《测控总线与仪器通信技术》实验教学研究

王泉德，王先培（武汉大学电子信息学院，湖北 武汉430079）

在信息技术高速发展的今天，自动化技术、自动测试技术已经与计算机技术、通信技术融为一体，传统的自动化系统与自动测试系统的体系结构、实现方法发生了根本性变化。基地集中式局部自动化的监测控制系统已经被以通信技术为核心的分散综合自动监测控制系统所取代，自动测试系统也由单点测试系统发展到以总线技术为基础的多点测试计量的虚拟仪器系统和以总线技术与网络技术为基础的网络化虚拟仪器系统。《测控总线与仪器通信技术》课程内容包括片内总线通信技术、片间总线通信技术、内总线通信技术、系统总线通信技术、标准总线通信技术、现场总线通信技术、网络通信技术、仪器通信技术以及无线通信技术等。进行该课程教学时，需要充分考虑测控技术与仪器专业的特点和知识结构，以便将将先进测控总线与仪器通信技术介绍给测控技术与仪器、自动化、机电一体化等专业的学生。为此，笔者根据多年教学实践，对 《测控总线与仪器通信技术》实验教学进行了研究。

1 实验教学内容的选择

《测控总线与仪器通信技术》课程涉及到的总线和通信技术较多，如果实验教学内容涵盖所有相关内容，则会占用过多的实验课时，也给实验设备的研发带来困难。为此，需要研究教材内容，挑选具有代表性的总线与仪器通信技术，在此基础上合理设计实验内容和实验装置，使学生通过主流知识和技术的学习实践，对应用于特定领域和环境下的其他总线和通信技术也能触类旁通。

控制器局域网络(Controller Area Network，CAN）是应用最广泛的现场总线之一，由德国BOSCH公司开发并最终成为国际标准。近年来，CAN总线以其高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度高、电磁辐射强和振动大的工业环境。为此，笔者选取具有代表性的CAN总线的相关技术，并融合简单接口通信技术、无线通信技术，设计层层递进的实验教学内容：

1）简单接口通信实验。通过该实验让学生掌握串口通信等简单通信技术以及各种通信连接方式。

2）CAN总线通信实验。通过该实验让学生掌握CAN总线通信技术，并能在CAN总线上构建各种连接方式的多点通信系统。

3）集成无线通信模块的CAN总线通信实验。通过该实验让学生掌握无线通信技术及其构建CAN总线多点通信网络的方法。

4）创新型实验。以生产实践为应用背景，构建以CAN总线为核心的多点通信网络，实现一个实时数据采集或测控系统。

2 实验教学设备的研制

根据选择的实验教学内容进行实验装置的研制。采用台湾宏晶公司出产的STC系列STC89C52单片机来开发通信节点。由于STC系列单片机不需要配备ISP电路，可以通过内嵌一段代码来实现串口下载，因而其串口不但可以通信，而且可以用来实现程序下载，学生只需要连上PC的串口就可以自由下载自己所编程序。此外，采用Philips公司出产的符合CAN2.0A通信协议的SJA1000作为实验装置的CAN控制器，SJA1000相对比较简单，资料丰富，可以让学生快速入门。该实验装置中几个主要部件的设计如下。

2.1 CAN通讯模块的电路设计

CAN通讯模块的电路设计如图1所示。该电路主要包括如下3部分：①与CPU的接口。可将SJA1000看作STC89C52单片机的一个外部RAM，设计相应的扩展电路即可，并选择Intel模式连接单片机。SJA1000的数据线和地址线是共用的，STC89C52的数据线和地址线也是共用的，直接进行连接即可，但需要连接地址锁存信号ALE以区分AD线上传输的是地址还是数据。SJA1000的中断管脚连接单片机的INT1外部中断，当接收到数据包后，通知STC89C52进行处理。此外，还需要为SJA1000添加片选信号和读写信号。②CAN控制器SJA1000与驱动器82C250接口及其他外围电路。SJA1000有2路发送和接收管脚，选取其中1组即可，直接与82C250的数据接收和发送管脚进行连接。③82C250外围电路。在CANH和CANL管脚增加阻容电路，滤除总线上的干扰以提高系统稳定性。RS管脚可以用来选择82C250的工作模式，即高速模式(应用与对数据传输速率高的情况，通讯数据线最好是屏蔽的）、斜率模式(速度较低，通讯数据线可以是普通的双绞线）、准备模式(应用于对功耗要求比较高的场合）。

图1 CAN通讯模块电路设计

2.2 无线通信模块设计

无线通信模块基于nRF2401单片射频收发芯片开发，其电路设计如图2所示。nRF2401工作于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，具有多种低功率工作模式，节能设计更方便。由于使用DuoCeiverTM技术，nRF2401可以使用同一天线同时接收2个不同频道的数据。

根据研制的实验装置可以开设如下实验。

1）232、485 串口通信和程序下载实验。通过该实验能让学生熟悉实验装置的使用并掌握简单接口通信技术。

2）CAN总线通信协议验证实验。通过该实验可完成数据发送和接受通信节点的编程并下载验证，从而实现节点间的数据收发。

3）CAN总线组网通信实验。通过该实验可实现3个及3个以上节点间的数据收发，学生通过完成数据发送和接受通信节点的编程并下载验证，可以掌握基于CAN总线通信的多节点组网通信技术。

4）CAN总线无线通信实验。通过该实验可实现3个及3个以上节点间的无线数据收发，学生通过完成数据发送和接受通信节点的编程并下载验证，可以掌握基于CAN总线通信的多节点无线组网通信技术。

图2 无线通信模块电路设计

5）基于CAN总线构建多传感器数据采集系统实验。该实验通过多个节点采集不同压力、温度、红外灯传感器信号，进行相关的数据预处理并提交给中心节点集中进行管理。学生通过完成各传感器信号采集节点和中心节点的编程并下载验证，可以掌握多传感器数据采集系统的原理和构建方法。

6）基于CAN总线构建简单的测控系统实验。该实验通过多个节点采集不同压力、温度、红外灯传感器信号，进行相关的数据预处理并提交给控制节点处理，控制节点根据所接收的信息完成相应的控制操作。学生通过完成各传感器信号采集节点和控制节点的编程并下载验证，可以掌握实时测控系统的原理和构建方法。

3 结 语

测控总线与仪器通信技术是电子、仪器类本科生必须重点掌握的知识和技术之一。笔者在分析 《测控总线与仪器通信技术》课程的基础上，结合目前该领域技术发展现状和趋势设计了相应的实验装置，并据此设置了相关的实验内容，为 《测控总线与仪器通信技术》课程的实验教学服务。下一步的工作重点是通过教学实践进一步完善实验装置，调整试验内容，从而激发学生的学习兴趣，使学生更好地掌握测控总线与仪器通信技术的相关知识和技能。