自主便攜式移動試驗裝置開發(fā)

徐　林，馮　碩，熊　濤，黃少杰

(東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

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自主便攜式移動試驗裝置開發(fā)

徐林，馮碩，熊濤，黃少杰

(東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

摘要：根據(jù)高等工程教育專業(yè)認(rèn)證對學(xué)生工程實踐能力的要求，提出并實施“上下互補、虛實結(jié)合、學(xué)研互動”的實踐教學(xué)模式，以自動化專業(yè)工程型人才培養(yǎng)為背景，基于FPGA，設(shè)計開發(fā)了集“一體、便攜、自主”于一身的體積小、重量輕、需要外部資源少、便于攜帶的計算機控制系統(tǒng)試驗裝置。教學(xué)實踐表明，所提出的實踐教學(xué)模式和開發(fā)的試驗裝置，能夠確保學(xué)生及時鞏固和加強理論基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提高工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：工程實踐能力；移動試驗裝置；控制系統(tǒng)；FPGA

1引言

工科人才的能力提升一直是世界高等工程教育所追逐的永恒主題，高等工程教育專業(yè)認(rèn)證也對工程實踐能力做出了明確的要求。但是，由于教學(xué)理念、教學(xué)手段和考核方法不完善，直接導(dǎo)致一些注重實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的課程教學(xué)質(zhì)量達(dá)不到預(yù)期效果，導(dǎo)致培養(yǎng)的人才實踐能力不強，不能滿足社會、行業(yè)企業(yè)對工程型人才培養(yǎng)的需求。同時，先進(jìn)、科學(xué)和有效的試驗設(shè)備和試驗裝置作為直接影響學(xué)生實踐能力培養(yǎng)的主要因素之一，對學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有積極的推動作用。

目前，國內(nèi)高校計算機控制類課程試驗教學(xué)中使用的試驗裝置基本上是固定裝置，存在場地固定、功能單一、數(shù)量有限等缺點，即使有可移動的試驗裝置，也多存在成本高、體積大、功能擴展性不強等問題，無法滿足新時期課程改革的需要，直接影響課程教學(xué)質(zhì)量。因此，需要開發(fā)一類集“一體、便攜、自主”于一身的體積小、重量輕、需要外部資源少、便于攜帶的計算機控制類試驗裝置，來規(guī)避上述問題，以期達(dá)到使學(xué)生及時鞏固和加強理論基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提高解決工程問題的能力等目的。

本文以計算機控制類課程為背景，面向高等工程教育專業(yè)認(rèn)證對學(xué)生工程實踐能力的要求，適應(yīng)計算機控制類課程的教學(xué)方法的靈活性需求，通過研究并實施“上下互補、虛實結(jié)合、學(xué)研互動”的實踐教學(xué)模式，設(shè)計開發(fā)了一類“功能一體化、使用移動化”的自主便攜式移動試驗裝置，由于具有使用場地不受限的特點，被師生稱為“移動實驗室”。同時，在設(shè)計開發(fā)移動試驗裝置的過程中，廣泛吸收學(xué)生參與其中，使參與工作的教師和學(xué)生都能通過移動實驗室的開發(fā)，鍛煉發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，切實提高實踐能力、創(chuàng)新能力和教學(xué)水平。

教學(xué)實踐表明，移動實驗室的開發(fā)，使學(xué)生在教學(xué)過程中能夠充分感受到教學(xué)過程帶來的樂趣，增加學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣，使學(xué)習(xí)更加輕松、更有成效，對學(xué)生實踐能力的提升具有明顯的效果。

2“上下互補、虛實結(jié)合、學(xué)研互動”實踐教學(xué)模式研究

為了充分體現(xiàn)移動實驗室的優(yōu)勢，提出了“上下互補、虛實結(jié)合、學(xué)研互動”的實踐教學(xué)模式。

(1)上下互補

“上下互補”指的是課上課下互補。在課堂上，教師利用移動實驗室輔助理論教學(xué)，邊講課邊驗證，變枯燥為生動、變抽象為形象，不僅可以活躍課堂氣氛，更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在課堂下，學(xué)生們可以在任何地方完成自己感興趣的試驗或一起探討研究，有效拓展了學(xué)習(xí)空間和學(xué)習(xí)地點。

(2)虛實結(jié)合

學(xué)生先利用各種虛擬仿真軟件在計算機上完成仿真設(shè)計，再動手進(jìn)行硬件系統(tǒng)試驗，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。虛擬仿真和實際動手的有機結(jié)合和互動，能夠有效調(diào)動學(xué)生參與課程試驗教學(xué)的主動性和積極性，提高試驗教學(xué)質(zhì)量。

(3)學(xué)研互動

在移動實驗室開發(fā)過程中，組織部分優(yōu)秀學(xué)生參加裝置的設(shè)計、試驗項目的驗證，可以有效提高學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。.

3基于FPGA的自主便攜式試驗裝置設(shè)計

目前，計算機控制類課程的試驗教學(xué)系統(tǒng)主要有兩種類型，或是基于DCS、PLC，或是基于單片機或DSP。前者雖然功能強大、編程靈活，但是由于體積大、成本高，不適于便攜和批量生產(chǎn)；后者雖然價格合理、使用方便，但是建模與控制算法研究方面靈活性差，不易于推廣應(yīng)用。

隨著FPGA(Field Programmable Gate Array)技術(shù)的不斷進(jìn)步，其功能集成度越來越高，通過融合嵌入式微處理器、DSP等技術(shù)實現(xiàn)了可編程系統(tǒng)(SOPC，System on a Programmable Chip)，有效提高了設(shè)計的靈活性、可靠性，集成度大大提高。通過FPGA技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)具有體積小、成本低、資源豐富、編程靈活等特點，同時基于DSP Builder技術(shù)實現(xiàn)了與MATLAB/Simulink無縫連接。

圖1　裝置總體結(jié)構(gòu)

本裝置采用的試驗結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，包括電機控制模塊、溫度控制模塊、控制主板以及上位機應(yīng)用軟件。本裝置選擇電機和溫度裝置作為被控對象，其中電機主要由編碼器和直流電機組成，實現(xiàn)快過程控制；溫度裝置主要由升溫裝置、熱電偶、風(fēng)扇組成，實現(xiàn)慢過程控制。控制主板是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理中心，其中FPGA核心模塊負(fù)責(zé)控制采集模塊、驅(qū)動模塊轉(zhuǎn)換器的接口時序，用于被控對象狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、傳送和控制。采集模塊負(fù)責(zé)對速度信號和溫度信號的采集；驅(qū)動模塊(D/A轉(zhuǎn)換)負(fù)責(zé)將控制器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電壓，輸出給被控對象；USB接口模塊主要負(fù)責(zé)接收上位機的設(shè)定信息以及將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機。上位機應(yīng)用軟件用于進(jìn)行控制參數(shù)、采樣周期的設(shè)定，以及被控量的實時顯示。

FPGA設(shè)計的核心是通過各種設(shè)計輸入方式實現(xiàn)用戶邏輯需求，其內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。本裝置中FPGA主要實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘管理、USB接口邏輯控制、A/D以及D/A時序控制、SPI接口控制、控制器設(shè)計等功能，設(shè)計的關(guān)鍵在于基于DSP Builder技術(shù)的控制器設(shè)計。DSP Builder支持FPGA的整個開發(fā)流程，與MATLAB/Simulink軟件可以實現(xiàn)無縫鏈接，設(shè)計的控制器可以在MATLAB/Simulink中編程驗證，然后再使用Signal Compiler轉(zhuǎn)換成HDL源文件下載到FPGA中使用。

圖2　FPGA內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)

由于實現(xiàn)計算機控制時需要包括PID控制、Smith 預(yù)估控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等模型，這些模型在運行以及被調(diào)用過程都需要建立一個模型庫，并且對模型庫進(jìn)行管理監(jiān)控，使裝置既可以實現(xiàn)本身設(shè)計的程序指令，也可以有效地調(diào)用其它的算法程序，這樣一來，使得裝置功能更全面，更具有時效性。同時，該裝置連接到上位機，可以實時觀察到各種仿真曲線、系統(tǒng)運行狀態(tài)等。

4結(jié)語

根據(jù)上述設(shè)計方案，組織部分師生自主研發(fā)了30套“功能一體化、使用移動化”的自主便攜式的計算機控制系統(tǒng)試驗裝置，該裝置將自動控制理論、現(xiàn)代控制理論與計算機控制系統(tǒng)有機結(jié)合，通過自主設(shè)計控制器、建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、進(jìn)行仿真研究，與實物對象控制過程有機結(jié)合的方式，使學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)到計算機控制的相關(guān)知識進(jìn)行實踐，做到即學(xué)即用、未學(xué)先用，同時也可以利用該試驗裝置對相關(guān)理論、方法和技術(shù)進(jìn)行深入研究，既可以使學(xué)生充分認(rèn)識控制技術(shù)的各個環(huán)節(jié)的作用，還可以將控制理論和控制方法應(yīng)用于實際背景中，可以直觀地評估不同算法、不同參數(shù)對系統(tǒng)的影響。目前，這些裝置已經(jīng)在自動化專業(yè)本科生上課中進(jìn)行了使用，除了課堂教學(xué)外，在期末考試時直接利用該裝置進(jìn)行考試，當(dāng)場給學(xué)生出一個難度較大且平時沒有做過的綜合性試驗題目，95%以上的學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)完成了試驗內(nèi)容，效果非常好。

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[收稿日期]2016-05-11

[作者簡介]徐林(1970—)，男，博士，教授，遼寧省沈陽市人，所學(xué)專業(yè)為自動化。

中圖分類號：TH87

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.023

Development of Portable Autonomous Laboratory Kit

Xu Lin, Feng Shuo, Xiong Tao, Huang Shaojie

(School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning, China)

Abstract：According to the requirement of the Certification of Higher Engineering Education to the students′ engineering practice ability, the practice teaching mode of "up and down complementary, combination of virtual and reality, interaction between Teaching and Science Research" is proposed and implemented. With the background of training the engineering talents of Automation Specialty and based on FPGA, an experimental device for computer control system with small size, light weight, less external resources and easy to carry is designed and developed, which sets "one, portable, independent" in one. Teaching practice shows that the practice teaching mode and experimental device above are able to make sure that the students consolidate and strengthen the theoretical knowledge in time. Students' sense of innovation and innovation ability can be cultivated and engineering practice ability can be improved.

Keywords:engineering practice ability; portable laboratory kit; control system; FPGA