DSP课程范文10篇

摘要根据DSP课程教学内容多、难度大和实践性强的特点，从教学内容和方法手段等方面对该课程的教学做了有益的探索。其中教学内容提出抓住一条主线，围绕一个中心，突出教学重点；而教学方法强调增加师生互动，自行开发多媒体课件，融入开发实例以及改进考核方式等。通过以上措施，提高了DSP课程的教学效果。

“DSP原理及应用”是一门应用型课程，具有内容多、综合性强等特点。如何在有限的教学时数内高质量地完成教学任务，使学生掌握关键技术并具备一定的应用能力是摆在每一位课程教师面前的重大课题。①该课程在我校的开设时间并不长，如何抓住教学重点以及改进教学方法，有效提高教学质量并培养符合市场需求的合格人才，这使得对DSP课程进行教学改革研究有重要的现实意义。

1DSP课程教学现状

（1）教学内容不够合理。DSP课程的总课时为30课时左右，由于课时少，加之该课程开设时间较短，较难找到合适的优秀教材。目前的教学基本是按照所选教材内容结构进行教授，很难激起学生的学习兴趣，难以达到教学目标。

（2）重理论轻实践，理论教学和实践教学脱节。某些专业的DSP课程实践学时不足10学时甚至更少，作为实践性很强的专业课，缺乏足够的实践确实很难达到理想的教学效果。而理论教学和实践教学脱节，无法充分利用有限的实践机会加深理解专业理论。

（3）考核方式过于死板。目前的考核方式多为试题考试加平时成绩，很少体现学生的实际动手能力，学生所掌握的理论与实际相脱离较为严重，存在“高分低能”现象。

一、引言

目前越来越多的工科院校开设了DSP课程，但是在许多高职院校，DSP课程却是最年轻的课程之一。无论在教材选取、教学内容，教学方式、方法，还是考核方式上，都带有一定的盲目性。为使学生掌握新技术，提高专业技能，提高就业竞争能力，我院通信专业开设了DSP课程，笔者结合教学实际，对DSP课程开设进行了有益的探索。

二、教学目标

2.1知识目标通过DSP课程的学习，使学生了解DSP的发展状况和应用领域，掌握DSP的基本硬件结构特点和集成开发环境CCS的使用，学习DSP的硬件设计和软件编程的基本方法，学会利用实验设备进行DSP系统软硬件开发，为后续的课程设计和毕业设计打下坚实的基础，为今后从事数字信号处理相关工作做准备。

2.2能力目标使学生在实践中提高动手能力和自学能力；通过分析、综合、探究等活动，培养学生探索求真知的精神。

三、教学实施

1卓越课程课内实验建设

1.1精选课内实验内容，改进验证性实验增加综合性、设计性实验

传统DSP技术实验教学内容偏重于验证性实验，如，DSP的存储器实验、外中断实验、定时器、计数器等实验，这些实验主要是验证教学过程中的结论，验证性实验较多不利于激发学生的学习兴趣和热情，要想培养学生的应用开发能力，首要任务是培养学生对DSP技术的兴趣。激发学生的学习兴趣，就需要改革实验教学，在验证性实验的基础上添加要求学生自主设计并完成的扩展功能，抓住每一个小点培养学生的创新精神。如在定时器实验中，学生可以自己编写程序添加外中断，通过自主选择控制交通灯或LED屏幕等硬件，从而比较两种中断的优先级，并总结中断的触发，以及中断的应用。学生通过独立思考解决问题，掌握了知识点，也锻炼自己解决问题的能力，还能增加学生的成就感，从而激发对课程的兴趣。除改进验证性实验之外，增加综合性实验，如将DSP与数字信号处理相结合进行FIR、IIR滤波器实验、LMS滤波器实验，与通信原理相结合进行数字幅度调制、频率调制，与语音相结合进行实时语音信号压缩及解压实验，实时语音FIR滤波实验，实时频谱分析实验等，不仅要求学生清楚算法，而且要求学生在了解DSP特点的基础上实现该算法。综合性的实验有助于培养学生自主学习，综合运用已有的知识解决实际问题的能力。

1.2调整实验结构，先易后难D

SP是DigitalSignalProcessor的缩写，即数字信号处理器，实现数字信号处理算法的专用或通用芯片。学习DSP技术除了要求学生掌握DSP硬件结构、汇编指令系统和开发平台外，还要求学生掌握数字信号处理算法，进一步要求学生能在一个DSP开发板上进行相应的拓展开发。对于大部分学生来说，在进行DSP实验时，除了学习复杂的硬件结构以外，还要学习很多生涩难懂的汇编指令，使用汇编指令要求非常严格，任何细小问题会导致程序出错，而问题的查找同样困难，学生很难很快上手。传统实验一开始就使用汇编指令，会让很多学生产生挫败感，进而失去兴趣，严重影响教学效果。调整后实验的编程部分先从C语言入手，逐步过渡到汇编，根据汇编语言方便操作硬件、效率高而C语言编程容易等特点，将两者进一步融合进行混合编程。如在完成ccs入门实验之后，先利用C语言进行外中断实验、定时器实验、模数/数模实验以及与外围设备相关的实验，逐步熟悉汇编，最后进行纯汇编的滤波器实验，以及FFT实验。由于学生已具备了C语言的基础，有利于学生熟悉了DSP的硬件结构，在熟悉DSP的硬件结构过程中，逐步熟悉汇编。

2卓越课程实验教材建设

1专业人才培养与课程设计的方向性

电子信息工程是国内高校中开设数量较多的一个专业，社会对该专业的学生需求量大。如何使电子信息工程的人才培养真正形成特色、让学生能力更强是值得共同思考和探索的问题。结合多年教学实践经验和社会信息反馈，我们认为树立并强化培养方向是电子信息工程专业人才培养的重要问题，让学生明确学习的每门课程有什么用、经历的每个教学环节对其有什么提高、以至于明白毕业后能够干什么。具体到专业方向课程设计而言，其组织实施要以整个专业的培养方向为指导，并最终服务于既定的人才培养方向，这也是专业方向课程设计在教学中能否发挥应有作用的关键。

1．1电子信息工程专业的培养方向初探

电子信息工程专业旨在培养具备扎实的电子技术和信息系统的理论基础知识，知识面宽，实践能力强，能从事电子及信息系统的研究、设计、制造和应用工作，富有创新精神的宽口径高级工程技术人才。知识面宽容易使学生产生困惑，往往形成“什么都学又都学不精”的印象。让学生的学习具有方向感，明白学习的众多课程之间有什么关系，学完之后能够具备什么能力，通过树立培养方向去除学生的这些疑问。从电子信息工程的专业名称及培养目标来看，该专业主要由“电子”和“信息”两方面构成;当然二者是不能简单分开的，但在学生培养过程中可有所侧重，即形成偏重于应用电子类和信息处理类的两大方向。应用电子方向强调学生在硬件方面的能力，通过电路、电子技术、微机原理、单片机、DSP、嵌入式系统、EDA等课程的学习和实践，以电子系统的设计开发为发展方向。信息处理方向则强调算法开发与软件编程能力，以信息处理与信息系统开发为主攻方向，重点课程包括信号与系统、数字信号处理、语言信号处理、数字图像处理、模式识别、计算方法、高级语言编程、数据库等。上述大部分课程都是电子信息工程两个方向的公共课，两个方向是不能截然分开的。

1．2课程设计的方向把握

对于电子信息工程两个不同方向的学生，专业方向课程设计的组织实施是分开进行的，即分成应用电子技术方向课程设计和信息处理方向课程设计，这两类设计课程都安排在学生修完各方向的主干课程之后。课程设计题目的拟定要体现方向性，如应用电子类的题目可设定为小型电子系统的开发设计，如“室温控制系统”、“智能小车”等的设计开发，信息处理类的题目如“语音识别”、“人脸识别”、“车牌检测”等。学生根据个人兴趣和知识结构确定不同的发展方向，选择相应的专业方向课程设计题目。完成各方向的设计题目需要的实验条件是不同的，相应的成果形式、成绩评定方式也不尽相同。

一、通信工程专业进行信号处理课程群建设的必要性

为适应社会经济与科学技术发展的需要，教育部在2007年下发的《关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》(教高〔2007〕2号)中提到，必须从综合优化的角度开展课程体系及教学内容的改革，建立与经济社会发展相适应的课程体系，课程群建设即是上述综合优化式的教学改革方式之一。所谓“课程群”，即是指将若干具有关联性与衔接关系，能够相互支撑、补充或强化的单门课程通过优化整合后形成的课程群体［1］。自1990年北京理工大学首次提出“课群”(课程群的前期称谓)的概念开始［2］，国内高校相继开展了各类课程群的教学改革与建设，最近几年呈现迅速发展的态势，涌现出许多优秀的课程群建设案例。以信号处理课程群为例，如2008年重庆大学信号与信息处理课程群建设［3］，2010年长沙理工大学基于CDIO的信号处理课程群教学改革［4］，2012年安徽建筑工业学院基于创新实践体系的信号处理课程群建设［5］，以及2013年中国矿业大学树状交织模块化信号处理课程群体系［6］等。这些案例大部分是针对电子信息专业或电气信息大类专业进行建设，具有一定的普适性;由于各专业的人才培养目标略有不同，在课程设计及教学重点上也存在一定差异。以电子信息工程专业与通信工程专业在信号处理类课程设置上的区别为例，电子信息工程专业的信号处理课程群一般设置有信号与系统、数字信号处理、语音信号处理、数字图像处理、DSP技术和嵌入式技术等，这些课程大多都属于电子信息工程专业的核心主干课程，课时量大，逻辑衔接非常紧密，其中信号与系统和数字信号处理属于基础类课程，语音信号处理和数字图像处理属于应用类课程，而DSP技术和嵌入式技术属于实现类课程。上述课程设置方式与文献［3］－［6］的课程群建设方案基本一致，可以将其作为电子信息工程专业信号处理课程群设置的参考范例。而通信工程专业的信号处理类课程中通常仅有信号与系统和数字信号处理属于核心主干课程，由于信号处理技术的应用与实现并不属于通信工程专业的重点培养目标，因而应用及实现类课程多为选修课程，课时量安排较少，对学生掌握程度的要求相对较低;在信号与系统、数字信号处理等基础课程的教学内容选取方面，则必须要考虑与通信工程专业其他主干课程的衔接关系，如通信原理、通信电子线路以及移动通信等。因此，照搬现有的案例并不可行，需要结合学校实际及通信工程专业的具体情况构建适合的信号处理课程群，才能使其与通信工程专业的整体课程架构紧密契合。

二、本校通信工程专业信号处理类课程设置及存在的问题

通信工程专业的信号处理类课程设置如表1所示，其中信号与系统、数字信号处理和MATLAB仿真及系统实现属于专业必修课程，数字图像处理、DSP技术及应用和综合技能实践属于选修课程，目前这些课程在实际教学中主要存在以下几方面问题:

(一)关联课程在部分教学内容上重叠或逻辑衔接不够紧密

例如，信号与系统和数字信号处理在教学内容上的交叉部分为离散时间系统的时频域分析，利用差分方程和Z变换求解离散时间系统的响应或系统函数是信号与系统的重要知识点，也是数字信号处理的基础知识，在课程群规划之前各门课程单独设置授课学时，因此都花费相当的课时数重复讲授该部分内容。又如，信号与系统中的傅里叶变换是时域和频域转换的桥梁，在常用信号的傅里叶变换一节中仅用一个公式简单描述正余弦信号的频谱表达式，因此在教学中通常被一笔带过，很少详细讲述该表达式的物理意义，而这正是调制与解调的理论基础，在后续的通信电子线路、通信原理以及移动通信等课程中将被反复提及和运用，学生却因为印象不深刻而对此概念不甚理解，从而影响了对后续专业课程的掌握。这些都是没有充分利用课程内容间的逻辑关联进行相互支撑和强化的典型案例。

一、课程教学方法和手段的改革

教学中要注重教学方法和手段的推陈出新，充分调动学生的积极性和创造性，强调基本概念和原理的正确理解，教学中应特别注意以下几个方面。

(一)优化教学方法上好“绪论”课，以知识的应用提升学生学习兴趣。目前，有相当一部分学生“信号与系统”学得不好，主要原因是学习积极性不高，看到满篇的公式就害怕，由此对课程学习失去信心。针对这种情况，教师要在提高学生学习兴趣和主动性方面下功夫。教师需用启发式教学取代以教师、课堂、课本为中心的灌输式教学。可利用“绪论”课激发学生学习热情:利用多媒体着重介绍数字信号处理在通信、语音和图像处理等领域的应用实例，如，手机的DSP芯片、门禁系统、心电信号滤波、数字图像处理、视频监控、微信等，让学生明白该课程的重要性及其应用领域，提升学生对数字信号处理的兴趣与学习积极性。在教学过程中灵活设置教学情境，增加互动环节，多做一些设计性实验，拓展思维、增强信心。淡化公式推导，着重强调概念的物理意义和联系。由于教材中大部分定理和结论是通过推导得出的，一些学生过于注重公式推导或证明。其实，授课时只需详细推导典型公式，把一些重要的公式讲清楚，类似的内容可让学生课后自学。课堂上教师要尽可能淡化推导和解题技巧，强调所得出结论的物理意义和工程应用，将抽样、频谱分析、滤波等工程应用案例穿插于理论教学中，让工程应用成为“数字信号处理”教学中的主线，做到数学概念、物理意义、工程应用三者并重，［4］提高学生学习这门课程的兴趣，增强学习的目的性和主动性。突出重难点，灵活采用多种教学方法。教学过程中分清主次，重难点内容重点讲、详细讲，较简单的或应用不多的内容则少讲或让学生自学。教师根据教学内容灵活选取不同的教学方法，如案例法、比喻法、对比法等，［5］通过分析和归纳总结的方式优化教学方法，分解复杂问题。如，讲授线性卷积时，将待卷积的两个序列看作站成两排等待领导接见的群众，而卷积运算过程相当于领导和所接见群众依次握手的过程。教师要善于运用幽默形象的语言和高超的艺术，把抽象而枯燥无味的知识变得生动有趣。巧用对比法。对比法能潜移默化地引导学生将相近或相似的概念和方法进行小结、比较和分析，不仅能更好地理解不同内容之间的共性和个性，而且能够培养发散思维能力，提高学习效率，如图2，将ZT、DFS、DTFT、DFT几种变换通过图表来比较，清晰地展现常见变量间的关系，避免混淆。为了让学生对所学知识之间的联系、用途有清晰的认识，可利用“知识树”的形式把每个章节的重点层层分解，将所学知识点和应用联系起来，便于归纳和总结(如图2)。讲解IIR和FIR滤波器设计时，先向学生讲清为什么要设计数字滤波器、有哪些应用、设计数字滤波器需要用到哪些知识。这样，学生会自然而然地把所学知识点联系起来。关注师生交流和信息反馈，重视因材施教。教师要根据不同专业和学生基础等方面的差异，在讲课方式和侧重点上有所区别。教师要及时掌握学生的学习动态，调整教学内容和方法，帮扶“学困生”，提升“优等生”。

(二)改革课堂教学模式传统与现代教学手段并用。运用多媒体教学能使抽象难懂的教学内容形象化、直观化，提高教学效率。［6］但在实际的“数字信号处理”课程教学中，过多地采用多媒体教学，教学效果并不理想。课堂中灵活运用黑板板书、多媒体课件、Matlab或LabView软件演示，可增强师生互动。［7］难一点的公式推导和证明，仍然采用传统板书方式教学，尽量放慢讲课节奏，留给学生充裕的思考时间，达到深刻理解的目的。对于比较抽象的概念、原理或结论，如信号采样及恢复、频谱分析、循环卷积等，可借助多媒体技术将教学内容生动、形象、高效地展示在学生面前，让学生更清晰地理解其物理意义。建设网络或视频资源共享平台也可避免多媒体教学课堂容量大、教学内容难消化的问题。课后，让学生登陆网络课程，弥补大班教学人数过多造成的师生沟通不便、信息反馈通道不畅的问题;通过网络答疑、讨论和激励制度激发学生学习兴趣和主动参与性。建立“学习共同体”教学模式。“学习共同体”是指由学习者及助学者(包括教师、专家、辅导员等)共同构成的团体。［8］共同体成员在学习过程中经常沟通、交流，分享学习资源，共同完成特定学习任务，形成相互影响、相互促进的学习组织。在大班教学中建立学习共同体，在课堂教学中形成师生互教、互学的互动关系，教师在教学过程中给学生自主学习的空间，学生根据所接受的任务去发现、思考和解决问题，增进协作和互动，激发学习主动性，从而改善课堂教学效果，提高学习效率。

(三)强化实践教学，高度重视学生实践能力的培养应用型人才培养应始终坚持理论与实践并重的原则。理论教学只是学习该门课程的一部分，将所学理论知识应用于实践，才能达到学以致用的目的。为此，必须加强实践教学环节。运用仿真软件教学。仿真软件Matlab和Labview以其编程和调试简单、代码短、效率高等特点深受广大教学和科研人员的欢迎，［9］广泛应用于控制系统、系统仿真等领域。结合几年来“数字信号处理”课程的授课经验，在课程中引入Matlab和Labview软件，让学生动手完成系统设计和仿真，拓展实验教学的深度和广度，有助于增强学生学习成就感，培养学生的创新能力和设计能力。CCS是TI公司推出的DSP软件集成开发环境，它运用图形接口界面，提供工程管理和编辑工具。教师可以用2学时介绍DSP结构、开发环境、DSP系列及其应用实例。通过了解DSP仿真软件CCS，为后续的DSP课程设计教学奠定基础。优化实验教学内容和改革实验教学手段，加强教学内容和工程应用的融合。“数字信号处理”教学应坚持以实践性和应用性为教学目的，分层设计实验，优化实验内容，尽量减少验证性实验，增加综合性、设计性、创新性、开放性实验教学内容。革除填鸭式教学，开展“项目导向、任务驱动、案例教学”的教学模式，结合学生情况，创设情境，教师提出任务，学生边学边练，完成自主学习任务，充分培养学生的再学习和主动学习的能力。［10］针对每一章的具体内容，在讲授理论知识之前先给学生一个具体的工程应用例子，提出问题，引导学生积极开动脑筋，督促学生课后以小组为单位主动查找相关资料，提出解决问题的方法和思路。如，在讲授数字滤波器之前，教师可设计数字滤波器对心电信号进行去噪处理。同时，教师可以电子设计大赛等学科竞赛为契机，以毕业设计为导向，有意识地引导学生进行创新性课题的研究，深入掌握信号处理理论，增强工程应用能力和团队合作精神，做到学以致用。

二、考核方式的改革

摘要：将课堂理论教学与软件仿真、实验教学相结合是改善教学效果的有效途径之一。设计了一款基于RT-LAB的电力电子系统半实物仿真平台，以此将虚拟仿真教学和实物实验手段有机融入课程教学进程，并以三相四线制逆变器电路为例，介绍了教学的过程与步骤。教学实践表明，电力电子系统半实物仿真平台的使用有效地提高了学生学习的积极性，对教学质量以及学习效果的提高起到了积极的促进作用。

关键词：RT-LAB；半实物仿真系统；三相四线制逆变器；MatLab/Simulink

1研究背景

电力电子技术被广泛应用于电力行业的各个领域，而我国电力电子相关技术人员却一直较为缺乏，如何通过高效的电力电子技术课程教学培养高素质研发人员已成为当前高校亟待解决的现实问题。在电力电子技术课程教学过程中，目前主要是采用模态分析、波形分析以及理论分析法对学生进行讲授，很多学生从未接触过电力电子变换器实物，因此在整个教学过程中，学生处于被动学习的状态，学习过程比较枯燥，最终导致学生学习效果不理想[1-2]。近年来，不少高校将MatLab/Simulink引入电力电子课程，采取了在传统教学模式中加入仿真软件的内容，提升学生对课堂知识的掌握程度。但鉴于学生需要对产品工作过程和构建过程的感官了解，所以仅依靠上述理论教学和软件仿真的教学手段仍然很难达到理想的教学效果。部分高校采购了相关电力电子实验设备进行教学[3-5]，但其实验内容相对落后，基本都是以晶闸管等半控型设备的实验内容为主，很难满足当前电力电子技术课程教学的要求。此外，由于电力电子设备的控制算法以及主电路均已固化到实验设备中，实验内容固定且难以扩展，学生参与度低，不利于调动学生的学习积极性。因此，若能让学生在接触到电力电子变换器实物的同时，又能针对具体的电力电子变换器主电路对控制算法进行灵活设计，则可以调动学生的学习积极性，从而得到较好的教学效果[6-8]。因此，本文利用MatLab/Simulink虚拟实验教学思想，设计了一款基于RT-LAB仿真机的电力电子变换器半实物仿真平台，并基于该仿真平台对电力电子技术课程教学过程进行了重新规划、设计，以期能为电力电子技术的教学提供一种新的方法与思路。

2半实物仿真系统及其仿真原理

一个完整的电力电子系统应当包含两部分功能模块：一是电力电子变换器主电路；二是对主电路进行控制的控制器模块。半实物仿真系统是指系统中某功能模块由计算机虚拟仿真实现，而另一功能模块则由具体的实物电路实现。就电力电子系统的半实物仿真系统而言又分为以下两种情况。2.1快速控制原型(RapidControlPrototype，RCP)RCP采用“虚拟控制器+实际被控对象”的模式，即电力电子变换器主电路由实物电路实现，而控制算法在MatLab/Simulink等仿真软件中进行仿真调试，调试通过后将相关算法下载至仿真主机运行，由仿真主机代替单片机或DSP等控制器对主电路进行控制。2.2硬件在环仿真(HardwareintheLoop，HIL)HIL采用“实际控制器+虚拟被控对象”的模式，即电力电子变换器主电路在MatLab/Simulink等仿真软件中建模、调试，调试通过后将数学模型下载至仿真机，由仿真机虚拟实际电路，而控制器由单片机系统、DSP系统等实现，最终单片机或DSP系统与仿真主机进行联合仿真。对于控制器而言，其效果等同于控制一个实际的变换器主电路。硬件在环(HIL)技术在工业电力电子与电力传动领域越来越受到重视，广泛应用于智能微网、MMC模块变频器以及电力储能等大功率场合，实现了先进控制算法快速验证和产品控制器的快速研发。RT-LAB是由加拿大Opal-RT公司推出的一套专门针对电力系统、电力电子以及电力拖动系统的实时仿真平台。该平台可与MatLab/Simulink无缝对接，运行过程中可在上位机MatLab/Simulink中对仿真参数进行在线调整并实时监控。同时，实验时可通过转接板观察仿真机与实物电路之间的实际物理信号，从而对电力电子系统的工作原理与运行特性有更直观、深刻的理解。该特点十分适合于电力电子系统工作原理与相关控制算法的仿真、测试以及演示，因此基于RT-LAB仿真平台实现电力电子技术课程的教学与实践具有较强的可行性。应用RT-LAB进行半实物仿真教学，主要有三种模式。一是全数字实时仿真模式。该模式直接在MatLab/Simulink中对电力电子变换器主电路以及对应控制算法进行建模并调试，调试通过后将相关模型进行编译并下载至RT-LAB主机中进行仿真。在仿真步长不大于10μs时，RT-LAB可实现实时仿真，从而使得学生对电力电子系统的响应特性具有较直观的认识。二是功率硬件在环仿真模式(PowerHardwareintheLoop，PHIL)。PHIL在国际上已经有了广泛的研究和应用。该模式下，RT-LAB仿真机根据所收到的控制器信号对Simulink中的虚拟电力电子器件进行开关控制并将主电路的电压电流等信号反馈至外部真实控制器。其缺点是，针对不同拓扑电路需要设计不同控制算法，而DSP/FPGA的算法实现过程较复杂，因此该模式主要适用于智能电网、多电平变换器等大功率应用场景。三是功率级的快速控制原型开发模式(PowerRapidControlPrototype，PRCP)。该模式下，电力电子变换器主电路为实物电路，而对应的控制逻辑则可在MatLab/Simulink中实现并下载到RT-LAB仿真机，随后RT-LAB仿真机运行对应控制算法以此控制实物电路。由于控制算法是在MatLab/Simulink中实现，该种模式适用于需要对控制算法频繁修改、调试，而主电路拓扑保持不变的情况。电力电子课程教学过程中所涉及的主电路拓扑不多，学习重点在于电路拓扑的工作原理和控制方式，选择PRCP模式既可以让学生直接接触到电力电子变换器主电路，又可以在学生所熟悉的MatLab/Simulink环境中进行算法验证，因此本文选用该模式进行电力电子技术课程的教学与实验。

摘要：针对高校实验室电源或线路容量较小的工况，构建了基于双变流器的电力电子课程创新实验平台，介绍了平台的主电路结构和主要环节的设计原理，并对平台的整流、逆变、能量回馈、无功生成及补偿等多项实验教学功能进行了实验验证。结果表明，该实验平台不仅克服了电源或线路容量有限的缺点，而且丰富了电力电子课程探究性实验的教学内容，可显著提升电力电子课程的实验教学质量。

关键词：电力电子；双变流器；实验教学；探究性实验

随着我国经济持续快速发展和人们生活水平的不断提高，迫切需要新能源发电和电能高效变换技术[1-6]。因此，作为电能变换的核心技术，电力电子技术课程在电气工程类专业教学中占有十分重要的地位。电力电子技术与工程实际联系紧密，单纯的理论分析教学模式不利于学生对相关知识点的深入理解。实验课程在提升电力电子教学效果中有着至关重要的作用，它能够将抽象枯燥的理论变得生动具体，激发学生的求知欲望。为此，众多高校致力于电力电子教学实验平台的构建和持续更新[7-12]。随着现代电力电子技术的发展，以PWM理论为基础的电能变换技术在电能变换和控制中(尤其在中小功率场合)占据主导地位[13-16]。但目前电力电子实验课程依然主要基于晶闸管器件的相控技术，教学内容老化，与电力电子实际应用脱节。因此，为加深学生对现代电力电子技术的理解，培养学生创新意识，迫切需要建立以现代电力电子技术为应用背景的教学实验平台。由于高校实验室电源或线路容量通常较小，购置的电力电子实验装置在实验过程通常只能在小电流工况下进行，无法反映电力电子装置实际应用场景，进而影响实验课程教学效果。为此，本文设计了基于双变流器的电力电子课程创新综合性实验平台。基于该平台，学生可进行PWM整流、PWM逆变、能量回馈、无功生成、无功补偿以及有源滤波等多项以现代电力电子技术应用为背景的实验。该平台有效克服了电源或线路容量不足所带来的局限性，大幅提高了实验灵活性。此外，该平台具有交流欠压、交流过压、直流过压、缺相、错相、过流和过温等完善的保护措施，安全性高，适合学生操作。

1实验平台硬件设计

实验平台硬件设计主要包括功率主电路、信号调理电路及控制与保护电路，涉及电力电子技术、自动控制原理、模拟电子技术、数字电子技术及可编程逻辑器件等多门课程的知识。实验平台各环节的设计原理手册均对学生完全开放，作为学生实验前期的学习材料，促进学生系统性地认识和掌握多门专业知识，将相关课程的知识“点”串成一条“线”，进而培养学习兴趣，激发创新意识。1.1功率主电路拓扑基于双变流器的电力电子课程创新实验平台的主电路拓扑如图1所示。us和is分别为电网电压和网侧电流；VSC1和VSC2为两台具有相同结构的电压源型变流器(其拓扑如图2所示)；L1和L2分别为两台变流器的输出滤波电感；Cdc1和Cdc2为直流侧电压支撑电容；为提高实验平台灵活性，两台变流器直流侧通过开关Sw连接，当进行PWM整流+逆变实验时闭合Sw，形成背靠背结构，控制VSC1使其工作在整流状态，VSC2工作于逆变状态；当进行无功电流生成及补偿实验时断开Sw，两台VSC分别作为无功发生器和无功补偿器。1.2控制与保护电路实验平台控制电路板采用四层板结构，由上至下分别为顶层信号层、地层、电源层以及底层信号层，如图3所示。主控芯片采用TI公司TMS320F28335浮点型DSP，并结合相关外围电路实现具有多项保护功能的DSP系统控制器。整个系统的保护逻辑由ALTERA公司的EPM7128STI100型CPLD管理，主要实现相序判断、故障类型指示及保护等功能。当出现任一故障时，CPLD输出PWM封锁信号并点亮相应的故障类型指示灯，便于学生对故障类型进行判断。此外，系统中还设置了控制电源指示灯、PWM封锁指示灯以及CPLD工作状态指示灯等，便于学生了解系统的状态。为提高系统的可扩展性，系统中设置了额外的保护信号输入端及数字量输入端。由主电路和控制系统组成的实验平台如图4所示。

2实验平台软件设计

近10多年来，随着通信技术的迅猛发展，对通信专业人才的需求也日益增加，许多高校开始培养大量的通信及其相关专业的学生，许多非通信专业增设了通信类的课程，这些都对通信专业本科培养中的实践教学环节提出了越来越高的要求［1-2］。我校的通信专业历史悠久，在实践教学中作了大量的探索、改革和实践，取得了很好的成绩。2006年，“通信工程专业”评为陕西省名牌专业;2007年，“通信原理实验”评为陕西省精品课程，填补了我省通信类实验精品课程的空白;2008年，通信工程应用型人才培养模式创新实验区获省教育厅批准。

在构建通信及其相关专业的专业基础实践教学体系中，我们紧扣教育部“卓越工程师培养计划”和我校通信与信息类工程应用型人才的培养目标，根据不同专业、不同层次的教学要求，深化教学改革，既保留并规范了原有的基础实验项目，同时，将传统实验与现代信息技术相结合，增加设计性、创新性实验内容，开发了一系列与现代技术相适应的先进的高水平实验项目［3-4］，构建了“基础型、应用型、综合型、设计型、创新型”的分层次、循序渐进的实验课程教学体系，相应设置了“基础实验”、“系统仿真实验”、“应用型实验”的实验教学模块，重新制定了课程教学大纲，进行了课程内容的优化与重组，编写了多部实验教材，形成了模块化管理、软硬结合、层次分明、结构完善的实验课程体系，实验内容和实验水平都有了飞跃式的发展。

1实践教学体系的设计思想

在实践教学体系的构建中，设计了分层渐进的体系结构，遵循“基础知识的学习—能力培养—竞赛强化”的实践教学培养思路，即:首先是扎实的基础知识的学习，在此基础上强化能力的培养，最后通过参加各种学科竞赛提升学生的实践动手和创新能力。针对基础知识的学习，设计了基础实验模块，有基于“通信原理综合实验箱”验证性实验、分别利用DSP、ARM和FPGA的设计性实验，通过通信原理实验箱让学生验证点对点通信系统中的基本的调制解调原理、编译码技术、系统性能分析等理论知识，并通过DSP、FPGA和ARM开发系统实现;针对强化能力的培养，设计了系统仿真实验模块，包括基于SystemView的通信系统仿真实验［5］、双语教学的基于Matlab的通信系统仿真实验［6］，通过软件仿真平台自行设计由简单到复杂的通信系统，明确各个具体模块的实现方法以及相互之间的关联，从而真正了解整个通信系统的组成及工作原理，在应用型实验模块，包括软件无线电实验和CDMA移动通信系统实验，软件无线电系统中实现较为复杂的调制解调和编译码技术，在CDMA移动通信系统实验中，可以接触到实际系统的构造和工作过程，锻炼动手能力;最后，选拔优秀的学生，参加各种竞赛，提高学生的科技创新能力。

在实践教学体系的设计中，重点突出了以下几点:

(1)各模块之间既相互联系，同时也自成体系，支撑相应的理论教学内容，将基础实验与综合性、设计性实验相结合，将多媒体技术、虚拟技术、网络技术等现代化教学方法与手段相结合，充分利用先进的、丰富多彩的实验教学资源［7］;

提高学生的创新实践能力和综合素质，实验、实践教学发挥着极其重要的作用，高校各专业在实验教学内容上均增加了综合性、设计性实验，且综合性、设计性实验在整个实验教学体系中所占比例呈上升趋势［1－8］。综合性实验是构成创新教育体系和实验教学内容的重要元素。通过综合性实验课程的教学与引导，使学生在夯实基础理论、基本技能的同时，培养敏锐的观察能力、严谨的科学思维能力、系统的综合分析能力、高度的准确判断能力以及敢于创新、善于创新的勇气和能力。

1设计原则

综合性实验是在学生具有一定的专业基础知识和基本实验操作技能的基础上，综合运用某一课程或多门课程的知识对学生实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性、开放性实验［9］。（1）综合性。综合性是实验案例设计的首要原则。学生在完成实验过程中必须将多门专业课甚至专业技术基础课的基本理论、基本操作技能有机地结合在一起，促进学生对知识和技能的综合应用。（2）实用性。案例要具有很强的实用价值。实验案例的设计采用当前主流的、重要的通信系统开发技术，学生可以通过综合性实验内容，切实掌握实用技能，提高就业能力，并为今后的工作打下坚实的基础。（3）趣味性。兴趣是最好的老师。综合性实验案例对学生要具有挑战性，而且必须是学生感兴趣的，最好是他们身边能够接触、感知的热点话题，或有待解决的实际问题等，激发学生的实验积极性和实验兴趣。学生可自主选择实验项目，变被动学习为主动学习。（4）可扩展性。综合性实验案例设计要具有可扩展性，可以根据学科建设、专业发展和学生培养的需要进行进一步扩展和优化。（5）体现“通信特色”，符合通信学科特点和专业培养要求。

2案例来源

在案例的设计和选择上既要体现综合性、创造性，能够培养学生的创新意识和实践能力，提高学生的综合素质，同时也要考虑到实验的课时安排和难度控制。因此，通信专业类综合性实验案例设计从以下4方面进行选材：（1）优质科研成果转化。学院承担大量的国家科研项目，可以将其中某些项目进行简化、修改、重组，转化成通信专业类综合性实验案例，从而将先进的科研成果打造为优质教学资源，实现基础与前沿、经典与现代的结合。（2）各类电子设计大赛题目改造。全国及各省、校级电子设计大赛中有很多具有创新性、前瞻性、实用性的方案可以经过适当修改，作为通信专业类综合性实验案例。学生可以通过这样的实验案例了解各级大赛的要求和特点，教师也可以在实验教学过程中，选拔优秀学生参加各级大赛，从而提高学生在电子大赛中的能力和水平。（3）选择各类电子制作期刊和报纸的有关科技论文的内容。科技论文通常是对本专业内最新的前沿科技的介绍、论述和总结，可以选择其中合适的内容进行改进，作为通信专业类综合性实验案例，使学生了解学科未来的发展方向和前沿技术。（4）对部分传统（基础）实验内容改革、优化、重组。传统（基础）实验多是单一内容的验证性实验，缺乏综合性，可以充分利用现有的实验平台和实验仪器，对实验内容和方案进行改革、优化、重组，从而设计出符合当前教学要求的综合性、设计性实验。

3案例设计