DSP課程范文10篇

摘要根據DSP課程教學內容多、難度大和實踐性強的特點，從教學內容和方法手段等方面對該課程的教學做了有益的探索。其中教學內容提出抓住一條主線，圍繞一個中心，突出教學重點；而教學方法強調增加師生互動，自行開發多媒體課件，融入開發實例以及改進考核方式等。通過以上措施，提高了DSP課程的教學效果。

“DSP原理及應用”是一門應用型課程，具有內容多、綜合性強等特點。如何在有限的教學時數內高質量地完成教學任務，使學生掌握關鍵技術并具備一定的應用能力是擺在每一位課程教師面前的重大課題。①該課程在我校的開設時間并不長，如何抓住教學重點以及改進教學方法，有效提高教學質量并培養符合市場需求的合格人才，這使得對DSP課程進行教學改革研究有重要的現實意義。

1DSP課程教學現狀

（1）教學內容不夠合理。DSP課程的總課時為30課時左右，由于課時少，加之該課程開設時間較短，較難找到合適的優秀教材。目前的教學基本是按照所選教材內容結構進行教授，很難激起學生的學習興趣，難以達到教學目標。

（2）重理論輕實踐，理論教學和實踐教學脫節。某些專業的DSP課程實踐學時不足10學時甚至更少，作為實踐性很強的專業課，缺乏足夠的實踐確實很難達到理想的教學效果。而理論教學和實踐教學脫節，無法充分利用有限的實踐機會加深理解專業理論。

（3）考核方式過于死板。目前的考核方式多為試題考試加平時成績，很少體現學生的實際動手能力，學生所掌握的理論與實際相脫離較為嚴重，存在“高分低能”現象。

一、引言

目前越來越多的工科院校開設了DSP課程，但是在許多高職院校，DSP課程卻是最年輕的課程之一。無論在教材選取、教學內容，教學方式、方法，還是考核方式上，都帶有一定的盲目性。為使學生掌握新技術，提高專業技能，提高就業競爭能力，我院通信專業開設了DSP課程，筆者結合教學實際，對DSP課程開設進行了有益的探索。

二、教學目標

2.1知識目標通過DSP課程的學習，使學生了解DSP的發展狀況和應用領域，掌握DSP的基本硬件結構特點和集成開發環境CCS的使用，學習DSP的硬件設計和軟件編程的基本方法，學會利用實驗設備進行DSP系統軟硬件開發，為后續的課程設計和畢業設計打下堅實的基礎，為今后從事數字信號處理相關工作做準備。

2.2能力目標使學生在實踐中提高動手能力和自學能力；通過分析、綜合、探究等活動，培養學生探索求真知的精神。

三、教學實施

1卓越課程課內實驗建設

1.1精選課內實驗內容，改進驗證性實驗增加綜合性、設計性實驗

傳統DSP技術實驗教學內容偏重于驗證性實驗，如，DSP的存儲器實驗、外中斷實驗、定時器、計數器等實驗，這些實驗主要是驗證教學過程中的結論，驗證性實驗較多不利于激發學生的學習興趣和熱情，要想培養學生的應用開發能力，首要任務是培養學生對DSP技術的興趣。激發學生的學習興趣，就需要改革實驗教學，在驗證性實驗的基礎上添加要求學生自主設計并完成的擴展功能，抓住每一個小點培養學生的創新精神。如在定時器實驗中，學生可以自己編寫程序添加外中斷，通過自主選擇控制交通燈或LED屏幕等硬件，從而比較兩種中斷的優先級，并總結中斷的觸發，以及中斷的應用。學生通過獨立思考解決問題，掌握了知識點，也鍛煉自己解決問題的能力，還能增加學生的成就感，從而激發對課程的興趣。除改進驗證性實驗之外，增加綜合性實驗，如將DSP與數字信號處理相結合進行FIR、IIR濾波器實驗、LMS濾波器實驗，與通信原理相結合進行數字幅度調制、頻率調制，與語音相結合進行實時語音信號壓縮及解壓實驗，實時語音FIR濾波實驗，實時頻譜分析實驗等，不僅要求學生清楚算法，而且要求學生在了解DSP特點的基礎上實現該算法。綜合性的實驗有助于培養學生自主學習，綜合運用已有的知識解決實際問題的能力。

1.2調整實驗結構，先易后難D

SP是DigitalSignalProcessor的縮寫，即數字信號處理器，實現數字信號處理算法的專用或通用芯片。學習DSP技術除了要求學生掌握DSP硬件結構、匯編指令系統和開發平臺外，還要求學生掌握數字信號處理算法，進一步要求學生能在一個DSP開發板上進行相應的拓展開發。對于大部分學生來說，在進行DSP實驗時，除了學習復雜的硬件結構以外，還要學習很多生澀難懂的匯編指令，使用匯編指令要求非常嚴格，任何細小問題會導致程序出錯，而問題的查找同樣困難，學生很難很快上手。傳統實驗一開始就使用匯編指令，會讓很多學生產生挫敗感，進而失去興趣，嚴重影響教學效果。調整后實驗的編程部分先從C語言入手，逐步過渡到匯編，根據匯編語言方便操作硬件、效率高而C語言編程容易等特點，將兩者進一步融合進行混合編程。如在完成ccs入門實驗之后，先利用C語言進行外中斷實驗、定時器實驗、模數/數模實驗以及與外圍設備相關的實驗，逐步熟悉匯編，最后進行純匯編的濾波器實驗，以及FFT實驗。由于學生已具備了C語言的基礎，有利于學生熟悉了DSP的硬件結構，在熟悉DSP的硬件結構過程中，逐步熟悉匯編。

2卓越課程實驗教材建設

1專業人才培養與課程設計的方向性

電子信息工程是國內高校中開設數量較多的一個專業，社會對該專業的學生需求量大。如何使電子信息工程的人才培養真正形成特色、讓學生能力更強是值得共同思考和探索的問題。結合多年教學實踐經驗和社會信息反饋，我們認為樹立并強化培養方向是電子信息工程專業人才培養的重要問題，讓學生明確學習的每門課程有什么用、經歷的每個教學環節對其有什么提高、以至于明白畢業后能夠干什么。具體到專業方向課程設計而言，其組織實施要以整個專業的培養方向為指導，并最終服務于既定的人才培養方向，這也是專業方向課程設計在教學中能否發揮應有作用的關鍵。

1．1電子信息工程專業的培養方向初探

電子信息工程專業旨在培養具備扎實的電子技術和信息系統的理論基礎知識，知識面寬，實踐能力強，能從事電子及信息系統的研究、設計、制造和應用工作，富有創新精神的寬口徑高級工程技術人才。知識面寬容易使學生產生困惑，往往形成“什么都學又都學不精”的印象。讓學生的學習具有方向感，明白學習的眾多課程之間有什么關系，學完之后能夠具備什么能力，通過樹立培養方向去除學生的這些疑問。從電子信息工程的專業名稱及培養目標來看，該專業主要由“電子”和“信息”兩方面構成;當然二者是不能簡單分開的，但在學生培養過程中可有所側重，即形成偏重于應用電子類和信息處理類的兩大方向。應用電子方向強調學生在硬件方面的能力，通過電路、電子技術、微機原理、單片機、DSP、嵌入式系統、EDA等課程的學習和實踐，以電子系統的設計開發為發展方向。信息處理方向則強調算法開發與軟件編程能力，以信息處理與信息系統開發為主攻方向，重點課程包括信號與系統、數字信號處理、語言信號處理、數字圖像處理、模式識別、計算方法、高級語言編程、數據庫等。上述大部分課程都是電子信息工程兩個方向的公共課，兩個方向是不能截然分開的。

1．2課程設計的方向把握

對于電子信息工程兩個不同方向的學生，專業方向課程設計的組織實施是分開進行的，即分成應用電子技術方向課程設計和信息處理方向課程設計，這兩類設計課程都安排在學生修完各方向的主干課程之后。課程設計題目的擬定要體現方向性，如應用電子類的題目可設定為小型電子系統的開發設計，如“室溫控制系統”、“智能小車”等的設計開發，信息處理類的題目如“語音識別”、“人臉識別”、“車牌檢測”等。學生根據個人興趣和知識結構確定不同的發展方向，選擇相應的專業方向課程設計題目。完成各方向的設計題目需要的實驗條件是不同的，相應的成果形式、成績評定方式也不盡相同。

一、通信工程專業進行信號處理課程群建設的必要性

為適應社會經濟與科學技術發展的需要，教育部在2007年下發的《關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》(教高〔2007〕2號)中提到，必須從綜合優化的角度開展課程體系及教學內容的改革，建立與經濟社會發展相適應的課程體系，課程群建設即是上述綜合優化式的教學改革方式之一。所謂“課程群”，即是指將若干具有關聯性與銜接關系，能夠相互支撐、補充或強化的單門課程通過優化整合后形成的課程群體［1］。自1990年北京理工大學首次提出“課群”(課程群的前期稱謂)的概念開始［2］，國內高校相繼開展了各類課程群的教學改革與建設，最近幾年呈現迅速發展的態勢，涌現出許多優秀的課程群建設案例。以信號處理課程群為例，如2008年重慶大學信號與信息處理課程群建設［3］，2010年長沙理工大學基于CDIO的信號處理課程群教學改革［4］，2012年安徽建筑工業學院基于創新實踐體系的信號處理課程群建設［5］，以及2013年中國礦業大學樹狀交織模塊化信號處理課程群體系［6］等。這些案例大部分是針對電子信息專業或電氣信息大類專業進行建設，具有一定的普適性;由于各專業的人才培養目標略有不同，在課程設計及教學重點上也存在一定差異。以電子信息工程專業與通信工程專業在信號處理類課程設置上的區別為例，電子信息工程專業的信號處理課程群一般設置有信號與系統、數字信號處理、語音信號處理、數字圖像處理、DSP技術和嵌入式技術等，這些課程大多都屬于電子信息工程專業的核心主干課程，課時量大，邏輯銜接非常緊密，其中信號與系統和數字信號處理屬于基礎類課程，語音信號處理和數字圖像處理屬于應用類課程，而DSP技術和嵌入式技術屬于實現類課程。上述課程設置方式與文獻［3］－［6］的課程群建設方案基本一致，可以將其作為電子信息工程專業信號處理課程群設置的參考范例。而通信工程專業的信號處理類課程中通常僅有信號與系統和數字信號處理屬于核心主干課程，由于信號處理技術的應用與實現并不屬于通信工程專業的重點培養目標，因而應用及實現類課程多為選修課程，課時量安排較少，對學生掌握程度的要求相對較低;在信號與系統、數字信號處理等基礎課程的教學內容選取方面，則必須要考慮與通信工程專業其他主干課程的銜接關系，如通信原理、通信電子線路以及移動通信等。因此，照搬現有的案例并不可行，需要結合學校實際及通信工程專業的具體情況構建適合的信號處理課程群，才能使其與通信工程專業的整體課程架構緊密契合。

二、本校通信工程專業信號處理類課程設置及存在的問題

通信工程專業的信號處理類課程設置如表1所示，其中信號與系統、數字信號處理和MATLAB仿真及系統實現屬于專業必修課程，數字圖像處理、DSP技術及應用和綜合技能實踐屬于選修課程，目前這些課程在實際教學中主要存在以下幾方面問題:

(一)關聯課程在部分教學內容上重疊或邏輯銜接不夠緊密

例如，信號與系統和數字信號處理在教學內容上的交叉部分為離散時間系統的時頻域分析，利用差分方程和Z變換求解離散時間系統的響應或系統函數是信號與系統的重要知識點，也是數字信號處理的基礎知識，在課程群規劃之前各門課程單獨設置授課學時，因此都花費相當的課時數重復講授該部分內容。又如，信號與系統中的傅里葉變換是時域和頻域轉換的橋梁，在常用信號的傅里葉變換一節中僅用一個公式簡單描述正余弦信號的頻譜表達式，因此在教學中通常被一筆帶過，很少詳細講述該表達式的物理意義，而這正是調制與解調的理論基礎，在后續的通信電子線路、通信原理以及移動通信等課程中將被反復提及和運用，學生卻因為印象不深刻而對此概念不甚理解，從而影響了對后續專業課程的掌握。這些都是沒有充分利用課程內容間的邏輯關聯進行相互支撐和強化的典型案例。

一、課程教學方法和手段的改革

教學中要注重教學方法和手段的推陳出新，充分調動學生的積極性和創造性，強調基本概念和原理的正確理解，教學中應特別注意以下幾個方面。

(一)優化教學方法上好“緒論”課，以知識的應用提升學生學習興趣。目前，有相當一部分學生“信號與系統”學得不好，主要原因是學習積極性不高，看到滿篇的公式就害怕，由此對課程學習失去信心。針對這種情況，教師要在提高學生學習興趣和主動性方面下功夫。教師需用啟發式教學取代以教師、課堂、課本為中心的灌輸式教學。可利用“緒論”課激發學生學習熱情:利用多媒體著重介紹數字信號處理在通信、語音和圖像處理等領域的應用實例，如，手機的DSP芯片、門禁系統、心電信號濾波、數字圖像處理、視頻監控、微信等，讓學生明白該課程的重要性及其應用領域，提升學生對數字信號處理的興趣與學習積極性。在教學過程中靈活設置教學情境，增加互動環節，多做一些設計性實驗，拓展思維、增強信心。淡化公式推導，著重強調概念的物理意義和聯系。由于教材中大部分定理和結論是通過推導得出的，一些學生過于注重公式推導或證明。其實，授課時只需詳細推導典型公式，把一些重要的公式講清楚，類似的內容可讓學生課后自學。課堂上教師要盡可能淡化推導和解題技巧，強調所得出結論的物理意義和工程應用，將抽樣、頻譜分析、濾波等工程應用案例穿插于理論教學中，讓工程應用成為“數字信號處理”教學中的主線，做到數學概念、物理意義、工程應用三者并重，［4］提高學生學習這門課程的興趣，增強學習的目的性和主動性。突出重難點，靈活采用多種教學方法。教學過程中分清主次，重難點內容重點講、詳細講，較簡單的或應用不多的內容則少講或讓學生自學。教師根據教學內容靈活選取不同的教學方法，如案例法、比喻法、對比法等，［5］通過分析和歸納總結的方式優化教學方法，分解復雜問題。如，講授線性卷積時，將待卷積的兩個序列看作站成兩排等待領導接見的群眾，而卷積運算過程相當于領導和所接見群眾依次握手的過程。教師要善于運用幽默形象的語言和高超的藝術，把抽象而枯燥無味的知識變得生動有趣。巧用對比法。對比法能潛移默化地引導學生將相近或相似的概念和方法進行小結、比較和分析，不僅能更好地理解不同內容之間的共性和個性，而且能夠培養發散思維能力，提高學習效率，如圖2，將ZT、DFS、DTFT、DFT幾種變換通過圖表來比較，清晰地展現常見變量間的關系，避免混淆。為了讓學生對所學知識之間的聯系、用途有清晰的認識，可利用“知識樹”的形式把每個章節的重點層層分解，將所學知識點和應用聯系起來，便于歸納和總結(如圖2)。講解IIR和FIR濾波器設計時，先向學生講清為什么要設計數字濾波器、有哪些應用、設計數字濾波器需要用到哪些知識。這樣，學生會自然而然地把所學知識點聯系起來。關注師生交流和信息反饋，重視因材施教。教師要根據不同專業和學生基礎等方面的差異，在講課方式和側重點上有所區別。教師要及時掌握學生的學習動態，調整教學內容和方法，幫扶“學困生”，提升“優等生”。

(二)改革課堂教學模式傳統與現代教學手段并用。運用多媒體教學能使抽象難懂的教學內容形象化、直觀化，提高教學效率。［6］但在實際的“數字信號處理”課程教學中，過多地采用多媒體教學，教學效果并不理想。課堂中靈活運用黑板板書、多媒體課件、Matlab或LabView軟件演示，可增強師生互動。［7］難一點的公式推導和證明，仍然采用傳統板書方式教學，盡量放慢講課節奏，留給學生充裕的思考時間，達到深刻理解的目的。對于比較抽象的概念、原理或結論，如信號采樣及恢復、頻譜分析、循環卷積等，可借助多媒體技術將教學內容生動、形象、高效地展示在學生面前，讓學生更清晰地理解其物理意義。建設網絡或視頻資源共享平臺也可避免多媒體教學課堂容量大、教學內容難消化的問題。課后，讓學生登陸網絡課程，彌補大班教學人數過多造成的師生溝通不便、信息反饋通道不暢的問題;通過網絡答疑、討論和激勵制度激發學生學習興趣和主動參與性。建立“學習共同體”教學模式。“學習共同體”是指由學習者及助學者(包括教師、專家、輔導員等)共同構成的團體。［8］共同體成員在學習過程中經常溝通、交流，分享學習資源，共同完成特定學習任務，形成相互影響、相互促進的學習組織。在大班教學中建立學習共同體，在課堂教學中形成師生互教、互學的互動關系，教師在教學過程中給學生自主學習的空間，學生根據所接受的任務去發現、思考和解決問題，增進協作和互動，激發學習主動性，從而改善課堂教學效果，提高學習效率。

(三)強化實踐教學，高度重視學生實踐能力的培養應用型人才培養應始終堅持理論與實踐并重的原則。理論教學只是學習該門課程的一部分，將所學理論知識應用于實踐，才能達到學以致用的目的。為此，必須加強實踐教學環節。運用仿真軟件教學。仿真軟件Matlab和Labview以其編程和調試簡單、代碼短、效率高等特點深受廣大教學和科研人員的歡迎，［9］廣泛應用于控制系統、系統仿真等領域。結合幾年來“數字信號處理”課程的授課經驗，在課程中引入Matlab和Labview軟件，讓學生動手完成系統設計和仿真，拓展實驗教學的深度和廣度，有助于增強學生學習成就感，培養學生的創新能力和設計能力。CCS是TI公司推出的DSP軟件集成開發環境，它運用圖形接口界面，提供工程管理和編輯工具。教師可以用2學時介紹DSP結構、開發環境、DSP系列及其應用實例。通過了解DSP仿真軟件CCS，為后續的DSP課程設計教學奠定基礎。優化實驗教學內容和改革實驗教學手段，加強教學內容和工程應用的融合。“數字信號處理”教學應堅持以實踐性和應用性為教學目的，分層設計實驗，優化實驗內容，盡量減少驗證性實驗，增加綜合性、設計性、創新性、開放性實驗教學內容。革除填鴨式教學，開展“項目導向、任務驅動、案例教學”的教學模式，結合學生情況，創設情境，教師提出任務，學生邊學邊練，完成自主學習任務，充分培養學生的再學習和主動學習的能力。［10］針對每一章的具體內容，在講授理論知識之前先給學生一個具體的工程應用例子，提出問題，引導學生積極開動腦筋，督促學生課后以小組為單位主動查找相關資料，提出解決問題的方法和思路。如，在講授數字濾波器之前，教師可設計數字濾波器對心電信號進行去噪處理。同時，教師可以電子設計大賽等學科競賽為契機，以畢業設計為導向，有意識地引導學生進行創新性課題的研究，深入掌握信號處理理論，增強工程應用能力和團隊合作精神，做到學以致用。

二、考核方式的改革

摘要：將課堂理論教學與軟件仿真、實驗教學相結合是改善教學效果的有效途徑之一。設計了一款基于RT-LAB的電力電子系統半實物仿真平臺，以此將虛擬仿真教學和實物實驗手段有機融入課程教學進程，并以三相四線制逆變器電路為例，介紹了教學的過程與步驟。教學實踐表明，電力電子系統半實物仿真平臺的使用有效地提高了學生學習的積極性，對教學質量以及學習效果的提高起到了積極的促進作用。

關鍵詞：RT-LAB；半實物仿真系統；三相四線制逆變器；MatLab/Simulink

1研究背景

電力電子技術被廣泛應用于電力行業的各個領域，而我國電力電子相關技術人員卻一直較為缺乏，如何通過高效的電力電子技術課程教學培養高素質研發人員已成為當前高校亟待解決的現實問題。在電力電子技術課程教學過程中，目前主要是采用模態分析、波形分析以及理論分析法對學生進行講授，很多學生從未接觸過電力電子變換器實物，因此在整個教學過程中，學生處于被動學習的狀態，學習過程比較枯燥，最終導致學生學習效果不理想[1-2]。近年來，不少高校將MatLab/Simulink引入電力電子課程，采取了在傳統教學模式中加入仿真軟件的內容，提升學生對課堂知識的掌握程度。但鑒于學生需要對產品工作過程和構建過程的感官了解，所以僅依靠上述理論教學和軟件仿真的教學手段仍然很難達到理想的教學效果。部分高校采購了相關電力電子實驗設備進行教學[3-5]，但其實驗內容相對落后，基本都是以晶閘管等半控型設備的實驗內容為主，很難滿足當前電力電子技術課程教學的要求。此外，由于電力電子設備的控制算法以及主電路均已固化到實驗設備中，實驗內容固定且難以擴展，學生參與度低，不利于調動學生的學習積極性。因此，若能讓學生在接觸到電力電子變換器實物的同時，又能針對具體的電力電子變換器主電路對控制算法進行靈活設計，則可以調動學生的學習積極性，從而得到較好的教學效果[6-8]。因此，本文利用MatLab/Simulink虛擬實驗教學思想，設計了一款基于RT-LAB仿真機的電力電子變換器半實物仿真平臺，并基于該仿真平臺對電力電子技術課程教學過程進行了重新規劃、設計，以期能為電力電子技術的教學提供一種新的方法與思路。

2半實物仿真系統及其仿真原理

一個完整的電力電子系統應當包含兩部分功能模塊：一是電力電子變換器主電路；二是對主電路進行控制的控制器模塊。半實物仿真系統是指系統中某功能模塊由計算機虛擬仿真實現，而另一功能模塊則由具體的實物電路實現。就電力電子系統的半實物仿真系統而言又分為以下兩種情況。2.1快速控制原型(RapidControlPrototype，RCP)RCP采用“虛擬控制器+實際被控對象”的模式，即電力電子變換器主電路由實物電路實現，而控制算法在MatLab/Simulink等仿真軟件中進行仿真調試，調試通過后將相關算法下載至仿真主機運行，由仿真主機代替單片機或DSP等控制器對主電路進行控制。2.2硬件在環仿真(HardwareintheLoop，HIL)HIL采用“實際控制器+虛擬被控對象”的模式，即電力電子變換器主電路在MatLab/Simulink等仿真軟件中建模、調試，調試通過后將數學模型下載至仿真機，由仿真機虛擬實際電路，而控制器由單片機系統、DSP系統等實現，最終單片機或DSP系統與仿真主機進行聯合仿真。對于控制器而言，其效果等同于控制一個實際的變換器主電路。硬件在環(HIL)技術在工業電力電子與電力傳動領域越來越受到重視，廣泛應用于智能微網、MMC模塊變頻器以及電力儲能等大功率場合，實現了先進控制算法快速驗證和產品控制器的快速研發。RT-LAB是由加拿大Opal-RT公司推出的一套專門針對電力系統、電力電子以及電力拖動系統的實時仿真平臺。該平臺可與MatLab/Simulink無縫對接，運行過程中可在上位機MatLab/Simulink中對仿真參數進行在線調整并實時監控。同時，實驗時可通過轉接板觀察仿真機與實物電路之間的實際物理信號，從而對電力電子系統的工作原理與運行特性有更直觀、深刻的理解。該特點十分適合于電力電子系統工作原理與相關控制算法的仿真、測試以及演示，因此基于RT-LAB仿真平臺實現電力電子技術課程的教學與實踐具有較強的可行性。應用RT-LAB進行半實物仿真教學，主要有三種模式。一是全數字實時仿真模式。該模式直接在MatLab/Simulink中對電力電子變換器主電路以及對應控制算法進行建模并調試，調試通過后將相關模型進行編譯并下載至RT-LAB主機中進行仿真。在仿真步長不大于10μs時，RT-LAB可實現實時仿真，從而使得學生對電力電子系統的響應特性具有較直觀的認識。二是功率硬件在環仿真模式(PowerHardwareintheLoop，PHIL)。PHIL在國際上已經有了廣泛的研究和應用。該模式下，RT-LAB仿真機根據所收到的控制器信號對Simulink中的虛擬電力電子器件進行開關控制并將主電路的電壓電流等信號反饋至外部真實控制器。其缺點是，針對不同拓撲電路需要設計不同控制算法，而DSP/FPGA的算法實現過程較復雜，因此該模式主要適用于智能電網、多電平變換器等大功率應用場景。三是功率級的快速控制原型開發模式(PowerRapidControlPrototype，PRCP)。該模式下，電力電子變換器主電路為實物電路，而對應的控制邏輯則可在MatLab/Simulink中實現并下載到RT-LAB仿真機，隨后RT-LAB仿真機運行對應控制算法以此控制實物電路。由于控制算法是在MatLab/Simulink中實現，該種模式適用于需要對控制算法頻繁修改、調試，而主電路拓撲保持不變的情況。電力電子課程教學過程中所涉及的主電路拓撲不多，學習重點在于電路拓撲的工作原理和控制方式，選擇PRCP模式既可以讓學生直接接觸到電力電子變換器主電路，又可以在學生所熟悉的MatLab/Simulink環境中進行算法驗證，因此本文選用該模式進行電力電子技術課程的教學與實驗。

摘要：針對高校實驗室電源或線路容量較小的工況，構建了基于雙變流器的電力電子課程創新實驗平臺，介紹了平臺的主電路結構和主要環節的設計原理，并對平臺的整流、逆變、能量回饋、無功生成及補償等多項實驗教學功能進行了實驗驗證。結果表明，該實驗平臺不僅克服了電源或線路容量有限的缺點，而且豐富了電力電子課程探究性實驗的教學內容，可顯著提升電力電子課程的實驗教學質量。

關鍵詞：電力電子；雙變流器；實驗教學；探究性實驗

隨著我國經濟持續快速發展和人們生活水平的不斷提高，迫切需要新能源發電和電能高效變換技術[1-6]。因此，作為電能變換的核心技術，電力電子技術課程在電氣工程類專業教學中占有十分重要的地位。電力電子技術與工程實際聯系緊密，單純的理論分析教學模式不利于學生對相關知識點的深入理解。實驗課程在提升電力電子教學效果中有著至關重要的作用，它能夠將抽象枯燥的理論變得生動具體，激發學生的求知欲望。為此，眾多高校致力于電力電子教學實驗平臺的構建和持續更新[7-12]。隨著現代電力電子技術的發展，以PWM理論為基礎的電能變換技術在電能變換和控制中(尤其在中小功率場合)占據主導地位[13-16]。但目前電力電子實驗課程依然主要基于晶閘管器件的相控技術，教學內容老化，與電力電子實際應用脫節。因此，為加深學生對現代電力電子技術的理解，培養學生創新意識，迫切需要建立以現代電力電子技術為應用背景的教學實驗平臺。由于高校實驗室電源或線路容量通常較小，購置的電力電子實驗裝置在實驗過程通常只能在小電流工況下進行，無法反映電力電子裝置實際應用場景，進而影響實驗課程教學效果。為此，本文設計了基于雙變流器的電力電子課程創新綜合性實驗平臺。基于該平臺，學生可進行PWM整流、PWM逆變、能量回饋、無功生成、無功補償以及有源濾波等多項以現代電力電子技術應用為背景的實驗。該平臺有效克服了電源或線路容量不足所帶來的局限性，大幅提高了實驗靈活性。此外，該平臺具有交流欠壓、交流過壓、直流過壓、缺相、錯相、過流和過溫等完善的保護措施，安全性高，適合學生操作。

1實驗平臺硬件設計

實驗平臺硬件設計主要包括功率主電路、信號調理電路及控制與保護電路，涉及電力電子技術、自動控制原理、模擬電子技術、數字電子技術及可編程邏輯器件等多門課程的知識。實驗平臺各環節的設計原理手冊均對學生完全開放，作為學生實驗前期的學習材料，促進學生系統性地認識和掌握多門專業知識，將相關課程的知識“點”串成一條“線”，進而培養學習興趣，激發創新意識。1.1功率主電路拓撲基于雙變流器的電力電子課程創新實驗平臺的主電路拓撲如圖1所示。us和is分別為電網電壓和網側電流；VSC1和VSC2為兩臺具有相同結構的電壓源型變流器(其拓撲如圖2所示)；L1和L2分別為兩臺變流器的輸出濾波電感；Cdc1和Cdc2為直流側電壓支撐電容；為提高實驗平臺靈活性，兩臺變流器直流側通過開關Sw連接，當進行PWM整流+逆變實驗時閉合Sw，形成背靠背結構，控制VSC1使其工作在整流狀態，VSC2工作于逆變狀態；當進行無功電流生成及補償實驗時斷開Sw，兩臺VSC分別作為無功發生器和無功補償器。1.2控制與保護電路實驗平臺控制電路板采用四層板結構，由上至下分別為頂層信號層、地層、電源層以及底層信號層，如圖3所示。主控芯片采用TI公司TMS320F28335浮點型DSP，并結合相關外圍電路實現具有多項保護功能的DSP系統控制器。整個系統的保護邏輯由ALTERA公司的EPM7128STI100型CPLD管理，主要實現相序判斷、故障類型指示及保護等功能。當出現任一故障時，CPLD輸出PWM封鎖信號并點亮相應的故障類型指示燈，便于學生對故障類型進行判斷。此外，系統中還設置了控制電源指示燈、PWM封鎖指示燈以及CPLD工作狀態指示燈等，便于學生了解系統的狀態。為提高系統的可擴展性，系統中設置了額外的保護信號輸入端及數字量輸入端。由主電路和控制系統組成的實驗平臺如圖4所示。

2實驗平臺軟件設計

近10多年來，隨著通信技術的迅猛發展，對通信專業人才的需求也日益增加，許多高校開始培養大量的通信及其相關專業的學生，許多非通信專業增設了通信類的課程，這些都對通信專業本科培養中的實踐教學環節提出了越來越高的要求［1-2］。我校的通信專業歷史悠久，在實踐教學中作了大量的探索、改革和實踐，取得了很好的成績。2006年，“通信工程專業”評為陜西省名牌專業;2007年，“通信原理實驗”評為陜西省精品課程，填補了我省通信類實驗精品課程的空白;2008年，通信工程應用型人才培養模式創新實驗區獲省教育廳批準。

在構建通信及其相關專業的專業基礎實踐教學體系中，我們緊扣教育部“卓越工程師培養計劃”和我校通信與信息類工程應用型人才的培養目標，根據不同專業、不同層次的教學要求，深化教學改革，既保留并規范了原有的基礎實驗項目，同時，將傳統實驗與現代信息技術相結合，增加設計性、創新性實驗內容，開發了一系列與現代技術相適應的先進的高水平實驗項目［3-4］，構建了“基礎型、應用型、綜合型、設計型、創新型”的分層次、循序漸進的實驗課程教學體系，相應設置了“基礎實驗”、“系統仿真實驗”、“應用型實驗”的實驗教學模塊，重新制定了課程教學大綱，進行了課程內容的優化與重組，編寫了多部實驗教材，形成了模塊化管理、軟硬結合、層次分明、結構完善的實驗課程體系，實驗內容和實驗水平都有了飛躍式的發展。

1實踐教學體系的設計思想

在實踐教學體系的構建中，設計了分層漸進的體系結構，遵循“基礎知識的學習—能力培養—競賽強化”的實踐教學培養思路，即:首先是扎實的基礎知識的學習，在此基礎上強化能力的培養，最后通過參加各種學科競賽提升學生的實踐動手和創新能力。針對基礎知識的學習，設計了基礎實驗模塊，有基于“通信原理綜合實驗箱”驗證性實驗、分別利用DSP、ARM和FPGA的設計性實驗，通過通信原理實驗箱讓學生驗證點對點通信系統中的基本的調制解調原理、編譯碼技術、系統性能分析等理論知識，并通過DSP、FPGA和ARM開發系統實現;針對強化能力的培養，設計了系統仿真實驗模塊，包括基于SystemView的通信系統仿真實驗［5］、雙語教學的基于Matlab的通信系統仿真實驗［6］，通過軟件仿真平臺自行設計由簡單到復雜的通信系統，明確各個具體模塊的實現方法以及相互之間的關聯，從而真正了解整個通信系統的組成及工作原理，在應用型實驗模塊，包括軟件無線電實驗和CDMA移動通信系統實驗，軟件無線電系統中實現較為復雜的調制解調和編譯碼技術，在CDMA移動通信系統實驗中，可以接觸到實際系統的構造和工作過程，鍛煉動手能力;最后，選拔優秀的學生，參加各種競賽，提高學生的科技創新能力。

在實踐教學體系的設計中，重點突出了以下幾點:

(1)各模塊之間既相互聯系，同時也自成體系，支撐相應的理論教學內容，將基礎實驗與綜合性、設計性實驗相結合，將多媒體技術、虛擬技術、網絡技術等現代化教學方法與手段相結合，充分利用先進的、豐富多彩的實驗教學資源［7］;

提高學生的創新實踐能力和綜合素質，實驗、實踐教學發揮著極其重要的作用，高校各專業在實驗教學內容上均增加了綜合性、設計性實驗，且綜合性、設計性實驗在整個實驗教學體系中所占比例呈上升趨勢［1－8］。綜合性實驗是構成創新教育體系和實驗教學內容的重要元素。通過綜合性實驗課程的教學與引導，使學生在夯實基礎理論、基本技能的同時，培養敏銳的觀察能力、嚴謹的科學思維能力、系統的綜合分析能力、高度的準確判斷能力以及敢于創新、善于創新的勇氣和能力。

1設計原則

綜合性實驗是在學生具有一定的專業基礎知識和基本實驗操作技能的基礎上，綜合運用某一課程或多門課程的知識對學生實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的一種復合性、開放性實驗［9］。（1）綜合性。綜合性是實驗案例設計的首要原則。學生在完成實驗過程中必須將多門專業課甚至專業技術基礎課的基本理論、基本操作技能有機地結合在一起，促進學生對知識和技能的綜合應用。（2）實用性。案例要具有很強的實用價值。實驗案例的設計采用當前主流的、重要的通信系統開發技術，學生可以通過綜合性實驗內容，切實掌握實用技能，提高就業能力，并為今后的工作打下堅實的基礎。（3）趣味性。興趣是最好的老師。綜合性實驗案例對學生要具有挑戰性，而且必須是學生感興趣的，最好是他們身邊能夠接觸、感知的熱點話題，或有待解決的實際問題等，激發學生的實驗積極性和實驗興趣。學生可自主選擇實驗項目，變被動學習為主動學習。（4）可擴展性。綜合性實驗案例設計要具有可擴展性，可以根據學科建設、專業發展和學生培養的需要進行進一步擴展和優化。（5）體現“通信特色”，符合通信學科特點和專業培養要求。

2案例來源

在案例的設計和選擇上既要體現綜合性、創造性，能夠培養學生的創新意識和實踐能力，提高學生的綜合素質，同時也要考慮到實驗的課時安排和難度控制。因此，通信專業類綜合性實驗案例設計從以下4方面進行選材：（1）優質科研成果轉化。學院承擔大量的國家科研項目，可以將其中某些項目進行簡化、修改、重組，轉化成通信專業類綜合性實驗案例，從而將先進的科研成果打造為優質教學資源，實現基礎與前沿、經典與現代的結合。（2）各類電子設計大賽題目改造。全國及各省、校級電子設計大賽中有很多具有創新性、前瞻性、實用性的方案可以經過適當修改，作為通信專業類綜合性實驗案例。學生可以通過這樣的實驗案例了解各級大賽的要求和特點，教師也可以在實驗教學過程中，選拔優秀學生參加各級大賽，從而提高學生在電子大賽中的能力和水平。（3）選擇各類電子制作期刊和報紙的有關科技論文的內容。科技論文通常是對本專業內最新的前沿科技的介紹、論述和總結，可以選擇其中合適的內容進行改進，作為通信專業類綜合性實驗案例，使學生了解學科未來的發展方向和前沿技術。（4）對部分傳統（基礎）實驗內容改革、優化、重組。傳統（基礎）實驗多是單一內容的驗證性實驗，缺乏綜合性，可以充分利用現有的實驗平臺和實驗儀器，對實驗內容和方案進行改革、優化、重組，從而設計出符合當前教學要求的綜合性、設計性實驗。

3案例設計