接驅動(dòng)器以驅動(dòng)電機，因此實(shí)驗平臺采用L298P芯片與DSPPWM模塊直接相連，DSP通過(guò)驅動(dòng)芯片控制電機轉動(dòng)。光電檢測開(kāi)關(guān)通過(guò)電壓比較器與FPGA相連，電壓比較器檢測光電開(kāi)關(guān)所輸出信號并將其轉換為方波信號后送入FPGA，DSP通過(guò)EMI總線(xiàn)讀取相關(guān)信息。
由于MC56F8346DSP內部集成RS232，且評估板設有標準串口，因此可直接利用評估板實(shí)現串口通信。SPI為同步串行通信總線(xiàn)，是微電子通信領(lǐng)域廣泛采用的總線(xiàn)標準，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(guò)讀取寫(xiě)入的數據檢驗SPI通信是否正常。在工業(yè)控制過(guò)程中，與傳送電壓調制信號的方式相比，4～20mA的電流環(huán)具有很強的抗干擾能力，逐漸成為標準的工業(yè)信號。為讓學(xué)生對實(shí)際工業(yè)應用有一定認識，實(shí)驗平臺開(kāi)發(fā)了相應的功能。實(shí)驗平臺選用MAX5822型D/A轉換芯片，該芯片為12位數字輸入，具有良好的線(xiàn)性度與較高的精度，能滿(mǎn)足教學(xué)實(shí)驗的需求。D/A轉換芯片通過(guò)I2C總線(xiàn)與FPGA進(jìn)行通信，DSP通過(guò)FPGA將數字信號傳送至D/A轉換芯片，D/A轉換芯片將其轉換為模擬信號輸出。利用運算放大器與三極管實(shí)現V－I變換，實(shí)現電流控制，將D/A轉換芯片輸出接至運算放大器同相輸入端，運算放大器反向輸入端與三極管射極相連構成反饋系統，通過(guò)對射極電流的調節使得同相輸入端與反相輸入端電壓相等，電壓轉化為電流輸出。選用高精度電阻可以提高電流輸出精度。
3軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境
實(shí)驗平臺采用CodewarriorIDE為開(kāi)發(fā)環(huán)境。CodewarriorIDE是一款高度智能化、集成化的開(kāi)發(fā)環(huán)境。與其它開(kāi)發(fā)環(huán)境不同，CodewarriorIDE不是按傳統的命令行方式進(jìn)行代碼的設計和輸入，用戶(hù)只需要在Bean選擇器中選擇所需要的端口、寄存器、外設等對應的Bean，在Bean監視器中設置相應模塊的參數，就能將程序的基本構架搭建起來(lái)。使用CodewarriorIDE時(shí)，用戶(hù)不用輸入冗長(cháng)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(kāi)發(fā)效率。
4實(shí)驗教學(xué)內容
以基礎性實(shí)驗為主，待其對DSP開(kāi)發(fā)有一定的理解之后再進(jìn)行其它硬件實(shí)驗，最后結合DSP的特點(diǎn)進(jìn)行數字信號處理實(shí)驗，通過(guò)循序漸進(jìn)的方式引導學(xué)生快速入門(mén)，并在此基礎上加深對DSP的理解與認識。LED燈閃爍實(shí)驗LED燈閃爍實(shí)驗是最經(jīng)典的基礎性實(shí)驗之一。評估板擁有12個(gè)調試用LED燈，LED通過(guò)反相器與DSP相連。該實(shí)驗分為兩部分:點(diǎn)亮LED燈實(shí)驗與跑馬燈實(shí)驗，主要目的是讓學(xué)生能熟悉Codewar-riorIDE開(kāi)發(fā)環(huán)境，熟悉利用專(zhuān)家系統(PE)建立工程，掌握添加Bean及獲取Bean說(shuō)明的方法，為后續實(shí)驗做準備。電機實(shí)驗電機模塊擁有兩種電機:步進(jìn)電機與直刷電機。利用該模塊可實(shí)現不同難度的電機控制實(shí)驗�；緦�(shí)驗為利用旋鈕電阻控制電機的轉速與轉向，旋鈕電阻變化引起電壓變化，DSP片上ADC將電壓值讀入并轉換為數字信號，經(jīng)解算后輸出PWM波，對電機進(jìn)行控制。步進(jìn)電機控制實(shí)驗流程。碼盤(pán)與光電開(kāi)關(guān)能采集電機轉速信息，并通過(guò)EMI總線(xiàn)傳回DSP，可在此基礎上拓展電機實(shí)驗。
DSP將處理后的轉速經(jīng)EMI總線(xiàn)送至FPGA，并控制液晶顯示轉速。另外，可通過(guò)鍵盤(pán)設定電機轉速，形成閉環(huán)，利用控制理論相關(guān)知識實(shí)現對電機轉速的精確控制。通過(guò)一系列的電機實(shí)驗，學(xué)生不僅能對DSP有更深入的了解，還能更直觀(guān)的認識閉環(huán)控制。FIR濾波器實(shí)驗該實(shí)驗可結合Matlab軟件進(jìn)行。首先利用Matlab編程實(shí)現濾波器，并對不同的信號進(jìn)行濾波，觀(guān)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(guān)察輸出波形。通過(guò)對比輸出波形與輸入波形以及理論波形，學(xué)生能對數字信號處理有更清晰的認識。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。利用所設計的FIR濾波器進(jìn)行濾波即可得到所需信號。
5結束語(yǔ)
6FIR濾波器濾波效果圖本文開(kāi)發(fā)了一款基于FreescaleMC56F8346型圖6FIR濾波器濾波效果圖本文開(kāi)發(fā)了一款基于FreescaleMC56F8346型DSP的實(shí)驗教學(xué)平臺。通過(guò)對MC56F8346評估板進(jìn)行拓展，實(shí)驗平臺擁有眾多的硬件資源，實(shí)驗內容豐富，完全滿(mǎn)足教學(xué)實(shí)驗需求。實(shí)驗平臺核心板通過(guò)總線(xiàn)與外部電路相連，可方便升級，并通過(guò)對外圍電路進(jìn)行適當優(yōu)化后應用于高級DSP實(shí)驗教學(xué)。該實(shí)驗平臺經(jīng)過(guò)不斷測試與完善，目前已成功應用于本科生實(shí)驗教學(xué)，并取得了良好的教學(xué)效果。
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