高海濤，官邦貴，丁雨，王帥

（安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，蚌埠233030）

0 引言

隨著全球特別是我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷展，社會(huì)需求和經(jīng)濟(jì)更新促使著高校教育發(fā)生革新，辦學(xué)定位逐漸開(kāi)始細(xì)化，如與研究型大學(xué)相比，定位為應(yīng)用型大學(xué)的高校，其辦學(xué)目標(biāo)是為社會(huì)培養(yǎng)大量?jī)?yōu)秀應(yīng)用型人才，也就要求高校在人才培養(yǎng)過(guò)程更加重視學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力的培養(yǎng)。然而，在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，仍然存在著課程安排理論與實(shí)踐脫節(jié)、實(shí)踐課程安排不科學(xué)、實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量低、人才培養(yǎng)方案有實(shí)踐形無(wú)實(shí)踐魂等一系列問(wèn)題[1-6]。本文以案例式實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)為題，對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生綜合實(shí)踐素質(zhì)的有效方式進(jìn)行探索性研究與討論。

電磁炮是利用物理學(xué)中運(yùn)動(dòng)電荷或載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力作用的基本原理來(lái)加速?gòu)椡璧难b置，具有彈速快、隱蔽性強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，是軍事武器領(lǐng)域的重要研究對(duì)象[7-8]。本文實(shí)踐教學(xué)任務(wù)是讓學(xué)生利用所學(xué)電路設(shè)計(jì)、軟件編程、硬件實(shí)現(xiàn)等知識(shí)，靈活采用電磁線圈、舵機(jī)、微控制器、攝像頭、電源、開(kāi)關(guān)等元器件搭建一電磁炮模擬發(fā)射系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)靶點(diǎn)自動(dòng)掃描、自動(dòng)調(diào)整炮管和發(fā)射功能。該實(shí)踐教學(xué)的重點(diǎn)并不在于讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)作品功能多么完善、參數(shù)調(diào)試多么優(yōu)秀等方面，而在于通過(guò)科學(xué)的指導(dǎo)，能夠讓學(xué)生面對(duì)一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，如何綜合利用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的方法，培養(yǎng)其獨(dú)立自主的思維習(xí)慣、善于動(dòng)手解決問(wèn)題，進(jìn)而提高學(xué)生的應(yīng)用能力。

1 任務(wù)實(shí)現(xiàn)方案指導(dǎo)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

學(xué)生拿到實(shí)踐任務(wù)之后，首先應(yīng)該要讓學(xué)生學(xué)會(huì)分析題目要求，將目標(biāo)進(jìn)行分層次分解，最后將分模塊連接互通，待理清設(shè)計(jì)思路之后再進(jìn)行具體工作，才能順利完成設(shè)計(jì)。在電磁炮模擬裝置設(shè)計(jì)中可以分析出三個(gè)大體要求，即系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)、自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、自動(dòng)發(fā)射?？梢源_定大體的研究思路：通過(guò)控制云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，使炮管水在平方位及垂直仰角方向上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，用電磁力將彈丸射出，擊中目標(biāo)環(huán)形靶；由于目標(biāo)空間分布較大，因此可以選用攝像頭作為目標(biāo)識(shí)別的傳感器；炮彈的發(fā)射及發(fā)射距離可以通過(guò)控制發(fā)射電磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)可控發(fā)射。系統(tǒng)大體控制思路可以畫(huà)出一個(gè)如圖1 所示的框圖表示，關(guān)系直觀明了，其硬件實(shí)現(xiàn)即可以按照這個(gè)思路進(jìn)行組織與設(shè)計(jì)。

圖1 電磁曲射炮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

具體的工作過(guò)程為：通過(guò)攝像頭采集靶點(diǎn)或引導(dǎo)標(biāo)識(shí)的圖像信息，并對(duì)其進(jìn)行處理與計(jì)算，獲取標(biāo)識(shí)相對(duì)于電磁炮的位置，將其與給定量進(jìn)行對(duì)比，由控制器計(jì)算出控制量，通過(guò)控制云臺(tái)來(lái)來(lái)調(diào)整電磁炮姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞄準(zhǔn)和炮彈自動(dòng)發(fā)射。

1.2 設(shè)計(jì)方案選擇

設(shè)計(jì)方案的選擇主要是指系統(tǒng)軟硬件中元器件、編程語(yǔ)言、調(diào)試環(huán)境方面的選擇。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路理清之后需要學(xué)生學(xué)會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求辯證地選擇具體模塊，要綜合考慮性能、價(jià)格、體積、易獲得性、設(shè)計(jì)者自身知識(shí)結(jié)構(gòu)等，選出最適合自己或團(tuán)隊(duì)的元件。如電磁曲射炮模擬裝置控制器和炮彈的選擇可以對(duì)比選擇。

主控芯片選擇論證：①采用51 單片機(jī)作為控制器。51 單片機(jī)是八位的單片機(jī)，在圖像處理等方面速度跟不上，所以棄用。②采用FPGA 作為系統(tǒng)的控制器。FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高。但因其價(jià)格較高致使系統(tǒng)成本相應(yīng)增加，其優(yōu)勢(shì)得不到完美體現(xiàn)。③采用ARM 處理器。STM32f103R8T6 處理器基于Cortex-M3 內(nèi)核，集成了256K 程序存儲(chǔ)器、3 個(gè)定時(shí)器、51 個(gè)I/O 口等資源；MK66FX1M0VLQ18 處理器，功能強(qiáng)大、具有高性能的模擬技術(shù)和豐富的外圍模塊，與STM32 相比，F(xiàn)lash 容量高達(dá)1080k，多達(dá)144 個(gè)I/O 口，標(biāo)準(zhǔn)頻率高達(dá)180M，同時(shí)還支持FSMC 等豐富的功能，可擴(kuò)展性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)環(huán)境使操作簡(jiǎn)便，低功耗效果好，價(jià)格適中、滿足設(shè)計(jì)技術(shù)需求，且符合開(kāi)發(fā)學(xué)生團(tuán)隊(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)比論證，可以選擇MK66FX1M0VLQ18 處理器作為系統(tǒng)的主控制器和信號(hào)圖像信號(hào)處理單元。

電磁炮炮彈選擇論證：①使用圓珠炮彈。圓珠炮彈占炮管面積百分比大，每次射出動(dòng)能一定時(shí)，炮彈受力均勻故炮彈軌跡一致。②使用柱體炮彈。體積小，質(zhì)量輕，只需很小的作用力便可射出很遠(yuǎn)，但圓柱炮彈占炮管面積百分比小，每次射出會(huì)造成一定誤差使炮彈軌跡不一致。圓珠炮彈雖然射出軌跡穩(wěn)定，但電容充電時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電路設(shè)計(jì)提出較高要求，結(jié)合功能要求綜合考慮，可以選擇柱體炮彈。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)象

對(duì)于在校學(xué)生來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)的專業(yè)理論和實(shí)踐知識(shí)基本都是經(jīng)典的，但社會(huì)需求技術(shù)領(lǐng)域卻分布十分廣泛，甚至是跨領(lǐng)域，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)有些應(yīng)用對(duì)象是陌生的。因此指導(dǎo)教師在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中需要指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、消化吸收陌生領(lǐng)域技術(shù)。如電磁炮的工作原理在課堂上一般不會(huì)介紹，如圖2 所示，需要學(xué)生查閱相關(guān)技術(shù)資料，通過(guò)自己掌握的物理知識(shí)消化吸收。在此過(guò)程中學(xué)生最容易氣餒，但這也是未來(lái)從事技術(shù)工作必須經(jīng)歷的，讓學(xué)生迎難而上，克服怕生的心理恐懼感。

圖2 電磁炮工作原理

圖2（a）中，當(dāng)固定線圈接通電源時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與彈丸上的可動(dòng)線圈上的感應(yīng)電流相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力，推動(dòng)彈丸加速射出，彈丸所受的推力可由式（1）表示：

其中，F(xiàn) 為洛倫茲力、If為固定線圈中的電流強(qiáng)度、Ip為彈丸線圈中的電流強(qiáng)度、M 為固定與可動(dòng)線圈的互感、dM/dx 為互感梯度。由式（1）可知，固定線圈中的電流強(qiáng)度越大，彈丸線圈中的感應(yīng)電流就越強(qiáng)，彈丸所受到的電磁力就越大。圖2（b）為電磁炮驅(qū)動(dòng)電路，電感線圈與整流二極管和三極管組成單管自激震蕩電路，將低壓直流電逆變?yōu)楦邏航涣麟?，?jīng)整流二極管給儲(chǔ)能電容充電。

2.2 軟硬件設(shè)計(jì)

（1）硬件系統(tǒng)

進(jìn)一步，將上市公司總體樣本按國(guó)有企業(yè)和非國(guó)有企業(yè)分組進(jìn)行回歸，結(jié)果如表4所示。無(wú)論在投資過(guò)度的樣本組中還是在投資不足的樣本組中，國(guó)有企業(yè)樣本組的Ece_L1回歸系數(shù)絕對(duì)值均明顯大于非國(guó)有企業(yè)樣本組，P值也證實(shí)了這種差異的顯著性，說(shuō)明國(guó)有企業(yè)的投資效率對(duì)信心的敏感性更強(qiáng)，這證明假說(shuō)1c成立。這意味著企業(yè)家信心指數(shù)的變動(dòng)對(duì)于國(guó)有企業(yè)投資效率的影響更大，信心增長(zhǎng)更易加劇國(guó)有企業(yè)的過(guò)度投資，也更易緩解國(guó)有企業(yè)投資不足問(wèn)題。

硬件系統(tǒng)需綜合考慮，整體布局。如主控板需要給攝像頭、舵機(jī)、電磁炮電容等外圍器件供電，因此主板需要良好的穩(wěn)壓功能。穩(wěn)壓芯片有線性穩(wěn)壓芯片和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片，各有優(yōu)劣，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓效率高重量輕，輸出功率大，但輸出噪聲大，線性穩(wěn)壓源輸入電壓低但是反應(yīng)速度快，而且穩(wěn)定，綜合考慮使用兩者結(jié)合方式去穩(wěn)壓；攝像頭與舵機(jī)采用LM1117-5v 去穩(wěn)壓，電磁炮電容使用LM2596ADJ 穩(wěn)壓。

（2）位置檢測(cè)與系統(tǒng)控制

系統(tǒng)采用攝像頭MT9V032 模塊檢測(cè)標(biāo)靶實(shí)時(shí)位置，輸出量為標(biāo)靶距云臺(tái)距離與標(biāo)靶偏離中心軸線角度。其原理是通過(guò)MT9V032 檢測(cè)回來(lái)的物體不同光線強(qiáng)度，分辨引導(dǎo)標(biāo)志顏色與周圍物體顏色形成強(qiáng)烈對(duì)比反差，然后將RGB 圖先進(jìn)性灰度化，再設(shè)置閾值將圖像二值化，并濾除噪聲，計(jì)算出標(biāo)靶位置。信息采集流程如圖3 所示。

圖3 信息采集流程

系統(tǒng)控制算法采用PID 控制，設(shè)定標(biāo)靶位置作為期望值，攝像頭檢測(cè)的實(shí)際標(biāo)靶位置為測(cè)量值，兩者之差作為PID 調(diào)節(jié)參數(shù)；隨著標(biāo)靶的位置改變，攝像頭采集的數(shù)據(jù)通過(guò)PID 控制公式計(jì)算出云臺(tái)控制系數(shù)，調(diào)節(jié)PWM 占空比來(lái)調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)角來(lái)改變炮口姿態(tài)，緊盯引導(dǎo)標(biāo)志；由于炮彈的受力大小直接由云臺(tái)角度和電容充電時(shí)間決定，通過(guò)電磁炮充電時(shí)間、標(biāo)靶角度，利用PI 控制器實(shí)現(xiàn)電磁炮發(fā)射時(shí)的炮彈動(dòng)能大小控制，標(biāo)靶距離以及角度直接看作控制環(huán)的反饋值，使電磁炮炮彈擊中靶標(biāo)。控制方法流程可由圖4 框圖描述。

圖4 控制方法流程

3 系統(tǒng)集成、調(diào)試與文案撰寫(xiě)

3.1 系統(tǒng)集成與調(diào)試

實(shí)踐設(shè)計(jì)課程技術(shù)層面的最后一步是系統(tǒng)集成和調(diào)試，即將軟硬件系統(tǒng)組合成整機(jī)，并加以調(diào)試，使系統(tǒng)運(yùn)作正常，雖然是最后一步，但也是最關(guān)鍵和最容易出現(xiàn)問(wèn)題的一步，前期的嚴(yán)密論證工作可以減少出問(wèn)題的概率。系統(tǒng)調(diào)試可以分塊進(jìn)行，將軟硬件分成各個(gè)功能模塊，逐級(jí)調(diào)試，碰到問(wèn)題及時(shí)解決，待各個(gè)模塊均調(diào)試成功，整機(jī)測(cè)試更容易獲得成功，避免了一開(kāi)始進(jìn)行整體聯(lián)動(dòng)調(diào)試出現(xiàn)故障后，故障點(diǎn)難尋的局面。

圖5 電磁曲射炮模擬實(shí)物圖

調(diào)試中的遇到的細(xì)節(jié)問(wèn)題各式各樣，如學(xué)生在搭載機(jī)械結(jié)構(gòu)的時(shí)候遇到了問(wèn)題，拆了很多次，總是出現(xiàn)云臺(tái)和電磁炮的高度與距離等不匹配情況，在一次次的整改和測(cè)試過(guò)程中，最終實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)射擊功能；硬件設(shè)計(jì)上，使用的電路板的接口和攝像頭的接口不匹配，調(diào)試時(shí)學(xué)生外加了杜邦線，另外，為了使控制線圈電壓穩(wěn)

定輸出，又增加了穩(wěn)壓模塊；在軟件的調(diào)試過(guò)程中也出現(xiàn)了很多的問(wèn)題，如攝像頭的聚焦不理想問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多角度的調(diào)節(jié)最終達(dá)到理想效果。在細(xì)節(jié)性調(diào)試過(guò)程中問(wèn)題有時(shí)復(fù)雜繁瑣，需要培養(yǎng)學(xué)生的耐心和專注性。

3.2 技術(shù)文案

技術(shù)文案的書(shū)寫(xiě)在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中通常是被忽略的重要內(nèi)容。技術(shù)文案是對(duì)整個(gè)項(xiàng)目或產(chǎn)品的技術(shù)性描述，在企業(yè)中也稱為技術(shù)文檔，根據(jù)不同的受眾對(duì)象又可以細(xì)分為研發(fā)文檔和客戶文檔，書(shū)寫(xiě)合格的技術(shù)文檔是企業(yè)對(duì)研發(fā)工程師的重要要求。指導(dǎo)教師在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行專業(yè)實(shí)踐時(shí)，也應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何書(shū)寫(xiě)技術(shù)文檔?？梢詮脑O(shè)計(jì)報(bào)告升華為技術(shù)文檔開(kāi)始，慢慢培養(yǎng)學(xué)生書(shū)寫(xiě)技術(shù)文檔的能力和習(xí)慣，為將來(lái)從事技術(shù)開(kāi)發(fā)打好基礎(chǔ)。教學(xué)實(shí)踐中除練習(xí)書(shū)寫(xiě)技術(shù)文檔之外，也可以讓學(xué)生總結(jié)一下設(shè)計(jì)后的感想，加深課題認(rèn)識(shí)和理解。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力的有效途徑，通過(guò)針對(duì)目標(biāo)的設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)能夠直觀地加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)習(xí)的趣味性性，培養(yǎng)獨(dú)立思考能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。在此過(guò)程中，制定堅(jiān)實(shí)科學(xué)的人才培養(yǎng)方案是實(shí)踐教學(xué)成功的前提，指導(dǎo)老師的實(shí)踐教學(xué)方法是核心。由于實(shí)踐教學(xué)涉及內(nèi)容較多，本文以電磁曲射炮的模擬裝置設(shè)計(jì)為例，針對(duì)具體問(wèn)題探討了部分實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中如何培養(yǎng)和提高學(xué)生應(yīng)用實(shí)踐能力的方法。探討對(duì)象從目標(biāo)分析、方案選擇、系統(tǒng)對(duì)象攻克、軟硬件設(shè)計(jì)到技術(shù)文案書(shū)寫(xiě)，貫穿項(xiàng)目的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。