電氣工程專業(yè)微機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)支撐平臺(tái)論

1、工業(yè)電氣自動(dòng)化論文電氣自動(dòng)化控制論文：電氣工程專業(yè)微機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)支撐平臺(tái)摘要:針對(duì)當(dāng)前電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)普遍存在著內(nèi)容分散、平臺(tái)落后等問(wèn)題,在分析電氣類專業(yè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)上,提出實(shí)驗(yàn)課程整合以及建設(shè)滿足多課程需要的實(shí)驗(yàn)支撐平臺(tái),并開(kāi)發(fā)了基于數(shù)字信號(hào)處理器的電氣工程專業(yè)微機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信綜合實(shí)驗(yàn)板,實(shí)驗(yàn)板具有齊全的存儲(chǔ)功能、豐富的人機(jī)界面、靈活的數(shù)據(jù)采集回路、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等特點(diǎn),能滿足電氣工程專業(yè)微機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的需要,也可作為課程、畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的一體化支撐平臺(tái)。關(guān)鍵詞:電氣工程;實(shí)驗(yàn)平臺(tái);數(shù)字系統(tǒng);微機(jī)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、微電子等技術(shù)的發(fā)展,有力地推動(dòng)了電氣技術(shù)的發(fā)

2、展,也促進(jìn)了高校電氣工程學(xué)科的建設(shè)。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(luò)和智能等技術(shù)相結(jié)合;高校電氣專業(yè)在傳統(tǒng)專業(yè)課程的基礎(chǔ)上,開(kāi)設(shè)了微機(jī)原理及接口、網(wǎng)絡(luò)通信和現(xiàn)場(chǎng)總線、甚至電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA(electronic design automation)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理和嵌入式應(yīng)用等電子信息類課程,電氣專業(yè)已發(fā)展成為一門(mén)綜合性、跨學(xué)科的專業(yè)。作為學(xué)科建設(shè)重要組成部分和理論課程不可或缺的補(bǔ)充,實(shí)驗(yàn)對(duì)加深學(xué)生知識(shí)掌握和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力起著不可替代的作用,但目前電氣類實(shí)驗(yàn)普遍存在內(nèi)容分散,平臺(tái)建設(shè)滯后的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)課程和平臺(tái)需進(jìn)行相應(yīng)的整合與建設(shè),才能適應(yīng)學(xué)科發(fā)展。1需求分析當(dāng)前電氣工程專業(yè)

3、微機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可歸納為三大類:微機(jī)原理與接口、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn);電氣專業(yè)課程實(shí)驗(yàn);課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。微機(jī)原理與接口、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)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(guān)(包括鍵盤(pán)、發(fā)光二極管LED(light emittingdiode)、液晶顯示器LCD(liquid crystal display)等應(yīng)用)、定時(shí)器、看門(mén)狗、中斷技術(shù)以及內(nèi)部整合電路IIC(inter-integrated circuit)、串行外圍設(shè)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(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則更為廣泛:電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)主要包括了繼電器特性、三段電流保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)、重合閘等實(shí)驗(yàn);自動(dòng)裝置主要包含準(zhǔn)同期、勵(lì)磁調(diào)節(jié)等實(shí)驗(yàn);電力電子實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),而數(shù)字PWM則是其發(fā)展趨勢(shì)

5、;電機(jī)課程實(shí)驗(yàn)?zāi)壳爸饕俗儔浩髯儽取⒖蛰d和短路特性、同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行和并網(wǎng)特性、直流電機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行特性等內(nèi)容,并逐步增加電力電子技術(shù)在電機(jī)中的應(yīng)用;電力系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)(動(dòng)模實(shí)驗(yàn))的核心是對(duì)一次設(shè)備的電氣模擬,但其控制核心,包括用以模擬原動(dòng)機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)控制、勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié),基本都采用基于PWM技術(shù)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(qiáng)、具有可重復(fù)性等一系列優(yōu)點(diǎn)而成為電氣自動(dòng)裝置的主流和趨勢(shì),目前涉及電氣微機(jī)裝置的課程,如繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)、變電站綜合自動(dòng)化、數(shù)字電力電子裝置等,都有專門(mén)的章節(jié)介紹微機(jī)和數(shù)據(jù)采集等知識(shí)點(diǎn),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(wèn)題,實(shí)驗(yàn)課程和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。從數(shù)字裝置結(jié)構(gòu)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(duì)電氣微機(jī)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(kāi)關(guān)量;邏輯部分是根據(jù)相應(yīng)的原理對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷后輸出結(jié)果,這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn);輸出部分則為相對(duì)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量或模擬量輸出。對(duì)電氣微機(jī)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(guò)軟件編程對(duì)原理的實(shí)現(xiàn)上。因此,有可能建立統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)以滿足課程整合的需要,從而根據(jù)課程安排和實(shí)驗(yàn)的難易程度安排實(shí)驗(yàn)課程,有針對(duì)性地突出重點(diǎn)和差異性。當(dāng)前電

7、氣專業(yè)的課程包含了越來(lái)越多的電子信息類內(nèi)容,同時(shí),原有的電氣專業(yè)的課程也存在著實(shí)驗(yàn)更新的問(wèn)題,建立統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是當(dāng)前在平臺(tái)建設(shè)經(jīng)費(fèi)有限的情況下滿足實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增多的較好方法。而且,統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有利于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整合,保持實(shí)驗(yàn)的條理性和持續(xù)性,有助于學(xué)生循序漸進(jìn)地掌握知識(shí)。比如,當(dāng)前學(xué)生學(xué)習(xí)微機(jī)課程時(shí),偏重于尋址方式和技術(shù)參數(shù)的記憶;而目前的電力微機(jī)裝置課程,又很少涉及到更細(xì)的微機(jī)實(shí)現(xiàn)方式,例如,講解微機(jī)繼電保護(hù)的開(kāi)入回路時(shí),一般會(huì)介紹開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)經(jīng)光耦器件進(jìn)入到裝置中,但具體到如何在控制器實(shí)現(xiàn),便很少涉及。這樣,雖然相關(guān)知識(shí)學(xué)生都接觸過(guò),但知識(shí)都相對(duì)孤立,更談不上應(yīng)用。若有合理的課程安排和良好的

8、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持,則可在先前開(kāi)設(shè)的微機(jī)課程中安排GPIO和總線實(shí)驗(yàn),使學(xué)生掌握控制器與外設(shè)基本的聯(lián)系方式;到了微機(jī)繼電保護(hù)課程,則結(jié)合GPIO和總線實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,講授控制器如何通過(guò)GPIO或總線讀取經(jīng)過(guò)光耦的開(kāi)關(guān)量信號(hào),這就將相關(guān)知識(shí)內(nèi)容“串連”起來(lái),有助于學(xué)生的深入理解和應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)還應(yīng)滿足各種層次的實(shí)驗(yàn)需要,為課程、畢業(yè)設(shè)計(jì)和學(xué)生科研項(xiàng)目等提供良好的支持。目前高校本科開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)大多為基礎(chǔ)性驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),用于培養(yǎng)學(xué)生綜合、應(yīng)用以及創(chuàng)新能力的綜合性和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)較少,面向電氣工程的微機(jī)類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)則更少。因?yàn)槲C(jī)式裝置集成度高,在硬件平臺(tái)相對(duì)穩(wěn)定的情況下,其功能主要通過(guò)代碼軟件的形式實(shí)現(xiàn),對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)

9、尤其抽象,如何進(jìn)行微機(jī)裝置的綜合和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)。而微機(jī)類相關(guān)課程普遍存在著“百聽(tīng)不如一見(jiàn),百見(jiàn)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(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)便可發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。同時(shí),很多問(wèn)題也要靠親身實(shí)踐才能發(fā)現(xiàn)和有更深入的體會(huì)。這些都需要有功能強(qiáng)大、具有良好擴(kuò)展性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持。在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)課時(shí)并無(wú)增加甚至壓縮的情況下,如何安排實(shí)驗(yàn)課時(shí)以保證學(xué)生學(xué)習(xí)效率,是亟需解決的問(wèn)題。統(tǒng)一、良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可減少設(shè)備資金的投入,提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率,同時(shí),也有助于學(xué)生減少熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備的時(shí)間,而把重點(diǎn)放在原理理解和動(dòng)手實(shí)現(xiàn)上。這對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)提出了更高要 求:功能齊全,盡可能滿足電氣學(xué)科多個(gè)課程的需要;技

10、術(shù)先進(jìn),能體現(xiàn)包括計(jì)算機(jī)、微電子和網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)在電氣工程的應(yīng)用;有良好的擴(kuò)展性,既可單獨(dú)使用,也預(yù)留接口與其它設(shè)備組成更完整系統(tǒng)。目前能同時(shí)滿足上面條件的實(shí)驗(yàn)板幾乎沒(méi)有1215,故構(gòu)造了基于TMS320F2812DSP(簡(jiǎn)稱2812DSP)的電氣工程微機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主控制器是微機(jī)系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵。一般認(rèn)為,數(shù)字信號(hào)處理器DSP(digital signal processor)專長(zhǎng)于數(shù)字信號(hào)處理,而微控制單元MCU(microcontroller unit)的優(yōu)勢(shì)則體現(xiàn)在控制方面。隨著半導(dǎo)體技術(shù)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(kuò)展,其在電氣工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用更是有助于學(xué)生熟悉該系列芯片后直接從事相關(guān)的產(chǎn)品研發(fā)。因此,本實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu),程序總線和數(shù)據(jù)總線分開(kāi),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(yùn)算能力,保證了信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。同時(shí),實(shí)驗(yàn)板上外擴(kuò)了512KWord的閃存(FLASH)、512KWord的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(StaticRAM, SRAM)、內(nèi)嵌電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM(electrical

12、ly erasable programmableread-only memory)的不間斷實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘RTC(real-time clock)、138譯碼器和電源管理、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD(complex programmablelogic device)等芯片;實(shí)驗(yàn)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(kāi)入和開(kāi)出回路等;擁有RS485/232、CAN、以太網(wǎng)等豐富的網(wǎng)絡(luò);同時(shí),本實(shí)驗(yàn)板配有鍵盤(pán)、LED、LCD等豐富的人機(jī)接口。如圖1所示,本實(shí)驗(yàn)板具有下列特點(diǎn):(1)存儲(chǔ)能力大,存儲(chǔ)樣式多。除了DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器外,實(shí)驗(yàn)板還配置了SRAM、FLASH、EEPROM等多

13、種存儲(chǔ)器件。上微機(jī)原理與接口等課程的實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)器的讀、寫(xiě)等操作以及上、斷電后信息是否保存來(lái)比較不同存儲(chǔ)器的性能,包括讀寫(xiě)速度、揮發(fā)性等;上電氣微機(jī)裝置課程時(shí),可在微機(jī)原理與接口等課程對(duì)存儲(chǔ)器性能有所了解和能進(jìn)行基本操作的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步熟悉其應(yīng)用,例如:SRAM通常用來(lái)存放采樣數(shù)據(jù)等臨時(shí)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(lái)存儲(chǔ)錄波等數(shù)據(jù)。這樣,學(xué)生通過(guò)在實(shí)驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)從對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作再到實(shí)際場(chǎng)合的應(yīng)用,其親身的實(shí)踐無(wú)疑會(huì)收到更好的學(xué)習(xí)效果。 (2)豐富的人機(jī)界面。由于數(shù)字系統(tǒng)的高度集成性,運(yùn)行結(jié)果及現(xiàn)象往往不那么具體直觀,這需要良好的人

14、機(jī)界面來(lái)提示當(dāng)前運(yùn)行情況,良好的人機(jī)界面對(duì)用以實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為重要。本實(shí)驗(yàn)板配置有點(diǎn)陣數(shù)為240128、內(nèi)帶控制驅(qū)動(dòng)器的點(diǎn)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(chǔ)在外部flash并以該LCD顯示模式存儲(chǔ)的完全16*16漢字庫(kù),學(xué)生只需通過(guò)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(duì)于有興趣的學(xué)生,還可在講授漢字顯示等原理的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生完成LCD上漢字顯示。2812DSP的數(shù)據(jù)總線和GPIO(保留六個(gè)GPIO與鍵盤(pán)相連)都通過(guò)跳線與LED相連,通過(guò)LED的亮、滅情況直觀反映管腳電平情況。一方面,微機(jī)原理與接口等課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中通常都有LED顯示實(shí)驗(yàn)

15、,電氣微機(jī)裝置也需通過(guò)LED來(lái)顯示運(yùn)行、告警等狀況,獨(dú)立使用實(shí)驗(yàn)板時(shí)也可用LED的亮、滅模擬斷路器等開(kāi)關(guān)的開(kāi)、斷情況;另外,LED對(duì)實(shí)驗(yàn)板研制過(guò)程的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)板出現(xiàn)異常時(shí)的故障診斷、確認(rèn)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(jī)裝置的關(guān)鍵部分,要求模擬量輸入回路能靈敏、準(zhǔn)確、及時(shí)地采集到真實(shí)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(fù)雜的算法的要求。本實(shí)驗(yàn)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(shí),DSP外接精度高達(dá)16位的A/D,模擬量經(jīng)外部A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)2812DSP數(shù) 據(jù)總線進(jìn)入控制器。便利、靈

16、活地提供A/D實(shí)驗(yàn)的模擬信號(hào)源直接影響實(shí)驗(yàn)板使用的方便性和效率。實(shí)驗(yàn)板的每個(gè)模擬輸入通道,可通過(guò)跳線選擇是用實(shí)驗(yàn)板提供的板上信號(hào)源或外接信號(hào)源。板上信號(hào)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(hào),缺點(diǎn)是雖然輸入信號(hào)在一定幅度內(nèi)可變化但局限于直流電壓,適合在微機(jī)原理與接口技術(shù)課程等基礎(chǔ)A/D實(shí)驗(yàn)或調(diào)試場(chǎng)合應(yīng)用。使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)則可靈活改變輸入信號(hào)大小和類型,從而模擬一次系統(tǒng)電氣量,這在電氣微機(jī)裝置實(shí)驗(yàn)中起到關(guān)鍵作用,學(xué)生可進(jìn)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(hù)課程用于故障判斷,準(zhǔn)同期課程用于合閘條件

17、判斷等)并將顯示相關(guān)結(jié)果。(4)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前,電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)廣義上劃分為三個(gè)層次:RS485/RS232等傳輸速度較慢、智能化較低的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò);CAN、Lonwork等速率較高、通信較靈活的現(xiàn)場(chǎng)總線型網(wǎng)絡(luò);通信能力很強(qiáng)、代表網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)的以太網(wǎng)16。2812DSP有豐富的網(wǎng)絡(luò)接口,芯片本身已經(jīng)集成CAN網(wǎng)絡(luò)接口,芯片的兩個(gè)SCI分別配置成RS485/RS232;同時(shí),通過(guò)總線擴(kuò)展連接10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)芯片,外擴(kuò)以太網(wǎng)接口。這樣,實(shí)驗(yàn)板便配有了包括以太網(wǎng)、CAN、RS485/RS232等實(shí)際廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)接口。一方面緊密聯(lián)系實(shí)際工程需要;另一方面,可靈活地進(jìn)行不同的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)

18、絡(luò)通信課程的概念多而且抽象,通過(guò)豐富的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),學(xué)生可以增強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的直觀認(rèn)識(shí)。以最基礎(chǔ)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(luò)傳輸,就可明顯地區(qū)分出網(wǎng)速性能:各種網(wǎng)絡(luò)對(duì)小數(shù)據(jù)量傳輸無(wú)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(luò)的速度差異將越趨分化,高速網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)將明顯體現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)類似實(shí)驗(yàn),學(xué)生不僅較好地掌握網(wǎng)絡(luò)性能等知識(shí),而且培養(yǎng)了能針對(duì)不同場(chǎng)合需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)選擇等實(shí)際應(yīng)用能力。除了在本實(shí)驗(yàn)板上驗(yàn)證通信概念等內(nèi)容之外,學(xué)生還可進(jìn)行更多的動(dòng)手實(shí)踐,培養(yǎng)對(duì)實(shí)踐應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的操作和故障診斷與排除等能力,比如網(wǎng)絡(luò)的差動(dòng)概念,可通過(guò)示波器觀察各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的波形,使學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)以太網(wǎng)、C

19、AN、RS485是差動(dòng)類型網(wǎng)絡(luò),并在此基礎(chǔ)上,讓學(xué)生自己分析差動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在抗干擾等方面的優(yōu)缺點(diǎn),這樣可收到比單純的理論授課更好的效果。進(jìn)一步可以在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能,包括通過(guò)代碼程序等分析和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分層思想和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(如以太網(wǎng)的IP/TCP協(xié)議)等,當(dāng)然,這適合畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等要求較高的場(chǎng)合。此外,實(shí)驗(yàn)板還可通過(guò)RS232、RS485或以太網(wǎng)接口與光纖通信模塊連接,實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。(5)靈活的EDA技術(shù)。EDA技術(shù)迅速發(fā)展,使可編程邏輯器件(如CPLD等)與串行運(yùn)行代碼的控制器(如MCU、DSP等)在電子設(shè)計(jì)方面起著同樣重要的作用。可編程邏輯器件可通過(guò)軟件編程對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和工作

20、方式進(jìn)行重構(gòu),從而使硬件設(shè)計(jì)如同軟件設(shè)計(jì)那樣方便快捷,其優(yōu)越性使其在電氣工程等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,可編程邏輯器件及其相關(guān)技術(shù)也逐步進(jìn)入電氣專業(yè)的課程。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置了CPLD器件,CPLD通過(guò)零歐姆電阻與2812DSP總線和讀寫(xiě)控制線等連接。作為輔助控制器,利用CPLD設(shè)計(jì)靈活、IO管腳豐富的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行外圍擴(kuò)展,這也是當(dāng)前電氣微機(jī)裝置常用的設(shè)計(jì)方法。如果不焊接零歐姆電阻,CPLD就可作為獨(dú)立控制器單獨(dú)使用,CPLD和輔助的晶振等簡(jiǎn)單元件就可構(gòu)成最小系統(tǒng),通過(guò)將CPLD的IO管腳都引伸到插槽,CPLD便可以與其它設(shè)備構(gòu)成完整的應(yīng)用系統(tǒng)。(6)良好的擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)現(xiàn)所有的功能是不可能的。例如,本實(shí)驗(yàn)板具有多達(dá)12路的PWM輸出接口,從電磁兼容及PCB尺寸考慮,本實(shí)驗(yàn)板上就沒(méi)有配備相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路,而是將所有的PWM管腳都引到插槽中,外接驅(qū)動(dòng)電路便可用于電力電子技術(shù)相關(guān)課程的PWM應(yīng)用等。設(shè)計(jì)中考慮實(shí)驗(yàn)板的可擴(kuò)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(kuò)展。這樣,一個(gè)管腳就有多個(gè)信號(hào)回路。以復(fù)用CAN通信功能的GPIO管腳為例,該管腳有三個(gè)信息回路:CAN通信功能回路、實(shí)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(lái)

22、的信號(hào)干擾問(wèn)題,可通過(guò)串接零歐姆電阻和跳線等方法解決。如此設(shè)計(jì),與工業(yè)PCB相比,本PCB板上會(huì)有較多的串接電阻和跳線,增加了PCB的面積和復(fù)雜性,該問(wèn)題可通過(guò)合理的元器件位置設(shè)計(jì)和PCB布線來(lái)解決。 3調(diào)試實(shí)驗(yàn)板操作簡(jiǎn)便,適合不同階段的學(xué)生實(shí)驗(yàn),以較為復(fù)雜的LCD顯示和以太網(wǎng)通信進(jìn)行調(diào)試。DSP外部FLASH已預(yù)存適合該LCD顯示模式的1616漢字庫(kù),通過(guò)編寫(xiě)簡(jiǎn)單的顯示子程序便可實(shí)現(xiàn)區(qū)位碼和存儲(chǔ)物理地址之間的線性轉(zhuǎn)換,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)用漢字字模時(shí),在主程序中直接輸入漢字的區(qū)位碼即可實(shí)現(xiàn)對(duì)漢字的顯示,圖2為在實(shí)驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)位碼為16011694的漢字的LCD顯示。 用以太網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中最容易實(shí)現(xiàn)的Pi

23、ng實(shí)驗(yàn)測(cè)試PC機(jī)和實(shí)驗(yàn)板的網(wǎng)絡(luò)連接情況,將PC機(jī)和實(shí)驗(yàn)板的RJ45接口分別通過(guò)2條超5類B標(biāo)準(zhǔn)非屏蔽雙絞線連接到一個(gè)100Mb/s的集線器(可根據(jù)需要添加多臺(tái)PC機(jī)或?qū)嶒?yàn)板等帶以太網(wǎng)接口的設(shè)備),PC機(jī)上同時(shí)運(yùn)行Sniffer軟件監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、數(shù)據(jù)流動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔?。測(cè)試過(guò)程為:PC機(jī)運(yùn)行Ping程序向?qū)嶒?yàn)板發(fā)送連接請(qǐng)求,實(shí)驗(yàn)板上的DSP通過(guò)以太網(wǎng)控制器獲得該報(bào)文并做出回應(yīng),PC機(jī)在屏幕上輸出連接情況和通信延時(shí),如圖3所示,PC機(jī)每次都接收到來(lái)自IP地址為192.168.1.2的DSP的回復(fù),顯示的通信延時(shí)都小于1 ms,由于所采用的Windows自帶測(cè)試工具精度所限,更精確的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的

24、確定還需要其他工具,但該工具毫秒級(jí)精度已滿足一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要。以太網(wǎng)Ping測(cè)試結(jié)果表明兩臺(tái)機(jī)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(shí),通過(guò)Sniffer軟件,可更深入分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流情況,從圖4可看出整個(gè)通信過(guò)程:IP地址為192.168.1.1的PC機(jī)不斷詢問(wèn)網(wǎng)絡(luò)上IP地址為192.168.1.2的機(jī)器,IP地址為192.168.1.2的實(shí)驗(yàn)板不斷回復(fù)該查詢。Sniffer軟件中間部分顯示了對(duì)所選擇網(wǎng)絡(luò)包的自動(dòng)解析,可看到通信過(guò)程中數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)及代表的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的含義,包括數(shù)據(jù)包的類型、校驗(yàn)碼、序列號(hào)等信息。Sniffer軟件下端則代表所選擇網(wǎng)絡(luò)包的完

25、整數(shù)據(jù)流。 4應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)板可以獨(dú)立使用,完成微機(jī)原理與接口、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)的鍵盤(pán)輸入、LED顯示、LCD顯示、數(shù)據(jù)采集、FFT算法等經(jīng)典實(shí)驗(yàn)以及RS485/RS232、CAN、以太網(wǎng)等通信實(shí)驗(yàn)。在電氣工程相關(guān)課程中,本實(shí)驗(yàn)板能基本滿足電氣工程的微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)、故障定位與錄波、微機(jī)繼電保護(hù)、準(zhǔn)同期并列操作、電力系統(tǒng)通信等應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)基本流程為:信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)(模擬一次系統(tǒng)的電氣量)輸入到本實(shí)驗(yàn)板的A/D回路,控制器采集數(shù)據(jù)后,根據(jù)所需實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行判斷,如保護(hù)裝置進(jìn)行故障判斷、準(zhǔn)同期裝置進(jìn)行合閘條件判斷等,并通過(guò)D/A或開(kāi)關(guān)量輸出回路等輸出結(jié)果并在LED、LCD直觀顯示該過(guò)程。學(xué)生可以

26、在實(shí)驗(yàn)板上根據(jù)自身對(duì)原理的理解,自行設(shè)計(jì)、親自實(shí)踐并進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于要求較高的實(shí)驗(yàn)和具備Hypersim或?qū)崟r(shí)數(shù)字仿真器RTDS(real timedigital simulator)等在線實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)或設(shè)備情況下,可將該實(shí)驗(yàn)板連接到Hypersim或RTDS系統(tǒng)中,通過(guò)完整的系統(tǒng)測(cè)試預(yù)期應(yīng)達(dá)到的功能。5結(jié)語(yǔ)針對(duì)學(xué)科融合及課程整合趨勢(shì)提出建設(shè)滿足多課程的電氣工程專業(yè)微機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)支撐平臺(tái),開(kāi)發(fā)了基于2812DSP的高性能實(shí)驗(yàn)板,為電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排和平臺(tái)建設(shè)提供一種思路。參考文獻(xiàn):1王克義,魯守智,蔡建新,等.微機(jī)原理與接口技術(shù)教程M.北京:北京大學(xué)出版社,2004.2賀家李,宋從矩.

27、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理(增訂版)M.北京:中國(guó)電力出版社,2004.3楊冠城.電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理(第4版)M.北京:中國(guó)電力出版社,2007.4王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)(第4版)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.5鄭治同.電機(jī)實(shí)驗(yàn)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983.6何仰贊,溫增銀.電力系統(tǒng)分析(第3版)M.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2002.7楊德先,陸繼明,吳彤,等(Yang Dexian, Lu Jiming,Wu Tong,et al).電氣工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)(Integrated experimental platform andexperimental teac

28、hing material in electrical engineer-ing specialty) J.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)(Journal ofEEE),2007,29(1):64-66.8尹項(xiàng)根,羅毅,張步涵,等(Yin Xianggen, Luo Yi,Zhang Buhan,et al).適應(yīng)電氣大類培養(yǎng)方案的“電氣工程基礎(chǔ)”課程建設(shè)思路J.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)(Journal of EEE),2008,(S1):14-15,19.9竺煒,周羽生(Zhu Wei, Zhou Yusheng).對(duì)我院電力系實(shí)踐教學(xué)的思索和探討(Thoughts on practicalteaching of

29、 electric power department our university)J.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)(Proceedings of theCSU-EPSA),2003,15(5): 88-90,95.10梁振鋒,康小寧,楊軍晟(Liang Zhenfeng, Kang Xia-oning, Yang Junsheng).電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理課程教學(xué)改革研究(Study on teaching reformation ofthe curriculum of power system protective relaying)J.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)(Proceedings of theCSU-EPSA), 2007,19(4): 125-128.11楊德先,陸繼明.電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)原理與指導(dǎo)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.12魏宜華,焦彥軍,張新國(guó),等(Wei Yihua, Jiao Yan-jun, Zhang X