面向新工科的綜合實(shí)訓(xùn)車開發(fā)

陳新兵 龍曉莉 謝斌盛 胡維

摘? 要 針對(duì)電工電子實(shí)習(xí)教學(xué)工程案例的不足，開發(fā)面向新工科的綜合實(shí)訓(xùn)車。整車以尋寶為主題開發(fā)，根據(jù)低年級(jí)學(xué)生特點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，由電源模塊、傳感模塊、主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、車燈控制、藍(lán)牙通信等部分構(gòu)成，融入跨學(xué)科創(chuàng)新要素，并從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件編程、協(xié)同仿真、資源構(gòu)建等方面作了具體介紹。教學(xué)應(yīng)用表明，該車滿足了實(shí)習(xí)教學(xué)與課外創(chuàng)新需求，學(xué)生得到更系統(tǒng)的工程歷練，綜合實(shí)踐與融合創(chuàng)新能力顯著提升。

關(guān)鍵詞 新工科;電工電子實(shí)習(xí);綜合實(shí)訓(xùn)車;Proteus

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）18-0129-04

Development of Comprehensive Training Vehicles for New Engi-

neering//CHEN Xinbing， LONG Xiaoli， XIE Binsheng， HU Wei

Abstract For current teaching project cases can not work well with new engineering construction， comprehensive training vehicles are

developed for electrical and electronics practice. The vehicle is de-signed with treasures hunt as the theme， and composed of power module， sensor module， system board， driver module， lights control， Bluetooth communication， etc. According to the characteristics of

the junior students， interdisciplinary innovation elements are inte-grated progressively in teaching design. Furthermore， how to design

the vehicle is presented in the aspect of the system structure， hard-ware design， software programming， cooperative simulation and

resource construction. The teaching application shows that the vehi-

cle gives students a more systematic engineering experience， signifi-cantly improve their practical innovation ability， meets the needs of practical teaching reform and extracurricular innovation.

Key words new engineering; electrical and electronics practice; comprehensive training vehicle; Proteus

0? 前言

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，需要大批高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。新工科強(qiáng)調(diào)電子控制、信息通信、軟件設(shè)計(jì)、人工智能等跨學(xué)科創(chuàng)新要素與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的融合，拓寬了專業(yè)視野，釋放了創(chuàng)新活力，為實(shí)踐課程教學(xué)改革與新工科人才培養(yǎng)提供了指導(dǎo)[1-2]。

電工電子實(shí)習(xí)是工科專業(yè)低年級(jí)學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，長期以來側(cè)重培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，綜合應(yīng)用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)亟待加強(qiáng)。各高校提出的解決思路中[3-4]，一部分強(qiáng)調(diào)課外創(chuàng)新，課堂教學(xué)仍以傳統(tǒng)案例支撐，融入創(chuàng)新要素困難，難以帶動(dòng)課外創(chuàng)新;一部分缺乏系統(tǒng)級(jí)工程案例統(tǒng)領(lǐng)以形成分層次課堂，有違普及教育初衷，無法承載新工科建設(shè)重任。

廣州大學(xué)在探索電工電子實(shí)習(xí)建設(shè)新工科示范課程的過程中，以系統(tǒng)級(jí)工程案例構(gòu)建為突破口，統(tǒng)籌考慮實(shí)習(xí)教學(xué)對(duì)后續(xù)課程與課外創(chuàng)新的支撐，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣與降低課外創(chuàng)新門檻的設(shè)計(jì)，鞏固基本電子技術(shù)與普及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，開發(fā)了實(shí)訓(xùn)教學(xué)車，立足實(shí)習(xí)教學(xué)，面向課外創(chuàng)新，探索在課堂學(xué)時(shí)有限的條件下進(jìn)行新工科復(fù)合式人才培養(yǎng)。

1? 實(shí)訓(xùn)車開發(fā)

電子控制系統(tǒng)是信息科技產(chǎn)業(yè)與其他行業(yè)自動(dòng)化裝備的核心，作為電工電子技術(shù)的綜合應(yīng)用，在新工科人才培養(yǎng)中占有重要地位。智能車是典型的電子控制系統(tǒng)，包含輸入傳感器、微控制器核心與輸出執(zhí)行器三個(gè)基本環(huán)節(jié)，擴(kuò)展性強(qiáng)、創(chuàng)新元素多，是創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是全國智能汽車競賽、機(jī)器人大賽、全國電子設(shè)計(jì)大賽與挑戰(zhàn)杯的熱門主題[5]，廣受師生歡迎，成為實(shí)踐創(chuàng)新入門訓(xùn)練的理想題材。實(shí)習(xí)課程組根據(jù)新工科建設(shè)需求，采用科技競賽成果轉(zhuǎn)化的方式，為電工電子實(shí)習(xí)開發(fā)了綜合實(shí)訓(xùn)車。下面從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、容錯(cuò)設(shè)計(jì)、軟件編程、協(xié)同仿真、資源建設(shè)五個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1.1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)訓(xùn)車以尋寶為主題設(shè)計(jì)，尋寶成功時(shí)以聲光示意，沿規(guī)劃路徑抵達(dá)終點(diǎn)后自動(dòng)停車，并發(fā)送比賽數(shù)據(jù)到裁判端。整車使用四驅(qū)差速底盤，有位置、速度與尋寶三個(gè)子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)見圖1。其中位置控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)導(dǎo)航，引導(dǎo)實(shí)訓(xùn)車沿規(guī)劃路徑行進(jìn)，由循跡傳感、微控制器、驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)與光隔電路組成。速度控制系統(tǒng)確保實(shí)訓(xùn)車快速平穩(wěn)行駛，由電池電壓檢測(cè)、微控制器、驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)與光隔電路組成。尋寶控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)探測(cè)路面特定標(biāo)識(shí)，實(shí)時(shí)發(fā)出聲光提示，并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通信發(fā)至裁判端，由光電傳感、微控制器、蜂鳴電路與通信電路組成。主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的指揮控制核心，圖1中以灰底標(biāo)示，由微控制器、光隔、ISP編程口、電池電壓采集、調(diào)試按鍵、LED指示燈、蜂鳴電路與保護(hù)電路構(gòu)成，為后續(xù)創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)預(yù)留了接口，決定了整個(gè)系統(tǒng)的功能、可靠性與拓展性。

1.2? 模塊化設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)車硬件采用模塊化設(shè)計(jì)方案，由電源模塊、傳感模塊、主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、車燈控制、藍(lán)牙通信、OLED顯示、軟件編程與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等部分構(gòu)成，各模塊間采用杜邦線進(jìn)行電氣連接，如圖2所示。

綜合實(shí)訓(xùn)車，承載電子工藝實(shí)訓(xùn)、電子控制系統(tǒng)普及、電子技術(shù)典型應(yīng)用與創(chuàng)新入門教育四項(xiàng)職能，課程組據(jù)此重組教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化知識(shí)結(jié)構(gòu)，融合創(chuàng)新元素，統(tǒng)籌完成各個(gè)電路模塊的開發(fā)。每個(gè)電路模塊皆采用常見芯片設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)1～2項(xiàng)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，達(dá)成工程能力培養(yǎng)目標(biāo)，具體見表1。

1.3? 軟件編程

實(shí)訓(xùn)車軟件編程有循跡、尋寶與恒速三大任務(wù)，其中恒速采用前饋控制方法，跑車過程中單片機(jī)不斷檢測(cè)電池電壓，據(jù)此實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PWM輸出占空比，使電機(jī)端電壓為常數(shù)Vmo，確保電池電量下降時(shí)整車穩(wěn)態(tài)速度基本不變。其中Vmo決定穩(wěn)態(tài)車速，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試情況確定最佳速度，確保車跑得又快又穩(wěn)。

循跡任務(wù)與尋寶任務(wù)，共用車頭安裝的四路光電傳感器檢測(cè)路面元素，傳感器呈線陣排列。傳感器遇到黑色時(shí)輸出0，四路傳感存在16種檢測(cè)結(jié)果，其中起跑線為1001、終點(diǎn)為0000、出界為1111、直行遇寶為0101或1010;

其他為循跡模式，引導(dǎo)實(shí)訓(xùn)車從起點(diǎn)出發(fā)，沿眼鏡型黑色導(dǎo)航線跑完全程，在終點(diǎn)停車。跑道見圖3。

軟件流程見圖4。微控制器須依次完成初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、特征辨識(shí)、分類決策等一系列工作，具體編程仿真在Proteus虛擬環(huán)境下進(jìn)行，成功后下載到實(shí)訓(xùn)車，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。程序執(zhí)行時(shí)，單片機(jī)通過循跡傳感器檢測(cè)車頭在跑道的相對(duì)位置，輸出相應(yīng)的啟停、調(diào)速、轉(zhuǎn)彎信號(hào)，控制電機(jī)執(zhí)行循跡任務(wù);檢測(cè)到跑道兩側(cè)的塊狀寶物時(shí)進(jìn)入探寶模式，發(fā)出聲光提示信號(hào)，并繼續(xù)前進(jìn)尋寶，直至到達(dá)終點(diǎn)自動(dòng)停車;停車后將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送到裁判端，尋寶越多而耗時(shí)越短者獲得更好成績。此外，認(rèn)真分析十字路口與終點(diǎn)停車區(qū)異同，正確辨識(shí)二者，控好速度，方能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停車。

1.4? 協(xié)同仿真

實(shí)訓(xùn)車開發(fā)過程中引入Proteus軟硬件協(xié)同仿真技術(shù)，所有電路模塊的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、仿真與測(cè)試，皆在Proteus虛擬環(huán)境下完成，提高了開發(fā)效率[6]。其中循跡控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心，確保實(shí)訓(xùn)車沿規(guī)劃路徑行駛，由循跡傳感輸入、電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出、微控制器及其程序構(gòu)成，軟硬件協(xié)同仿真效果見圖5。

圖5是車頭右偏時(shí)的仿真效果，此時(shí)左轉(zhuǎn)燈D17亮，左輪電機(jī)M1、M3后退，右輪電機(jī)M2、M4保持前進(jìn)狀態(tài)，二者轉(zhuǎn)速相等，車輛實(shí)現(xiàn)原地左轉(zhuǎn)，直至方向校正完成。具體執(zhí)行過程為：四路循跡傳感輸入K1-K4=0111，說明路線在車頭左側(cè)，單片機(jī)感知后由PB0引腳輸出高電平信號(hào)，經(jīng)光耦U5隔離放大后，觸發(fā)一系列動(dòng)作，即三極管Q3開啟→繼電器RL2線圈通電→常開觸點(diǎn)閉合→電機(jī)M1、M3反轉(zhuǎn)→車輛原地左轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速則由PB1輸出的PWM占空比調(diào)節(jié)。這種軟硬件協(xié)同仿真開發(fā)方法，已通過課件與例程等資源向?qū)W生普及，提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

1.5? 資源建設(shè)

課程組以智能車/機(jī)器人設(shè)計(jì)為主線，重組教學(xué)內(nèi)容，逐步融入跨學(xué)科創(chuàng)新元素，開發(fā)了系列實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，形成基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)、專題培訓(xùn)與跨學(xué)科賽事等三個(gè)層次的教學(xué)資源，通過MOOC在線平臺(tái)共享，滿足不同專業(yè)年級(jí)學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)的需要，持續(xù)提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1.5.1? 基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)資源? 涉及實(shí)訓(xùn)車硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試，重在通過電子工藝訓(xùn)練普及電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力與硬件系統(tǒng)開發(fā)能力，滿足實(shí)習(xí)課堂教學(xué)需要。基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)資源包括兩種。

1）教學(xué)課件，包括“實(shí)習(xí)安排：智能車系統(tǒng)認(rèn)知”“萬用板與焊接訓(xùn)練：電源模塊”“PCB板與貼片焊接：尋跡模塊”“電路仿真：車燈模塊”“PCB板設(shè)計(jì)：車燈模塊”“PCB板焊接調(diào)試：車燈模塊”“PCB板設(shè)計(jì)：驅(qū)動(dòng)電路”“整車裝配調(diào)試”。

2）典型環(huán)節(jié)教學(xué)視頻，包括五步焊接法、PCB制作流程、SMT手工貼裝、SMT自動(dòng)貼裝、典型電路調(diào)試、整車裝配聯(lián)調(diào)等。

1.5.2? 專題培訓(xùn)資源? 涉及實(shí)訓(xùn)車軟件編程與擴(kuò)展設(shè)計(jì)，重在通過實(shí)訓(xùn)車的完整實(shí)現(xiàn)普及其他跨學(xué)科創(chuàng)新元素應(yīng)用，提升學(xué)生將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為作品的工程能力，滿足部分專業(yè)課堂教學(xué)與課外實(shí)踐創(chuàng)新的需要，資源包括GPIO&ADC數(shù)據(jù)采集、GPIO開關(guān)控制、PWM電機(jī)控制、循跡尋寶算法、藍(lán)牙通信、智能車整機(jī)聯(lián)調(diào)、OLED顯示、藍(lán)牙物聯(lián)APP開發(fā)、固定支架設(shè)計(jì)、3D打印、人工智能應(yīng)用等例程與課件。

1.5.3? 跨學(xué)科賽事資源? 涉及為智能硬件相關(guān)賽事創(chuàng)設(shè)的系列創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，重在指導(dǎo)學(xué)生以實(shí)訓(xùn)車為基礎(chǔ)，課外進(jìn)行創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)，備戰(zhàn)中國機(jī)器人大賽等跨學(xué)科賽事，提升學(xué)生的多元協(xié)同融合創(chuàng)新能力，檢驗(yàn)師生課賽結(jié)合協(xié)同發(fā)展的階段成果。

2? 應(yīng)用效果

廣州大學(xué)電子實(shí)習(xí)中心承擔(dān)全校13個(gè)專業(yè)的電工電子實(shí)習(xí)教學(xué)任務(wù)，經(jīng)過三年的完善，第二代實(shí)訓(xùn)車已用于電子、光電、電信、物聯(lián)、電氣、自動(dòng)化、通信等專業(yè)的實(shí)習(xí)教學(xué)，為實(shí)習(xí)提供了系統(tǒng)級(jí)工程案例、系列實(shí)習(xí)項(xiàng)目、優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源、多學(xué)科融合創(chuàng)新元素、較復(fù)雜工程問題與課外創(chuàng)新平臺(tái)，滿足了實(shí)習(xí)教學(xué)的需求，成為新工科課程建設(shè)以及課賽協(xié)同發(fā)展路徑的基石。實(shí)習(xí)采用停課一周集中實(shí)踐的教學(xué)方式，大一下學(xué)期或大二上學(xué)期開課，學(xué)生兩人一組，課堂合作完成實(shí)訓(xùn)車硬件設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試與循跡，課外編程實(shí)現(xiàn)尋寶任務(wù);在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)，參加校內(nèi)選拔挑戰(zhàn)賽，引領(lǐng)跨學(xué)科科技活動(dòng)，現(xiàn)已成為學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)的練兵場(chǎng)與孵化地，如圖6所示。

通過綜合實(shí)訓(xùn)車，實(shí)習(xí)中心現(xiàn)已建成以實(shí)習(xí)為起點(diǎn)，涵蓋跨學(xué)科賽事及其課外培訓(xùn)的校級(jí)創(chuàng)客平臺(tái)，施行半開放管理制度，成立了智能車協(xié)會(huì)協(xié)助開放管理和課外培訓(xùn)，形成了課賽訓(xùn)結(jié)合的持續(xù)培養(yǎng)模式。近三年組織學(xué)生參賽獲省級(jí)以上大獎(jiǎng)70余項(xiàng)，在創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、培養(yǎng)科研興趣、多學(xué)科融合創(chuàng)新、營造科創(chuàng)氛圍等方面取得顯著成效，經(jīng)過歷練的學(xué)生的工程實(shí)踐能力、持續(xù)發(fā)展能力與創(chuàng)新應(yīng)用能力普遍提升，有力支撐了后續(xù)的課程設(shè)計(jì)、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與課外科創(chuàng)活動(dòng)，并于2019年助力廣州大學(xué)成為廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育示范學(xué)校。

3? 結(jié)語

根據(jù)新工科理念開發(fā)的實(shí)訓(xùn)車，立足實(shí)習(xí)，面向課外創(chuàng)新，形成了課賽協(xié)同發(fā)展的創(chuàng)客平臺(tái)，普遍提升了廣州大學(xué)學(xué)生的工程實(shí)踐能力與融合創(chuàng)新能力，成為省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺(tái)的重要支撐，為其他高校建設(shè)新工科課程提供了參考案例?！?/p>

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