開(kāi)放式單片機(jī)電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

楊風(fēng)開(kāi)?徐慧平

摘要：現(xiàn)有單片機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置不能為“時(shí)間上開(kāi)放、空間上開(kāi)放和內(nèi)容上開(kāi)放”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念提供支撐，為此研制了一套開(kāi)放式單片機(jī)電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由核心實(shí)驗(yàn)電路板、通用實(shí)驗(yàn)箱和實(shí)驗(yàn)對(duì)象三個(gè)層次實(shí)驗(yàn)裝置組合而成。核心實(shí)驗(yàn)電路板為實(shí)驗(yàn)空間的轉(zhuǎn)移提供了較大的自由度，通用實(shí)驗(yàn)箱為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)放提供了良好的自主性，電氣類(lèi)測(cè)量與控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象便于實(shí)現(xiàn)面向工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)性、系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)。批量用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為提高學(xué)生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力提供了有力的支撐。

關(guān)鍵詞：開(kāi)放式；單片機(jī)；電氣控制；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

作者簡(jiǎn)介：楊風(fēng)開(kāi)（1964-），男，江西九江人，華中科技大學(xué)電氣學(xué)院，高級(jí)工程師；徐慧平（1984-），女，湖北新洲人，華中科技大學(xué)電氣學(xué)院，工程師。（湖北?武漢?430074）

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號(hào)：1007-0079（2012）27-0089-02

在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的過(guò)程中，確定了“時(shí)間上開(kāi)放、空間上開(kāi)放和內(nèi)容上開(kāi)放”的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念?？臻g上的開(kāi)放，就是要讓學(xué)生既可以在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，也可以在寢室等其他地方做實(shí)驗(yàn)；內(nèi)容上開(kāi)放，就是要提供充分的實(shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生能夠自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。時(shí)間上的開(kāi)放基本上屬于實(shí)驗(yàn)室管理的范疇，空間和內(nèi)容上的開(kāi)放，則必須有一定的硬件條件支撐。[1]

基于開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，開(kāi)始尋求采購(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，結(jié)果沒(méi)有找到合適的現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。現(xiàn)有的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，普遍存在三方面的不足：一是實(shí)驗(yàn)裝置體積較大，造價(jià)較高，不適合讓學(xué)生帶回寢室做實(shí)驗(yàn)，不能為實(shí)驗(yàn)空間的延伸、拓展提供支撐；二是裝置上的電路連接基本固定，電路模塊較少，不能滿(mǎn)足自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求，不能為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)放提供必要的支撐；三是配套的電氣測(cè)量與控制對(duì)象較少，不利于將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)際相結(jié)合。[2，3]

針對(duì)這一現(xiàn)狀，決定自行研制一套開(kāi)放式單片機(jī)電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用組合式架構(gòu)，便于學(xué)生在寢室做實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)空間上的開(kāi)放；提供充足的接口電路模塊，并且可以按照自己設(shè)計(jì)的電路自行搭接控制信號(hào)，便于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)放；開(kāi)發(fā)出較多的電氣測(cè)量與控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象，便于將實(shí)驗(yàn)教學(xué)和電氣工程實(shí)際相結(jié)合，讓學(xué)生能夠設(shè)計(jì)出完整的基于單片機(jī)的電氣測(cè)量和控制系統(tǒng)，形成系統(tǒng)性的概念，進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)放性。

一、組合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由三個(gè)層次實(shí)驗(yàn)裝置組合而成，其組成架構(gòu)如圖1所示。第一個(gè)層次是核心實(shí)驗(yàn)電路板（簡(jiǎn)稱(chēng)核心板），不同核心板上配備不同的CPU，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出MCS-51單片機(jī)核心板和TMS320LF2407型DSP核心板。第二個(gè)層次是通用接口電路實(shí)驗(yàn)箱，在實(shí)驗(yàn)箱上配備了較為齊全的接口電路模塊。第三個(gè)層次是各種電氣測(cè)量和控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

通用接口電路實(shí)驗(yàn)箱為基本的配置，實(shí)驗(yàn)室每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)位配一套。核心實(shí)驗(yàn)板可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要配插到通用實(shí)驗(yàn)箱上在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，做不同的實(shí)驗(yàn)（MCS-51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)或DSP實(shí)驗(yàn)），可以配插相應(yīng)的核心板。核心板的數(shù)量遠(yuǎn)多于實(shí)驗(yàn)箱的數(shù)量，冗余核心板學(xué)生可以借回寢室或拿到其他實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。電氣測(cè)量和控制對(duì)象有若干種，每種的臺(tái)（套）數(shù)遠(yuǎn)少于實(shí)驗(yàn)箱的數(shù)量，學(xué)生可以根據(jù)需要選擇不同的測(cè)量控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象，與通用實(shí)驗(yàn)箱結(jié)合做實(shí)驗(yàn)。

二、核心實(shí)驗(yàn)板

核心板的基本設(shè)計(jì)理念是：既具有體積小、造價(jià)低、使用方便的特點(diǎn)，又能滿(mǎn)足開(kāi)放性、兼容性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。核心板的電路結(jié)構(gòu)反映了設(shè)計(jì)理念。

1.核心板的特點(diǎn)

核心板的特點(diǎn)是體積小（印制電路板面積為100×100mm2）、造價(jià)較低，不需外接實(shí)驗(yàn)電源，連接到電腦的USB接口就可以做實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生借出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室空間上的開(kāi)放。核心板包括CPU及少量接口電路，可以獨(dú)立完成一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)，也可以方便地與實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)對(duì)象連接擴(kuò)展更多的實(shí)驗(yàn)。核心板可以提供散件供學(xué)生自行焊接安裝，并可以根據(jù)學(xué)生需要有條件地發(fā)給學(xué)生。

2.MCS-51核心板結(jié)構(gòu)

MCS-51核心實(shí)驗(yàn)板電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括SST89E58RD型MCS-51系列單片機(jī)，USB和RS232串行通訊接口，發(fā)光二極管、LED數(shù)碼管、按鍵、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器件等。為減小印刷電路板面積，核心實(shí)驗(yàn)板上的數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示方法，A/D和D/A轉(zhuǎn)換均選用串行接口器件。[4]

核心實(shí)驗(yàn)板可以采用USB接口自帶的+5V電源工作，也可以利用通用實(shí)驗(yàn)箱上的+5V電源供電。MCS-51核心實(shí)驗(yàn)板上的外設(shè)接口電路，使用了單片機(jī)的P1口和P3口。P1口和P3口的各個(gè)引腳，可以用于控制核心板本身的外設(shè)器件，也可以通過(guò)核心板上的插針，連接到其他的外部控制電路，或者通過(guò)與通用實(shí)驗(yàn)箱連接的插座，用于對(duì)通用實(shí)驗(yàn)箱上電路模塊的控制。改變核心板上撥碼開(kāi)關(guān)的位置，可以設(shè)定P1口和P3口各引腳用于核心板內(nèi)部或外部。

全部I/O口各引腳分別接到一排插針上，可通過(guò)排線(xiàn)連接到其他應(yīng)用電路；同時(shí)均連接到與通用實(shí)驗(yàn)箱連接的插座上，可用于跟實(shí)驗(yàn)箱上電路模塊連接。

3.DSP核心板結(jié)構(gòu)

DSP核心實(shí)驗(yàn)板電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括TMS320LF2407型DSP，USB和RS232串行通訊接口，發(fā)光二極管、LED數(shù)碼管、按鍵、RAM和D/A轉(zhuǎn)換器件等，其中有部分電路與MCS-51核心板相同。TMS320LF2407型DSP片上含有16路模擬輸入的10位A/D轉(zhuǎn)換電路，所以在DSP核心板上沒(méi)有設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路。由于做DSP實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般需要處理較多的數(shù)據(jù)，所以在DSP核心實(shí)驗(yàn)板上擴(kuò)展了64kW的RAM存儲(chǔ)器。[5]

USB接口的電源電壓為5V，而TMS320LF2407型DSP工作電源電壓為3.3V，為此圖3中增加了一套電源轉(zhuǎn)換電路，該電路同時(shí)用于產(chǎn)生CPU復(fù)位信號(hào)。此外，TMS320LF2407型DSP一般用JTAG接口進(jìn)行硬件仿真調(diào)試和在線(xiàn)編程，所以在圖3中增加了一套USB-JTAG信號(hào)轉(zhuǎn)換電路模塊。

三、通用實(shí)驗(yàn)箱

通用實(shí)驗(yàn)箱上包括單片機(jī)、DSP接口實(shí)驗(yàn)所要求的各種外設(shè)和接口電路模塊。這些電路模塊的功能，有少部分與核心板上的電路功能類(lèi)似，但是采用不同的器件型號(hào)或接口工作方式，以便與核心板功能互補(bǔ)，增強(qiáng)電路設(shè)計(jì)時(shí)的選擇性。

1.通用實(shí)驗(yàn)箱的組成

為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的可選擇性，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的需要，通用實(shí)驗(yàn)箱與核心實(shí)驗(yàn)板上的電路功能有部分相同，但是工作方式或者接口控制方式不一樣。比如：數(shù)碼管顯示電路，核心實(shí)驗(yàn)板上為動(dòng)態(tài)顯示方式，通用實(shí)驗(yàn)箱上為靜態(tài)顯示方式；A/D和D/A接口電路，核心實(shí)驗(yàn)板上為串行接口，通用實(shí)驗(yàn)箱上為并行接口。實(shí)驗(yàn)箱中預(yù)留接口電路模塊，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以按照自主設(shè)計(jì)的電路，自行連接。通用實(shí)驗(yàn)箱上的外設(shè)和接口電路非常豐富，基本上囊括了各種《單片機(jī)原理及應(yīng)用》教材上列舉的所有外設(shè)接口。這就為學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提供了硬件上的支撐。[6，7]

2.通用實(shí)驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)箱上的電路連接線(xiàn)分單芯連線(xiàn)和8芯排線(xiàn)兩種。當(dāng)需要將兩組8根線(xiàn)同時(shí)連接時(shí)，可以采用8芯排線(xiàn)。為了提高連線(xiàn)的可靠性，實(shí)際使用的是16芯排線(xiàn)，兩兩并聯(lián)到一起，代替8芯排線(xiàn)用。單芯連線(xiàn)端子中，采用不同顏色接線(xiàn)端子區(qū)分信號(hào)類(lèi)型，紅色為輸出端子，黃色為輸入端子，藍(lán)色為輸入/輸出端子，綠色為地線(xiàn)。為了便于與外電路連接，放置了若干個(gè)橋接端子，可以一端連接實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部電路，另一端連接外電路。所有電源端子，既可以連接到通用板上的電路，也可以連接到外電路。為了便于自行擴(kuò)展外電路，實(shí)驗(yàn)箱上放置了兩塊小面包板。在面包板上自行搭接的電路，可以很方便地通過(guò)橋接線(xiàn)連接到實(shí)驗(yàn)箱上的電路。

各接口電路模塊，都留有控制信號(hào)插孔，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以自主設(shè)計(jì)電路原理圖，用導(dǎo)線(xiàn)搭接出所設(shè)計(jì)的電路。實(shí)驗(yàn)箱從電路結(jié)構(gòu)和外觀(guān)布局上，都為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)放及綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)創(chuàng)造了有利的條件。[8]

四、電氣類(lèi)測(cè)量控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象

在通用實(shí)驗(yàn)箱之外，配備一定種類(lèi)的電氣測(cè)量、控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以供學(xué)生做設(shè)計(jì)性、系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)時(shí)選用，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程實(shí)際的了解。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量控制對(duì)象其實(shí)是工程實(shí)際中測(cè)量控制對(duì)象的縮小版或者模型。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，融入了以下幾個(gè)設(shè)計(jì)理念：

1.反映工程特性

由于體積、結(jié)構(gòu)等限制，不可能將工程實(shí)際中的實(shí)物搬到教學(xué)實(shí)驗(yàn)室來(lái)，但是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅仨毮軌蛘鎸?shí)反映工程實(shí)際中測(cè)量對(duì)象的特性。比如變電站電壓無(wú)功自動(dòng)控制模型，就能夠反映變電站電壓無(wú)功的測(cè)量、控制特性，用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_(kāi)發(fā)出的變電站電壓無(wú)功控制系統(tǒng)，可以直接拿到工程實(shí)際中加以應(yīng)用。

2.適合教學(xué)實(shí)驗(yàn)

各種測(cè)量控制對(duì)象上，配有必要的驅(qū)動(dòng)或信號(hào)調(diào)理電路，留有與通用實(shí)驗(yàn)箱上一致的連線(xiàn)插孔，便于實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。

3.便于比對(duì)

測(cè)量控制對(duì)象上，配有另外一套獨(dú)立的測(cè)量和顯示電路，便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，與自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和驗(yàn)證。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，目前已經(jīng)設(shè)計(jì)出電動(dòng)機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)、變電站電壓無(wú)功自動(dòng)控制模型、風(fēng)能發(fā)電并網(wǎng)控制模型、可變電網(wǎng)諧波源、配網(wǎng)低壓無(wú)功補(bǔ)償控制系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以將實(shí)驗(yàn)箱與這些電氣類(lèi)測(cè)量控制對(duì)象連接，獲得與工程實(shí)際相近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。[9]

五、結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)放式單片機(jī)電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)于2009年開(kāi)發(fā)出樣機(jī)。經(jīng)試用修改后，2010年批量生產(chǎn)10臺(tái)通用實(shí)驗(yàn)箱，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)試點(diǎn)。通過(guò)試用后加以改進(jìn)，2011年又生產(chǎn)20臺(tái)繼續(xù)試用。2012年經(jīng)過(guò)反復(fù)試用、完善后，累計(jì)生產(chǎn)、改造出70臺(tái)，全部裝備單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，用于2009級(jí)480名本科生的“單片機(jī)原理及應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)，以及少量本科生、研究生的畢業(yè)設(shè)計(jì)。

三年多的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革試點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐表明，開(kāi)放式單片機(jī)電氣控制綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用及設(shè)計(jì)能力，受到了學(xué)生普遍的好評(píng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞遠(yuǎn)志,張立慶,傅曉航.開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)踐與思考[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(3):153-155.

[2]孫書(shū)芳,張家海,陳海霞.單片機(jī)教學(xué)中學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)[J].中國(guó)電力教育,2011,(35):141-144.

[3]張?chǎng)?朱智林,張巖,等.在單片機(jī)教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].中國(guó)電力教育,2010,(3):92-93.

[4]代芬,王衛(wèi)星,鄧小玲,等.單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(8):213-215.

[5]裴榮,卜雄洙,牛國(guó)柱,等.基于工程的DSP課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(8):96-99.

[6]汪建.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,

2012:199-281.

[7]楊風(fēng)開(kāi).DSP原理及應(yīng)用[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2012:180-232.

[8]鄭蘭菊.單片機(jī)課程中單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究[J].中國(guó)電力教育,2011,

(22):111-112.

[9]石愛(ài)平,杜玉杰.高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(1):84-85.

（責(zé)任編輯：孫晴）