面向工程實踐能力培養(yǎng)的電子技術(shù)實驗系統(tǒng)

白 煜, 李香萍, 劉開華

(天津大學(xué) 電氣電子實驗中心, 天津 300072)

面向工程實踐能力培養(yǎng)的電子技術(shù)實驗系統(tǒng)

白 煜, 李香萍, 劉開華

(天津大學(xué) 電氣電子實驗中心, 天津 300072)

利用單片機、串口通信技術(shù)和可控開關(guān)對傳統(tǒng)電子技術(shù)實驗箱進行了改造,開發(fā)出一種新型的電子技術(shù)實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)在支持原有模電、數(shù)電實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上,增加了可人為設(shè)定故障的功能。新的實驗系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)電子技術(shù)實驗箱僅能完成常規(guī)實驗項目、缺乏工程實踐能力培養(yǎng)的不足,使傳統(tǒng)的實驗過程更加貼近實際工程項目的設(shè)計、制作與調(diào)試,在培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題能力的同時,調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

電子技術(shù)實驗； 工程實踐； 串口通信； 可控開關(guān)； 單片機

“電子線路基礎(chǔ)”和“數(shù)字邏輯電路”課程是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程,其工程性和實踐性非常強[1-2]。電子技術(shù)實驗在教學(xué)中的地位十分重要,然而傳統(tǒng)電子技術(shù)實驗基本為驗證性實驗,不足以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的工程實踐能力和創(chuàng)新能力[3-4]。伴隨著教學(xué)內(nèi)容日益膨脹而學(xué)時有限的矛盾,客觀上需要建立新的實驗教學(xué)體系和實驗系統(tǒng)[5-6]。目前,虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn),為解決上述問題提供了方案[7-8]。但是該方案存在學(xué)生不能實際接觸物理器件的缺點[9]。

針對傳統(tǒng)電子技術(shù)實驗存在的問題,在現(xiàn)有實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計了可人為設(shè)定故障的電子技術(shù)實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用串口通信技術(shù),實現(xiàn)了上位機通過單片機對學(xué)生已完成電路設(shè)置故障的功能，即當(dāng)學(xué)生完成傳統(tǒng)實驗后,教師可以通過上位機,人為地對該學(xué)生的實驗電路設(shè)定某些故障,要求學(xué)生排查并予以解決。因此,新的實驗系統(tǒng)豐富了傳統(tǒng)電子技術(shù)實驗的內(nèi)容,強化了培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力,鍛煉了學(xué)生的工程實踐能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

新的實驗系統(tǒng)利用上位機、單片機和模擬斷路器改造傳統(tǒng)電子綜合實驗箱,實現(xiàn)了可人為對電路設(shè)置故障的功能。

如圖1所示,將受單片機控制的若干個可控開關(guān)(模擬多路選擇器)與面包板上的實驗電路連接。教師利用上位機軟件通過串口向單片機發(fā)送控制命令,單片機對上位機的命令進行解析后,控制相應(yīng)的開關(guān)閉合接地,或?qū)㈦娐分械哪滁c某一器件短路,從而人為地制造某種電路故障。

圖1 系統(tǒng)原理示意圖

2 系統(tǒng)原理

該實驗系統(tǒng)由上位機軟件、RS-232C/RS-485數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換器、TTL電平轉(zhuǎn)換電路、單片機、模擬多路選擇器和實驗箱等模塊組成,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.1 模塊介紹

(1) 上位機軟件[10]：該模塊主要用于教師對學(xué)生已完成的實驗電路進行控制,設(shè)置故障。

(2) RS-232C/RS-485轉(zhuǎn)換器：PC機采用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)[11],但是一臺PC機與多臺單片機間的通信,需采用RS-485協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[12]。因此,需要增加RS-232C/RS-485轉(zhuǎn)換器。

(3) TTL轉(zhuǎn)換電路：采用RS-232C/RS-485轉(zhuǎn)換器后,輸出信號為RS485標(biāo)準(zhǔn)電平,為實現(xiàn)上位機與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸,需將該電平通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成TTL電平,以符合單片機的標(biāo)準(zhǔn)。本實驗系統(tǒng)采用MAX485芯片實現(xiàn)這一功能。

(4) 單片機：用來接收上位機軟件的命令和上傳反饋信息。單片機根據(jù)上位機軟件的命令,通過控制P3口以外其余I/O口引腳的電平,控制模擬多路選擇器的通斷。

(5) 模擬多路選擇器[13]：單片機通過控制模擬多路選擇器來控制實驗箱面包板上電路的通斷,本實驗系統(tǒng)采用CD4051芯片。

(6) 實驗箱：為傳統(tǒng)模電/數(shù)電實驗箱[14-15],學(xué)生在其面包板上搭建實驗電路。

2.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

該系統(tǒng)的工作流程如下：

(1) 首先由上位機軟件發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù),該數(shù)據(jù)由3個字符組成。第一個字符為“～”,是一串?dāng)?shù)據(jù)的開頭標(biāo)識位,用來防止連續(xù)發(fā)送的信號流之間相互干擾,有助于單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行正確的識別。第二個字符為機器號,用abcd等英文字符表示,用來判斷單片機接收到的數(shù)據(jù)是否為發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)。若為相對應(yīng)數(shù)據(jù),單片機接收該信息并生成反饋信號送至上位機軟件；若接收到的數(shù)據(jù)不與之對應(yīng),則拒絕接收該組數(shù)據(jù),不產(chǎn)生回饋信號。第三個字符為控制信號,用來指示單片機對模擬多路選擇器的哪一個引腳進行控制,即實驗電路會發(fā)生何種故障。

(2) 上位機發(fā)出的字符串,經(jīng)由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后,數(shù)據(jù)從RS-232C標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)镽S-485標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 經(jīng)由轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的信號通過TTL轉(zhuǎn)換電路,將信號電平轉(zhuǎn)換成與單片機所需的TTL電平。

(4) 單片機接收數(shù)據(jù),通過判斷機器號來確認(rèn)是否對收到的字符串進行處理,并生成反饋信號。

(5) 若機器號相符,則單片機通過控制I/O口端引腳電平的高低來控制模擬多路選擇器的通斷,本實驗系統(tǒng)定義P1.0—P1.7 8個引腳為輸出I/O口。

(6) 通過控制模擬多路選擇器的通斷來控制實驗箱面包板上電路的通斷,以模擬各種故障。

2.3 硬件說明

(1) RS-232C/RS-485轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器有兩端,RS-232端采用DB-9孔型連接器,RS-485端配有3根接線柱,分別為“A”“B”“GND”,如圖4所示。通過這3個接線柱,可額外連接32個節(jié)點,即可實現(xiàn)一對多通信。

轉(zhuǎn)換器通信方式為點對多點/兩線半雙工通信,如圖4所示。

圖4 RS485點對多點/兩線半雙工通信

接線原則：RS485半雙工模式接線時將T/R+接RS485設(shè)備的A+、T/R-接RS485設(shè)備的B-。當(dāng)只連接一個RS485設(shè)備時,可實現(xiàn)一對一通信；若連接多個RS485設(shè)備,主設(shè)備與多個從機之間采用手牽手的級聯(lián)方式。其基本連接方式：若485總線上一共存在A、B、C等多個設(shè)備,將A的485+接到B的485+,再將B的485+連到C的485+,依此類推,485-的連接方式與485+相同。使用星型拓撲結(jié)構(gòu)時,若不增加485集線器或485中繼器,容易造成信號反射,導(dǎo)致通信失敗。

(2) 模擬多路選擇器。多路選擇器是數(shù)據(jù)選擇器的又一稱謂。該系統(tǒng)采用CD4051作為實驗系統(tǒng)的可控開關(guān)。CD4051可看成一個單刀八擲開關(guān),開關(guān)決定著接通哪一條通道。該芯片通過輸入的3位地址碼ABC決定通道的選取。INH指禁止端,若“INH”=1,則說明8個通道均截止而不導(dǎo)通。另外,CD4051芯片設(shè)有一個電源端VEE,當(dāng)作為電平位移使用時，這個特性能保證在單組電源供電時工作的CMOS電路供應(yīng)的數(shù)字信號能直接控制該多路開關(guān)。

該芯片真值表見表1。

表1 CD4051真值表

單片機通過I/O口控制模擬多路選擇器的通斷,來控制面包板上已完成電路是否出現(xiàn)故障。

(3) 單片機。STC89C52單片機共有4組8位可編程的I/O口,分別是P0、P1、P2、P3,每個I/O口有8根引腳,共32根。P3口(P3.0—P3.7)為芯片的雙功能口,其具有特定的第二功能,在不使用它的第二功能時,該口與其他3個I/O相同。P3口的第二功能見表2。

表2 P3口的第二功能

本系統(tǒng)主要利用該型單片機P3口的第二功能來與上位機相互進行數(shù)據(jù)的傳輸,利用該單片機的其他I/O口來控制下行實驗系統(tǒng)上模擬多路選擇器的通斷。

圖5為僅連接一個實驗平臺時系統(tǒng)的電路原理圖。圖中包含有上位機的RS-232C串口、RS-232C/RS-485轉(zhuǎn)換電路、電平轉(zhuǎn)換電路和模擬開關(guān)電路、電平轉(zhuǎn)換電路，以及這些電路與單片機的連接方式。其中,模擬開關(guān)電路中,CD4051芯片所連接有4個LED燈用來指示故障是否開啟。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分分為上位機軟件和單片機接收發(fā)送數(shù)據(jù)軟件。

圖5 實驗系統(tǒng)電路原理圖

3.1 單片機接收發(fā)送數(shù)據(jù)軟件

(1) 傳輸率。本實驗系統(tǒng)采用傳輸率為57 600。設(shè)置波特率的程序代碼如下：

TH1= 0xff; TL1= 0xff; //晶振為11.0592M,波特率為57600

因此上位機軟件的傳輸率也應(yīng)是57 600。

(2) 電特性。單片機要求TTL電平,通過RS-232C/RS-485轉(zhuǎn)換器后電平標(biāo)準(zhǔn)為RS485。因此,利用MAX485芯片完成電平轉(zhuǎn)換。

(3) 串口定義。通信雙方的串口定義必須一致。

SCON= 0x50; //串口方式1允許接收數(shù)據(jù) PCON=0x80; //SMOD=1 TMOD= 0x20; //定時器1定時方式2 TR1= 1; //啟動定時器

(4) 數(shù)據(jù)格式。本文采用異步通信方式。一個字符一個字符傳輸,字符總是用起始位作為開頭,停止位為結(jié)束標(biāo)志,在字符之間沒有固定的時間間隔要求。傳信的每個字符前均存在一位起始位(邏輯值0),字符中間為數(shù)據(jù)位,數(shù)據(jù)位后是一位校驗位,最后是停止位。且停止位與空閑位定義為邏輯值1。

(5) 接收數(shù)據(jù)。上位機軟件與下行多個單片機之間的通信數(shù)據(jù)采用每次發(fā)送3個字符串。發(fā)送順序是一個接一個發(fā)送,即上位機先發(fā)送第一個字符,本文定義為“～”,其ASCII碼值為7E；第二次發(fā)送事先與上位機約定好的、與下行單片機一一對應(yīng)的機器號；第三次發(fā)送的字符為定義的實驗系統(tǒng)故障指令,分別是1、2、3、4,分別會造成模擬多路選擇器的8條通道中的一條通道導(dǎo)通。即下述代碼：

switch(dat) //故障模式1-4 { case 1: P1=0x03; break; case 2: P1=0x00; break; case 3: P1=0x01; break; case 4: P1=0x02; break; }

(6) 發(fā)送數(shù)據(jù)。每當(dāng)上位機發(fā)送一組數(shù)據(jù)至單片機,單片機將第二個字符與機器號進行比較,若機器號與之相符合,則單片機會發(fā)送一個反饋信號至上位機,反饋信號用該單片機對應(yīng)的機器號表示。

if(tmp[1]==′b′) //判斷是否為相應(yīng)機器號b { send_char(tmp[1]);}

3.2 上位機軟件

為了完成PC機與單片機之間的串口通信,同時也要方便教師直觀地控制并管理學(xué)生端實驗,所以編寫一個簡單易用的人機交互界面。

Visual C++6.0中包含了MSComm[13-14]。它是一個功能強大又易于使用的通信控件。MSComm能夠很方便地實現(xiàn)PC機與單片機之間的串口通信,能夠?qū)?shù)據(jù)進行接收和發(fā)送,也可以設(shè)置串口通信所使用的通信協(xié)議,控制串口狀態(tài)。所以,本系統(tǒng)使用Visual C++6.0來完成上位機軟件的設(shè)計。

圖6為上位機軟件界面。教師通過上位機軟件可以控制30位學(xué)生的實驗電路。上位機軟件的功能：

(1) 選擇PC端連接串口號；

(2) 使教師能夠控制30名學(xué)生的實驗端并發(fā)送不同的指令；

(3) 接收單片機返回的反饋信息；

(4) 記錄學(xué)生完成時間。

圖6 上位機軟件示界面

單擊圖6上位機軟件界面中的任何一個頭像,即會彈出圖7所示的界面。在該界面中教師可以對該學(xué)生的實驗電路設(shè)置故障,并記錄解決故障所耗時間。

圖7 子窗口界面

4 總結(jié)

新的實驗系統(tǒng)充分保留了傳統(tǒng)實驗箱的功能,具有節(jié)省教學(xué)投入的優(yōu)點。通過新的實驗系統(tǒng),學(xué)生將被動的重復(fù)性驗證實驗變?yōu)槌錆M不確定性的分析實驗。在保留原有實驗系統(tǒng)實驗功能的基礎(chǔ)上,培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力,使學(xué)生更加貼近了實際的電路搭建與調(diào)試環(huán)境,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。

References)

[1] 王志功,徐建,馬力,等.“電路與電子線路基礎(chǔ)”課程教學(xué)博物實驗板[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2014,36(6)：96-100.

[2] 張敏,彭志遠,陳澤南,等.多功能74系列模擬器在數(shù)電實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理,2016,33(6)：66-69.

[3] 張曉東,印月,周群.電子技術(shù)實驗箱設(shè)計思路新探索[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2016,14(2)：69-71.

[4] 吳霞,施閣,李孝祿.“電路與電子技術(shù)實驗”多樣性教學(xué)模式探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2016,35(6)：194-197.

[5] 劉小艷,金平.“電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)實驗”教學(xué)改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2014,33(6)：197-199.

[6] 王革思.電子電路實驗教學(xué)資源建設(shè)研究[J]. 實驗技術(shù)與管理,2015,32(1)：167-170.

[7] 王斌,張國強.虛擬儀器技術(shù)在電子學(xué)實驗中的應(yīng)用實踐[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2015,13(3)：61-63.

[8] 張紅賓,趙二剛,張穎.虛擬仿真在電子類實驗教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].實驗室科學(xué),2015,18(3)：44-47.

[9] 劉云朋,李鴻征.基于虛擬儀器技術(shù)的USB數(shù)字電路實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(1)：129-133.

[10] 葉艷艷,樊峰,陳西曲.基于VC++6.0的數(shù)據(jù)可視化串口通信[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2012,31(1)：59-62.

[11] 關(guān)天民,孫鐸,軒亮.基于AT89C51的場地自行車起跑器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].大連交通大學(xué)學(xué)報,2016,37(3)：36-39.

[12] 仝新建.基于RS-485總線的多點測溫系統(tǒng)原理與實現(xiàn)[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2015,15(1)：5-8.

[13] 趙凡.高校多媒體教室網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué),2015.

[14] 浙江天煌科技實業(yè)有限公司.THDM-1型數(shù)電模電實驗箱[EB/OL].[2016-12-28].http://www.tianhuang.cn/.products/prodPreInfo.aspx?p_id=456.

[15] 啟東湯森教學(xué)儀器有限公司.DICE-KM4型數(shù)字/模擬電路綜合實驗[EB/OL].[2016-12-28].http://www.dice.com.cn/V8/content/?119.html.

Experimental system of electronic technology for cultivation of engineering practical ability

Bai Yu, Li Xiangping, Liu Kaihua

(Electrical and Electronic Experimental Center,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A new type of electronic technology experiment system is developed by means of the SCM,the serial port communication technology and the controllable switch. On the basis of supporting the existing analog and digital electrical experiments,the system has increased the ability to set the artificial fault. Besides supporting the original contents of analog and digital electronics experiment,the system adds the function of setting fault. This new experiment system solves the problem that the traditional electronic technology experiment boxes can only complete the common experimental items and can’t well cultivate students’ engineering practical ability. This new system makes the traditional experimental process closer to the actual project design,development and debugging,and stirs up the students’ learning initiative and enthusiasm while cultivating their ability to analyze and solve problems.

electronic technology experiment； engineering practice； serial port communication； controllable switch； SCM

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.022

2017-01-09

天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計劃項目(D02-0807)

白煜(1978—),男,山西太原,博士,高級工程師，從事通信與信號處理技術(shù)的研究.

E-mail：baiyu1978@tju.edu.cn

G484；TN014

A

1002-4956(2017)07-0080-05