張 剛 王淑娟 呂 超 徐 樂 張 巖

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院， 哈爾濱 150001)

高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度是“金課”建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。電氣信息實(shí)踐類“金課”建設(shè)是提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵手段[3-7]。近年來，隨著EDA技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，電氣信息類學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜電子系統(tǒng)開發(fā)的難度逐漸下降，學(xué)生越來越“喜軟怕硬”，對底層電子技術(shù)硬件電路興趣度下降。由于電子技術(shù)實(shí)踐類課程偏重于硬件基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參與熱情和滿意度下降明顯。但與此同時(shí)，結(jié)合人工智能、無人駕駛、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的電子類科技創(chuàng)新競賽方興未艾，學(xué)生參與熱情極高。因此，如何在提高電子技術(shù)實(shí)踐類課程“兩性一度”的同時(shí)，進(jìn)一步提高學(xué)生參與熱情，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新精神，成為當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)改革面臨的新課題[8-11]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)“電子技術(shù)課程綜合實(shí)驗(yàn)”是面向電氣信息類本科二年級開設(shè)的一門綜合實(shí)驗(yàn)課程，是學(xué)生在學(xué)習(xí)完電路、模擬和數(shù)字電子技術(shù)等基礎(chǔ)知識后，嘗試?yán)盟鶎W(xué)知識解決綜合性工程問題的首次實(shí)踐。2018年起，對標(biāo)“金課”建設(shè)要求，對課程內(nèi)容進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)。改革思路為將科創(chuàng)競賽內(nèi)容和形式引入課程綜合實(shí)驗(yàn)，以全國大學(xué)生智能車競賽為背景，建設(shè)了“循跡競速電動(dòng)車設(shè)計(jì)”項(xiàng)目，提高學(xué)生的參與興趣。內(nèi)容設(shè)計(jì)上，將授課教師的科研成果融入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)要求層次推進(jìn)，并可以多方案實(shí)現(xiàn)，提高了課程的高階性和挑戰(zhàn)度。通過上述課程改革，在繼續(xù)保持哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣專業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力強(qiáng)的人才培養(yǎng)特色的同時(shí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力，提高人才培養(yǎng)水平。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路和教學(xué)目標(biāo)

“循跡競速電動(dòng)車設(shè)計(jì)”項(xiàng)目要求學(xué)生在不使用微控制器的條件下，利用模擬和數(shù)字電子技術(shù)中學(xué)過的基本電路，設(shè)計(jì)、組裝一輛循跡競速電動(dòng)車，在圖1所示賽道上完成如下任務(wù)：

圖1 跑道示意圖

(1)設(shè)計(jì)組合邏輯電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車自主循跡功能；

(2)設(shè)計(jì)時(shí)序邏輯電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車終點(diǎn)退出功能(檢測到終點(diǎn)退出賽道)；

(3)通過電路仿真完成系統(tǒng)總體方案的驗(yàn)證；

(4)優(yōu)化電動(dòng)車循跡方案、速度和轉(zhuǎn)向控制邏輯，提高競速成績；

(5)優(yōu)化元器件布局、布線工藝，改善系統(tǒng)電磁兼容性和信號完整性。

教學(xué)實(shí)施過程以學(xué)生為主體設(shè)計(jì)制作，教師啟發(fā)引導(dǎo)，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。教學(xué)實(shí)施進(jìn)程分為課前預(yù)熱、調(diào)試驗(yàn)收和總結(jié)反思三個(gè)環(huán)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)比較完整的工程實(shí)踐過程，需要經(jīng)歷學(xué)習(xí)研究、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、實(shí)驗(yàn)調(diào)試、功能優(yōu)化、設(shè)計(jì)總結(jié)等過程。

圖2 教學(xué)過程

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的魅力在于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的未知性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往與理論值存在一定差別，甚至測試不到結(jié)果。在這種情況下，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生悲觀失落、自我懷疑的挫敗情緒。因此，教師要在實(shí)驗(yàn)全程進(jìn)行心理輔導(dǎo)，幫助學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想的原因，以實(shí)事求是的原則指導(dǎo)學(xué)生排除故障，培養(yǎng)追求真理、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的求實(shí)精神。對于部分優(yōu)秀學(xué)生而言，實(shí)現(xiàn)基本功能較為容易，教師要通過方案啟發(fā)、加分獎(jiǎng)勵(lì)等手段，鼓勵(lì)學(xué)生挑戰(zhàn)更快速度、更高性能、更完美的工藝，勇攀高峰，敢為人先，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神和創(chuàng)新精神。

通過上述教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)習(xí)的電子技術(shù)基礎(chǔ)知識完成具有一定復(fù)雜度電子電路的設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試，深入理解方案優(yōu)化、電磁兼容、PWM控制等工程概念，具備解決復(fù)雜工程問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)精神。

2 實(shí)驗(yàn)原理及方案

該項(xiàng)目是一個(gè)運(yùn)用數(shù)字和模擬電子技術(shù)解決工程實(shí)際問題的典型案例。如圖3所示，完成實(shí)驗(yàn)作品需要綜合運(yùn)用傳感器及檢測技術(shù)、PWM信號和時(shí)鐘信號發(fā)生、信號調(diào)理、組合和時(shí)序邏輯控制電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、鋰電池等相關(guān)知識，以及電路仿真、可編程邏輯器件開發(fā)、PCB制作與焊接等技術(shù)方法，涉及參數(shù)優(yōu)化、抗干擾等工程概念與方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基本要求和拓展部分，每一功能均可由多種方案實(shí)現(xiàn)，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的自由度較高。

圖3 循跡競速電動(dòng)車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電動(dòng)車平臺

循跡電動(dòng)車車體采用如圖4所示的三輪兩驅(qū)結(jié)構(gòu)(2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、1個(gè)萬向輪)，驅(qū)動(dòng)輪由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)(減速比1:48)，車體為亞克力結(jié)構(gòu)。車體以散件發(fā)放給每個(gè)小組后，需要按照圖紙組裝并為驅(qū)動(dòng)電機(jī)焊接電源線。

圖4 循跡競速電動(dòng)車車體

2.2 電源模塊

電源模塊為小車的軌跡檢測傳感器、控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電路提供電源，其中軌跡檢測和控制電路均設(shè)計(jì)為直流+5 V供電，小車采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓為直流+5～+10 V。因此本設(shè)計(jì)采用兩節(jié)18650鋰電池串聯(lián)(約為+7 V)配合LM7805線性穩(wěn)壓芯片(輸出+5 V)分別獲得兩種電壓等級電源。電路原理圖如圖5所示。這里留一個(gè)思考題，結(jié)合當(dāng)前電動(dòng)車“里程焦慮”背景，要求學(xué)生思考LM7805是否是一個(gè)好的選擇，有什么可替代的優(yōu)化方案。這里主要考察“功耗”約束下的工程方案選擇，同時(shí)也是串聯(lián)穩(wěn)壓與開關(guān)穩(wěn)壓電路的再學(xué)習(xí)、再理解。

圖5 電源模塊原理圖

2.3 軌跡檢測模塊

軌跡檢測使用兩路反射式紅外傳感器實(shí)現(xiàn)，分別安裝在左輪和右輪下方。反射式紅外傳感器電路如圖6所示，其中TCRT5000是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，它由一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)紅外光電三極管組成。檢測反射距離1～25 mm適用，傳感器越貼近地面，循跡精度越高。TCRT5000輸出信號使用施密特反相器改善波形質(zhì)量，輸出波形驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。除采用兩路傳感器方案外，軌跡檢測還可采用三傳感器或多傳感器來實(shí)現(xiàn)，循跡精度更高，但控制電路設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜，對學(xué)生能力要求也更高。

圖6 反射式紅外傳感器電路原理圖

2.4 主控模塊

電動(dòng)車主控模塊的功能是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車直流電機(jī)，根據(jù)軌跡檢測模塊輸出的軌跡信息實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)車行進(jìn)方向和速度，實(shí)現(xiàn)循跡功能和終點(diǎn)退出功能。具體實(shí)現(xiàn)方案如圖7所示。

該設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用L293B芯片完成。L293B是推挽四通道驅(qū)動(dòng)器，常用于減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有驅(qū)動(dòng)電路簡單、功率容量大的特點(diǎn)。L293B的EN1和EN2引腳是使能端，高電平有效，如接入脈寬調(diào)制(PWM)信號可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。IN為控制信號輸入端，例如，可通過改變IN1和IN2管腳的電平實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。

電動(dòng)車方向控制策略有兩種方案：

方案一：通過車輪轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)方向控制。電動(dòng)車左右驅(qū)動(dòng)輪均使用L293B的PWM轉(zhuǎn)速控制功能，根據(jù)軌跡檢測情況實(shí)時(shí)調(diào)整PWM信號占空比，利用兩個(gè)車輪轉(zhuǎn)速差調(diào)整行進(jìn)方向。PWM信號占空比調(diào)節(jié)使用74LS85比較器和74LS163計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。74LS163對時(shí)鐘信號循環(huán)計(jì)數(shù)(0～15)，計(jì)數(shù)輸出作為被比較數(shù)輸入74LS85，與控制邏輯給出的比較數(shù)對比。改變比較數(shù)的值即可調(diào)整74LS85輸出信號脈寬，進(jìn)而調(diào)節(jié)左右輪電機(jī)的速度差來改變行進(jìn)方向。

時(shí)鐘信號發(fā)生電路由555定時(shí)器和74LS14施密特反相器構(gòu)成。555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，通過調(diào)整電位器Rw實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率調(diào)整。時(shí)鐘信號經(jīng)施密特反相器整形，輸出規(guī)范的數(shù)字信號電平。

方案二：通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向控制。電動(dòng)車左右驅(qū)動(dòng)輪均L293B的正反轉(zhuǎn)控制功能，根據(jù)軌跡檢測情況實(shí)時(shí)調(diào)整左右車輪的轉(zhuǎn)向來調(diào)整行進(jìn)方向?？刂七壿嬢敵龅腖_dir和R_dir可以作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的輸入。

圖7 循跡電動(dòng)車主控制電路

邏輯控制模塊功能是根據(jù)軌跡檢測結(jié)果給出電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的控制信號，實(shí)現(xiàn)循跡和終點(diǎn)退出功能。假設(shè)電動(dòng)車賽道背景色為淺色(反射式紅外傳感器輸出數(shù)字量1)，軌跡線為深色(反射式紅外傳感器輸出數(shù)字量0)，電機(jī)正轉(zhuǎn)控制信號為0，反轉(zhuǎn)控制信號為1。如通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)來控制行進(jìn)方向，則電動(dòng)車的循跡控制邏輯真值表如表1所示。

根據(jù)此真值表可列寫出輸入變量SL和SR與輸出變量L_dir和R_dir的邏輯表達(dá)式(1)和式(2)，使用2個(gè)非門即可實(shí)現(xiàn)此組合邏輯電路。

(1)

(2)

表1 電動(dòng)車循跡邏輯真值表

本設(shè)計(jì)要求循跡電動(dòng)車在終點(diǎn)檢測終止線時(shí)停止循跡，并倒車退出比賽。與簡單循跡功能相比，相當(dāng)于控制模塊輸入多了一個(gè)輸入變量，即是否已到達(dá)終點(diǎn)線。可使用觸發(fā)器作為電動(dòng)車當(dāng)前狀態(tài)Q的寄存器(0表示循跡狀態(tài)，1表示退出狀態(tài))，列出真值表如表2所示，通過卡諾圖化簡可得邏輯表達(dá)式。

(3)

(4)

表2 考慮終點(diǎn)退出的電動(dòng)車循跡邏輯真值表

帶有終點(diǎn)退出功能的循跡電動(dòng)車控制邏輯電路方案之一如圖8所示，觸發(fā)器74LS74的D輸入端始終接高電平，使用上電復(fù)位電路將觸發(fā)器輸出Q置為0。當(dāng)車未到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)器時(shí)鐘端CLK始終保持低電平；當(dāng)車到達(dá)終點(diǎn)檢測到終點(diǎn)線后，SL和SR同時(shí)輸出0，CLK出現(xiàn)上升沿，觸發(fā)器輸出Q鎖存住D輸入端的狀態(tài)，即輸出變?yōu)楦唠娖?，電?dòng)車被鎖定在倒車狀態(tài)。L_dir和R_dir接入L293B控制車輪旋轉(zhuǎn)方向。這一方案雖然原理簡單，但學(xué)生調(diào)試成功率并不高，原因在于觸發(fā)器在發(fā)車前需要復(fù)位，大部分學(xué)生采用手動(dòng)復(fù)位，不太可靠，易被干擾。問題驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生就會(huì)自主設(shè)計(jì)可靠的自動(dòng)復(fù)位電路。除上述方案外，學(xué)生還可自主設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速差控制方式的邏輯電路，在此不再贅述。

在調(diào)試完控制電路后，學(xué)生作品需要在圖1(b)所示賽道內(nèi)競速，競速成績占總成績30%，以倒逼學(xué)生去優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，提高循跡速度。但優(yōu)化過程中又會(huì)受到循跡精度、器件性能的約束，需要在多種方案沖突中做出折中和妥協(xié)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3 拓展要求

除完成基本功能外，如學(xué)生能夠制作PCB并完成焊接調(diào)試、使用FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯控制、通過系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)減少波形噪聲并分析原理等，均可獲得額外加分。學(xué)生需要自行查找資料、學(xué)習(xí)軟件，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作來完成本部分的功能。

本設(shè)計(jì)所制作的電動(dòng)車既涉及數(shù)字電路又包含模擬電路，既有低壓控制信號，又有功率負(fù)載驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電磁干擾問題較為突出。為了獲得準(zhǔn)確、干凈的信號波形，需要采取必要的抗干擾措施。比如圖9所示的電源電壓同步開關(guān)噪聲，解決這一問題學(xué)生要自行查找資料，找到解決辦法，比如加去耦電容，并且能夠驗(yàn)證效果，說明原理。

圖8 循跡電動(dòng)車控制邏輯電路

圖9 控制板供電的同步開關(guān)噪聲及去耦電容使用效果

此外，借助于近場探頭、頻譜儀等電磁兼容的測試設(shè)備，學(xué)生可以去找到干擾源。本項(xiàng)目中的主要干擾源是驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其供電電纜，如圖10所示。

圖10 電機(jī)供電電纜的近場磁場發(fā)射及抑制效果

(a) 鋁箔包裹 (b) 雙絞 圖11 電機(jī)供電電纜近場輻射的抑制措施

如能采取如圖11所示的線纜雙絞并配合屏蔽措施，便可達(dá)到良好的電磁發(fā)射抑制效果。這兩部分拓展內(nèi)容的設(shè)計(jì)靈感來自于教師設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的科研項(xiàng)目。

4 考核方法及教學(xué)效果

本設(shè)計(jì)的考核要求及方法如表3所示。學(xué)生組隊(duì)完成調(diào)試驗(yàn)收后，要求每個(gè)組員分別進(jìn)行口頭答辯。

答辯最后，學(xué)生參與“生生互評”環(huán)節(jié)，互評采用投票形式，每人1票，投給本組貢獻(xiàn)最大的同學(xué)，得票數(shù)即分?jǐn)?shù)，計(jì)入最終成績。此外，學(xué)生需要提交固定格式設(shè)計(jì)報(bào)告，并對本次實(shí)驗(yàn)提出改進(jìn)建議。教師對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行整理，獲取反饋信息進(jìn)行改進(jìn)，以待后續(xù)提高。

由于本綜合實(shí)驗(yàn)采用面包板搭建電路，大部分學(xué)生是本科階段第一次系統(tǒng)調(diào)試此類復(fù)雜電路，學(xué)生普遍反映調(diào)試過程中遭遇了較多挫折。特別是在終點(diǎn)退出功能實(shí)現(xiàn)、面包板連線、電路電磁干擾等方面遇到較多問題。但也因此鍛煉了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，部分學(xué)生還能自主學(xué)習(xí)，掌握了如“可靠性”“系統(tǒng)優(yōu)化”“容錯(cuò)性”“成本控制”等課堂之外的知識，課程目標(biāo)達(dá)成度很高。

表3 考核要求與方法

5 結(jié)語

為了切實(shí)提高電氣信息類學(xué)生解決本領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力，打造實(shí)踐類“金課”，提出以循跡競速電動(dòng)車位載體的課程綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)模式，將課堂知識與復(fù)雜工程實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)性、競技類項(xiàng)目的趣味性結(jié)合，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新熱情。同時(shí)，將科研成果和競賽內(nèi)容轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，科教融合，提升了課程的高階性和挑戰(zhàn)度。實(shí)驗(yàn)難度設(shè)計(jì)層次分明，方案多樣，拓展空間大，滿足各層次學(xué)生學(xué)習(xí)需求。從教學(xué)效果來看，該項(xiàng)目切實(shí)提高了實(shí)踐類課程的學(xué)生滿意度和教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度。此外，該項(xiàng)目對實(shí)驗(yàn)條件要求較低，具有良好的推廣性。