面向工程实践能力培养的电子技术实验系统

白 煜, 李香萍, 刘开华

(天津大学 电气电子实验中心, 天津 300072)

面向工程实践能力培养的电子技术实验系统

白 煜, 李香萍, 刘开华

(天津大学 电气电子实验中心, 天津 300072)

利用单片机、串口通信技术和可控开关对传统电子技术实验箱进行了改造,开发出一种新型的电子技术实验系统。该系统在支持原有模电、数电实验内容的基础上,增加了可人为设定故障的功能。新的实验系统解决了传统电子技术实验箱仅能完成常规实验项目、缺乏工程实践能力培养的不足,使传统的实验过程更加贴近实际工程项目的设计、制作与调试,在培养学生分析问题和解决问题能力的同时,调动了学生学习的主动性和积极性。

电子技术实验； 工程实践； 串口通信； 可控开关； 单片机

“电子线路基础”和“数字逻辑电路”课程是电子信息类专业重要的专业基础课程,其工程性和实践性非常强[1-2]。电子技术实验在教学中的地位十分重要,然而传统电子技术实验基本为验证性实验,不足以培养学生分析问题和解决问题的工程实践能力和创新能力[3-4]。伴随着教学内容日益膨胀而学时有限的矛盾,客观上需要建立新的实验教学体系和实验系统[5-6]。目前,虚拟仪器技术的出现,为解决上述问题提供了方案[7-8]。但是该方案存在学生不能实际接触物理器件的缺点[9]。

针对传统电子技术实验存在的问题,在现有实验系统的基础上,本文设计了可人为设定故障的电子技术实验系统。该系统利用串口通信技术,实现了上位机通过单片机对学生已完成电路设置故障的功能，即当学生完成传统实验后,教师可以通过上位机,人为地对该学生的实验电路设定某些故障,要求学生排查并予以解决。因此,新的实验系统丰富了传统电子技术实验的内容,强化了培养学生分析问题和解决问题的能力,锻炼了学生的工程实践能力。

1 系统设计思路

新的实验系统利用上位机、单片机和模拟断路器改造传统电子综合实验箱,实现了可人为对电路设置故障的功能。

如图1所示,将受单片机控制的若干个可控开关(模拟多路选择器)与面包板上的实验电路连接。教师利用上位机软件通过串口向单片机发送控制命令,单片机对上位机的命令进行解析后,控制相应的开关闭合接地,或将电路中的某点某一器件短路,从而人为地制造某种电路故障。

图1 系统原理示意图

2 系统原理

该实验系统由上位机软件、RS-232C/RS-485数据协议转换器、TTL电平转换电路、单片机、模拟多路选择器和实验箱等模块组成,如图2所示。

图2 系统框图

2.1 模块介绍

(1) 上位机软件[10]：该模块主要用于教师对学生已完成的实验电路进行控制,设置故障。

(2) RS-232C/RS-485转换器：PC机采用RS-232C标准[11],但是一台PC机与多台单片机间的通信,需采用RS-485协议标准[12]。因此,需要增加RS-232C/RS-485转换器。

(3) TTL转换电路：采用RS-232C/RS-485转换器后,输出信号为RS485标准电平,为实现上位机与单片机之间的数据传输,需将该电平通过转换电路转换成TTL电平,以符合单片机的标准。本实验系统采用MAX485芯片实现这一功能。

(4) 单片机：用来接收上位机软件的命令和上传反馈信息。单片机根据上位机软件的命令,通过控制P3口以外其余I/O口引脚的电平,控制模拟多路选择器的通断。

(5) 模拟多路选择器[13]：单片机通过控制模拟多路选择器来控制实验箱面包板上电路的通断,本实验系统采用CD4051芯片。

(6) 实验箱：为传统模电/数电实验箱[14-15],学生在其面包板上搭建实验电路。

2.2 系统工作流程

系统工作流程如图3所示。

图3 系统工作流程图

该系统的工作流程如下：

(1) 首先由上位机软件发送一串数据,该数据由3个字符组成。第一个字符为“～”,是一串数据的开头标识位,用来防止连续发送的信号流之间相互干扰,有助于单片机对接收到的数据进行正确的识别。第二个字符为机器号,用abcd等英文字符表示,用来判断单片机接收到的数据是否为发送给自己的数据。若为相对应数据,单片机接收该信息并生成反馈信号送至上位机软件；若接收到的数据不与之对应,则拒绝接收该组数据,不产生回馈信号。第三个字符为控制信号,用来指示单片机对模拟多路选择器的哪一个引脚进行控制,即实验电路会发生何种故障。

(2) 上位机发出的字符串,经由转换器转换后,数据从RS-232C标准转变为RS-485标准。

(3) 经由转换器转换后的信号通过TTL转换电路,将信号电平转换成与单片机所需的TTL电平。

(4) 单片机接收数据,通过判断机器号来确认是否对收到的字符串进行处理,并生成反馈信号。

(5) 若机器号相符,则单片机通过控制I/O口端引脚电平的高低来控制模拟多路选择器的通断,本实验系统定义P1.0—P1.7 8个引脚为输出I/O口。

(6) 通过控制模拟多路选择器的通断来控制实验箱面包板上电路的通断,以模拟各种故障。

2.3 硬件说明

(1) RS-232C/RS-485转换器。该转换器有两端,RS-232端采用DB-9孔型连接器,RS-485端配有3根接线柱,分别为“A”“B”“GND”,如图4所示。通过这3个接线柱,可额外连接32个节点,即可实现一对多通信。

转换器通信方式为点对多点/两线半双工通信,如图4所示。

图4 RS485点对多点/两线半双工通信

接线原则：RS485半双工模式接线时将T/R+接RS485设备的A+、T/R-接RS485设备的B-。当只连接一个RS485设备时,可实现一对一通信；若连接多个RS485设备,主设备与多个从机之间采用手牵手的级联方式。其基本连接方式：若485总线上一共存在A、B、C等多个设备,将A的485+接到B的485+,再将B的485+连到C的485+,依此类推,485-的连接方式与485+相同。使用星型拓扑结构时,若不增加485集线器或485中继器,容易造成信号反射,导致通信失败。

(2) 模拟多路选择器。多路选择器是数据选择器的又一称谓。该系统采用CD4051作为实验系统的可控开关。CD4051可看成一个单刀八掷开关,开关决定着接通哪一条通道。该芯片通过输入的3位地址码ABC决定通道的选取。INH指禁止端,若“INH”=1,则说明8个通道均截止而不导通。另外,CD4051芯片设有一个电源端VEE,当作为电平位移使用时，这个特性能保证在单组电源供电时工作的CMOS电路供应的数字信号能直接控制该多路开关。

该芯片真值表见表1。

表1 CD4051真值表

单片机通过I/O口控制模拟多路选择器的通断,来控制面包板上已完成电路是否出现故障。

(3) 单片机。STC89C52单片机共有4组8位可编程的I/O口,分别是P0、P1、P2、P3,每个I/O口有8根引脚,共32根。P3口(P3.0—P3.7)为芯片的双功能口,其具有特定的第二功能,在不使用它的第二功能时,该口与其他3个I/O相同。P3口的第二功能见表2。

表2 P3口的第二功能

本系统主要利用该型单片机P3口的第二功能来与上位机相互进行数据的传输,利用该单片机的其他I/O口来控制下行实验系统上模拟多路选择器的通断。

图5为仅连接一个实验平台时系统的电路原理图。图中包含有上位机的RS-232C串口、RS-232C/RS-485转换电路、电平转换电路和模拟开关电路、电平转换电路，以及这些电路与单片机的连接方式。其中,模拟开关电路中,CD4051芯片所连接有4个LED灯用来指示故障是否开启。

3 系统软件的设计

本系统的软件部分分为上位机软件和单片机接收发送数据软件。

图5 实验系统电路原理图

3.1 单片机接收发送数据软件

(1) 传输率。本实验系统采用传输率为57 600。设置波特率的程序代码如下：

TH1= 0xff; TL1= 0xff; //晶振为11.0592M,波特率为57600

因此上位机软件的传输率也应是57 600。

(2) 电特性。单片机要求TTL电平,通过RS-232C/RS-485转换器后电平标准为RS485。因此,利用MAX485芯片完成电平转换。

(3) 串口定义。通信双方的串口定义必须一致。

SCON= 0x50; //串口方式1允许接收数据 PCON=0x80; //SMOD=1 TMOD= 0x20; //定时器1定时方式2 TR1= 1; //启动定时器

(4) 数据格式。本文采用异步通信方式。一个字符一个字符传输,字符总是用起始位作为开头,停止位为结束标志,在字符之间没有固定的时间间隔要求。传信的每个字符前均存在一位起始位(逻辑值0),字符中间为数据位,数据位后是一位校验位,最后是停止位。且停止位与空闲位定义为逻辑值1。

(5) 接收数据。上位机软件与下行多个单片机之间的通信数据采用每次发送3个字符串。发送顺序是一个接一个发送,即上位机先发送第一个字符,本文定义为“～”,其ASCII码值为7E；第二次发送事先与上位机约定好的、与下行单片机一一对应的机器号；第三次发送的字符为定义的实验系统故障指令,分别是1、2、3、4,分别会造成模拟多路选择器的8条通道中的一条通道导通。即下述代码：

switch(dat) //故障模式1-4 { case 1: P1=0x03; break; case 2: P1=0x00; break; case 3: P1=0x01; break; case 4: P1=0x02; break; }

(6) 发送数据。每当上位机发送一组数据至单片机,单片机将第二个字符与机器号进行比较,若机器号与之相符合,则单片机会发送一个反馈信号至上位机,反馈信号用该单片机对应的机器号表示。

if(tmp[1]==′b′) //判断是否为相应机器号b { send_char(tmp[1]);}

3.2 上位机软件

为了完成PC机与单片机之间的串口通信,同时也要方便教师直观地控制并管理学生端实验,所以编写一个简单易用的人机交互界面。

Visual C++6.0中包含了MSComm[13-14]。它是一个功能强大又易于使用的通信控件。MSComm能够很方便地实现PC机与单片机之间的串口通信,能够对数据进行接收和发送,也可以设置串口通信所使用的通信协议,控制串口状态。所以,本系统使用Visual C++6.0来完成上位机软件的设计。

图6为上位机软件界面。教师通过上位机软件可以控制30位学生的实验电路。上位机软件的功能：

(1) 选择PC端连接串口号；

(2) 使教师能够控制30名学生的实验端并发送不同的指令；

(3) 接收单片机返回的反馈信息；

(4) 记录学生完成时间。

图6 上位机软件示界面

单击图6上位机软件界面中的任何一个头像,即会弹出图7所示的界面。在该界面中教师可以对该学生的实验电路设置故障,并记录解决故障所耗时间。

图7 子窗口界面

4 总结

新的实验系统充分保留了传统实验箱的功能,具有节省教学投入的优点。通过新的实验系统,学生将被动的重复性验证实验变为充满不确定性的分析实验。在保留原有实验系统实验功能的基础上,培养了学生分析问题和解决问题的能力,使学生更加贴近了实际的电路搭建与调试环境,提高了学生的学习兴趣和学习积极性。

References)

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Experimental system of electronic technology for cultivation of engineering practical ability

Bai Yu, Li Xiangping, Liu Kaihua

(Electrical and Electronic Experimental Center,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A new type of electronic technology experiment system is developed by means of the SCM,the serial port communication technology and the controllable switch. On the basis of supporting the existing analog and digital electrical experiments,the system has increased the ability to set the artificial fault. Besides supporting the original contents of analog and digital electronics experiment,the system adds the function of setting fault. This new experiment system solves the problem that the traditional electronic technology experiment boxes can only complete the common experimental items and can’t well cultivate students’ engineering practical ability. This new system makes the traditional experimental process closer to the actual project design,development and debugging,and stirs up the students’ learning initiative and enthusiasm while cultivating their ability to analyze and solve problems.

electronic technology experiment； engineering practice； serial port communication； controllable switch； SCM

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.022

2017-01-09

天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划项目(D02-0807)

白煜(1978—),男,山西太原,博士,高级工程师，从事通信与信号处理技术的研究.

E-mail：baiyu1978@tju.edu.cn

G484；TN014

A

1002-4956(2017)07-0080-05