《測控總線與儀器通信技術》實驗教學研究

王泉德，王先培（武漢大學電子信息學院，湖北 武漢430079）

在信息技術高速發(fā)展的今天，自動化技術、自動測試技術已經(jīng)與計算機技術、通信技術融為一體，傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)與自動測試系統(tǒng)的體系結構、實現(xiàn)方法發(fā)生了根本性變化。基地集中式局部自動化的監(jiān)測控制系統(tǒng)已經(jīng)被以通信技術為核心的分散綜合自動監(jiān)測控制系統(tǒng)所取代，自動測試系統(tǒng)也由單點測試系統(tǒng)發(fā)展到以總線技術為基礎的多點測試計量的虛擬儀器系統(tǒng)和以總線技術與網(wǎng)絡技術為基礎的網(wǎng)絡化虛擬儀器系統(tǒng)。《測控總線與儀器通信技術》課程內(nèi)容包括片內(nèi)總線通信技術、片間總線通信技術、內(nèi)總線通信技術、系統(tǒng)總線通信技術、標準總線通信技術、現(xiàn)場總線通信技術、網(wǎng)絡通信技術、儀器通信技術以及無線通信技術等。進行該課程教學時，需要充分考慮測控技術與儀器專業(yè)的特點和知識結構，以便將將先進測控總線與儀器通信技術介紹給測控技術與儀器、自動化、機電一體化等專業(yè)的學生。為此，筆者根據(jù)多年教學實踐，對 《測控總線與儀器通信技術》實驗教學進行了研究。

1 實驗教學內(nèi)容的選擇

《測控總線與儀器通信技術》課程涉及到的總線和通信技術較多，如果實驗教學內(nèi)容涵蓋所有相關內(nèi)容，則會占用過多的實驗課時，也給實驗設備的研發(fā)帶來困難。為此，需要研究教材內(nèi)容，挑選具有代表性的總線與儀器通信技術，在此基礎上合理設計實驗內(nèi)容和實驗裝置，使學生通過主流知識和技術的學習實踐，對應用于特定領域和環(huán)境下的其他總線和通信技術也能觸類旁通。

控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network，CAN）是應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，由德國BOSCH公司開發(fā)并最終成為國際標準。近年來，CAN總線以其高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度高、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。為此，筆者選取具有代表性的CAN總線的相關技術，并融合簡單接口通信技術、無線通信技術，設計層層遞進的實驗教學內(nèi)容：

1）簡單接口通信實驗。通過該實驗讓學生掌握串口通信等簡單通信技術以及各種通信連接方式。

2）CAN總線通信實驗。通過該實驗讓學生掌握CAN總線通信技術，并能在CAN總線上構建各種連接方式的多點通信系統(tǒng)。

3）集成無線通信模塊的CAN總線通信實驗。通過該實驗讓學生掌握無線通信技術及其構建CAN總線多點通信網(wǎng)絡的方法。

4）創(chuàng)新型實驗。以生產(chǎn)實踐為應用背景，構建以CAN總線為核心的多點通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)一個實時數(shù)據(jù)采集或測控系統(tǒng)。

2 實驗教學設備的研制

根據(jù)選擇的實驗教學內(nèi)容進行實驗裝置的研制。采用臺灣宏晶公司出產(chǎn)的STC系列STC89C52單片機來開發(fā)通信節(jié)點。由于STC系列單片機不需要配備ISP電路，可以通過內(nèi)嵌一段代碼來實現(xiàn)串口下載，因而其串口不但可以通信，而且可以用來實現(xiàn)程序下載，學生只需要連上PC的串口就可以自由下載自己所編程序。此外，采用Philips公司出產(chǎn)的符合CAN2.0A通信協(xié)議的SJA1000作為實驗裝置的CAN控制器，SJA1000相對比較簡單，資料豐富，可以讓學生快速入門。該實驗裝置中幾個主要部件的設計如下。

2.1 CAN通訊模塊的電路設計

CAN通訊模塊的電路設計如圖1所示。該電路主要包括如下3部分：①與CPU的接口。可將SJA1000看作STC89C52單片機的一個外部RAM，設計相應的擴展電路即可，并選擇Intel模式連接單片機。SJA1000的數(shù)據(jù)線和地址線是共用的，STC89C52的數(shù)據(jù)線和地址線也是共用的，直接進行連接即可，但需要連接地址鎖存信號ALE以區(qū)分AD線上傳輸?shù)氖堑刂愤€是數(shù)據(jù)。SJA1000的中斷管腳連接單片機的INT1外部中斷，當接收到數(shù)據(jù)包后，通知STC89C52進行處理。此外，還需要為SJA1000添加片選信號和讀寫信號。②CAN控制器SJA1000與驅動器82C250接口及其他外圍電路。SJA1000有2路發(fā)送和接收管腳，選取其中1組即可，直接與82C250的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送管腳進行連接。③82C250外圍電路。在CANH和CANL管腳增加阻容電路，濾除總線上的干擾以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。RS管腳可以用來選擇82C250的工作模式，即高速模式(應用與對數(shù)據(jù)傳輸速率高的情況，通訊數(shù)據(jù)線最好是屏蔽的）、斜率模式(速度較低，通訊數(shù)據(jù)線可以是普通的雙絞線）、準備模式(應用于對功耗要求比較高的場合）。

圖1 CAN通訊模塊電路設計

2.2 無線通信模塊設計

無線通信模塊基于nRF2401單片射頻收發(fā)芯片開發(fā)，其電路設計如圖2所示。nRF2401工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，具有多種低功率工作模式，節(jié)能設計更方便。由于使用DuoCeiverTM技術，nRF2401可以使用同一天線同時接收2個不同頻道的數(shù)據(jù)。

根據(jù)研制的實驗裝置可以開設如下實驗。

1）232、485 串口通信和程序下載實驗。通過該實驗能讓學生熟悉實驗裝置的使用并掌握簡單接口通信技術。

2）CAN總線通信協(xié)議驗證實驗。通過該實驗可完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接受通信節(jié)點的編程并下載驗證，從而實現(xiàn)節(jié)點間的數(shù)據(jù)收發(fā)。

3）CAN總線組網(wǎng)通信實驗。通過該實驗可實現(xiàn)3個及3個以上節(jié)點間的數(shù)據(jù)收發(fā)，學生通過完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接受通信節(jié)點的編程并下載驗證，可以掌握基于CAN總線通信的多節(jié)點組網(wǎng)通信技術。

4）CAN總線無線通信實驗。通過該實驗可實現(xiàn)3個及3個以上節(jié)點間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)，學生通過完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接受通信節(jié)點的編程并下載驗證，可以掌握基于CAN總線通信的多節(jié)點無線組網(wǎng)通信技術。

圖2 無線通信模塊電路設計

5）基于CAN總線構建多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗。該實驗通過多個節(jié)點采集不同壓力、溫度、紅外燈傳感器信號，進行相關的數(shù)據(jù)預處理并提交給中心節(jié)點集中進行管理。學生通過完成各傳感器信號采集節(jié)點和中心節(jié)點的編程并下載驗證，可以掌握多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理和構建方法。

6）基于CAN總線構建簡單的測控系統(tǒng)實驗。該實驗通過多個節(jié)點采集不同壓力、溫度、紅外燈傳感器信號，進行相關的數(shù)據(jù)預處理并提交給控制節(jié)點處理，控制節(jié)點根據(jù)所接收的信息完成相應的控制操作。學生通過完成各傳感器信號采集節(jié)點和控制節(jié)點的編程并下載驗證，可以掌握實時測控系統(tǒng)的原理和構建方法。

3 結 語

測控總線與儀器通信技術是電子、儀器類本科生必須重點掌握的知識和技術之一。筆者在分析 《測控總線與儀器通信技術》課程的基礎上，結合目前該領域技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢設計了相應的實驗裝置，并據(jù)此設置了相關的實驗內(nèi)容，為 《測控總線與儀器通信技術》課程的實驗教學服務。下一步的工作重點是通過教學實踐進一步完善實驗裝置，調整試驗內(nèi)容，從而激發(fā)學生的學習興趣，使學生更好地掌握測控總線與儀器通信技術的相關知識和技能。