自主便携式移动试验装置开发

徐　林，冯　硕，熊　涛，黄少杰

(东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819)



自主便携式移动试验装置开发

徐林，冯硕，熊涛，黄少杰

(东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819)

摘要：根据高等工程教育专业认证对学生工程实践能力的要求，提出并实施“上下互补、虚实结合、学研互动”的实践教学模式，以自动化专业工程型人才培养为背景，基于FPGA，设计开发了集“一体、便携、自主”于一身的体积小、重量轻、需要外部资源少、便于携带的计算机控制系统试验装置。教学实践表明，所提出的实践教学模式和开发的试验装置，能够确保学生及时巩固和加强理论基础知识，培养创新意识和创新能力，提高工程实践能力。

关键词：工程实践能力；移动试验装置；控制系统；FPGA

1引言

工科人才的能力提升一直是世界高等工程教育所追逐的永恒主题，高等工程教育专业认证也对工程实践能力做出了明确的要求。但是，由于教学理念、教学手段和考核方法不完善，直接导致一些注重实践教学环节的课程教学质量达不到预期效果，导致培养的人才实践能力不强，不能满足社会、行业企业对工程型人才培养的需求。同时，先进、科学和有效的试验设备和试验装置作为直接影响学生实践能力培养的主要因素之一，对学生实践能力和创新能力培养具有积极的推动作用。

目前，国内高校计算机控制类课程试验教学中使用的试验装置基本上是固定装置，存在场地固定、功能单一、数量有限等缺点，即使有可移动的试验装置，也多存在成本高、体积大、功能扩展性不强等问题，无法满足新时期课程改革的需要，直接影响课程教学质量。因此，需要开发一类集“一体、便携、自主”于一身的体积小、重量轻、需要外部资源少、便于携带的计算机控制类试验装置，来规避上述问题，以期达到使学生及时巩固和加强理论基础知识，培养创新意识和创新能力，提高解决工程问题的能力等目的。

本文以计算机控制类课程为背景，面向高等工程教育专业认证对学生工程实践能力的要求，适应计算机控制类课程的教学方法的灵活性需求，通过研究并实施“上下互补、虚实结合、学研互动”的实践教学模式，设计开发了一类“功能一体化、使用移动化”的自主便携式移动试验装置，由于具有使用场地不受限的特点，被师生称为“移动实验室”。同时，在设计开发移动试验装置的过程中，广泛吸收学生参与其中，使参与工作的教师和学生都能通过移动实验室的开发，锻炼发现问题、分析问题和解决问题的能力，切实提高实践能力、创新能力和教学水平。

教学实践表明，移动实验室的开发，使学生在教学过程中能够充分感受到教学过程带来的乐趣，增加学生学习课程的兴趣，使学习更加轻松、更有成效，对学生实践能力的提升具有明显的效果。

2“上下互补、虚实结合、学研互动”实践教学模式研究

为了充分体现移动实验室的优势，提出了“上下互补、虚实结合、学研互动”的实践教学模式。

(1)上下互补

“上下互补”指的是课上课下互补。在课堂上，教师利用移动实验室辅助理论教学，边讲课边验证，变枯燥为生动、变抽象为形象，不仅可以活跃课堂气氛，更能提高学生的学习兴趣。在课堂下，学生们可以在任何地方完成自己感兴趣的试验或一起探讨研究，有效拓展了学习空间和学习地点。

(2)虚实结合

学生先利用各种虚拟仿真软件在计算机上完成仿真设计，再动手进行硬件系统试验，并与仿真结果进行对比分析。虚拟仿真和实际动手的有机结合和互动，能够有效调动学生参与课程试验教学的主动性和积极性，提高试验教学质量。

(3)学研互动

在移动实验室开发过程中，组织部分优秀学生参加装置的设计、试验项目的验证，可以有效提高学生创新意识和创新能力。.

3基于FPGA的自主便携式试验装置设计

目前，计算机控制类课程的试验教学系统主要有两种类型，或是基于DCS、PLC，或是基于单片机或DSP。前者虽然功能强大、编程灵活，但是由于体积大、成本高，不适于便携和批量生产；后者虽然价格合理、使用方便，但是建模与控制算法研究方面灵活性差，不易于推广应用。

随着FPGA(Field Programmable Gate Array)技术的不断进步，其功能集成度越来越高，通过融合嵌入式微处理器、DSP等技术实现了可编程系统(SOPC，System on a Programmable Chip)，有效提高了设计的灵活性、可靠性，集成度大大提高。通过FPGA技术开发的系统具有体积小、成本低、资源丰富、编程灵活等特点，同时基于DSP Builder技术实现了与MATLAB/Simulink无缝连接。

图1　装置总体结构

本装置采用的试验结构原理图如图1所示，包括电机控制模块、温度控制模块、控制主板以及上位机应用软件。本装置选择电机和温度装置作为被控对象，其中电机主要由编码器和直流电机组成，实现快过程控制；温度装置主要由升温装置、热电偶、风扇组成，实现慢过程控制。控制主板是系统的数据采集与处理中心，其中FPGA核心模块负责控制采集模块、驱动模块转换器的接口时序，用于被控对象状态数据的采集、传送和控制。采集模块负责对速度信号和温度信号的采集；驱动模块(D/A转换)负责将控制器输出的数字量转换成模拟电压，输出给被控对象；USB接口模块主要负责接收上位机的设定信息以及将采集到的数据传送到上位机。上位机应用软件用于进行控制参数、采样周期的设定，以及被控量的实时显示。

FPGA设计的核心是通过各种设计输入方式实现用户逻辑需求，其内部功能结构如图2所示。本装置中FPGA主要实现系统时钟管理、USB接口逻辑控制、A/D以及D/A时序控制、SPI接口控制、控制器设计等功能，设计的关键在于基于DSP Builder技术的控制器设计。DSP Builder支持FPGA的整个开发流程，与MATLAB/Simulink软件可以实现无缝链接，设计的控制器可以在MATLAB/Simulink中编程验证，然后再使用Signal Compiler转换成HDL源文件下载到FPGA中使用。

图2　FPGA内部功能结构

由于实现计算机控制时需要包括PID控制、Smith 预估控制、神经网络控制等模型，这些模型在运行以及被调用过程都需要建立一个模型库，并且对模型库进行管理监控，使装置既可以实现本身设计的程序指令，也可以有效地调用其它的算法程序，这样一来，使得装置功能更全面，更具有时效性。同时，该装置连接到上位机，可以实时观察到各种仿真曲线、系统运行状态等。

4结语

根据上述设计方案，组织部分师生自主研发了30套“功能一体化、使用移动化”的自主便携式的计算机控制系统试验装置，该装置将自动控制理论、现代控制理论与计算机控制系统有机结合，通过自主设计控制器、建立系统数学模型、进行仿真研究，与实物对象控制过程有机结合的方式，使学生能够对所学到计算机控制的相关知识进行实践，做到即学即用、未学先用，同时也可以利用该试验装置对相关理论、方法和技术进行深入研究，既可以使学生充分认识控制技术的各个环节的作用，还可以将控制理论和控制方法应用于实际背景中，可以直观地评估不同算法、不同参数对系统的影响。目前，这些装置已经在自动化专业本科生上课中进行了使用，除了课堂教学外，在期末考试时直接利用该装置进行考试，当场给学生出一个难度较大且平时没有做过的综合性试验题目，95%以上的学生在规定时间内完成了试验内容，效果非常好。

参考文献

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[收稿日期]2016-05-11

[作者简介]徐林(1970—)，男，博士，教授，辽宁省沈阳市人，所学专业为自动化。

中图分类号：TH87

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.023

Development of Portable Autonomous Laboratory Kit

Xu Lin, Feng Shuo, Xiong Tao, Huang Shaojie

(School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, Liaoning, China)

Abstract：According to the requirement of the Certification of Higher Engineering Education to the students′ engineering practice ability, the practice teaching mode of "up and down complementary, combination of virtual and reality, interaction between Teaching and Science Research" is proposed and implemented. With the background of training the engineering talents of Automation Specialty and based on FPGA, an experimental device for computer control system with small size, light weight, less external resources and easy to carry is designed and developed, which sets "one, portable, independent" in one. Teaching practice shows that the practice teaching mode and experimental device above are able to make sure that the students consolidate and strengthen the theoretical knowledge in time. Students' sense of innovation and innovation ability can be cultivated and engineering practice ability can be improved.

Keywords:engineering practice ability; portable laboratory kit; control system; FPGA