《測控總線與儀器通信技術(shù)》實驗教學(xué)研究

王泉德，王先培（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢430079）

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，自動化技術(shù)、自動測試技術(shù)已經(jīng)與計算機技術(shù)、通信技術(shù)融為一體，傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)與自動測試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)方法發(fā)生了根本性變化?；丶惺骄植孔詣踊谋O(jiān)測控制系統(tǒng)已經(jīng)被以通信技術(shù)為核心的分散綜合自動監(jiān)測控制系統(tǒng)所取代，自動測試系統(tǒng)也由單點測試系統(tǒng)發(fā)展到以總線技術(shù)為基礎(chǔ)的多點測試計量的虛擬儀器系統(tǒng)和以總線技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器系統(tǒng)?！稖y控總線與儀器通信技術(shù)》課程內(nèi)容包括片內(nèi)總線通信技術(shù)、片間總線通信技術(shù)、內(nèi)總線通信技術(shù)、系統(tǒng)總線通信技術(shù)、標準總線通信技術(shù)、現(xiàn)場總線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、儀器通信技術(shù)以及無線通信技術(shù)等。進行該課程教學(xué)時，需要充分考慮測控技術(shù)與儀器專業(yè)的特點和知識結(jié)構(gòu)，以便將將先進測控總線與儀器通信技術(shù)介紹給測控技術(shù)與儀器、自動化、機電一體化等專業(yè)的學(xué)生。為此，筆者根據(jù)多年教學(xué)實踐，對 《測控總線與儀器通信技術(shù)》實驗教學(xué)進行了研究。

1 實驗教學(xué)內(nèi)容的選擇

《測控總線與儀器通信技術(shù)》課程涉及到的總線和通信技術(shù)較多，如果實驗教學(xué)內(nèi)容涵蓋所有相關(guān)內(nèi)容，則會占用過多的實驗課時，也給實驗設(shè)備的研發(fā)帶來困難。為此，需要研究教材內(nèi)容，挑選具有代表性的總線與儀器通信技術(shù)，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)計實驗內(nèi)容和實驗裝置，使學(xué)生通過主流知識和技術(shù)的學(xué)習(xí)實踐，對應(yīng)用于特定領(lǐng)域和環(huán)境下的其他總線和通信技術(shù)也能觸類旁通。

控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network，CAN）是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，由德國BOSCH公司開發(fā)并最終成為國際標準。近年來，CAN總線以其高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度高、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。為此，筆者選取具有代表性的CAN總線的相關(guān)技術(shù)，并融合簡單接口通信技術(shù)、無線通信技術(shù)，設(shè)計層層遞進的實驗教學(xué)內(nèi)容：

1）簡單接口通信實驗。通過該實驗讓學(xué)生掌握串口通信等簡單通信技術(shù)以及各種通信連接方式。

2）CAN總線通信實驗。通過該實驗讓學(xué)生掌握CAN總線通信技術(shù)，并能在CAN總線上構(gòu)建各種連接方式的多點通信系統(tǒng)。

3）集成無線通信模塊的CAN總線通信實驗。通過該實驗讓學(xué)生掌握無線通信技術(shù)及其構(gòu)建CAN總線多點通信網(wǎng)絡(luò)的方法。

4）創(chuàng)新型實驗。以生產(chǎn)實踐為應(yīng)用背景，構(gòu)建以CAN總線為核心的多點通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)一個實時數(shù)據(jù)采集或測控系統(tǒng)。

2 實驗教學(xué)設(shè)備的研制

根據(jù)選擇的實驗教學(xué)內(nèi)容進行實驗裝置的研制。采用臺灣宏晶公司出產(chǎn)的STC系列STC89C52單片機來開發(fā)通信節(jié)點。由于STC系列單片機不需要配備ISP電路，可以通過內(nèi)嵌一段代碼來實現(xiàn)串口下載，因而其串口不但可以通信，而且可以用來實現(xiàn)程序下載，學(xué)生只需要連上PC的串口就可以自由下載自己所編程序。此外，采用Philips公司出產(chǎn)的符合CAN2.0A通信協(xié)議的SJA1000作為實驗裝置的CAN控制器，SJA1000相對比較簡單，資料豐富，可以讓學(xué)生快速入門。該實驗裝置中幾個主要部件的設(shè)計如下。

2.1 CAN通訊模塊的電路設(shè)計

CAN通訊模塊的電路設(shè)計如圖1所示。該電路主要包括如下3部分：①與CPU的接口。可將SJA1000看作STC89C52單片機的一個外部RAM，設(shè)計相應(yīng)的擴展電路即可，并選擇Intel模式連接單片機。SJA1000的數(shù)據(jù)線和地址線是共用的，STC89C52的數(shù)據(jù)線和地址線也是共用的，直接進行連接即可，但需要連接地址鎖存信號ALE以區(qū)分AD線上傳輸?shù)氖堑刂愤€是數(shù)據(jù)。SJA1000的中斷管腳連接單片機的INT1外部中斷，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包后，通知STC89C52進行處理。此外，還需要為SJA1000添加片選信號和讀寫信號。②CAN控制器SJA1000與驅(qū)動器82C250接口及其他外圍電路。SJA1000有2路發(fā)送和接收管腳，選取其中1組即可，直接與82C250的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送管腳進行連接。③82C250外圍電路。在CANH和CANL管腳增加阻容電路，濾除總線上的干擾以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。RS管腳可以用來選擇82C250的工作模式，即高速模式(應(yīng)用與對數(shù)據(jù)傳輸速率高的情況，通訊數(shù)據(jù)線最好是屏蔽的）、斜率模式(速度較低，通訊數(shù)據(jù)線可以是普通的雙絞線）、準備模式(應(yīng)用于對功耗要求比較高的場合）。

圖1 CAN通訊模塊電路設(shè)計

2.2 無線通信模塊設(shè)計

無線通信模塊基于nRF2401單片射頻收發(fā)芯片開發(fā)，其電路設(shè)計如圖2所示。nRF2401工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，具有多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計更方便。由于使用DuoCeiverTM技術(shù)，nRF2401可以使用同一天線同時接收2個不同頻道的數(shù)據(jù)。

根據(jù)研制的實驗裝置可以開設(shè)如下實驗。

1）232、485 串口通信和程序下載實驗。通過該實驗?zāi)茏寣W(xué)生熟悉實驗裝置的使用并掌握簡單接口通信技術(shù)。

2）CAN總線通信協(xié)議驗證實驗。通過該實驗可完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接受通信節(jié)點的編程并下載驗證，從而實現(xiàn)節(jié)點間的數(shù)據(jù)收發(fā)。

3）CAN總線組網(wǎng)通信實驗。通過該實驗可實現(xiàn)3個及3個以上節(jié)點間的數(shù)據(jù)收發(fā)，學(xué)生通過完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接受通信節(jié)點的編程并下載驗證，可以掌握基于CAN總線通信的多節(jié)點組網(wǎng)通信技術(shù)。

4）CAN總線無線通信實驗。通過該實驗可實現(xiàn)3個及3個以上節(jié)點間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)，學(xué)生通過完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接受通信節(jié)點的編程并下載驗證，可以掌握基于CAN總線通信的多節(jié)點無線組網(wǎng)通信技術(shù)。

圖2 無線通信模塊電路設(shè)計

5）基于CAN總線構(gòu)建多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗。該實驗通過多個節(jié)點采集不同壓力、溫度、紅外燈傳感器信號，進行相關(guān)的數(shù)據(jù)預(yù)處理并提交給中心節(jié)點集中進行管理。學(xué)生通過完成各傳感器信號采集節(jié)點和中心節(jié)點的編程并下載驗證，可以掌握多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理和構(gòu)建方法。

6）基于CAN總線構(gòu)建簡單的測控系統(tǒng)實驗。該實驗通過多個節(jié)點采集不同壓力、溫度、紅外燈傳感器信號，進行相關(guān)的數(shù)據(jù)預(yù)處理并提交給控制節(jié)點處理，控制節(jié)點根據(jù)所接收的信息完成相應(yīng)的控制操作。學(xué)生通過完成各傳感器信號采集節(jié)點和控制節(jié)點的編程并下載驗證，可以掌握實時測控系統(tǒng)的原理和構(gòu)建方法。

3 結(jié) 語

測控總線與儀器通信技術(shù)是電子、儀器類本科生必須重點掌握的知識和技術(shù)之一。筆者在分析 《測控總線與儀器通信技術(shù)》課程的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢設(shè)計了相應(yīng)的實驗裝置，并據(jù)此設(shè)置了相關(guān)的實驗內(nèi)容，為 《測控總線與儀器通信技術(shù)》課程的實驗教學(xué)服務(wù)。下一步的工作重點是通過教學(xué)實踐進一步完善實驗裝置，調(diào)整試驗內(nèi)容，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握測控總線與儀器通信技術(shù)的相關(guān)知識和技能。