初探實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研究論文
1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案
設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以Freescale公司的DSPMC56F8346評(píng)估板為基礎(chǔ)，通過(guò)外擴(kuò)資源形成完整的硬件電路。該評(píng)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(chǔ)器和一對(duì)子板接口，可方便進(jìn)行外圍電路的設(shè)計(jì)，拓展評(píng)估板功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以DSP為核心算法處理單元，通過(guò)外接FPGA實(shí)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(chǔ)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(chǔ)器地址，通過(guò)讀寫外部存儲(chǔ)器的方式來(lái)控制外部設(shè)備。本文利用MC56F8346評(píng)估板豐富的硬件資源，并結(jié)合教學(xué)實(shí)際，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)以及閉環(huán)控制、FIR濾波和FFT變換等拓展實(shí)驗(yàn)。
2硬件平臺(tái)搭建
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)對(duì)MC56F8346評(píng)估板的擴(kuò)展，具有128×64點(diǎn)陣液晶、4×4鍵盤、步進(jìn)電機(jī)、直刷電機(jī)、SPI接口存儲(chǔ)器和I2C接口D/A轉(zhuǎn)換芯片外圍設(shè)備。下面針對(duì)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(shí)驗(yàn)箱采用220V交流供電，經(jīng)開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓整流后得到12V直流電壓。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(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(wěn)定工作。實(shí)驗(yàn)箱通過(guò)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(cè)開(kāi)關(guān)。MC56F8346DSP內(nèi)部擁有PWM模塊，通過(guò)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(cè)開(kāi)關(guān)，光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)的'輸出經(jīng)過(guò)電壓比較器后變成方波信號(hào)，DSP通過(guò)檢測(cè)方波信號(hào)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)累計(jì)。由于DSP通用輸入輸出接口的驅(qū)動(dòng)能力有限，需外接驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用L298P芯片與DSPPWM模塊直接相連，DSP通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)通過(guò)電壓比較器與FPGA相連，電壓比較器檢測(cè)光電開(kāi)關(guān)所輸出信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)后送入FPGA，DSP通過(guò)EMI總線讀取相關(guān)信息。
由于MC56F8346DSP內(nèi)部集成RS232，且評(píng)估板設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)串口，因此可直接利用評(píng)估板實(shí)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(chǔ)器，通過(guò)讀取寫入的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)SPI通信是否正常。在工業(yè)控制過(guò)程中，與傳送電壓調(diào)制信號(hào)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(hào)。為讓學(xué)生對(duì)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用有一定認(rèn)識(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的功能。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)的需求。D/A轉(zhuǎn)換芯片通過(guò)I2C總線與FPGA進(jìn)行通信，DSP通過(guò)FPGA將數(shù)字信號(hào)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(hào)輸出。利用運(yùn)算放大器與三極管實(shí)現(xiàn)V－I變換，實(shí)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(guò)對(duì)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(kāi)發(fā)環(huán)境
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(tǒng)的命令行方式進(jìn)行代碼的設(shè)計(jì)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(duì)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(lái)。使用CodewarriorIDE時(shí)，用戶不用輸入冗長(zhǎng)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(yàn)教學(xué)內(nèi)容
以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主，待其對(duì)DSP開(kāi)發(fā)有一定的理解之后再進(jìn)行其它硬件實(shí)驗(yàn)，最后結(jié)合DSP的特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)，通過(guò)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(duì)DSP的理解與認(rèn)識(shí)。LED燈閃爍實(shí)驗(yàn)LED燈閃爍實(shí)驗(yàn)是最經(jīng)典的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)之一。評(píng)估板擁有12個(gè)調(diào)試用LED燈，LED通過(guò)反相器與DSP相連。該實(shí)驗(yàn)分為兩部分:點(diǎn)亮LED燈實(shí)驗(yàn)與跑馬燈實(shí)驗(yàn)，主要目的是讓學(xué)生能熟悉Codewar-riorIDE開(kāi)發(fā)環(huán)境，熟悉利用專家系統(tǒng)(PE)建立工程，掌握添加Bean及獲取Bean說(shuō)明的方法，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。電機(jī)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)不同難度的電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)�；緦�(shí)驗(yàn)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(hào)，經(jīng)解算后輸出PWM波，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)流程。碼盤與光電開(kāi)關(guān)能采集電機(jī)轉(zhuǎn)速信息，并通過(guò)EMI總線傳回DSP，可在此基礎(chǔ)上拓展電機(jī)實(shí)驗(yàn)。
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(guò)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(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。通過(guò)一系列的電機(jī)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅能對(duì)DSP有更深入的了解，還能更直觀的認(rèn)識(shí)閉環(huán)控制。FIR濾波器實(shí)驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)可結(jié)合Matlab軟件進(jìn)行。首先利用Matlab編程實(shí)現(xiàn)濾波器，并對(duì)不同的信號(hào)進(jìn)行濾波，觀察輸出波形。將Matlab程序移植至DSP，外部信號(hào)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(guò)對(duì)比輸出波形與輸入波形以及理論波形，學(xué)生能對(duì)數(shù)字信號(hào)處理有更清晰的認(rèn)識(shí)。選擇采樣周期為0．004s，生成含有10Hz和50Hz的正弦信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到信號(hào)的頻譜。利用所設(shè)計(jì)的FIR濾波器進(jìn)行濾波即可得到所需信號(hào)。
5結(jié)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(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過(guò)對(duì)MC56F8346評(píng)估板進(jìn)行拓展，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)擁有眾多的硬件資源，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，完全滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)核心板通過(guò)總線與外部電路相連，可方便升級(jí)，并通過(guò)對(duì)外圍電路進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化后應(yīng)用于高級(jí)DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)過(guò)不斷測(cè)試與完善，目前已成功應(yīng)用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并取得了良好的教學(xué)效果。
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