總線技術(shù)開(kāi)放式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

崔建峰，靳 鴻，劉長(zhǎng)明

（中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原030051）

0 引言

總線技術(shù)是工業(yè)智能系統(tǒng)采集、控制實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程通訊基礎(chǔ)，是現(xiàn)在與未來(lái)工業(yè)裝置數(shù)字化、快速化、靈活化的關(guān)鍵技術(shù)之一［1～3］，因此“總線技術(shù)與應(yīng)用”是電氣工程、自動(dòng)化等相關(guān)專(zhuān)業(yè)均開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)課程。同時(shí)，“總線技術(shù)與應(yīng)用”也是一門(mén)實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣、技術(shù)更新快的課程，其實(shí)踐教學(xué)效果直接影響到學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量及社會(huì)對(duì)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)同評(píng)價(jià)［4～6］。

然而，總線課程相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)卻一直沒(méi)有得到廣泛關(guān)注與充分研制。目前，市場(chǎng)上與總線課程相關(guān)的完整實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司開(kāi)發(fā)的CANOpen EDALab教學(xué)科研平臺(tái)［7］；除此之外，由于物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些以“嵌入式系統(tǒng)+無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)”為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［8］。這些產(chǎn)品對(duì)于學(xué)生提高總線產(chǎn)品與相關(guān)技術(shù)的認(rèn)知具有較好的教學(xué)效果，但用于總線技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)及本科創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)卻存在總線教學(xué)形式單一、教學(xué)內(nèi)容偏復(fù)雜、內(nèi)部設(shè)計(jì)封閉、教學(xué)應(yīng)用不充分、成本較高等不足之處。因此，一些高校在教學(xué)上已選擇自制總線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)［9～12］，但相應(yīng)的平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上側(cè)重于某一類(lèi)總線，不便于學(xué)生對(duì)比理解不同總線的優(yōu)缺點(diǎn)。

因此，針對(duì)上述問(wèn)題，我校課程組結(jié)合多年從事總線技術(shù)教學(xué)與相關(guān)科研工作的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，自主研制了一種面向“總線技術(shù)與應(yīng)用”課程的開(kāi)放式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以獲得更好的總線技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，同時(shí)為學(xué)生課外實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)服務(wù)。

1 總體設(shè)計(jì)

總線技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用開(kāi)放式、模塊化、可擴(kuò)展原則進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)采用三層分布式結(jié)構(gòu)，其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體架構(gòu)

其中上層由PC機(jī)或工控機(jī)構(gòu)成，中間層由嵌入式主節(jié)點(diǎn)組成，底層則為嵌入式從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的測(cè)控智能單元。嵌入式主節(jié)點(diǎn)與嵌入式從節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一的硬件設(shè)計(jì)，并以“主1從3”的形式組合構(gòu)成實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)。上層PC/工控機(jī)通過(guò)USB協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)的總線連接，可以支持“LabVIEW軟件應(yīng)用”、“Visual C++編程設(shè)計(jì)”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)各總線節(jié)點(diǎn)硬件組成全部開(kāi)放，統(tǒng)一固定安裝在多孔網(wǎng)板上，各總線節(jié)點(diǎn)之間連線均布置于多孔網(wǎng)板前面板上。

總線技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心部件是各總線節(jié)點(diǎn)。對(duì)于單一的總線節(jié)點(diǎn)，將采取子母板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。母板設(shè)計(jì)成緊湊的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，也稱(chēng)為基板。子板根據(jù)不同的總線實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果通過(guò)統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計(jì)成不同功能的功能板。兩者之間通過(guò)層疊插裝的形式進(jìn)行連接。當(dāng)進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需進(jìn)行相應(yīng)功能總線子板的更換。而對(duì)于基板而言，當(dāng)技術(shù)發(fā)展需要采取新的硬件器件時(shí)，可以?xún)H更換基板，達(dá)到整體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)性能升級(jí)的目的。

總線技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下屬總線節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與接口采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。一方面在使用過(guò)程中，便于根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行快速更換；另一方面，對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的維護(hù)而言也增加便捷性，當(dāng)其中某個(gè)總線節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，可以通過(guò)更換備用總線節(jié)點(diǎn)或功能模塊組件進(jìn)行迅速修復(fù)。另外，由于總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部接口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，總線技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以很方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展及節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展。如增加相應(yīng)總線接口的測(cè)試與控制模塊節(jié)點(diǎn)，就可以針對(duì)控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行應(yīng)用。學(xué)生也可以自制規(guī)范接口的節(jié)點(diǎn)模塊，與整個(gè)總線系統(tǒng)相連，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，從而支撐本科創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)需求。

2 單一節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 核心單片機(jī)選型

總線技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)核心單片機(jī)選型即要結(jié)合課程教學(xué)目的，又要結(jié)合當(dāng)今工業(yè)需求。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠?qū)ο嚓P(guān)知識(shí)點(diǎn)快速理解，進(jìn)入社會(huì)后又能直接利用所學(xué)知識(shí)開(kāi)展設(shè)計(jì)研制工作。因此，所采用的單片機(jī)應(yīng)該具有清晰的架構(gòu)、充足的片上資源以及豐富的學(xué)習(xí)資源。

ARM單片機(jī)是以ARM處理器為核心的一種單片微型計(jì)算機(jī)，是近年來(lái)隨著電子設(shè)備智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度不斷提高而出現(xiàn)的新興產(chǎn)物。ARM單片機(jī)以其低功耗和高性?xún)r(jià)比的優(yōu)勢(shì)成為了現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中主流產(chǎn)品，被廣泛地應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制、智能測(cè)試等諸多領(lǐng)域。ARM單片機(jī)由于同一架構(gòu)設(shè)計(jì)一致性佳、不同架構(gòu)設(shè)計(jì)兼容性好，因此所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有良好的可移植性。而且，ARM單片機(jī)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源豐富，更易于學(xué)生課下消化理解。因此，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以意法半導(dǎo)體公司的STM32F407型ARM單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。STM32F407具有32位高性能ARM Cortex-M4內(nèi)核，時(shí)鐘高達(dá)168MHz，支持FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算）和DSP指令，通信接口多達(dá)17個(gè)，能夠滿(mǎn)足單一節(jié)點(diǎn)的多功能需求。

2.2 基板設(shè)計(jì)

基板（母板）設(shè)計(jì)原則為：無(wú)子板時(shí)自成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、有子板時(shí)充分支撐總線子板功能。因此，基板設(shè)計(jì)與規(guī)劃是整個(gè)單一節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。基板采用如圖2所示的布局方案。

圖2 基板布局方案示意圖

其中參照常規(guī)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的功能組成進(jìn)行基板功能設(shè)計(jì)：在基板上實(shí)現(xiàn)了三色流水燈、單總線溫度傳感、ADC可變電阻、4位LED數(shù)碼管、蜂鳴器、四向按鍵等功能，可支撐單片機(jī)技術(shù)相關(guān)課程的基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，進(jìn)行了SRAM、EEPROM、Flash資源擴(kuò)展，并實(shí)現(xiàn)了LED顯示屏接口，可支撐嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。另外，基板上設(shè)計(jì)了Zigbee、Wifi標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展模塊接口；通過(guò)外接標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)模塊，如樂(lè)鑫ESP8266模塊，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)課程的教學(xué)應(yīng)用。

基板在設(shè)計(jì)中要將盡可能多的IO資源留給子板擴(kuò)展接口，以便充分支撐總線子板功能。同時(shí)，為了便于后續(xù)基板升級(jí)，對(duì)連接器引腳進(jìn)行了功能分區(qū)，如CAN接口功能區(qū)，以太網(wǎng)接口功能區(qū)。通過(guò)固定分區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)子板連接標(biāo)準(zhǔn)化。

2.3 子板設(shè)計(jì)

子板設(shè)計(jì)原則為：具有較好的抗干擾能力，并盡可能按照工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由于總線功能子板是課程實(shí)驗(yàn)的主要對(duì)象，學(xué)生操作頻繁，容易引入干擾，從而影響基板正常工作，嚴(yán)重情況下甚至可能使基板主要芯片損壞，因此需要進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。另外，為了讓學(xué)生對(duì)常規(guī)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)具有較為清晰的認(rèn)知，因此，子板設(shè)計(jì)需要盡可能按照工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

以所開(kāi)發(fā)的CAN功能子板為例對(duì)子板設(shè)計(jì)原則進(jìn)行說(shuō)明，其主要電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 CAN功能子板主體電路原理圖

其中對(duì)CAN接口進(jìn)行了電源隔離、光耦隔離及TVS靜電防護(hù)，基本接近常規(guī)CAN接口防護(hù)設(shè)計(jì)。另外，CAN功能子板共設(shè)計(jì)了兩路CAN，通過(guò)合理組合，可以構(gòu)成自環(huán)路測(cè)試、主備CAN功能，便于學(xué)生開(kāi)展單節(jié)點(diǎn)測(cè)試及創(chuàng)新實(shí)踐。

除CAN功能子板以外，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還進(jìn)行了RS485等總線功能子板的設(shè)計(jì)。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)

總線技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要用于本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，也可用于研究生或教師從事總線系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用等方面的研究。所研制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖4所示。

圖4 總線技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

目前，基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)類(lèi)實(shí)驗(yàn)13種，嵌入式操作系統(tǒng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)4種，總線類(lèi)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)2種。其中總線類(lèi)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)已用于我校電氣工程與智能控制專(zhuān)業(yè)“總線技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)中，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

以CAN總線教學(xué)實(shí)驗(yàn)（教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示）為例，為了使學(xué)生對(duì)CAN總線系統(tǒng)有一個(gè)較為全面的認(rèn)知，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中完成以下步驟：

圖5 CAN總線教學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

（1）對(duì)單一節(jié)點(diǎn)示例程序繪制程序流程圖，并修改程序中節(jié)點(diǎn)地址、波特率等接口參數(shù)，編譯后下載程序。從而使學(xué)生熟悉單一節(jié)點(diǎn)所涉及的總線參數(shù)與程序編寫(xiě)思路。

（2）對(duì)總線系統(tǒng)進(jìn)行裝配連接。從而使學(xué)生熟悉總線系統(tǒng)物理層設(shè)計(jì)與應(yīng)用注意事項(xiàng)。

（3）聯(lián)調(diào)整個(gè)總線系統(tǒng)，使之正常通訊并實(shí)現(xiàn)指定的測(cè)試與控制功能，并通過(guò)示波器與相應(yīng)總線分析儀觀察通訊波形與通訊流程。從而使學(xué)生熟悉總線系統(tǒng)通訊物理波形及通訊流程設(shè)計(jì)。

（4）調(diào)整總線參數(shù)，觀察這些參數(shù)對(duì)總線系統(tǒng)的影響，如將通訊速率不斷提高，觀察什么速率情況下總線系統(tǒng)功能失效，并分析失效機(jī)理。從而使學(xué)生理解總線參數(shù)設(shè)計(jì)的機(jī)理與重要性。

（5）完成上述試驗(yàn)后，思考需要哪些電子元器件使系統(tǒng)正常工作，并對(duì)硬件成本進(jìn)行估算。從而使學(xué)生理解實(shí)現(xiàn)總線系統(tǒng)所需要的硬件成本，以便學(xué)生制定合理的總線系統(tǒng)方案。

通過(guò)上述教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生在一種開(kāi)放式的應(yīng)用環(huán)境下對(duì)實(shí)驗(yàn)所涉及到的總線技術(shù)進(jìn)行全面的理解。另外，由于總線技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)放性設(shè)計(jì)與可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)間可構(gòu)成一個(gè)更大的總線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合上位機(jī)測(cè)控軟件設(shè)計(jì)，可使實(shí)驗(yàn)更能貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，從而讓學(xué)生對(duì)總線技術(shù)的優(yōu)劣具有更為清晰的認(rèn)知。

4 教學(xué)效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)教學(xué)效果的改善情況，通過(guò)對(duì)授課班級(jí)進(jìn)行網(wǎng)上問(wèn)卷調(diào)查，對(duì)比了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入前后電氣工程與智能控制專(zhuān)業(yè)授課班級(jí)主觀課程目標(biāo)達(dá)成情況，調(diào)查結(jié)果如表2所示：

表2 課程目標(biāo)達(dá)成情況

通過(guò)表中數(shù)據(jù)可以看出，由于自主研制教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的引入，教學(xué)效果得到了較大的改善與學(xué)生認(rèn)同。但課程目標(biāo)總達(dá)成度仍有些偏低，后續(xù)還需通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，提升課程教學(xué)質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

總線技術(shù)是電氣工程、自動(dòng)化等相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生需要掌握的主要知識(shí)之一。通過(guò)開(kāi)放性、模塊化、可擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合目前總線技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)設(shè)計(jì)了總線技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并據(jù)此進(jìn)行了相關(guān)的教學(xué)設(shè)計(jì)。后續(xù)課程組將通過(guò)教學(xué)實(shí)踐進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、豐富功能子板、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握總線技術(shù)相關(guān)的知識(shí)和技能。