徐景皓

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

在DSP課程中開展實(shí)踐教學(xué)的探討

徐景皓

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104)

闡述在高職高專院校電子類專業(yè)的DSP課程中開展實(shí)踐教學(xué)的基本目標(biāo)、原則和方法，系統(tǒng)地介紹了一系列DSP實(shí)驗(yàn)的選擇、設(shè)計(jì)和完善的過(guò)程，取得了良好的教學(xué)效果.

數(shù)字信號(hào)處理；集成開發(fā)環(huán)境；通用擴(kuò)展語(yǔ)言

“DSP原理及應(yīng)用”是電子信息工程系開設(shè)的一門重要的專業(yè)技術(shù)課程，旨在拓寬學(xué)生專業(yè)口徑，使其初步掌握數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processor，DSP)這一新興技術(shù)的入門知識(shí)和技能.鑒于高職高專院校以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，本課程在課堂教學(xué)中應(yīng)避免數(shù)字信號(hào)處理的艱深知識(shí)，以介紹DSP芯片的結(jié)構(gòu)原理及編程應(yīng)用的方法為主；而在實(shí)踐教學(xué)中，則應(yīng)精心地選擇和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到知識(shí)與技能同步發(fā)展，知行合一的教學(xué)目標(biāo)[1].本文筆者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將DSP實(shí)驗(yàn)劃分為初級(jí)、提高級(jí)和綜合級(jí)三個(gè)層次，形成了一套由淺入深的實(shí)驗(yàn)體系，收到了良好的教學(xué)效果.

1 初級(jí)的DSP實(shí)驗(yàn)

初級(jí)階段的目標(biāo)是讓學(xué)生掌握DSP程序基本的編寫及調(diào)試技術(shù).選用的芯片是TMS320C54xDSP，開發(fā)工具是集成開發(fā)環(huán)境(code composer studio，CCS).這是目前業(yè)界最流行的DSP開發(fā)系統(tǒng)，在它內(nèi)部集成了DSP代碼生成工具，匯編、鏈接和調(diào)試DSP目標(biāo)程序工具，以及實(shí)時(shí)分析插件DSP/BIOS和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換模塊RTDX等單元[2].系統(tǒng)在Windows環(huán)境下運(yùn)行，具有和Visual C++等高級(jí)語(yǔ)言相似的交互式界面，優(yōu)點(diǎn)是使用方便、功能強(qiáng)大，缺點(diǎn)是項(xiàng)目繁多、操作復(fù)雜.這使只學(xué)過(guò)單片機(jī)基于DOS環(huán)境的調(diào)試工具的學(xué)生感到困難，往往做到第三、第四個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)還不能掌握CCS環(huán)境的基本功能，因此，初級(jí)階段應(yīng)特別關(guān)注CCS環(huán)境的使用方法，先用兩個(gè)簡(jiǎn)單易學(xué)的實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生建立起對(duì)DSP程序和開發(fā)工具的初步認(rèn)知[2].

實(shí)驗(yàn)一選自文獻(xiàn)[3]第3章“匯編語(yǔ)言開發(fā)工具”中的一個(gè)范例.這是一個(gè)用匯編語(yǔ)言寫成的程序，功能是計(jì)算y=a1*x1+ a2*x2+ a3*x3+ a4*x4，即數(shù)字信號(hào)處理中最基礎(chǔ)的迭代運(yùn)算.程序雖然簡(jiǎn)單，卻包含了一個(gè)典型匯編DSP程序所具有的特點(diǎn).它以COFF公共目標(biāo)文件格式寫成，采取段(section)為基本組織單元.代碼中包含了5種基本的段：代碼段，數(shù)據(jù)段，未初始化變量段，自定義未初始化段，自定義已初始化段.代碼第一部分是對(duì)變量及常量的初始化，第二部分完成迭代運(yùn)算，先將存放在程序區(qū)的系數(shù)傳遞到數(shù)據(jù)區(qū)，再調(diào)用子程序SUM計(jì)算迭代結(jié)果(代碼略).程序條理清晰，可讀性強(qiáng)，運(yùn)用了單周期傳遞數(shù)據(jù)指令MVPD和單周期完成乘法累加指令MAC這兩種DSP特有的高效率的運(yùn)算指令，很好地展示了DSP編程注重效率、優(yōu)化算法的技術(shù)特點(diǎn).學(xué)生通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的程序，能夠?qū)W到DSP編程的一些基本思想以及COFF公共文件的格式和語(yǔ)法.

實(shí)驗(yàn)一的主程序放在匯編文件example.asm中，為了讓它能在一個(gè)真實(shí)或模擬的DSP芯片上運(yùn)行，還必須為它編寫中斷向量表文件vectors.asm和鏈接命令文件example.cmd，中斷向量表文件為程序運(yùn)行提供正確的入口地址，而鏈接命令文件定義DSP芯片物理內(nèi)存的起始地址和長(zhǎng)度，并將主程序中定義的各種段(如代碼段，數(shù)據(jù)段等)分配到內(nèi)存空間中.它們將與匯編文件example.asm一起構(gòu)建一個(gè)“工程”.工程(Project)是CCS開發(fā)環(huán)境特有的概念，任何DSP程序都必須在工程下進(jìn)行組織，一切和任務(wù)相關(guān)的文件都放在同一個(gè)工程目錄中，進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度.建立工程是一個(gè)繁瑣而容易出錯(cuò)的過(guò)程，學(xué)生不容易掌握，可以先在課堂上向?qū)W生講授工程的概念，實(shí)驗(yàn)時(shí)也不要立刻讓學(xué)生著手創(chuàng)建工程，而是先用多媒體演示一個(gè)DSP工程的示例，讓學(xué)生依照范例建立自己的工程，并編譯調(diào)試.

實(shí)驗(yàn)二選自文獻(xiàn)[3]第5章“匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”，程序?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換，以及浮點(diǎn)乘法運(yùn)算等功能.算法比實(shí)驗(yàn)一復(fù)雜，要用到冗余符號(hào)位提取指數(shù)，歸一化左移、右移等比較抽象的概念和指令.選取浮點(diǎn)乘法作為第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的掌握.實(shí)驗(yàn)二的調(diào)試難度也有所增加，由于源程序存在兼容性錯(cuò)誤，學(xué)生必須使用斷點(diǎn)和單步調(diào)試技術(shù)，觀察每條指令執(zhí)行時(shí)DSP芯片內(nèi)部各寄存器、累加器的改變，以及內(nèi)存變量、地址指針等參數(shù)的改變，跟蹤浮點(diǎn)運(yùn)算的每一個(gè)步驟，才能定位錯(cuò)誤，獲得正確的運(yùn)算結(jié)果.

2 提高級(jí)的DSP實(shí)驗(yàn)

在這個(gè)階段應(yīng)選取一些實(shí)用的DSP算法，使用CCS工具的高級(jí)調(diào)試功能，提高學(xué)生的編程技術(shù)和調(diào)試水平[4].

實(shí)驗(yàn)三選用正弦調(diào)幅波信號(hào)，程序用C語(yǔ)言寫成，使用CCS提供的通用擴(kuò)展語(yǔ)言(general extention language，GEL)調(diào)試程序.GEL語(yǔ)言是一種類似于C語(yǔ)言的解釋性語(yǔ)言，它可以用來(lái)創(chuàng)建GEL函數(shù)，建立GEL文件，讓用戶按照需要配置程序仿真運(yùn)行的環(huán)境，動(dòng)態(tài)地設(shè)定參數(shù)變量，這樣當(dāng)調(diào)試中需要經(jīng)常修改某些參數(shù)、比較計(jì)算結(jié)果時(shí)，就不必每次都去修改源程序，再重新編譯鏈接，大大提高了效率.本實(shí)驗(yàn)中調(diào)制度M是所需動(dòng)態(tài)設(shè)置的參數(shù)，方法是向正弦調(diào)幅波工程目錄添加GEL文件：vary_M.gel，在此文件中添加GEL函數(shù)，分別使用關(guān)鍵字menuitem和slider構(gòu)建用于操作參數(shù)M的菜單項(xiàng)和滑動(dòng)條，試調(diào)制度從0%變化到100%.調(diào)試時(shí)，在菜單項(xiàng)中選擇GEL→My Functions→vary_M命令，就可用拉動(dòng)滑動(dòng)條或鍵入數(shù)值的方法改變調(diào)制度M，M每變化一次，計(jì)算500個(gè)采樣點(diǎn)的正弦調(diào)幅波信號(hào)，并通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置在CCS環(huán)境的圖形窗口中即時(shí)顯示不同調(diào)制度下的信號(hào)波形.

實(shí)驗(yàn)四選用FIR(有限長(zhǎng)沖激響應(yīng))濾波器，功能是產(chǎn)生一個(gè)高頻正弦波與低頻正弦波的混和信號(hào)，并讓它周期性地通過(guò)一個(gè)32階的低通FIR濾波器，濾掉高頻分量，保留低頻分量[5].程序用C語(yǔ)言編寫，F(xiàn)IR算法采取循環(huán)緩沖區(qū)法實(shí)現(xiàn).實(shí)驗(yàn)中學(xué)生將使用一種CCS環(huán)境提供的動(dòng)態(tài)模擬仿真技術(shù)，在菜單項(xiàng)中選擇DEBUG→Animate，然后恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置參數(shù)和斷點(diǎn)，使程序每運(yùn)行256個(gè)采樣點(diǎn)輸出一次濾波結(jié)果，經(jīng)圖像處理軟件工具處理后，在圖形界面中顯示不斷向前移動(dòng)的模擬信號(hào)波形，好像在示波器上看見(jiàn)的真實(shí)信號(hào)一樣.輸入與輸出信號(hào)可以在同一視窗中顯示，直觀地展現(xiàn)濾波效果，利用圖像處理軟件的FFT功能還可以實(shí)時(shí)顯示輸入和輸出信號(hào)的頻譜(圖略).

3 綜合級(jí)的DSP實(shí)驗(yàn)

前面四個(gè)實(shí)驗(yàn)都是在CCS環(huán)境中采用軟件仿真工具實(shí)現(xiàn)的.CCS還支持各種類型的硬件仿真設(shè)備，我系引進(jìn)的ICETEK-D80型DSP教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，以TMS320C55xDSP芯片(C54x的升級(jí)型)為核心，集成了信號(hào)源、仿真器模塊、顯示控制模塊、測(cè)試模塊以及DSP評(píng)估板模塊等硬件外設(shè)單元，可以用來(lái)開展軟硬件相接合的綜合級(jí)的DSP實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提升學(xué)生設(shè)計(jì)和調(diào)試DSP程序的能力.

實(shí)驗(yàn)五是交通燈綜合控制，學(xué)生可利用ICETEK實(shí)驗(yàn)箱提供的顯示控制設(shè)備，設(shè)計(jì)模擬十字路口交通燈控制的程序.實(shí)驗(yàn)箱上有12只發(fā)光二極管，分為東西南北四組，紅黃綠三色，通過(guò)這些二極管的亮滅實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)的模擬.計(jì)時(shí)使用DSP芯片的內(nèi)片定時(shí)器，定時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘計(jì)數(shù)，控制二極管亮滅的時(shí)間.除正常情況外，可在實(shí)驗(yàn)箱控制模塊上用鍵盤產(chǎn)生外部中斷，模擬突發(fā)情況，中斷交通燈顯示順序.程序采取狀態(tài)機(jī)控制方法設(shè)計(jì)，首先列舉所有可能發(fā)生的狀態(tài)，再將這些狀態(tài)編號(hào)，按順序循環(huán)產(chǎn)生每個(gè)狀態(tài)；對(duì)于突發(fā)狀態(tài)，則采用在正常序列中插入特殊控制序列的方法處理.程序所有狀態(tài)如表1所示.

實(shí)驗(yàn)六是語(yǔ)音采集和放送，學(xué)生將使用TCETEK實(shí)驗(yàn)箱上的語(yǔ)音code芯片TLV320AIC23，與DSP的多通道串行口McBSP進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的采集和放送.程序首先進(jìn)行初始化，DSP通過(guò)I2C總線將配置命令發(fā)送到AIC23，配置完成后ATC23開始工作.語(yǔ)音信號(hào)的輸入是由AIC23通過(guò)AD轉(zhuǎn)換采集輸入的語(yǔ)音信號(hào)，每采集一個(gè)信號(hào)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP的McBSP接口，由DSP 讀??；語(yǔ)音信號(hào)的輸出是由DSP通過(guò)McBSP接口將語(yǔ)音數(shù)據(jù)發(fā)送給AIC23，由AIC23的DA器件轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出.原始語(yǔ)音信號(hào)擬用人聲，通過(guò)麥克風(fēng)傳入實(shí)驗(yàn)箱采集電路，經(jīng)DSP處理后由耳機(jī)輸出還原.還可在聲音放送中加入數(shù)字回聲，數(shù)字回聲的強(qiáng)弱與原聲的延遲均可在程序中設(shè)定和調(diào)整，擬作為實(shí)驗(yàn)的思考題，讓學(xué)生修改實(shí)驗(yàn)程序，實(shí)現(xiàn)添加回聲的功能.

表1 程序所有狀態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

DSP課程的實(shí)踐教學(xué)，不僅包括課程實(shí)驗(yàn)，還有課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等綜合性、實(shí)踐性更強(qiáng)的環(huán)節(jié).如何將DSP課程的這些實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成一整套彼此關(guān)聯(lián)、互相滲透的實(shí)踐教學(xué)模型，是一個(gè)值得思索的課題.限于篇幅，本文不在此進(jìn)行探討，留待將來(lái)繼續(xù)研究.

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The Research of the Practical Teaching in DSP Class

XU Jing-hao

(Department of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

This paper discusses the objectives，principles，and methods of DSP’s practical class of electronic profession in vocational institute，and gives out the results by a series of carefully choiced and designed tests which have been experimented in long periods of teaching this class by the author.

digital signal processor；code composer studio；general extention language

TP391.6

A

1008-5475(2012)04-0076-03

2012-03-14；

2012-04-29

徐景皓(1974-)，男，貴州貴陽(yáng)人，講師，碩士，主要從事寬帶網(wǎng)絡(luò)通信研究.

(責(zé)任編輯：沈鳳英)