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电气专业DSP实验教学模式改革浅析

时间:2022-08-09 11:27:43   阅读:0

[摘要]针对传统DSP实验教学模式单一、以验证性实验为主的缺点,提出了验证性和设计性实验相结合的电气专业DSP实验教学模式改革。为了满足改革后的实验要求,研制出基于模块化思想的DSP实验平台,分别设计了DSP核心板、DC/DC直流斩波板和DC/AC变流板三种实验模块。改革后的教学模式根据实验内容选择相应的模块进行组合,可以给学生直观的认识,也可以为课外创新实践、电子设计大赛等提供硬件平台。通过教学模式和教学内容的改革,提高了DSP实验教学效果。

[关键词]DSP实验教学;模块化实验平台;变流;斩波

引言

DSP芯片具有高效的数据处理能力和丰富的外设,在电力电子变流、电力系统稳定控制及新能源等领域具有广泛的应用,已经成为电气专业学生必须掌握的一门实用技术,对培养学生的实践和创新能力具有重要的作用[1,2]。为此,中国石油大学〔华东〕电气专业卓越工程师培养计划中将“DSP数字控制技术”列为专业核心课程,也是普通本科生的专业选修课程。该门课程的实践性非常强,课本知识只有通过实验、课程设计或科研创新活动等实践环节才能加深理解和掌握,而所学的知识最终也要应用到DSP系统设计和调试中,因此实验环节是学好本门课程的关键[3,4]。目前采用的DSP实验教学使用校外采购的DSP试验箱,其整合度过高,结构功能复杂,缺乏透明度,学生知其然不知其所以然,导致实验过程走过场,只能进行验证性实验,学生缺乏积极性;试验箱造价高,体积较大,便携性较差,损坏后难以修复;试验箱只能进行厂家指定的几种实验,无法满足电气专业的教学需求;只能在实验室内进行实验,在实验室资源紧张、学时有限的情况下,难以为学生提供大量的实践机会,也无法充分激发学生的创新性[5,6],达不到应有的教学效果,因此有必要对以往的单纯验证性的DSP课程实验内容进行改革,加入设计性内容,改变以往以教师为主的实验教学模式,给学生提供灵活开放的实验内容,让学生通过验证性实验巩固课堂所学知识。在此基础上自主设计实验内容,锻炼学生的创新能力和DSP知识综合运用的能力。

一、实验内容体系改革

实验内容的设计对实验教学效果有重大的影响,考虑到电气专业DSP课程的特点,实验内容的安排应该包括验证性实验和自主设计性实验两大类。验证性实验主要对DSP基本模块的功能进行验证,通过这些实验对课堂所学知识进行验证和消化,掌握DSP的基本应用;自主设计实验内容并开放实验室,只给学生提供基本的硬件单元,具体实验内容和实验目的由学生自主设计,通过创新设计过程,学生进一步消化了所学内容,并能够自主应用,可以更好地掌握DSP的相关知识,培养学生的创新意识。具体实验内容见表1。由于设计性实验的功能相对复杂,学生在完成验证性实验,掌握了DSP的基本用法后,以大作业的方式向学生,任选一个设计性内容进行自主设计。由于实验室资源有限,可以考虑让学生将DSP实验平台带离实验室,利用课余时间进行实验。传统的DSP试验箱无法满足上述要求,因此需要根据实验教学模式设计新的DSP实验平台。DSP实验平台基于模块化思想研制,采用“DSP核心板+功能扩展模块”的方式设计。在进行实验时根据实验内容向学生提供相应的功能模块,可以进行灵活多变的组合。除了完成基本的实验教学外,也可以作为电子设计大赛及大学生创新活动的平台,进一步提高实验设备的利用率和应用范围。其中,验证性实验主要包括AD采集转换、串行通信、QEP转速测量及液晶显示屏驱动等,只需要使用核心板即可实现。综合实验主要锻炼学生的创新实践能力,根据学生设计的内容,选择直流斩波模块或者三相逆变模块。

二、模块化DSP实验平台开发

根据本专业的特点,DSP的主要领域是电力电子,无论是电机拖动还是电力系统稳定控制,其主要内容就是控制AC和DC之间的相互变换,根据常见的应用场合,可以归纳为DC/DC和PWM变流。考虑接线的难易程度及模块接口的标准化,将DSP实验系统分为三个模块:DSP核心板、直流斩波模块(DC/DC)及PWM变流模块。

(一)DSP核心板

DSP核心板使用TI公司高性能32位浮点DSP芯片TMS320F28335作为主控芯片,配合电源管理芯片TPS767D301、MAX3232、SN65HVD230,以及电平转换芯片SN74LVC245A等组成最小系统,将DSP的主要通信接口、PWM接口、AD转换电路接口及部分数据总线引出,在板子边缘按照功能分为8个接口,可以实现232通信、CAN通信、PWM输出、QEP测量电机转速、AD数据采集,以及液晶显示和键盘控制等功能接口。PCB采用四层板设计,两个电源层加两个信号层,通过增加PCB板层数增加核心板的抗干扰能力。由于DSP管脚是3.3V电源供电,而大部分电路都是5V供电,因此在板子的I/O管脚上增加了3.3V和5V电平转换芯片SN74LVC245A,可以避免学生在实验时将5V电平的电路接入DSP的I/O口导致DSP芯片烧毁。为了减轻电源的复杂度,简化实验接线,除了给DSP供电的电源芯片TPS767D301外,还在核心板上增加了一块5V转3.3V的电源芯片LM3940,对外提供3.3V电源,这样整个系统在工作时只需要一个5V电源即可,其他需要3.3V供电的外设可以连接到核心板上的LM3940提供的3.3V电源。考虑到核心板的体积,以及不同模拟量采集装置反馈的信号特性不同,如交流电压互感器输出双极性信号和直流霍尔电流传感器输出的单极性信号,模拟信号调理电路并未在核心板上,而是放到其他两个模块上,根据各自信号特点调理为0~3V信号,然后再接到DSP核心板上,同时在核心板上设计了两个LED,可以进行GPIO调试实验。核心板结构见图1。

(二)斩波模块

由于实验的重点是帮助学生理解DSP在直流斩波领域的应用,因此在进行设计实验内容时选择了BUCK和BOOST两种典型斩波电路分别实现降压与升压变换,同时所有功能集成在一块电路板上。其中,BUCK电路部分基本结构如下:由核心板产生的PWM驱动信号经过扁平电缆连接到斩波模块,由IR2125放大后驱动BUCK电路中的MOS管IRF540,输出的直流电压由直流霍尔电压传感器BJHVS-AS3.3-05采集,经运放调理后反馈回核心板AD接口,实现闭环调节。升压斩波部分电路与BUCK电路相同,只不过驱动芯片由IR2125改为IR2101。板上集成了按键、电容、电感等元器件,各个模块清晰明了,避免了传统实验箱的黑箱模式,更便于学生理解。为了防止学生误操作造成短路,板子上在24V电源回路中集成了自恢复保险丝。斩波模块结构见图2。

(三)PWM变流模块

PWM变流模块主电路选择三相电压型PWM变流器拓扑结构,可以实现三相PWM整流、逆变等功能,能够满足大多数情况的需求。在进行电路设计时,同样按照接线尽量简单的原则进行,将驱动芯片、主电路、滤波电路、交直流信号采集、按键等模块集成在一块电路板上。核心板产生的三相PWM信号由扁平电缆连接至变流模块,经三块IR2110放大后驱动六片IRF540,板上集成的电感电容滤波后输出信号。为了进行闭环控制,板上设计了交流电压互感器、直流霍尔电压采集模块及键盘。由于电压采样信号为交流,在板上设计了信号调理电路,将交流信号变换为0~3V直流信号,可以直接接入核心板的AD端口。板上集成了电源模块给IR2110供电,在进行实验时只需外接一路电源即可。变流模块的结构基本和斩波模块一致。

三、改革效果

在进行了验证性实验和自主设计实验相结合的DSP实验课程改革后,取得了良好的教学效果。学生普遍反映虽然实验难度加大,通过自主设计实验内容、实验方案,并最终进行实验验证后,学生获得了较强的成就感,感觉对DSP的教授内容掌握得更加牢固,同时创新能力也得到了锻炼。这一结论通过后续学生参加电子设计大赛时的表现得到了验证。结语本文对高校电气类专业DSP实验课程的教学内容和教学模式改革进行了探讨,改传统的验证性实验为“验证性+设计性”实验内容相结合,既保证了学生对基础知识的掌握,又通过自主设计部分让学生实现了基础知识的创新性应用。为了满足实验内容的改革要求,设计了一种基于模块化思想的DSP实验平台,该平台主要面对电气工程及其相关专业,根据DSP在电力行业的应用特点,分别设计了DSP核心板、直流斩波模块和变流模块,将复杂的系统解构为简单的系统。该模块化实验平台除了完成基本的实验教学外,也作为电子设计大赛及大学生创新活动的平台。学生可以在基本模块的基础上,搭建自己感兴趣的应用系统,充分发挥学生的创造性,实验室只需要提供每个模块的原理图和使用方式,由学生自主选择所需模块并自行设计实验方案,通过这种方式可以极大地提高学生的积极性,有利于学生创新能力的培养。由于采用了模块化设计,不同于传统实验箱的“黑盒子”便于学生理解和操作,减少了实验教师的工作量和参与程度,如果配合相应的开放实验室政策和门禁卡管理制度,让学生自主选择实验时间,有利于缓解实验室资源紧张的局面,提高实验室的利用率,也为任课教师布置设计性的大作业提供了基础。

作者:康伟 张丽霞 单位:中国石油大学〔华东〕电气工程系

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