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初探實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研究論文

時(shí)間:2021-04-17 16:15:27 論文 我要投稿

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

初探實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研究論文

  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,通過讀寫外部存儲(chǔ)器的方式來控制外部設(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)開關(guān)。MC56F8346DSP內(nèi)部擁有PWM模塊,通過輸出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)開關(guān),光電檢測(cè)開關(guān)的'輸出經(jīng)過電壓比較器后變成方波信號(hào),DSP通過檢測(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通過驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。光電檢測(cè)開關(guān)通過電壓比較器與FPGA相連,電壓比較器檢測(cè)光電開關(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I2C總線與FPGA進(jìn)行通信,DSP通過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軟件開發(fā)環(huán)境

  實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用CodewarriorIDE為開發(fā)環(huán)境。CodewarriorIDE是一款高度智能化、集成化的開發(fā)環(huán)境。與其它開發(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。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)。基本實(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。碼盤與光電開關(guān)能采集電機(jī)轉(zhuǎn)速信息,并通過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

  6FIR濾波器濾波效果圖本文開發(fā)了一款基于FreescaleMC56F8346型圖6FIR濾波器濾波效果圖本文開發(fā)了一款基于FreescaleMC56F8346型DSP的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過對(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)核心板通過總線與外部電路相連,可方便升級(jí),并通過對(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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