劉雪峰 李聚才 孫前來 柏艷紅 王春妍

（山西師范大學(xué)現(xiàn)代文理學(xué)院轉(zhuǎn)設(shè)籌備處，山西 臨汾 041000）

0 引言

1 自動化類專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)

單片機(jī)原理與應(yīng)用作為自動化類專業(yè)課程的重要組成，所涉及的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)比例較大。實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺主要以STM32單片機(jī)為主，能夠?yàn)閷W(xué)生提供豐富的接口電路和外部模塊，滿足本科教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)需求[3]。

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

如圖1所示，采用Simulink、CUBEMX和Keil軟件搭建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，結(jié)合單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱針對性完成典型實(shí)驗(yàn)，不僅為學(xué)生提供了基礎(chǔ)的仿真學(xué)習(xí)環(huán)境，還能利用Simulink仿真中的自動代碼生成技術(shù)[4]，讓學(xué)生能夠在可視化仿真后更加直觀地掌握代碼程序，激發(fā)學(xué)生興趣。

圖1 自動化類專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺特點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)平臺具有以下特點(diǎn)：

（1）Simulink軟件能夠?yàn)閷W(xué)生提供可視化的仿真環(huán)境，通過對虛擬儀器儀表、交直流元器件等大量元件庫中的模型進(jìn)行自由組合實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱固定器件搭配的限制，增強(qiáng)平臺的通用性。

（2）教學(xué)前期使用的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺只需計(jì)算機(jī)即可完成各項(xiàng)操作，學(xué)生能夠自主開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，不再受到實(shí)驗(yàn)室的空間限制，在課余時間即可對知識進(jìn)行實(shí)踐；同時學(xué)生在掌握運(yùn)行原理后進(jìn)行實(shí)踐，能夠有效減少元器件損耗，降低實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行成本。

（3）教學(xué)后期通過硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)Ψ抡鎸?shí)驗(yàn)中存在的誤差和一些處理較差的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正，同時還能讓學(xué)生根據(jù)自身興趣將仿真實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際，克服虛擬仿真環(huán)境同實(shí)際操作中的差距，讓學(xué)生充分積累軟硬件協(xié)同開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

2 電氣類專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，簡稱PLC）是電氣類專業(yè)課程中的重要組成，以電力電子、自動控制理論、計(jì)算機(jī)等技術(shù)作為學(xué)科基礎(chǔ)，且PLC技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用范圍較廣[5]。因此，PLC實(shí)驗(yàn)教學(xué)就成為學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐相結(jié)合的重要環(huán)節(jié)。

二、影響一國需求結(jié)構(gòu)的最主要因素是平均收入水平。高收入國家對技術(shù)水平高、加工程度深、價值較大的高檔商品的需求較大，而低收入國家則以低檔商品的消費(fèi)為主，以滿足基本生活需求。所以，收入水平可以作為衡量兩國需求結(jié)構(gòu)或偏好相似程度的指標(biāo)。例如高爾夫球在歐美是普及運(yùn)動，但在發(fā)展中國家卻不是代表性需求。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

該實(shí)驗(yàn)平臺由可編程控制器S7-1500和S7-1200+觸摸屏+V90伺服驅(qū)動模塊+組態(tài)模塊等組成，同時配備有開關(guān)量和模擬量的輸入、輸出以及PN網(wǎng)絡(luò)等擴(kuò)展模塊（圖2）[6]，能夠?yàn)閷W(xué)生提供模擬的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，完成實(shí)物模型的模擬控制過程，從認(rèn)知、設(shè)計(jì)、部署調(diào)試等方面提高學(xué)生的技能素養(yǎng)。

圖2 電氣類專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺特點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)平臺具有以下特點(diǎn)：

（1）PLC實(shí)驗(yàn)操作簡單，安全性、可靠性高，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)僅需要通過簡單的接線操作即可讓學(xué)生直觀看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。

（2）不同實(shí)驗(yàn)間存在關(guān)聯(lián)性，相對于原有的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)來說，在綜合性、整體性方面有著明顯提升，即使實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，學(xué)生也可通過不同方式完成，能夠有效激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性。

（3）實(shí)驗(yàn)課程雖然側(cè)重于實(shí)踐操作，但會充分涉及課堂上所學(xué)的理論知識和其他基礎(chǔ)課程知識，并且實(shí)驗(yàn)任務(wù)是模擬實(shí)際情景，通過問題驅(qū)動學(xué)生調(diào)用所學(xué)知識，更好地將理論同實(shí)踐相結(jié)合。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

3.1 自動化類實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以傳統(tǒng)的LED跑馬燈實(shí)驗(yàn)為例，在原有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操作流程，通過Simulink仿真、自動代碼生成、單片機(jī)控制等完成實(shí)驗(yàn)[7]。

（1）利用STM32 CUBEMX軟件生成所需的單片機(jī)配置文件，在CUBEMX單片機(jī)型號庫中選擇相應(yīng)芯片，如圖3所示。

圖3 單片機(jī)型號庫

（2）選好芯片型號后，即可進(jìn)行初始化配置，設(shè)置芯片的時鐘引腳、下載器和輸出接口。由于實(shí)驗(yàn)平臺中的LED等由PA8引腳控制，所以將其設(shè)置為GPIO_Output，配置好的芯片如圖4所示。

圖4 芯片配置

（3）將項(xiàng)目保存在指定目錄后即可找到相應(yīng)的配置文件，然后將其導(dǎo)入到Simulink中，配置完成后即可在圖形化界面調(diào)用該模塊進(jìn)行仿真，如圖5所示。將所需模塊連接完成，通過BuildModel可以在目標(biāo)路徑中生成Keil文件。

圖5 圖形化仿真界面

（4）將生成的Keil文件通過下載器輸入到STM32單片機(jī)中，即可完成跑馬燈實(shí)驗(yàn)。

通過圖形化仿真和自動代碼生成優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)操作流程，使學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中更加直觀簡捷地掌握運(yùn)行原理和操作流程，為后續(xù)綜合性實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2 電氣類實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺搭建有A～D四級遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[8]。

（1）A級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：以可編程控制器和觸摸屏為主，能夠完成基礎(chǔ)的搶答器模擬、交通燈控制、音樂噴泉等實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器，同時掌握組態(tài)軟件的使用。

（2）B級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：以可編程控制器、觸摸屏、變頻器、交流電機(jī)為主，能夠完成電機(jī)啟停、多段速控、變頻調(diào)速等實(shí)驗(yàn)。

（3）C級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：以可編程控制器、觸摸屏、伺服電機(jī)、驅(qū)動器為主，能夠完成多軸同步、插補(bǔ)運(yùn)動等復(fù)雜實(shí)驗(yàn)。

（4）D級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：物料分揀半實(shí)物模塊控制實(shí)驗(yàn)。為學(xué)生提供物料分揀所需的設(shè)備模塊，通過搭建物料分揀系統(tǒng)并設(shè)計(jì)PLC控制程序完成實(shí)物控制。

通過多級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置，能夠讓學(xué)生從基礎(chǔ)到綜合性應(yīng)用逐步過渡，充分鍛煉工程實(shí)踐思維和動手操作能力，提升專業(yè)技能素養(yǎng)，真正做到學(xué)校同工程實(shí)踐有效銜接[9]。

3.3 主要特色

本次設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)平臺對原有的自動化類實(shí)驗(yàn)和電氣類實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了優(yōu)化，能夠更好地覆蓋所學(xué)理論知識，在循序漸進(jìn)的過程中將理論同實(shí)踐相結(jié)合，進(jìn)一步完善了學(xué)生的知識架構(gòu)，提高了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。通過頂層設(shè)計(jì)能夠讓實(shí)驗(yàn)更好地適配課程體系，不僅為學(xué)生提供了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)場所，還能為學(xué)生提供畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)境。同時，搭建的兩大實(shí)驗(yàn)平臺均有良好的可擴(kuò)展性，可以讓學(xué)生進(jìn)行課外項(xiàng)目、科技競賽等二次開發(fā)實(shí)驗(yàn)[10]。此外，針對性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有利于學(xué)生將不同的學(xué)科知識進(jìn)行融合，建立起完整的知識體系。

4 結(jié)束語

根據(jù)工業(yè)控制實(shí)訓(xùn)教學(xué)目標(biāo)，本文對實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)，通過圖形化仿真和代碼生成讓學(xué)生能夠充分將理論知識同實(shí)踐相結(jié)合，為學(xué)生提供了課程設(shè)計(jì)和工業(yè)實(shí)踐環(huán)境。并且階梯式的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠讓有興趣的學(xué)生完成課外學(xué)習(xí)，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和工程實(shí)踐能力，為高質(zhì)量就業(yè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和講義的專業(yè)化編寫，充分結(jié)合了實(shí)訓(xùn)平臺情況，能讓學(xué)生在循序漸進(jìn)的過程中逐步將所學(xué)知識和實(shí)踐相結(jié)合，由淺入深，真正掌握工控實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的底層邏輯。

隨著實(shí)訓(xùn)環(huán)境的優(yōu)化，實(shí)訓(xùn)課程和學(xué)時所占比重逐步升高，學(xué)生可開展的實(shí)踐項(xiàng)目顯著增加。將專業(yè)課程知識和工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，突破了傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式限制，收到了良好的教學(xué)效果，能夠切實(shí)提高學(xué)生綜合素養(yǎng)，踐行實(shí)踐育人理念。