总线技术开放式教学实验平台

崔建峰，靳 鸿，刘长明

（中北大学 电气与控制工程学院，山西 太原030051）

0 引言

总线技术是工业智能系统采集、控制实现的远程通讯基础，是现在与未来工业装置数字化、快速化、灵活化的关键技术之一［1～3］，因此“总线技术与应用”是电气工程、自动化等相关专业均开设的一门重要专业课程。同时，“总线技术与应用”也是一门实践性强、应用范围广、技术更新快的课程，其实践教学效果直接影响到学生培养质量及社会对专业的认同评价［4～6］。

然而，总线课程相关的教学实验平台却一直没有得到广泛关注与充分研制。目前，市场上与总线课程相关的完整实验教学平台主要是广州致远电子有限公司开发的CANOpen EDALab教学科研平台［7］；除此之外，由于物联网专业的发展，市场上出现了一些以“嵌入式系统+无线传感网络”为基础的物联网应用实验平台［8］。这些产品对于学生提高总线产品与相关技术的认知具有较好的教学效果，但用于总线技术课程实验及本科创新实践教学却存在总线教学形式单一、教学内容偏复杂、内部设计封闭、教学应用不充分、成本较高等不足之处。因此，一些高校在教学上已选择自制总线实验教学平台［9～12］，但相应的平台在实验设计上侧重于某一类总线，不便于学生对比理解不同总线的优缺点。

因此，针对上述问题，我校课程组结合多年从事总线技术教学与相关科研工作的经验体会，自主研制了一种面向“总线技术与应用”课程的开放式教学实验平台，以获得更好的总线技术课程实验教学效果，同时为学生课外实践创新环节服务。

1 总体设计

总线技术教学实验平台采用开放式、模块化、可扩展原则进行系统设计。整个系统采用三层分布式结构，其整体架构如图1所示。

图1 实验平台整体架构

其中上层由PC机或工控机构成，中间层由嵌入式主节点组成，底层则为嵌入式从节点构成的测控智能单元。嵌入式主节点与嵌入式从节点采用统一的硬件设计，并以“主1从3”的形式组合构成实验子系统。上层PC/工控机通过USB协议转换模块实现与实验子系统主节点的总线连接，可以支持“LabVIEW软件应用”、“Visual C++编程设计”等课程的实验教学。实验子系统各总线节点硬件组成全部开放，统一固定安装在多孔网板上，各总线节点之间连线均布置于多孔网板前面板上。

总线技术教学实验平台的核心部件是各总线节点。对于单一的总线节点，将采取子母板的结构形式进行设计。母板设计成紧凑的单片机实验系统，也称为基板。子板根据不同的总线实验教学效果通过统筹规划设计成不同功能的功能板。两者之间通过层叠插装的形式进行连接。当进行不同实验时，只需进行相应功能总线子板的更换。而对于基板而言，当技术发展需要采取新的硬件器件时，可以仅更换基板，达到整体实验平台性能升级的目的。

总线技术教学实验平台下属总线节点的结构与接口采用标准化设计。一方面在使用过程中，便于根据不同实验内容进行快速更换；另一方面，对于整个实验平台的维护而言也增加便捷性，当其中某个总线节点故障时，可以通过更换备用总线节点或功能模块组件进行迅速修复。另外，由于总线节点结构及内部接口设计标准化，总线技术教学实验平台可以很方便地进行功能扩展及节点扩展。如增加相应总线接口的测试与控制模块节点，就可以针对控制类专业课程实验进行应用。学生也可以自制规范接口的节点模块，与整个总线系统相连，验证设计的有效性，从而支撑本科创新实验、课程设计与毕业设计需求。

2 单一节点设计

2.1 核心单片机选型

总线技术教学实验平台核心单片机选型即要结合课程教学目的，又要结合当今工业需求。学生在学习过程中能够对相关知识点快速理解，进入社会后又能直接利用所学知识开展设计研制工作。因此，所采用的单片机应该具有清晰的架构、充足的片上资源以及丰富的学习资源。

ARM单片机是以ARM处理器为核心的一种单片微型计算机，是近年来随着电子设备智能化和网络化程度不断提高而出现的新兴产物。ARM单片机以其低功耗和高性价比的优势成为了现代工业设计中主流产品，被广泛地应用于运动控制、智能测试等诸多领域。ARM单片机由于同一架构设计一致性佳、不同架构设计兼容性好，因此所设计的产品具有良好的可移植性。而且，ARM单片机相关网络学习资源丰富，更易于学生课下消化理解。因此，本实验平台以意法半导体公司的STM32F407型ARM单片机为核心进行设计。STM32F407具有32位高性能ARM Cortex-M4内核，时钟高达168MHz，支持FPU（浮点运算）和DSP指令，通信接口多达17个，能够满足单一节点的多功能需求。

2.2 基板设计

基板（母板）设计原则为：无子板时自成基础实验系统、有子板时充分支撑总线子板功能。因此，基板设计与规划是整个单一节点硬件设计的难点。基板采用如图2所示的布局方案。

图2 基板布局方案示意图

其中参照常规单片机实验箱的功能组成进行基板功能设计：在基板上实现了三色流水灯、单总线温度传感、ADC可变电阻、4位LED数码管、蜂鸣器、四向按键等功能，可支撑单片机技术相关课程的基础教学实验。同时，进行了SRAM、EEPROM、Flash资源扩展，并实现了LED显示屏接口，可支撑嵌入式系统设计课程的相关实验。另外，基板上设计了Zigbee、Wifi标准扩展模块接口；通过外接标准商业模块，如乐鑫ESP8266模块，实现物联网相关课程的教学应用。

基板在设计中要将尽可能多的IO资源留给子板扩展接口，以便充分支撑总线子板功能。同时，为了便于后续基板升级，对连接器引脚进行了功能分区，如CAN接口功能区，以太网接口功能区。通过固定分区的方式实现子板连接标准化。

2.3 子板设计

子板设计原则为：具有较好的抗干扰能力，并尽可能按照工业现场需求进行设计。

由于总线功能子板是课程实验的主要对象，学生操作频繁，容易引入干扰，从而影响基板正常工作，严重情况下甚至可能使基板主要芯片损坏，因此需要进行抗干扰设计。另外，为了让学生对常规的工业现场设计具有较为清晰的认知，因此，子板设计需要尽可能按照工业现场需求进行设计。

以所开发的CAN功能子板为例对子板设计原则进行说明，其主要电路设计如图3所示。

图3 CAN功能子板主体电路原理图

其中对CAN接口进行了电源隔离、光耦隔离及TVS静电防护，基本接近常规CAN接口防护设计。另外，CAN功能子板共设计了两路CAN，通过合理组合，可以构成自环路测试、主备CAN功能，便于学生开展单节点测试及创新实践。

除CAN功能子板以外，本实验平台还进行了RS485等总线功能子板的设计。

3 教学设计

总线技术教学实验平台主要用于本科生的实验教学、课程设计和毕业设计，也可用于研究生或教师从事总线系统开发与应用等方面的研究。所研制的实验平台实物如图4所示。

图4 总线技术教学实验平台实物

目前，基于实验平台已开发的实验项目有单片机技术基础类实验13种，嵌入式操作系统类实验4种，总线类扩展实验2种。其中总线类扩展实验已用于我校电气工程与智能控制专业“总线技术与应用”课程教学中，相应实验项目如表1所示。

表1 实验项目

以CAN总线教学实验（教学现场如图5所示）为例，为了使学生对CAN总线系统有一个较为全面的认知，要求学生在实验过程中完成以下步骤：

图5 CAN总线教学实验现场

（1）对单一节点示例程序绘制程序流程图，并修改程序中节点地址、波特率等接口参数，编译后下载程序。从而使学生熟悉单一节点所涉及的总线参数与程序编写思路。

（2）对总线系统进行装配连接。从而使学生熟悉总线系统物理层设计与应用注意事项。

（3）联调整个总线系统，使之正常通讯并实现指定的测试与控制功能，并通过示波器与相应总线分析仪观察通讯波形与通讯流程。从而使学生熟悉总线系统通讯物理波形及通讯流程设计。

（4）调整总线参数，观察这些参数对总线系统的影响，如将通讯速率不断提高，观察什么速率情况下总线系统功能失效，并分析失效机理。从而使学生理解总线参数设计的机理与重要性。

（5）完成上述试验后，思考需要哪些电子元器件使系统正常工作，并对硬件成本进行估算。从而使学生理解实现总线系统所需要的硬件成本，以便学生制定合理的总线系统方案。

通过上述教学设计，学生在一种开放式的应用环境下对实验所涉及到的总线技术进行全面的理解。另外，由于总线技术教学实验平台的开放性设计与可扩展设计，实验子系统间可构成一个更大的总线测控网络，结合上位机测控软件设计，可使实验更能贴近工业现场应用情况，从而让学生对总线技术的优劣具有更为清晰的认知。

4 教学效果验证

为了验证实验平台对教学效果的改善情况，通过对授课班级进行网上问卷调查，对比了实验平台引入前后电气工程与智能控制专业授课班级主观课程目标达成情况，调查结果如表2所示：

表2 课程目标达成情况

通过表中数据可以看出，由于自主研制教学实验平台的引入，教学效果得到了较大的改善与学生认同。但课程目标总达成度仍有些偏低，后续还需通过进一步改进实验教学设计，提升课程教学质量。

5 结语

总线技术是电气工程、自动化等相关专业本科生需要掌握的主要知识之一。通过开放性、模块化、可扩展性的设计，同时结合目前总线技术发展现状和趋势设计了总线技术教学实验平台，并据此进行了相关的教学设计。后续课程组将通过教学实践进一步完善实验平台、丰富功能子板、优化实验内容，从而激发学生的学习兴趣，使学生更好地掌握总线技术相关的知识和技能。