電氣工程專業(yè)微機及網(wǎng)絡通信實驗支撐平臺論

1、工業(yè)電氣自動化論文電氣自動化控制論文：電氣工程專業(yè)微機及網(wǎng)絡通信實驗支撐平臺摘要:針對當前電氣類專業(yè)實驗普遍存在著內(nèi)容分散、平臺落后等問題,在分析電氣類專業(yè)實驗的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢基礎上,提出實驗課程整合以及建設滿足多課程需要的實驗支撐平臺,并開發(fā)了基于數(shù)字信號處理器的電氣工程專業(yè)微機及網(wǎng)絡通信綜合實驗板,實驗板具有齊全的存儲功能、豐富的人機界面、靈活的數(shù)據(jù)采集回路、強大的網(wǎng)絡技術等特點,能滿足電氣工程專業(yè)微機、網(wǎng)絡等基礎和專業(yè)實驗課程的需要,也可作為課程、畢業(yè)設計和創(chuàng)新性設計實驗的一體化支撐平臺。關鍵詞:電氣工程;實驗平臺;數(shù)字系統(tǒng);微機計算機、網(wǎng)絡、微電子等技術的發(fā)展,有力地推動了電氣技術的發(fā)

2、展,也促進了高校電氣工程學科的建設。傳統(tǒng)的電氣專業(yè)課程逐步將電氣原理與數(shù)字、網(wǎng)絡和智能等技術相結合;高校電氣專業(yè)在傳統(tǒng)專業(yè)課程的基礎上,開設了微機原理及接口、網(wǎng)絡通信和現(xiàn)場總線、甚至電子設計自動化EDA(electronic design automation)技術、數(shù)字信號處理和嵌入式應用等電子信息類課程,電氣專業(yè)已發(fā)展成為一門綜合性、跨學科的專業(yè)。作為學科建設重要組成部分和理論課程不可或缺的補充,實驗對加深學生知識掌握和培養(yǎng)學生實踐能力起著不可替代的作用,但目前電氣類實驗普遍存在內(nèi)容分散,平臺建設滯后的現(xiàn)象。實驗課程和平臺需進行相應的整合與建設,才能適應學科發(fā)展。1需求分析當前電氣工程專業(yè)

3、微機及網(wǎng)絡通信實驗內(nèi)容可歸納為三大類:微機原理與接口、網(wǎng)絡通信技術等基礎課程實驗;電氣專業(yè)課程實驗;課程設計、畢業(yè)設計和創(chuàng)新性實驗。微機原理與接口、網(wǎng)絡通信技術等基礎課程實驗內(nèi)容主要包括:尋址方式、串并行總線接口和通用輸入輸出GPIO(general purpose input/output)相關(包括鍵盤、發(fā)光二極管LED(light emittingdiode)、液晶顯示器LCD(liquid crystal display)等應用)、定時器、看門狗、中斷技術以及內(nèi)部整合電路IIC(inter-integrated circuit)、串行外圍設備接口SPI(serial periphera

4、l interface)、多通道緩沖串行口MCBSP(multichannel buffered serial port)、串行通信接口SCI(serial communicationinterface)、局域控制網(wǎng)CAN(controller areanetwork)、以太網(wǎng)等通信;電氣專業(yè)課程實驗的實驗內(nèi)容則更為廣泛:電力系統(tǒng)微機保護主要包括了繼電器特性、三段電流保護、變壓器差動保護、重合閘等實驗;自動裝置主要包含準同期、勵磁調(diào)節(jié)等實驗;電力電子實驗包括了電力電子器件特性和以脈沖寬度調(diào)制PWM(pulse widthmodulation)為核心的整流和逆變等實驗,而數(shù)字PWM則是其發(fā)展趨勢

5、;電機課程實驗目前主要包含了變壓器變比、空載和短路特性、同步發(fā)電機運行和并網(wǎng)特性、直流電機、三相異步電動機啟動和運行特性等內(nèi)容,并逐步增加電力電子技術在電機中的應用;電力系統(tǒng)分析實驗(動模實驗)的核心是對一次設備的電氣模擬,但其控制核心,包括用以模擬原動機的直流電動機控制、勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié),基本都采用基于PWM技術的電力電子手段。數(shù)字系統(tǒng)由于其具有靈活性好、穩(wěn)定性優(yōu)、集成度高、抗干擾性強、具有可重復性等一系列優(yōu)點而成為電氣自動裝置的主流和趨勢,目前涉及電氣微機裝置的課程,如繼電保護、自動裝置、遠動技術、變電站綜合自動化、數(shù)字電力電子裝置等,都有專門的章節(jié)介紹微機和數(shù)據(jù)采集等知識點,涉及的內(nèi)容幾乎一

6、樣。這樣,理論課程存在著如何整合的問題,實驗課程和實驗平臺也應進行相應的調(diào)整。從數(shù)字裝置結構分析,主要包括三大部分:數(shù)據(jù)輸入、邏輯判斷、執(zhí)行輸出。對電氣微機裝置而言,數(shù)據(jù)輸入基本一樣,主要是反映三相電壓、電流的模擬量以及反映斷路器等狀態(tài)的開關量;邏輯部分是根據(jù)相應的原理對采集的數(shù)據(jù)進行邏輯判斷后輸出結果,這是實驗教學的重點;輸出部分則為相對簡單的開關量或模擬量輸出。對電氣微機裝置而言,差別最大的就是邏輯部分,這部分的差異又主要體現(xiàn)在通過軟件編程對原理的實現(xiàn)上。因此,有可能建立統(tǒng)一的實驗硬件平臺以滿足課程整合的需要,從而根據(jù)課程安排和實驗的難易程度安排實驗課程,有針對性地突出重點和差異性。當前電

7、氣專業(yè)的課程包含了越來越多的電子信息類內(nèi)容,同時,原有的電氣專業(yè)的課程也存在著實驗更新的問題,建立統(tǒng)一的實驗平臺是當前在平臺建設經(jīng)費有限的情況下滿足實驗內(nèi)容增多的較好方法。而且,統(tǒng)一的實驗平臺有利于實驗內(nèi)容的整合,保持實驗的條理性和持續(xù)性,有助于學生循序漸進地掌握知識。比如,當前學生學習微機課程時,偏重于尋址方式和技術參數(shù)的記憶;而目前的電力微機裝置課程,又很少涉及到更細的微機實現(xiàn)方式,例如,講解微機繼電保護的開入回路時,一般會介紹開關輸入信號經(jīng)光耦器件進入到裝置中,但具體到如何在控制器實現(xiàn),便很少涉及。這樣,雖然相關知識學生都接觸過,但知識都相對孤立,更談不上應用。若有合理的課程安排和良好的

8、實驗平臺支持,則可在先前開設的微機課程中安排GPIO和總線實驗,使學生掌握控制器與外設基本的聯(lián)系方式;到了微機繼電保護課程,則結合GPIO和總線實驗內(nèi)容,講授控制器如何通過GPIO或總線讀取經(jīng)過光耦的開關量信號,這就將相關知識內(nèi)容“串連”起來,有助于學生的深入理解和應用。實驗平臺的建設還應滿足各種層次的實驗需要,為課程、畢業(yè)設計和學生科研項目等提供良好的支持。目前高校本科開設的實驗大多為基礎性驗證型實驗,用于培養(yǎng)學生綜合、應用以及創(chuàng)新能力的綜合性和創(chuàng)新型實驗較少,面向電氣工程的微機類創(chuàng)新實驗則更少。因為微機式裝置集成度高,在硬件平臺相對穩(wěn)定的情況下,其功能主要通過代碼軟件的形式實現(xiàn),對學生來說

9、尤其抽象,如何進行微機裝置的綜合和創(chuàng)新實驗是實驗教學的難點。而微機類相關課程普遍存在著“百聽不如一見,百見不如一做”現(xiàn)象,很多理論課上不易講清楚的內(nèi)容,往往通過動手實驗便可發(fā)現(xiàn)問題。同時,很多問題也要靠親身實踐才能發(fā)現(xiàn)和有更深入的體會。這些都需要有功能強大、具有良好擴展性的實驗平臺支持。在當前實驗課時并無增加甚至壓縮的情況下,如何安排實驗課時以保證學生學習效率,是亟需解決的問題。統(tǒng)一、良好的實驗平臺可減少設備資金的投入,提高實驗設備利用率,同時,也有助于學生減少熟悉實驗設備的時間,而把重點放在原理理解和動手實現(xiàn)上。這對實驗平臺建設提出了更高要 求:功能齊全,盡可能滿足電氣學科多個課程的需要;技

10、術先進,能體現(xiàn)包括計算機、微電子和網(wǎng)絡等新技術在電氣工程的應用;有良好的擴展性,既可單獨使用,也預留接口與其它設備組成更完整系統(tǒng)。目前能同時滿足上面條件的實驗板幾乎沒有1215,故構造了基于TMS320F2812DSP(簡稱2812DSP)的電氣工程微機及網(wǎng)絡通信實驗平臺。2設計與實現(xiàn)主控制器是微機系統(tǒng)的核心和關鍵。一般認為,數(shù)字信號處理器DSP(digital signal processor)專長于數(shù)字信號處理,而微控制單元MCU(microcontroller unit)的優(yōu)勢則體現(xiàn)在控制方面。隨著半導體技術發(fā)展,兩者之間的界限并不明顯,比如DSP主流生產(chǎn)廠家TI公司生產(chǎn)的2000系列D

11、SP,其控制能力并不遜色于MCU;該系列芯片具有豐富的外圍接口,方便外圍擴展,其在電氣工業(yè)領域的廣泛應用更是有助于學生熟悉該系列芯片后直接從事相關的產(chǎn)品研發(fā)。因此,本實驗板采用TI公司2000系列芯片2812DSP為主控制器。2812DSP采用哈佛總線結構,程序總線和數(shù)據(jù)總線分開,取指令和取數(shù)據(jù)并行操作,使得數(shù)據(jù)吞吐量提高一倍。2812DSP內(nèi)嵌32位的高性能CPU,具有高速的運算能力,保證了信號處理的實時性。同時,實驗板上外擴了512KWord的閃存(FLASH)、512KWord的靜態(tài)隨機存儲器(StaticRAM, SRAM)、內(nèi)嵌電可擦可編程只讀存儲器EEPROM(electrical

12、ly erasable programmableread-only memory)的不間斷實時日歷時鐘RTC(real-time clock)、138譯碼器和電源管理、復雜可編程邏輯器件CPLD(complex programmablelogic device)等芯片;實驗板配有模數(shù)(A/D)回路、數(shù)模(D/A)回路、以光耦為核心的開入和開出回路等;擁有RS485/232、CAN、以太網(wǎng)等豐富的網(wǎng)絡;同時,本實驗板配有鍵盤、LED、LCD等豐富的人機接口。如圖1所示,本實驗板具有下列特點:(1)存儲能力大,存儲樣式多。除了DSP內(nèi)部存儲器外,實驗板還配置了SRAM、FLASH、EEPROM等多

13、種存儲器件。上微機原理與接口等課程的實驗時,通過對存儲器的讀、寫等操作以及上、斷電后信息是否保存來比較不同存儲器的性能,包括讀寫速度、揮發(fā)性等;上電氣微機裝置課程時,可在微機原理與接口等課程對存儲器性能有所了解和能進行基本操作的基礎上,進一步熟悉其應用,例如:SRAM通常用來存放采樣數(shù)據(jù)等臨時數(shù)據(jù);EEPROM可用于存放定值等數(shù)據(jù);而FLASH由于其大容量且具有非揮發(fā)性,可用來存儲錄波等數(shù)據(jù)。這樣,學生通過在實驗板上實現(xiàn)從對存儲器的讀寫操作再到實際場合的應用,其親身的實踐無疑會收到更好的學習效果。 (2)豐富的人機界面。由于數(shù)字系統(tǒng)的高度集成性,運行結果及現(xiàn)象往往不那么具體直觀,這需要良好的人

14、機界面來提示當前運行情況,良好的人機界面對用以實驗教學尤為重要。本實驗板配置有點陣數(shù)為240128、內(nèi)帶控制驅(qū)動器的點陣圖形式的液晶顯示模塊LCD和大量的LED。LCD可調(diào)用已存儲在外部flash并以該LCD顯示模式存儲的完全16*16漢字庫,學生只需通過在已提供的底層函數(shù)中輸入所需顯示漢字的區(qū)位碼和LCD中的顯示位置即可。對于有興趣的學生,還可在講授漢字顯示等原理的基礎上引導學生完成LCD上漢字顯示。2812DSP的數(shù)據(jù)總線和GPIO(保留六個GPIO與鍵盤相連)都通過跳線與LED相連,通過LED的亮、滅情況直觀反映管腳電平情況。一方面,微機原理與接口等課程的基礎實驗中通常都有LED顯示實驗

15、,電氣微機裝置也需通過LED來顯示運行、告警等狀況,獨立使用實驗板時也可用LED的亮、滅模擬斷路器等開關的開、斷情況;另外,LED對實驗板研制過程的調(diào)試和實驗板出現(xiàn)異常時的故障診斷、確認以及排除也非常有幫助。(3)靈活的A /D回路。模擬量輸入是微機裝置的關鍵部分,要求模擬量輸入回路能靈敏、準確、及時地采集到真實反映一次系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)據(jù),其采樣頻率、精度等需滿足日趨復雜的算法的要求。本實驗板數(shù)據(jù)采集有2812DSP內(nèi)部和外部A/D兩種模式,DSP內(nèi)部包含16路的12位精度A/D轉(zhuǎn)換器;同時,DSP外接精度高達16位的A/D,模擬量經(jīng)外部A/D轉(zhuǎn)換后通過2812DSP數(shù) 據(jù)總線進入控制器。便利、靈

16、活地提供A/D實驗的模擬信號源直接影響實驗板使用的方便性和效率。實驗板的每個模擬輸入通道,可通過跳線選擇是用實驗板提供的板上信號源或外接信號源。板上信號源由直流電壓經(jīng)可調(diào)電阻分壓產(chǎn)生,該方法可方便產(chǎn)生信號,缺點是雖然輸入信號在一定幅度內(nèi)可變化但局限于直流電壓,適合在微機原理與接口技術課程等基礎A/D實驗或調(diào)試場合應用。使用信號發(fā)生器產(chǎn)生信號則可靈活改變輸入信號大小和類型,從而模擬一次系統(tǒng)電氣量,這在電氣微機裝置實驗中起到關鍵作用,學生可進行數(shù)據(jù)采集、算法編程(如快速傅氏變換FFT(fast fourier transform)等算法)、邏輯判斷(繼電保護課程用于故障判斷,準同期課程用于合閘條件

17、判斷等)并將顯示相關結果。(4)強大的網(wǎng)絡技術。目前,電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡廣義上劃分為三個層次:RS485/RS232等傳輸速度較慢、智能化較低的傳統(tǒng)網(wǎng)絡;CAN、Lonwork等速率較高、通信較靈活的現(xiàn)場總線型網(wǎng)絡;通信能力很強、代表網(wǎng)絡發(fā)展趨勢的以太網(wǎng)16。2812DSP有豐富的網(wǎng)絡接口,芯片本身已經(jīng)集成CAN網(wǎng)絡接口,芯片的兩個SCI分別配置成RS485/RS232;同時,通過總線擴展連接10M/100M自適應以太網(wǎng)芯片,外擴以太網(wǎng)接口。這樣,實驗板便配有了包括以太網(wǎng)、CAN、RS485/RS232等實際廣泛應用的網(wǎng)絡接口。一方面緊密聯(lián)系實際工程需要;另一方面,可靈活地進行不同的網(wǎng)絡實驗。網(wǎng)

18、絡通信課程的概念多而且抽象,通過豐富的網(wǎng)絡平臺,學生可以增強對網(wǎng)絡的直觀認識。以最基礎的網(wǎng)速性能為例,用小量、中量和大量的數(shù)據(jù)分別在上述各種網(wǎng)絡傳輸,就可明顯地區(qū)分出網(wǎng)速性能:各種網(wǎng)絡對小數(shù)據(jù)量傳輸無明顯的傳輸速度差異,但隨著數(shù)據(jù)量的增大,不同網(wǎng)絡的速度差異將越趨分化,高速網(wǎng)絡的優(yōu)點將明顯體現(xiàn)出來。通過類似實驗,學生不僅較好地掌握網(wǎng)絡性能等知識,而且培養(yǎng)了能針對不同場合需要進行網(wǎng)絡選擇等實際應用能力。除了在本實驗板上驗證通信概念等內(nèi)容之外,學生還可進行更多的動手實踐,培養(yǎng)對實踐應用網(wǎng)絡的操作和故障診斷與排除等能力,比如網(wǎng)絡的差動概念,可通過示波器觀察各種網(wǎng)絡技術的波形,使學生直觀認識以太網(wǎng)、C

19、AN、RS485是差動類型網(wǎng)絡,并在此基礎上,讓學生自己分析差動網(wǎng)絡在抗干擾等方面的優(yōu)缺點,這樣可收到比單純的理論授課更好的效果。進一步可以在該平臺上實現(xiàn)更復雜的功能,包括通過代碼程序等分析和實現(xiàn)網(wǎng)絡的分層思想和網(wǎng)絡協(xié)議(如以太網(wǎng)的IP/TCP協(xié)議)等,當然,這適合畢業(yè)設計、創(chuàng)新性設計實驗等要求較高的場合。此外,實驗板還可通過RS232、RS485或以太網(wǎng)接口與光纖通信模塊連接,實現(xiàn)光纖網(wǎng)絡實驗。(5)靈活的EDA技術。EDA技術迅速發(fā)展,使可編程邏輯器件(如CPLD等)與串行運行代碼的控制器(如MCU、DSP等)在電子設計方面起著同樣重要的作用。可編程邏輯器件可通過軟件編程對其硬件結構和工作

20、方式進行重構,從而使硬件設計如同軟件設計那樣方便快捷,其優(yōu)越性使其在電氣工程等領域的應用越來越廣泛,可編程邏輯器件及其相關技術也逐步進入電氣專業(yè)的課程。本實驗平臺配置了CPLD器件,CPLD通過零歐姆電阻與2812DSP總線和讀寫控制線等連接。作為輔助控制器,利用CPLD設計靈活、IO管腳豐富的優(yōu)點進行外圍擴展,這也是當前電氣微機裝置常用的設計方法。如果不焊接零歐姆電阻,CPLD就可作為獨立控制器單獨使用,CPLD和輔助的晶振等簡單元件就可構成最小系統(tǒng),通過將CPLD的IO管腳都引伸到插槽,CPLD便可以與其它設備構成完整的應用系統(tǒng)。(6)良好的擴展性。實驗板設計過程已考慮功能盡可能的齊全,但

21、由于印刷電路板PCB(printedcircuit board)的尺寸限制和成本考慮,在一塊PCB上實現(xiàn)所有的功能是不可能的。例如,本實驗板具有多達12路的PWM輸出接口,從電磁兼容及PCB尺寸考慮,本實驗板上就沒有配備相應的驅(qū)動電路,而是將所有的PWM管腳都引到插槽中,外接驅(qū)動電路便可用于電力電子技術相關課程的PWM應用等。設計中考慮實驗板的可擴展性,把數(shù)據(jù)總線、GPIO等管腳盡可能地連接到插槽中,方便功能的擴展。這樣,一個管腳就有多個信號回路。以復用CAN通信功能的GPIO管腳為例,該管腳有三個信息回路:CAN通信功能回路、實現(xiàn)GPIO功能的LED回路、與插槽連接,為解決由于多回路可能帶來

22、的信號干擾問題,可通過串接零歐姆電阻和跳線等方法解決。如此設計,與工業(yè)PCB相比,本PCB板上會有較多的串接電阻和跳線,增加了PCB的面積和復雜性,該問題可通過合理的元器件位置設計和PCB布線來解決。 3調(diào)試實驗板操作簡便,適合不同階段的學生實驗,以較為復雜的LCD顯示和以太網(wǎng)通信進行調(diào)試。DSP外部FLASH已預存適合該LCD顯示模式的1616漢字庫,通過編寫簡單的顯示子程序便可實現(xiàn)區(qū)位碼和存儲物理地址之間的線性轉(zhuǎn)換,實驗過程中調(diào)用漢字字模時,在主程序中直接輸入漢字的區(qū)位碼即可實現(xiàn)對漢字的顯示,圖2為在實驗板上實現(xiàn)對區(qū)位碼為16011694的漢字的LCD顯示。 用以太網(wǎng)實驗中最容易實現(xiàn)的Pi

23、ng實驗測試PC機和實驗板的網(wǎng)絡連接情況,將PC機和實驗板的RJ45接口分別通過2條超5類B標準非屏蔽雙絞線連接到一個100Mb/s的集線器(可根據(jù)需要添加多臺PC機或?qū)嶒灠宓葞б蕴W(wǎng)接口的設備),PC機上同時運行Sniffer軟件監(jiān)視網(wǎng)絡狀態(tài)、數(shù)據(jù)流動等網(wǎng)絡上傳輸?shù)男畔?。測試過程為:PC機運行Ping程序向?qū)嶒灠灏l(fā)送連接請求,實驗板上的DSP通過以太網(wǎng)控制器獲得該報文并做出回應,PC機在屏幕上輸出連接情況和通信延時,如圖3所示,PC機每次都接收到來自IP地址為192.168.1.2的DSP的回復,顯示的通信延時都小于1 ms,由于所采用的Windows自帶測試工具精度所限,更精確的網(wǎng)絡延時的

24、確定還需要其他工具,但該工具毫秒級精度已滿足一般教學實驗需要。以太網(wǎng)Ping測試結果表明兩臺機器已經(jīng)成功建立連接,在TCP/IP協(xié)議的傳輸模型中,IP層及其更低層連接完好。 同時,通過Sniffer軟件,可更深入分析網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流情況,從圖4可看出整個通信過程:IP地址為192.168.1.1的PC機不斷詢問網(wǎng)絡上IP地址為192.168.1.2的機器,IP地址為192.168.1.2的實驗板不斷回復該查詢。Sniffer軟件中間部分顯示了對所選擇網(wǎng)絡包的自動解析,可看到通信過程中數(shù)據(jù)包結構及代表的網(wǎng)絡協(xié)議的含義,包括數(shù)據(jù)包的類型、校驗碼、序列號等信息。Sniffer軟件下端則代表所選擇網(wǎng)絡包的完

25、整數(shù)據(jù)流。 4應用本實驗板可以獨立使用,完成微機原理與接口、網(wǎng)絡通信技術等基礎課程實驗的鍵盤輸入、LED顯示、LCD顯示、數(shù)據(jù)采集、FFT算法等經(jīng)典實驗以及RS485/RS232、CAN、以太網(wǎng)等通信實驗。在電氣工程相關課程中,本實驗板能基本滿足電氣工程的微機遠動、故障定位與錄波、微機繼電保護、準同期并列操作、電力系統(tǒng)通信等應用,實驗基本流程為:信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號(模擬一次系統(tǒng)的電氣量)輸入到本實驗板的A/D回路,控制器采集數(shù)據(jù)后,根據(jù)所需實現(xiàn)的功能進行判斷,如保護裝置進行故障判斷、準同期裝置進行合閘條件判斷等,并通過D/A或開關量輸出回路等輸出結果并在LED、LCD直觀顯示該過程。學生可以

26、在實驗板上根據(jù)自身對原理的理解,自行設計、親自實踐并進行驗證。對于要求較高的實驗和具備Hypersim或?qū)崟r數(shù)字仿真器RTDS(real timedigital simulator)等在線實時仿真系統(tǒng)或設備情況下,可將該實驗板連接到Hypersim或RTDS系統(tǒng)中,通過完整的系統(tǒng)測試預期應達到的功能。5結語針對學科融合及課程整合趨勢提出建設滿足多課程的電氣工程專業(yè)微機及網(wǎng)絡通信實驗支撐平臺,開發(fā)了基于2812DSP的高性能實驗板,為電氣工程專業(yè)實驗內(nèi)容安排和平臺建設提供一種思路。參考文獻:1王克義,魯守智,蔡建新,等.微機原理與接口技術教程M.北京:北京大學出版社,2004.2賀家李,宋從矩.

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