羅明璋，尹志豪，李修權(quán)，黑創(chuàng)，黃力，劉杰

《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》《C語言程序設(shè)計》和《感測技術(shù)》課程是電氣信息類專業(yè)的必修課，課程實踐性較強(qiáng)。目前，大多數(shù)高校電氣信息類專業(yè)《C語言程序設(shè)計》課程教學(xué)目標(biāo)不明確，與《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程脫節(jié)較嚴(yán)重[1]，導(dǎo)致學(xué)生動手能力不強(qiáng)，影響就業(yè)。而C語言是單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)編程開發(fā)的基礎(chǔ)，單片機(jī)是控制采集系統(tǒng)的核心，感測技術(shù)是信息采集的源頭，為此，筆者設(shè)計了一個可以綜合完成基于C語言的單片機(jī)和傳感器課程實驗的交叉科目實驗教學(xué)平臺。

1 實驗平臺設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

圖1 實驗教學(xué)平臺硬件設(shè)計框圖

本著易維護(hù)、易擴(kuò)展、易改造的原則，基于單片機(jī)的傳感器實驗教學(xué)硬件平臺由基礎(chǔ)核心板(以下簡稱基礎(chǔ)板)和傳感器擴(kuò)展板(以下簡稱擴(kuò)展板)組成，其硬件設(shè)計框圖如圖1所示?；A(chǔ)板選用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RCT6微控制器芯片，該芯片最高時鐘頻率為72MHz，在內(nèi)部集成了定時器/計數(shù)器、RS232串口、FLASH、SRAM、JLINK等功能，并連接了鍵盤、LED等外部電路，可以實現(xiàn)如表1所示的實驗教學(xué)內(nèi)容。傳感器擴(kuò)展板是為了擴(kuò)展基礎(chǔ)板功能以實現(xiàn)感測技術(shù)實驗教學(xué)內(nèi)容，它包括基于霍爾編碼器或增量光電編碼器的直流電機(jī)驅(qū)動(擴(kuò)展板1)、紅外遙控檢測模塊(擴(kuò)展板2)、MPU6050加速度傳感器、激光傳感器(擴(kuò)展板3)、機(jī)械手驅(qū)動(擴(kuò)展板4)、電渦流傳感器(擴(kuò)展板5)、ESP8266無線通信模塊(擴(kuò)展板6)。

表1 實驗項目內(nèi)容

1.2 軟件設(shè)計

為了在教學(xué)中能夠更加直觀的觀測感測技術(shù)實驗和綜合創(chuàng)新結(jié)果，基于LabView設(shè)計的上位機(jī)軟件如圖2所示，功能主要包含學(xué)生信息登錄、網(wǎng)絡(luò)通信、直流電機(jī)控制、機(jī)械手控制，加速度、位移數(shù)據(jù)繪圖、保存和數(shù)據(jù)處理。硬件配置使用STM32CubeMX，以實現(xiàn)快速配置，也可以自主配置。嵌入式編程采用Keil5使用C語言編程。

圖2 實驗平臺上位機(jī)軟件

2 實驗項目設(shè)計流程

不同于傳統(tǒng)51內(nèi)核單片機(jī)的開發(fā)方式，STM32嵌入式開發(fā)需要對芯片所封裝的函數(shù)庫及時鐘系統(tǒng)掌握后才能完成表1所述的實驗項目：

1)明確《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》《感測技術(shù)》和《C語言程序設(shè)計》的實驗?zāi)康?，在此基礎(chǔ)上確定實驗所需要的實驗平臺的硬件配置；

2)對實驗項目中使用的傳感器原理進(jìn)行調(diào)研、學(xué)習(xí)，一是對傳感器原理進(jìn)行明確，二是對傳感器模塊的接口和通信方式的學(xué)習(xí)；

3)確定與上位機(jī)通信方式及通信協(xié)議；

4)在Keil5中根據(jù)前3步的分析進(jìn)行程序設(shè)計并利用STM32CubeMX對STM32引腳狀態(tài)進(jìn)行快速配置，也可以自行調(diào)用函數(shù)配置；

5)下載程序到基礎(chǔ)板中進(jìn)行驗證，若驗證結(jié)果與實驗?zāi)康牟灰恢?則利用JLINK對程序?qū)崿F(xiàn)在線調(diào)試，最終實現(xiàn)實驗?zāi)康摹?/p>

3 實驗項目實例

筆者以基于無線網(wǎng)絡(luò)的懸臂梁共振阻尼實驗的設(shè)計案例來說明教學(xué)實驗項目設(shè)計的方法和流程。該實驗通過控制懸臂梁的振動，使懸臂梁達(dá)到共振，控制渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(ECTMD)，測量懸臂梁的振動情況，并將得到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)進(jìn)行繪圖，驗證ECTMD的阻尼效果。

3.1 實驗裝置

圖3 基于無線網(wǎng)絡(luò)的懸臂梁共振阻尼實驗裝置

實驗裝置如圖3所示，基礎(chǔ)板及擴(kuò)展板均包含在實驗平臺箱體內(nèi)。振動源采用質(zhì)量不平衡的可調(diào)速的直流電機(jī)作為振動激勵器，位移測量采用加速度傳感器直接安裝在結(jié)構(gòu)需要測量的部位,測得該點的加速度,然后將加速度信號2次積分后得到振動位移信號[2]。ECTMD由一個小懸臂梁、一個銅板和一個嵌有磁鐵的丙烯酸玻璃立方體構(gòu)成，小懸臂梁一端固定在可控懸臂梁上，另一端附著在立方體亞克力玻璃上，銅板固定在主懸臂梁上，通過控制機(jī)械手的開關(guān)與閉合從而控制ECTMD的有無。最后通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)實時顯示曲線。

圖4 懸臂梁共振阻尼實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.2 硬件設(shè)計

實驗平臺箱體內(nèi)基礎(chǔ)板及擴(kuò)展板的硬件設(shè)計如圖4所示，主要由電源模塊、位移測量模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速測量模塊、舵機(jī)驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成。

電源模塊主要由變壓器、整流電路、濾波電路及穩(wěn)壓電路組成，變壓器將220V、50Hz的交流電轉(zhuǎn)化成所需的電壓信號，接通整流電路將交流電變?yōu)槊}沖形式的直流電壓，然后通過濾波電路濾去較大紋波的電壓，最后通過穩(wěn)壓電路得到所需的±5V和±12穩(wěn)定電壓[3]。+12V為直流電機(jī)驅(qū)動器和舵機(jī)(機(jī)械手)驅(qū)動器提供電源，+5V為STM32核心板、MPU6050加速度傳感器和增量式光電編碼器提供電源。

位移測量模塊采用MPU6050加速度傳感器對主懸臂梁的位移進(jìn)行采集，MPU6050內(nèi)部集成姿態(tài)解算器，對信號進(jìn)行卡爾曼濾波，將各個軸的加速度信號發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)將加速度信號進(jìn)行2次積分后得到振動位移信號。

直流電機(jī)作為振動源，通過STM32輸出不同占空比的PWM波形來調(diào)速，驅(qū)動模塊采用了TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動模塊。在±12V供電的情況下，將±5V轉(zhuǎn)化到±12V電壓以達(dá)到驅(qū)動電機(jī)的目的，并且該模塊采用MOSFET-H橋式結(jié)構(gòu)，可以雙路輸出，熱耗性良好。由于實驗過程中需要主懸臂梁持續(xù)保持共振，要求電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，實驗中使用到了PID算法。采用了一個增量光電式編碼器，該編碼器的轉(zhuǎn)化結(jié)果幾乎不受外界振動影響，并可以將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)，將該值作為閉環(huán)算法中的反饋值對電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)整。

舵機(jī)作為機(jī)械手的驅(qū)動源控制ECTMD，通過控制STM32輸出不同占空比的PWM控制機(jī)械手的動作。該模塊采用了MG995模擬舵機(jī)。由于舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與占空比之間的關(guān)系受舵機(jī)供電情況和機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響。在多次實驗后采用LM2596S調(diào)壓模塊將原有+12V電壓調(diào)節(jié)到+7V電壓給舵機(jī)供電，PWM占空比為5.5%時機(jī)械手張開，PWM占空比為8.9%時機(jī)械手閉合。

圖6 調(diào)速中斷子程序 圖7 串口中斷子程序設(shè)計框圖 設(shè)計框圖

該實驗平臺的硬件與上位機(jī)采用無線網(wǎng)絡(luò)通信，該無線通信模塊采用ESP8266芯片，這是一個完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨立運行，可以作為從機(jī)搭載與其他主機(jī)MCU運行[4]，能夠?qū)⒋跀?shù)據(jù)以TCP/IP協(xié)議的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

3.3 軟件設(shè)計

基于上述搭建的硬件系統(tǒng)裝置采用圖5所示的軟件主程序框圖來進(jìn)行程序設(shè)計。系統(tǒng)上電之后開始系統(tǒng)的初始化，包括系統(tǒng)時鐘、各個端口GPIO狀態(tài)、串口中斷、定時器中斷、計數(shù)器計數(shù)模式、PID參數(shù)和PWM輸出模式的相關(guān)配置。由于采用增量式光電編碼器，當(dāng)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周編碼器輸出15000個高電平，實驗中采用了一個定時器和一個計數(shù)器對其實現(xiàn)采樣。在初始化中將計數(shù)器的值設(shè)置為0，其模式設(shè)置為上升沿觸發(fā)模式，即每一次上升沿來到計數(shù)器加1，并將定時器設(shè)置為10ms中斷1次。該配置可以使用STM32CubeMX軟件生成，生成的代碼可以作為教學(xué)過程中的參考。在初始化函數(shù)之后，主程序進(jìn)入循環(huán)程序之中，該循環(huán)主要判斷2個全局變量Flag的狀態(tài)來決定,是否向在數(shù)據(jù)包中摘取相應(yīng)的數(shù)據(jù)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包、是否執(zhí)行從上位處收到的命令以完成相應(yīng)的動作。

當(dāng)主程序每10ms進(jìn)入1次中斷時，讀取1次計數(shù)器中的值并將計數(shù)器中的值進(jìn)行清空。將讀取到的計數(shù)器值作為PID算法函數(shù)的入口參數(shù)，得到下一次PWM占空比的指導(dǎo)值，將該值輸出到PWM中實現(xiàn)調(diào)速的目的，其過程如圖6所示。該實驗中采用的位置式PID算法，結(jié)構(gòu)比較清晰，參數(shù)整定也較為明確[5]，且在采樣周期為10ms時，速度調(diào)控可以達(dá)到0.03r/s。

為避免數(shù)據(jù)丟失，該程序采用將上位機(jī)命令和傳感器數(shù)據(jù)分離在不同串口通信的方式。串口1接受MPU6050傳感器數(shù)據(jù)，在中斷中判斷其加速度的幀頭，在主函數(shù)中摘取X軸加速度。串口2與上位機(jī)通信，在中斷中判斷是否為有效命令，如命令有效則在主函數(shù)中進(jìn)行相應(yīng)動作，詳細(xì)框圖如圖7所示。

3.4 實驗結(jié)果

圖8 主懸臂梁的阻尼振動曲線

通過配套的上位機(jī)軟件和實驗硬件平臺，得到2種阻尼模態(tài)下主懸臂梁的振動情況。當(dāng)不存在ECTMD時即系統(tǒng)自由振動情況下，可以觀測到振動衰減的很慢，衰減到零時間很長， 大概需要25s左右，如圖8(a)所示。在同等激勵情況下，在ECTMD作用下，振動位衰減快，衰減到零時間大概需要5s左右，如圖8(b)所示。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是ECTMD模態(tài)下產(chǎn)生較大的振動阻尼，即當(dāng)ECTMD模態(tài)阻尼振動實驗時，解鎖了小懸臂梁，其端尾帶有一個磁鋼，主懸臂梁振動帶動磁鋼與銅板之間的相對運動，銅板內(nèi)部的磁通量發(fā)生變化從而在金屬板內(nèi)形成電渦流繼而產(chǎn)生一個反向的洛倫茲力阻礙懸臂梁運動[6]。

4 實驗項目開設(shè)方式

筆者所給出的基于單片機(jī)的感測技術(shù)教學(xué)平臺，主要通過3種開設(shè)方式使用：

1)隨課實驗，即在《感測技術(shù)》課程、《嵌入式單片機(jī)開發(fā)》課程開設(shè)部分實驗課時，該部分實驗屬于基礎(chǔ)實驗，實驗平臺可以滿足大部分實驗要求，特別在《感測技術(shù)》課程實驗時還可以結(jié)合到《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程知識，共同應(yīng)用2個學(xué)科知識解決問題，有利于學(xué)生對知識的融會和理解。

2)創(chuàng)新實驗，在各種技術(shù)科學(xué)類競賽中，可以利用該平臺進(jìn)行競賽培訓(xùn)。這種方式開設(shè)在開放實驗室中，由于專業(yè)知識涉及較多，需要老師進(jìn)行指導(dǎo)和教學(xué)。

3)教學(xué)演示實驗，對于建筑學(xué)科結(jié)構(gòu)共振只有理論的講解，沒有實驗，可利用該實驗平臺在理論課講解中穿插演示實驗的內(nèi)容，讓學(xué)生更好的理解振動方面的知識。

5 結(jié)語

介紹了整個教學(xué)實驗平臺的硬件構(gòu)成和軟件操作，以基于無線網(wǎng)絡(luò)的懸臂梁共振阻尼實驗為例說明了實驗教學(xué)的設(shè)計流程。該平臺使《C語言程序設(shè)計》《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》《感測技術(shù)》課程內(nèi)容融會貫通，實現(xiàn)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)，突破了地域和時域的限制增強(qiáng)了師生之間雙向交流互動[7]，在高校實驗教學(xué)中有良好的應(yīng)用價值。

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