崔建峰，靳 鴻，劉長明

（中北大學 電氣與控制工程學院，山西 太原030051）

0 引言

總線技術是工業(yè)智能系統(tǒng)采集、控制實現(xiàn)的遠程通訊基礎，是現(xiàn)在與未來工業(yè)裝置數字化、快速化、靈活化的關鍵技術之一［1～3］，因此“總線技術與應用”是電氣工程、自動化等相關專業(yè)均開設的一門重要專業(yè)課程。同時，“總線技術與應用”也是一門實踐性強、應用范圍廣、技術更新快的課程，其實踐教學效果直接影響到學生培養(yǎng)質量及社會對專業(yè)的認同評價［4～6］。

然而，總線課程相關的教學實驗平臺卻一直沒有得到廣泛關注與充分研制。目前，市場上與總線課程相關的完整實驗教學平臺主要是廣州致遠電子有限公司開發(fā)的CANOpen EDALab教學科研平臺［7］；除此之外，由于物聯(lián)網專業(yè)的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了一些以“嵌入式系統(tǒng)+無線傳感網絡”為基礎的物聯(lián)網應用實驗平臺［8］。這些產品對于學生提高總線產品與相關技術的認知具有較好的教學效果，但用于總線技術課程實驗及本科創(chuàng)新實踐教學卻存在總線教學形式單一、教學內容偏復雜、內部設計封閉、教學應用不充分、成本較高等不足之處。因此，一些高校在教學上已選擇自制總線實驗教學平臺［9～12］，但相應的平臺在實驗設計上側重于某一類總線，不便于學生對比理解不同總線的優(yōu)缺點。

因此，針對上述問題，我校課程組結合多年從事總線技術教學與相關科研工作的經驗體會，自主研制了一種面向“總線技術與應用”課程的開放式教學實驗平臺，以獲得更好的總線技術課程實驗教學效果，同時為學生課外實踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)服務。

1 總體設計

總線技術教學實驗平臺采用開放式、模塊化、可擴展原則進行系統(tǒng)設計。整個系統(tǒng)采用三層分布式結構，其整體架構如圖1所示。

圖1 實驗平臺整體架構

其中上層由PC機或工控機構成，中間層由嵌入式主節(jié)點組成，底層則為嵌入式從節(jié)點構成的測控智能單元。嵌入式主節(jié)點與嵌入式從節(jié)點采用統(tǒng)一的硬件設計，并以“主1從3”的形式組合構成實驗子系統(tǒng)。上層PC/工控機通過USB協(xié)議轉換模塊實現(xiàn)與實驗子系統(tǒng)主節(jié)點的總線連接，可以支持“LabVIEW軟件應用”、“Visual C++編程設計”等課程的實驗教學。實驗子系統(tǒng)各總線節(jié)點硬件組成全部開放，統(tǒng)一固定安裝在多孔網板上，各總線節(jié)點之間連線均布置于多孔網板前面板上。

總線技術教學實驗平臺的核心部件是各總線節(jié)點。對于單一的總線節(jié)點，將采取子母板的結構形式進行設計。母板設計成緊湊的單片機實驗系統(tǒng)，也稱為基板。子板根據不同的總線實驗教學效果通過統(tǒng)籌規(guī)劃設計成不同功能的功能板。兩者之間通過層疊插裝的形式進行連接。當進行不同實驗時，只需進行相應功能總線子板的更換。而對于基板而言，當技術發(fā)展需要采取新的硬件器件時，可以僅更換基板，達到整體實驗平臺性能升級的目的。

總線技術教學實驗平臺下屬總線節(jié)點的結構與接口采用標準化設計。一方面在使用過程中，便于根據不同實驗內容進行快速更換；另一方面，對于整個實驗平臺的維護而言也增加便捷性，當其中某個總線節(jié)點故障時，可以通過更換備用總線節(jié)點或功能模塊組件進行迅速修復。另外，由于總線節(jié)點結構及內部接口設計標準化，總線技術教學實驗平臺可以很方便地進行功能擴展及節(jié)點擴展。如增加相應總線接口的測試與控制模塊節(jié)點，就可以針對控制類專業(yè)課程實驗進行應用。學生也可以自制規(guī)范接口的節(jié)點模塊，與整個總線系統(tǒng)相連，驗證設計的有效性，從而支撐本科創(chuàng)新實驗、課程設計與畢業(yè)設計需求。

2 單一節(jié)點設計

2.1 核心單片機選型

總線技術教學實驗平臺核心單片機選型即要結合課程教學目的，又要結合當今工業(yè)需求。學生在學習過程中能夠對相關知識點快速理解，進入社會后又能直接利用所學知識開展設計研制工作。因此，所采用的單片機應該具有清晰的架構、充足的片上資源以及豐富的學習資源。

ARM單片機是以ARM處理器為核心的一種單片微型計算機，是近年來隨著電子設備智能化和網絡化程度不斷提高而出現(xiàn)的新興產物。ARM單片機以其低功耗和高性價比的優(yōu)勢成為了現(xiàn)代工業(yè)設計中主流產品，被廣泛地應用于運動控制、智能測試等諸多領域。ARM單片機由于同一架構設計一致性佳、不同架構設計兼容性好，因此所設計的產品具有良好的可移植性。而且，ARM單片機相關網絡學習資源豐富，更易于學生課下消化理解。因此，本實驗平臺以意法半導體公司的STM32F407型ARM單片機為核心進行設計。STM32F407具有32位高性能ARM Cortex-M4內核，時鐘高達168MHz，支持FPU（浮點運算）和DSP指令，通信接口多達17個，能夠滿足單一節(jié)點的多功能需求。

2.2 基板設計

基板（母板）設計原則為：無子板時自成基礎實驗系統(tǒng)、有子板時充分支撐總線子板功能。因此，基板設計與規(guī)劃是整個單一節(jié)點硬件設計的難點?；宀捎萌鐖D2所示的布局方案。

圖2 基板布局方案示意圖

其中參照常規(guī)單片機實驗箱的功能組成進行基板功能設計：在基板上實現(xiàn)了三色流水燈、單總線溫度傳感、ADC可變電阻、4位LED數碼管、蜂鳴器、四向按鍵等功能，可支撐單片機技術相關課程的基礎教學實驗。同時，進行了SRAM、EEPROM、Flash資源擴展，并實現(xiàn)了LED顯示屏接口，可支撐嵌入式系統(tǒng)設計課程的相關實驗。另外，基板上設計了Zigbee、Wifi標準擴展模塊接口；通過外接標準商業(yè)模塊，如樂鑫ESP8266模塊，實現(xiàn)物聯(lián)網相關課程的教學應用。

基板在設計中要將盡可能多的IO資源留給子板擴展接口，以便充分支撐總線子板功能。同時，為了便于后續(xù)基板升級，對連接器引腳進行了功能分區(qū)，如CAN接口功能區(qū)，以太網接口功能區(qū)。通過固定分區(qū)的方式實現(xiàn)子板連接標準化。

2.3 子板設計

子板設計原則為：具有較好的抗干擾能力，并盡可能按照工業(yè)現(xiàn)場需求進行設計。

由于總線功能子板是課程實驗的主要對象，學生操作頻繁，容易引入干擾，從而影響基板正常工作，嚴重情況下甚至可能使基板主要芯片損壞，因此需要進行抗干擾設計。另外，為了讓學生對常規(guī)的工業(yè)現(xiàn)場設計具有較為清晰的認知，因此，子板設計需要盡可能按照工業(yè)現(xiàn)場需求進行設計。

以所開發(fā)的CAN功能子板為例對子板設計原則進行說明，其主要電路設計如圖3所示。

圖3 CAN功能子板主體電路原理圖

其中對CAN接口進行了電源隔離、光耦隔離及TVS靜電防護，基本接近常規(guī)CAN接口防護設計。另外，CAN功能子板共設計了兩路CAN，通過合理組合，可以構成自環(huán)路測試、主備CAN功能，便于學生開展單節(jié)點測試及創(chuàng)新實踐。

除CAN功能子板以外，本實驗平臺還進行了RS485等總線功能子板的設計。

3 教學設計

總線技術教學實驗平臺主要用于本科生的實驗教學、課程設計和畢業(yè)設計，也可用于研究生或教師從事總線系統(tǒng)開發(fā)與應用等方面的研究。所研制的實驗平臺實物如圖4所示。

圖4 總線技術教學實驗平臺實物

目前，基于實驗平臺已開發(fā)的實驗項目有單片機技術基礎類實驗13種，嵌入式操作系統(tǒng)類實驗4種，總線類擴展實驗2種。其中總線類擴展實驗已用于我校電氣工程與智能控制專業(yè)“總線技術與應用”課程教學中，相應實驗項目如表1所示。

表1 實驗項目

以CAN總線教學實驗（教學現(xiàn)場如圖5所示）為例，為了使學生對CAN總線系統(tǒng)有一個較為全面的認知，要求學生在實驗過程中完成以下步驟：

圖5 CAN總線教學實驗現(xiàn)場

（1）對單一節(jié)點示例程序繪制程序流程圖，并修改程序中節(jié)點地址、波特率等接口參數，編譯后下載程序。從而使學生熟悉單一節(jié)點所涉及的總線參數與程序編寫思路。

（2）對總線系統(tǒng)進行裝配連接。從而使學生熟悉總線系統(tǒng)物理層設計與應用注意事項。

（3）聯(lián)調整個總線系統(tǒng)，使之正常通訊并實現(xiàn)指定的測試與控制功能，并通過示波器與相應總線分析儀觀察通訊波形與通訊流程。從而使學生熟悉總線系統(tǒng)通訊物理波形及通訊流程設計。

（4）調整總線參數，觀察這些參數對總線系統(tǒng)的影響，如將通訊速率不斷提高，觀察什么速率情況下總線系統(tǒng)功能失效，并分析失效機理。從而使學生理解總線參數設計的機理與重要性。

（5）完成上述試驗后，思考需要哪些電子元器件使系統(tǒng)正常工作，并對硬件成本進行估算。從而使學生理解實現(xiàn)總線系統(tǒng)所需要的硬件成本，以便學生制定合理的總線系統(tǒng)方案。

通過上述教學設計，學生在一種開放式的應用環(huán)境下對實驗所涉及到的總線技術進行全面的理解。另外，由于總線技術教學實驗平臺的開放性設計與可擴展設計，實驗子系統(tǒng)間可構成一個更大的總線測控網絡，結合上位機測控軟件設計，可使實驗更能貼近工業(yè)現(xiàn)場應用情況，從而讓學生對總線技術的優(yōu)劣具有更為清晰的認知。

4 教學效果驗證

為了驗證實驗平臺對教學效果的改善情況，通過對授課班級進行網上問卷調查，對比了實驗平臺引入前后電氣工程與智能控制專業(yè)授課班級主觀課程目標達成情況，調查結果如表2所示：

表2 課程目標達成情況

通過表中數據可以看出，由于自主研制教學實驗平臺的引入，教學效果得到了較大的改善與學生認同。但課程目標總達成度仍有些偏低，后續(xù)還需通過進一步改進實驗教學設計，提升課程教學質量。

5 結語

總線技術是電氣工程、自動化等相關專業(yè)本科生需要掌握的主要知識之一。通過開放性、模塊化、可擴展性的設計，同時結合目前總線技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢設計了總線技術教學實驗平臺，并據此進行了相關的教學設計。后續(xù)課程組將通過教學實踐進一步完善實驗平臺、豐富功能子板、優(yōu)化實驗內容，從而激發(fā)學生的學習興趣，使學生更好地掌握總線技術相關的知識和技能。