开放式单片机电气控制综合实验教学平台

2012-10-16杨风开徐慧平

中国电力教育 2012年27期

杨风开?徐慧平

摘要：现有单片机实验装置不能为“时间上开放、空间上开放和内容上开放”的实验教学理念提供支撑，为此研制了一套开放式单片机电气控制综合实验教学平台。该实验平台由核心实验电路板、通用实验箱和实验对象三个层次实验装置组合而成。核心实验电路板为实验空间的转移提供了较大的自由度，通用实验箱为实验内容的开放提供了良好的自主性，电气类测量与控制实验对象便于实现面向工程应用的设计性、系统性实验。批量用于实验教学的实践表明，该实验平台为提高学生工程应用能力和创新能力提供了有力的支撑。

关键词：开放式；单片机；电气控制；实验平台

作者简介：杨风开（1964-），男，江西九江人，华中科技大学电气学院，高级工程师；徐慧平（1984-），女，湖北新洲人，华中科技大学电气学院，工程师。（湖北?武汉?430074）

中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）27-0089-02

在单片机实验教学改革的过程中，确定了“时间上开放、空间上开放和内容上开放”的开放式实验教学理念。空间上的开放，就是要让学生既可以在实验室做实验，也可以在寝室等其他地方做实验；内容上开放，就是要提供充分的实验条件，让学生能够自主设计实验内容。时间上的开放基本上属于实验室管理的范畴，空间和内容上的开放，则必须有一定的硬件条件支撑。[1]

基于开放式实验教学理念，开始寻求采购实验教学装置，结果没有找到合适的现成的实验教学装置。现有的单片机实验教学装置，普遍存在三方面的不足：一是实验装置体积较大，造价较高，不适合让学生带回寝室做实验，不能为实验空间的延伸、拓展提供支撑；二是装置上的电路连接基本固定，电路模块较少，不能满足自主设计实验内容的要求，不能为实验内容的开放提供必要的支撑；三是配套的电气测量与控制对象较少，不利于将实验教学与工程实际相结合。[2，3]

针对这一现状，决定自行研制一套开放式单片机电气控制综合实验平台，采用组合式架构，便于学生在寝室做实验，实现空间上的开放；提供充足的接口电路模块，并且可以按照自己设计的电路自行搭接控制信号，便于实验内容的开放；开发出较多的电气测量与控制实验对象，便于将实验教学和电气工程实际相结合，让学生能够设计出完整的基于单片机的电气测量和控制系统，形成系统性的概念，进一步拓展实验内容的开放性。

一、组合式实验教学平台架构

实验教学平台由三个层次实验装置组合而成，其组成架构如图1所示。第一个层次是核心实验电路板（简称核心板），不同核心板上配备不同的CPU，目前已经开发出MCS-51单片机核心板和TMS320LF2407型DSP核心板。第二个层次是通用接口电路实验箱，在实验箱上配备了较为齐全的接口电路模块。第三个层次是各种电气测量和控制实验对象。

通用接口电路实验箱为基本的配置，实验室每个实验台位配一套。核心实验板可以根据实验需要配插到通用实验箱上在实验室做实验，做不同的实验（MCS-51单片机实验或DSP实验），可以配插相应的核心板。核心板的数量远多于实验箱的数量，冗余核心板学生可以借回寝室或拿到其他实验室做实验。电气测量和控制对象有若干种，每种的台（套）数远少于实验箱的数量，学生可以根据需要选择不同的测量控制实验对象，与通用实验箱结合做实验。

二、核心实验板

核心板的基本设计理念是：既具有体积小、造价低、使用方便的特点，又能满足开放性、兼容性实验教学的需要。核心板的电路结构反映了设计理念。

1.核心板的特点

核心板的特点是体积小（印制电路板面积为100×100mm2）、造价较低，不需外接实验电源，连接到电脑的USB接口就可以做实验，便于学生借出实验室进行实验，从而实现实验室空间上的开放。核心板包括CPU及少量接口电路，可以独立完成一定数量的实验，也可以方便地与实验箱或实验对象连接扩展更多的实验。核心板可以提供散件供学生自行焊接安装，并可以根据学生需要有条件地发给学生。

2.MCS-51核心板结构

MCS-51核心实验板电路结构如图2所示，包括SST89E58RD型MCS-51系列单片机，USB和RS232串行通讯接口，发光二极管、LED数码管、按键、A/D和D/A转换器件等。为减小印刷电路板面积，核心实验板上的数码管采用动态显示方法，A/D和D/A转换均选用串行接口器件。[4]

核心实验板可以采用USB接口自带的+5V电源工作，也可以利用通用实验箱上的+5V电源供电。MCS-51核心实验板上的外设接口电路，使用了单片机的P1口和P3口。P1口和P3口的各个引脚，可以用于控制核心板本身的外设器件，也可以通过核心板上的插针，连接到其他的外部控制电路，或者通过与通用实验箱连接的插座，用于对通用实验箱上电路模块的控制。改变核心板上拨码开关的位置，可以设定P1口和P3口各引脚用于核心板内部或外部。

全部I/O口各引脚分别接到一排插针上，可通过排线连接到其他应用电路；同时均连接到与通用实验箱连接的插座上，可用于跟实验箱上电路模块连接。

3.DSP核心板结构

DSP核心实验板电路结构如图3所示，包括TMS320LF2407型DSP，USB和RS232串行通讯接口，发光二极管、LED数码管、按键、RAM和D/A转换器件等，其中有部分电路与MCS-51核心板相同。TMS320LF2407型DSP片上含有16路模拟输入的10位A/D转换电路，所以在DSP核心板上没有设计A/D转换电路。由于做DSP实验时，一般需要处理较多的数据，所以在DSP核心实验板上扩展了64kW的RAM存储器。[5]

USB接口的电源电压为5V，而TMS320LF2407型DSP工作电源电压为3.3V，为此图3中增加了一套电源转换电路，该电路同时用于产生CPU复位信号。此外，TMS320LF2407型DSP一般用JTAG接口进行硬件仿真调试和在线编程，所以在图3中增加了一套USB-JTAG信号转换电路模块。

三、通用实验箱

通用实验箱上包括单片机、DSP接口实验所要求的各种外设和接口电路模块。这些电路模块的功能，有少部分与核心板上的电路功能类似，但是采用不同的器件型号或接口工作方式，以便与核心板功能互补，增强电路设计时的选择性。

1.通用实验箱的组成

为了增强实验内容的可选择性，满足设计性实验的需要，通用实验箱与核心实验板上的电路功能有部分相同，但是工作方式或者接口控制方式不一样。比如：数码管显示电路，核心实验板上为动态显示方式，通用实验箱上为静态显示方式；A/D和D/A接口电路，核心实验板上为串行接口，通用实验箱上为并行接口。实验箱中预留接口电路模块，实验时可以按照自主设计的电路，自行连接。通用实验箱上的外设和接口电路非常丰富，基本上囊括了各种《单片机原理及应用》教材上列举的所有外设接口。这就为学生自主设计实验内容提供了硬件上的支撑。[6，7]

2.通用实验箱的结构

实验箱上的电路连接线分单芯连线和8芯排线两种。当需要将两组8根线同时连接时，可以采用8芯排线。为了提高连线的可靠性，实际使用的是16芯排线，两两并联到一起，代替8芯排线用。单芯连线端子中，采用不同颜色接线端子区分信号类型，红色为输出端子，黄色为输入端子，蓝色为输入/输出端子，绿色为地线。为了便于与外电路连接，放置了若干个桥接端子，可以一端连接实验箱内部电路，另一端连接外电路。所有电源端子，既可以连接到通用板上的电路，也可以连接到外电路。为了便于自行扩展外电路，实验箱上放置了两块小面包板。在面包板上自行搭接的电路，可以很方便地通过桥接线连接到实验箱上的电路。

各接口电路模块，都留有控制信号插孔，实验时可以自主设计电路原理图，用导线搭接出所设计的电路。实验箱从电路结构和外观布局上，都为实验内容的开放及综合性、设计性实验的开设创造了有利的条件。[8]

四、电气类测量控制实验对象

在通用实验箱之外，配备一定种类的电气测量、控制实验对象，以供学生做设计性、系统性实验时选用，增强学生对工程实际的了解。实验室测量控制对象其实是工程实际中测量控制对象的缩小版或者模型。在设计开发时，融入了以下几个设计理念：

1.反映工程特性

由于体积、结构等限制，不可能将工程实际中的实物搬到教学实验室来，但是实验模型必须能够真实反映工程实际中测量对象的特性。比如变电站电压无功自动控制模型，就能够反映变电站电压无功的测量、控制特性，用实验模型开发出的变电站电压无功控制系统，可以直接拿到工程实际中加以应用。

2.适合教学实验

各种测量控制对象上，配有必要的驱动或信号调理电路，留有与通用实验箱上一致的连线插孔，便于实验的开展。

3.便于比对

测量控制对象上，配有另外一套独立的测量和显示电路，便于学生实验时，与自己的实验结果进行比对和验证。

根据以上设计要求，目前已经设计出电动机数字调速系统、变电站电压无功自动控制模型、风能发电并网控制模型、可变电网谐波源、配网低压无功补偿控制系统等。实验时可以将实验箱与这些电气类测量控制对象连接，获得与工程实际相近的实验结果。[9]

五、结束语

开放式单片机电气控制综合实验平台于2009年开发出样机。经试用修改后，2010年批量生产10台通用实验箱，用于实验教学试点。通过试用后加以改进，2011年又生产20台继续试用。2012年经过反复试用、完善后，累计生产、改造出70台，全部装备单片机实验室，用于2009级480名本科生的“单片机原理及应用”课程实验及课程设计，以及少量本科生、研究生的毕业设计。

三年多的实验教学改革试点和实验教学实践表明，开放式单片机电气控制综合实验教学平台可提高学生的专业兴趣，培养学生的工程应用及设计能力，受到了学生普遍的好评。

参考文献：

[1]俞远志,张立庆,傅晓航.开放性实验教学模式的实践与思考[J].实验室研究与探索,2012,31(3):153-155.

[2]孙书芳,张家海,陈海霞.单片机教学中学生应用能力的培养[J].中国电力教育,2011,(35):141-144.

[3]张鑫,朱智林,张岩,等.在单片机教学中培养大学生的创新能力[J].中国电力教育,2010,(3):92-93.

[4]代芬,王卫星,邓小玲,等.单片机综合实验开发板设计[J].实验室研究与探索,2010,29(8):213-215.

[5]裴荣,卜雄洙,牛国柱,等.基于工程的DSP课程实验设计研究[J].实验技术与管理,2011,28(8):96-99.

[6]汪建.单片机原理及应用技术[M].武汉:华中科技大学出版社,

2012:199-281.

[7]杨风开.DSP原理及应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2012:180-232.

[8]郑兰菊.单片机课程中单片机实验教学探究[J].中国电力教育,2011,

(22):111-112.