用于电类专业综合创新的教学实验平台

吴乐南

(东南大学 信息科学与工程学院， 江苏 南京 210096)

用于电类专业综合创新的教学实验平台

吴乐南

(东南大学 信息科学与工程学院， 江苏 南京 210096)

本文以打通互联网与供电网、涵盖弱电与强电为主线，构思并开发了一款较为通用的“电类专业综合实验与创新平台”，并为之设计了较为丰富的教学实验项目，可用于各类高校涉电专业的大型实验和课程设计，意在配合从本科直到职业技术学校的素质教育、职业教育和创新/创业教育。

电类专业；创新教育；综合实验平台

0 引言

高校电气电子类课程教学大都需要一定的课程实验或教学实践来配合，但现行的教学仪器或实验设置往往“固锁”某门具体课程，因课堂教学而选取实验内容，特别在一些有条件的重点本科院校尤为明显。这样做的好处是有利于对应课程知识点的掌握和巩固，实验教学和实验教师也能驾轻就熟，这对于低年级学生及其基础课、专业基础课或主干课程的教学实验环节行之有效，但对于高年级学生，特别是对于那些兴趣爱好较为广泛、创新思维较为活跃、动手能力较为突出的学生，就可能有“吃不饱”或“不过瘾”的感觉了。而对于大专院校或更强调动手能力培养的职业技术学院，因受培养计划、学时、生源、经费和场地等条件的限制，因课程而开设实验并“对口”配备教学仪器和实验场地的做法，不仅利用率和性价比不高，更可能不满足那些对于每门课程都“不求甚解”，却希望对解决具体问题“拿来就用”、“立竿见影”的学生要求了。

有鉴于此，同时也为响应国家关于“大众创业、万众创新”的号召，配合当前各类院校注重加强对于学生的素质教育、职业教育和创新/创业教育，我们以打通互联网与供电网、涵盖电子(弱电)与电气(强电)为主线，构思并开发了一款电类专业综合实验与创新平台，并为之设计了20个教学实验，使之具有较宽的覆盖性和较好的通用性。

1 设计思想与平台结构

构思并开发的这款电类专业综合实验与创新平台(以下简称平台)在外观上是标准的实验仪器箱设计，如图1所示。

图1 电类专业综合实验与创新平台开箱实物照片

在结构框架上以精简指令集处理器ARM和现场可编程门阵列(FPGA)为核心进行模块化设计，采用电力载波通信跨接互联网和电源线，通过不同数据传输方式扩展通信手段，增加多种接口类型丰富外设控制，提供独立模块便于学生集成创新。平台具体分为5个模块：

(1)主板：包括交、直流电源、电力线通信(PLC)、键盘、接口(包括RS232串口、RS485串口、LCD显示屏、继电器、电机控制等)。

(2)FPGA：含FPGA最小系统配置，采用EP2C5系列的FPGA芯片。

(3)ARM：含ARM最小系统配置，采用STM32 F103芯片，其内核为 32位的Cortex-M3。

(4)GPRS：采用SIM900A模块，可实现语音通信、数据通信和短信息传输，也可实现用手机对远程电器的控制。

(5)LCD：采用12864B液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192 个中文汉字(16×16点阵)、128 字符(8×16点阵)及64×256点阵的绘图随机存储器(GDRAM)。

其中FPGA和ARM模块是必需的，通用分组无线业务(GPRS)模块和液晶显示(LCD)模块可根据教学实验需要选配。

2 电力线通信模块

2.1 技术特点

对于本文平台，主板上配置的PLC是一个特有的功能模块，用于直接在电源线上传输数据，以便沟通互联网与供电网，使平台承载的教学实验项目实现电子与电气的跨界，可用于更宽泛的电类专业。

PLC模块的核心是电力载波调制解调器，俗称“电力猫”，虽然本平台只提供500 kHz以下频率的低速调制解调器，但由于采用了独创的扩展二元相移键控(EBPSK)或多元脉冲位置相移键控(MPPSK)高效调制，使得电力线上最高传输码率仍可超过100 kbps[1，2]，加之利用EBPSK/MPPSK信号波形的简单性和冲击滤波解调的独特性，PLC调制解调器可以省去ADC和DAC，从而可望降低芯片实现的成本和体积[3～6]。

2.2 联机与脱机应用组合

我们一方面将上述PLC模块集成在本平台上，另一方面又提供了两种不仅可与平台通信，也可脱离平台单独使用的独立模块，一是PLC网关，二是PLC数据传输，从而提供了多种可能的应用组合。

1)平台与PLC模块通信

本平台与两种PLC模块均可通过电源线直接传输数据，从而实现对于家用电器的控制，以及电气设备的数据采集；而对于PLC网关还可通过计算机局域网(LAN)直接交互。因此，本平台既可视作一款电类专业较为通用的教学实验仪器，又可作为对于脱机独立使用的PLC网关或PLC数据传输模块的开发/测试系统：只要这些模块及其应用软件与平台联调成功，即可独立用于电器控制。

2)PLC网关模块

PLC网关模块(图2)是系统的核心，直接插在220V电源插座上，通过网络接口(RJ45)直接沟通电源线和网线，因此，除了本平台能够借助它控制多种或多个电器外，普通PC机也可借助该模块的网口直接与电源线上的用电设备进行PLC交互，实现电器的控制与管理。

3)PLC数据传输模块

该模块直接插在220V电源插座上，功能与PLC网关模块类似，可以接受本平台PLC网关模块通过电源线发送的指令，同类模块之间也可以通过同相的电源线进行通信，只是不能通过PC直接交互。

图2 PLC/LAN网关模块实物照片

因此，本平台或PC机，与PLC网关模块和PLC数据传输模块之间可以组合出多种或不同的应用场景。

3 配套教学实验

根据前两节对于平台基本配置和PLC通信功能的介绍，可以设计出多种基本实验和综合实验，用于学生综合素质的训练、培养和创新能力的提升。但目前只完成了20个实验的设计与实验指导书的编写，随同本平台一并提供。这20个实验按照教学知识点可划分为以下4类：

1)电子线路类

目前提供电源电路、强弱电分离、限幅器、接收滤波器和点频信号发生器、乘法器与混频器及功率放大器6个实验。

2)数字电路与处理器类

目前提供模数转换(A/D)、FPGA最小系统、建立FPGA开发环境、搭建ARM最小系统和编写LED跑马灯(用于指示状态、验证功能)4个实验。

3)外设接口类

目前提供LCD显示屏和矩阵键盘2个实验。

4)通信与网络类

目前提供RS-232串行通信、RS-485串行通信、GSM/GPRS无线通信和以太网控制接口应用4个实验。

5)综合类

目前提供电机控制(可通过网络远程控制)、利用ARM控制继电器开关(可通过网络远程控制)以及异构网络(电力线、LAN和移动通信网)组网3个实验。

除了上述这些以硬件为主的实验，在软件编程方面还可以增加C语言、汇编语言、智能手机第三方应用程序(APP)，以及VHDL、Verylog等硬件描述语言(针对FPGA)的实验。今后，还可以扩充关于常用传感器数据采集、智能电表远程抄表、通过校园网控制电源开关或红外遥控器以实现节能等方面的系统级综合实验或设计。

4 特色与适用范围

本平台及其配套的实验指导书具有如下特色：

(1)配置了较丰富的外设资源，例如：用于仿真和控制家用电器的继电器、电动机、风扇，用于与外界通信的串口、网口，用于显示输出的LCD显示屏，用于多媒体展现的音频接口，甚至还有用于模拟移动通信功能的客户识别模块(SIM)，插入电话卡后即可与手机收发短信、接打电话。

(2)不完全依附现有教学课程，可以提供一个范围较宽的可选“菜单”，以便用于尽可能多的专业和学校进行综合性的实验教学和课程设计。从职业技术学校、高职/二级学院、大专和本科院校均可选择，覆盖电子技术、通信工程、物联网、智能电网、智能建筑、智慧城市、计算机技术、自动控制和仪器仪表等各类涉电专业的大型实验和课程设计。

(3)随机附带的PLC模块可脱机使用，沟通校园网、移动通信网和供电网，使得用手机或电脑即可控制各种电器设备，学生用此可直接参与创业活动或进一步创新，也可用于改造传统产业，例如数据采集与传输、遥测遥控、节能减排等众多领域的产品开发。因此，它既可作为多类型实验平台(模拟电路、数字硬件、采集终端、通信系统、网络协议、应用软件等)用于教学，也可作为基于PLC模块的开发平台用于科研，或在大学生科研训练计划(SRTP)、CDIO工程教育模式、卓越工程师教育培养计划开展中作为辅助工具使用。

(4)提供了较丰富的底层函数、典型例程和应用示例，思维活跃的学生无需深究大型实验所涉及众多课程的知识体系，无需掌握平台硬件和PLC模块的基本原理，也无需精通所用开发环境的编程语言，即可基于所提供的PLC模块，选择、参照、调用甚至“模仿”这些例程和示例，构思并开发出自己的应用系统或产品，例如在下课路上即可用手机打开自己宿舍里的空调或热水器，从而迅速缩短开发过程，极大地提高这些学生的创新热情和创业能力以及自学掌握新的课程和知识点的兴趣和动力。

我们曾邀请包括中山大学、东南大学、南京师范大学、南京工程学院、三江学院以及多所职业技术学院在内的不同层次院校的教师们出席本平台现场示范和研讨会，吸引了多所高校的教师开展为本平台增补和添加新实验内容的活动，有的学校还在教育部门立项，批量采用本平台配套的PLC模块开设了新的计算机电力线文件传输实验，获得良好效果。

5 结语

本文构思并开发的电类专业综合教学实验平台，涵盖弱电和强电专业，打通互联网与供电网，能配合从本科直到职业技术学校的素质教育、职业教育和创新/创业教育。该平台的功能和实验的数量及内容还在不断创新、拓展和丰富中。

本平台和模块的具体电路设计与开发是由苏州东奇信息科技股份有限公司的史亚光、钱程伟工程师完成的，中山大学东校区教学实验中心的郭东亮老师仔细修订和完善了全部教学实验，特此致谢。

[1] 吴乐南. 超窄带高速通信进展[J]. 北京:自然科学进展, 2007, 17(11):1467-1473

[2] 应鹏魁, 吴乐南. 一种新的MPPSK调制解调器实现结构[J]. 南京:东南大学学报(自然科学版)，2012, 42(2):204-208

[3] 应鹏魁, 吴金玲, 吴乐南. 转换精度有限时EBPSK- MODEM的性能仿真[J]. 北京:系统仿真学报，2012, 24(8):1733-1736

[4] Man Feng, Lenan Wu, and Peng Gao. From special analogous crystal filters to digital impacting filters[J]. Digital Signal Processing: A Review Journal, 2012, 22(4):690-696

[5] 丁佳佳. 基于EBPSK调制的电力线通信系统设计与实现[D]. 南京:东南大学硕士论文, 2011

[6] 来斌. 采用高效调制的电力线通信系统[D]. 南京: 东南大学硕士论文, 2013

An Educational Experimental Platform for Comprehensive Innovation of Electrical Specialties

WU Le-nan

(SchoolofInformationScience&Engineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Taking the united internet and power supply as the main line, and covering the weak current and the strong current, a more universal comprehensive experimental and innovative platform for electrical specialties is developed in this paper, alone with the more abundant teaching experiments arranged for it. This platform may be useful for large-scale experiment and curriculum design in all kinds of electricity related specialties, which is aimed at the coordination of quality education, vocational education, and creative/entrepreneurship education from universities to vocational technical schools.

specialty of electricity; innovative education; comprehensive experimental platform

2015-09-29;

2016-08-27

吴乐南(1952-)，男，博士，教授，主要从事通信中的联合信息处理教学和高效通信研究工作，E-mail：wln@seu.edu.cn

C45

A

1008-0686(2016)05-0099-04