智能電子線路故障診斷實訓系統設計

李曉鋒，曾小寶，胡良君

（張家界航空工業職業技術學院，張家界 427000）

電子設備在使用過程中，難免受到各種因素影響而發生故障，影響正常的生產、生活；對電子線路的故障診斷及排除是電子從業人員的重要專業技能，因此在高職教育電子類專業技術技能型人才培養過程中，加強電子線路故障診斷及排除能力培養具有十分重要的現實意義，可以有效提高畢業生的綜合素質。

傳統的電子故障診斷教學需要大量人為“損壞”的“壞”電路作為實訓裝置，缺乏靈活性，成本高昂，造成了線路故障診斷實訓項目開出率較低，教學效果大打折扣。這要求我們設計開發一款實用、靈活的智能電子線路故障診斷實訓系統，用于訓練學生掌握常用電子線路檢修的基本技能，同時也可以作為考核設備，相比于傳統實訓方法具有方便操作、集中控制、大數據分析等優點，這對推進“理實一體化”教學、保障人才培養質量具有重要意義。

1 系統方案

1.1 系統設計原則

實訓系統在設計時，為了達到實用、靈活的目的，遵循了模塊化組合式的設計原則，不同的故障診斷目標電路通過標準接口插入核心控制板，以實現靈活擴展；遵循了軟硬共建的原則，開發實訓裝置硬件設備同時配備實訓講義、技術文檔、教學微課視頻等實訓資源包，打造全方位的學習框架；實訓裝置在設計中也考慮了基礎性、綜合性、創新性實訓項目相結合，兼顧全國職業院校技能競賽、大學生電子設計大賽等賽前競賽集訓的需要，提高裝置的實用性和先進性。

1.2 系統總體設計

智能電子線路故障診斷實訓系統由上位機和若干臺智能故障模擬控制裝置組成，系統結構方框如圖1所示。

圖1 智能電子線路故障診斷實訓系統結構

其中，上位機負責運行故障設置自動評分軟件，負責教師端數據的發放，根據實訓項目訓練要求發送故障設置命令，并收集學生答題信息以供大數據分析統計學生技能掌握情況。故障模擬核心控制板通過Wi-Fi 通信模塊與教師機相連，接收故障設置命令通過繼電器陣列設置目標電路板故障點，同時上報學生答題數據。

1.3 智能故障模擬控制裝置設計

智能故障模擬控制裝置（以下簡稱控制器）是整個實訓系統的核心，由Wi-Fi 通信模塊、單片機控制模塊、觸摸屏人機交互模塊、數字控制電源、繼電器陣列、元件陣列、故障模擬單元電路等模塊組成，如圖2所示。其中，單片機控制模塊通過Wi-Fi通信模塊加入無線局域網，實現上位機與控制器、控制器與控制器之間的信息傳遞；觸摸屏人機交互模塊負責訓練學生排故和答題，訓練模式下，通過觸摸電路上的故障點按鈕，就可以設置故障點，同時顯示該故障點的二維碼，學生用手機掃描即可查看學習幫助和教學視頻，在考核模式下，觸摸故障點完成答題。數字控制電源、繼電器陣列、元件陣列用以實現目標電路的故障模擬，在電子系統中最常見的故障是斷路故障、短路故障、元件失效故障和電源故障，利用繼電器的通斷可以模擬設置短路、斷路故障點，利用元件陣列將預先準備好的失效元件接入目標電路可以模擬元件失效故障，利用數控電源控制電壓、電流輸出給目標電路供電，可以模擬電源故障。

圖2 智能故障模擬控制器結構圖

2 硬件設計

2.1 單片機控制系統設計

該系統用STM32F103單片機作為控制系統的核心器件，該器件具有價格便宜、片內資源豐富的優點。單片機控制系統包括了時鐘電路、復位電路、JTAG 下載電路等最小系統部分電路和為了實現無線通信部分的Wi-Fi 模塊電路，Wi-Fi 模塊選用了目前成熟的ESP8266模塊，簡化了硬件電路的設計，該模塊采用串口與單片機通信，利用模塊提供的AT 指令集實現網絡連接、數據通信的功能。

2.2 觸摸屏人機交互模塊設計

實訓系統采用觸摸屏作為人機交互界面，為了減輕單片機繪圖的系統開銷，選用了迪文DGUS 串口屏。這種屏幕將實現設計好的觸控畫面放入SD 卡，不需要編寫程序，通過串口與單片機連接，通過讀寫串口即可識別觸屏按鍵、畫面顯示等功能，方便了故障點的設置。

2.3 數字控制電源設計

數字控制電源用于向目標電路板提供程控的電壓、電流輸入，為模擬電源故障提供支持。該電路利用大功率DC-DC 芯片XL6019實現核心功能，核心原理是將單片機的DAC 輸出，作為電源的采樣反饋比較環節的參考電壓，改變DAC 輸出即可控制電源的輸出電壓或輸出電流。

2.4 繼電器陣列和元件陣列設計

繼電器陣列和元件陣列的規模大小直接決定了能設置的故障點個數，為了最大化的增加系統的實用性，達到40個以上故障點的設置，必須對單片機進行IO 擴展，系統采用了5片74HC595級聯，利用3個I/O 口串轉并實現對40路輸出的獨立控制。由于74HC595驅動能力有限，不能直接驅動繼電器，我們將74HC595輸出信號光電隔離后驅動功率芯片ULN2803以驅動繼電器線圈，通過控制繼電器通斷，模擬斷路、短路故障同時向目標電路板引入失效元器件模擬元件故障。

2.5 故障模擬目標電路設計

系統采用了模塊化組合式設計原則，故障模擬目標電路通過2.54mm 排針與控制器標準接口相連，插入不同的目標電路即可實現不同的實訓項目，控制器將繼電器陣列和元器件通過該標準接口引出供目標電路板使用。為了讓控制器能夠自動識別插入的目標板類型，接口中用8個引腳作為地址線，不同的目標板將地址線接不同的電平信號，構成二進制編碼以供控制器識別，于是系統最大支持256個不同的目標電路。目前，我們設計了串聯穩壓電源、小功率音頻放大電路、555數字時鐘、聲光停電報警器、電子調光燈等目標電路，它們都是模擬電路、數字電路中最基礎、最具代表性的電路。

3 軟件設計

系統的軟件編寫分為兩個部分：上位機故障設置自動評分軟件和控制器控制軟件。由于采用了無線局域網進行數據通信，上位機可以直接使用TCP/IP 編程構建服務器實現與控制器之間的數據交換，這都可以使用強大的Qt5來編程實現。

3.1 數據通信協議的設計

上位機與控制器之間的可靠通信，是實現本系統的一個關鍵，上下位機之間需要交換的數據包括學生的登陸信息、目標板的類型、設置故障點、學生的答題數據，為此系統采用了MODBUS通信協議，根據需要交換的數據設計了如圖3所示的數據幀。

3.2 控制器工作流程

控制器的主要工作是接收教師端的故障設置命令，觸摸屏的觸摸命令，根據接收到的命令控制數字電源輸出，更新繼電器陣列、元件陣列的狀態，設置故障點。學生答題后，判斷答題是否正確，并將結果反饋給教師端和解除故障，其軟件流程圖如圖4所示。

圖3 數據包格式

圖4 系統軟件流程圖

4 結束語

智能電子線路故障診斷實訓系統創造性的將單片機控制技術、物聯網技術、觸摸屏人機交互技術、數字控制電源技術、上位機軟件技術結合起來，具有智能化、易擴展、實用性強等特點，實現了 圖4 系統軟件流程圖基本電子線路故障診斷教學的智能化，便于開展“生產型”的理實一體化教學。所開發樣機設計了多個典型模擬電子線路、數字電路線路的故障診斷目標電路，在實踐中，取得了良好的教學效果。