生活自动化及相关专业综合实验教学平台的建设与研究.docx

自动化及相关专业综合实验教学平台的研究与建设刘
摘要：针对目前自动化及相关专业的实验室现状和实验教学模式，结合主干课程实验教学内容，自主研究设计了一种自动化及相关专业综合创新实验教学平台。该平台集成了先进的传感技术、控制理论、计算机和通信学科的相关理论和技术，既可完成自动化专业主干课程基础性实验，也可开发针对专业的综合性、设计性和创新性实验，以最大限度地发挥平台的教学、实验以及科研的效果。
关键词：自动化及相关专业 ，实验教学平台，综合性, 实验教学模式
中图文分类号：G642 0
文献标识码：A
Research and Construction of Automation Comprehensive Experimental Platform
LIU Hong-li ，WANG Chao，LI Chao，TAN Ya ，XIE Qun
School of Automation, Wuhan University of Technology，Wuhan, 430074,china

Abstract According to the automation and related professional laboratory present situation, combining with the main courses of teaching content, an automation integrated innovation experimental teaching platform is designed based on the current situation of the laboratory for automation specialty and related majors. This platform integrates advanced theory and technology of sensor, measurement, computer control and communication engineering, which can complete the basic experiment of automation main courses, but also develop some comprehensive,  professional design and innovative experiments. so the platform can maximize the results of teaching, experiment and research .
Keywords : automation or related major , experimental teaching platform, comprehensive, experimental teaching mode

1 引言
湖北省教学研究基金项目“自动化专业卓越工程师培养的实践教学体系与教学模式研究”资助（2011）
经济建设的快速发展和生产自动化水平的不断提高，使社会要求自动化及相关专业学生在具有扎实的理论基础知识，较强的动手能力和较高的创新能力的同事，还应具备较扎实的工程实践经验。因此自动化学科在理论课程积极整合控制理论、计算机与通信学科的相关理论与技术有机之时，还必须努力推进实验教学体系和教学模式的改革[1]。长期以来实验教学作为课堂教学的配角，无论财力还是人力的投入都严重不足，设备实验陈旧落后，实验内容单一，根本不能反映本学科相关课程如传感与检测技术、信号分析处理技术、计算机控制技术以及网络控制技术等当前的发展水平。各课程实验课程跟着理论教学合在一起， 没有单独设课，使学生无法面向实际工业对象， 真正意义上掌握自动控制系统的分析和设计方法。同时由于实验条件的限制，实验课大多主要以教师演示为主，学生只看不做，或者是按照教师课堂演示实验的操作步骤，或实验指导书上的实验步骤，学生一味单纯模仿、重复，导致实验结果及实验报告完全类同，实验内容的设置留给学生选择和发挥的空间有限，缺乏创新性。这种实验教学模式片面地强调共性发展却忽视了个性发展，使得学生缺乏对实验的理性思考，缺乏对学生实验能力、科学方法和科学态度的培养，从而对学生的动手能力、实验技能、科学态度、科学方法训练和培养就无从谈起。因此，为了培养学生动手能力，创新思维与实践能力，使学生能更好地学习和掌握新技术、新理论在当今的发展和应用，研究和开发自动化及相关专业的综合实验创新平台， 改进实验教学体系和教学模式迫在眉睫[2，3]。
2 实验教学平台的设计
2.1 功能分析
自动化专业综合性实验平台设计要达到以下功能:
（1） 该平台面向实际工业对象如烘烤箱、双容水箱、交/直流电机、电子秤等，基于目前比较流行的多微处理器如单片机、DSP、ARM、FPGA以及CPLD等，围绕自动控制系统，完成温度、液位、压力和转速等被测量的测量与控制， 同时应具有人机接口、智能化、网络化等功能[4]。
（2） 学生根据实验内容和实验要求，自行选择不同的硬件和软件模块， 不仅完成多门自动化专业主干课程的基础实验、研究性和创新性实验， 并能使学生完成相关课程的课程设计和毕业设计，从而满足不同层次的学生学习。
（3） 实验平台要求模块化设计，各模块可重构、可选择、可升级，大小尺寸可规范化。通过完成一个个综合性的实验项目,学生可对实验设备、机械结构、检测元件、控制元件、控制系统原理等进行了解与认知,还可以掌握控制系统的分析和设计方法,从而全面提高培养学生的理论知识和专业基础知识， 提高分析问题和解决问题的能力[5]。
2.2 硬件设计
自动化专业综合实验平台由控制对象，检测板，控制器，上位机，显示板级驱动板组成。通过各种传感器检测如温度、液位、压力和转速等被测量，经过信号输入通道送入微处理器进行数字信号处理，处理好的数据可送到触摸屏进行显示，也可通过信号输出通道实现实际对象的控制，还可通过串口传送给上位机。在上位机的上不仅可以编写相应的测控程序，下载至下位机中，完成平台的运行，还可编写监控界面，实现系统的数据/曲线显示、参数设置和控制等。该平台的原理框图如图1所示。

自动化专业综合实验平台由实际对象模块、多输入/输出通道模块、上位机模块、微处理器模块、人机接口模块、智能化功能模块以及总线接口模块等组成。
（1） 实际对象模块：实验对象有烘烤箱、双容水箱、电子秤， 交直流电动机、步进电机等。这部分对象可以扩展。详细分析这些实际对象的特性， 通过机理法或实验的方法建立被控对象相应的数学模型。
（2）数据采集模块
数据采集模块包括温度/压力/液位/转速等传感器及测量电路、模拟信号调理电路、模数转换电路等可实现温度、液位、压力和转速等被控制量的测量与数据转换。被测量不同， 数据采集模块包括的测量电路和信号调理电路也有所不同。此模块还可以根据需要和对象的不同进行扩展。
（3）多微处理器模块
多微处理器模块包括单片机、嵌入式计算机ARM以及数字信号处理器DSP，FPGA和CPLD等多种微处理器。可根据需要采用不同的微处理器来实现上述温度、压力、转速等被控量的测量与控制，可通过上位机界面或触摸屏实现微处理器的选择。
（4） 控制电路模块
控制电路模块包括继电器，可控硅等功率元件组成控制电路， 以及电机驱动电路等
（5）上位机模块：通过RS232等多种通信接口，设计上位机监控界面，实现测量结果显示，数据存储，参数设置，下位机控制等功能，不同的测控系统有不同的运行界面，不同系统界面间可以快速地一键切换。
（6）智能化功能模：智能化功能模块能够实现自动检测、自动校准、量程自动切换、自动补偿等智能化功能，有效地提高了整个综合实验平台测控精度和可靠性。
（7）总线接口模块：总线接口模块由STM32控制，通过不同的总线控制器将单片机、ARM以及DSP传输过来的信息发送到相应的总线上去，把数据传输给其它具有相应总线接口的设备，同时相应总线上的外部设备也可以把数据通过相应的总线接口传送给STM32,最后输送给单片机、ARM以及DSP进行处理，实现综合实验平台的总线通信。该模块可实现CAN总线以及以太网通信[6][7]。

2.3 软件设计
自动化专业综合实验教学平台的软件设计包括下位机软件设计和上位机软件设计。下位机中集成的多种微处理器系统
。虽然不同的处理器芯片编译软件不同，但其针对某一具体实验的软件方框图是通用的，只是在实际写程序时略有不同。这里以温度对象为例，图2为综合实验平台下位机主程序流程图， 图3为温度测控系统软件流程图。

图2 综合实验平台下位机主程序流程图 图3温度测控系统软件流程图
上位机软件设计是采用LabVIEW创建人机交互界面。在LabVIEW人机交互界面实现对实验对象的控制和数据的实时显示等功能，主要包括登录界面、主界面、PID参数设置界面以及相应的趋势图界面。
图4和图5分别为上位机上开发的实验项目选择界面和温度测控系统界面。

图4 综合实验平台项目选择界面 图5 温度测控系统界面
3 自动化及相关专业综合实验教学平台的特点与意义
依托自动化及相关专业综合实验创新平台，可以开设传感与检测技术、单片机及接口技术、嵌入式控制系统、SOPC、DSP技术、自动控制原理、可视化程序设计、数据库技术，数字信号处理、仪表与过程控制系统、网络控制系统、智能仪器原理及应用以及虚拟仪器及仿真等自动化及相关专业的课程基础性实验， 也为学生提供了一个大的实验空间,可支持从简单到复杂、从单一到综合的一系列实验。除了全面支持基本教学实验外,也充分支持学有余力的学生进行自己设计的个性化实验,同时也支持学生完成其课题与本平台技术相关的毕业设计，进行自主课外科技活动等。
自动化综合实验平台具有以下几个特点：
（1）面向多种实际工业对象
该平台采用多种工业型传感器，既可以用来完成传感器原理、结构与调理电路的教学，也可以用解决工业工程和过程中的实际问题。充分利用自动化学院现有的实验对象，主要包括：烘烤箱、双容液位水槽、电子秤、步进电机和交/直流异步电机等。
（2）多微处理器：该综合实验平台包括三种MCU（单片机、ARM以及DSP）：单片机作为出现最早的MCU，它非常适合刚刚接触学习的学生，帮助提高学习兴趣；ARM和DSP是时下最有发展潜力的MCU，现在很多单片机产品都有被它们替代的趋势，学好它们对于学生以后的学习和工作都有很大的好处。在该实验上还可扩展FPGA和CPLD等微处理器。
（3） 多总线接口：现场总线的应用越来越广泛，学好和了解现场总线能够为学生走进社会工作提供良好的基础，该综合实验平台能够实现CAN总线、Profibus-DP总线以及以太网通信。
（4）可更换的核心系统：为适应不同厂家的处理器、不同种类的处理器，通过改变系统核心卡来实现使用不同家族的单片机或者是不同种类的处理器(如MCU、DSP、ARM)等来组成系统。
（5）一机多用：采用实验现场与实验准备室相结合的设计构思，在实验装置上仅配备最常用的模块，在实验装置内放置次常用模块，在实验准备室中放置其他模块。由此实现了该实验装置能够实现一机多用、便于扩展和综合的目标。
（6）拓展性与持续发展：结合单片机、FPGA／CPLDDSP及ARM等知识可以将现代检测系统或智能仪器提高到更高的层次。
（7）可以进一步开发智能传感器与虚拟仪器、微处理器原理与应用（包括单片机、DSP、ARM处理器以及PLC）/远程监控、数据通信与数字信号处理、现场总线控制、网络控制、基于EDA/SOPC技术的CPLD/FPGA等模块化实验。也可面向学校其他专业如信息、测控、计算机应用等，辅助教学。
自动化专业综合实验平台属于自主创新实验教学平台，采用当前较先进的硬件、软件和通信技术集成,其知识覆盖面广,技术含量高,具有一定的综合性、自主性、设计性、先进性、开放性、多样性和前瞻性；实验平台既具有较高的模块化,又有较高的集成度。该实验平台能够为学生提供了一个大的实验空间,可支持从简单到复杂、从单一到综合的一系列实验。除了全面支持基本教学实验外,也充分支持学有余力的学生进行自己设计的个性化实验,同时也支持学生完成其课题与本平台技术相关的毕业设计，进行自主课外科技活动等。
另外基于自动化专业综合实验平台可以研究一套适合于自动化相关专业的合理实验教学模式。通过综合实验平台，加强学生重实验、重实践的意识，改善实验效果，针对不同的学生群体以及实验课程，将实验教学模式分为常规实验教学、设计性实验教学、创新性实验教学以及科研性教学等模式，深入研究实验的选题、方法、形式以及考核方式，培养4 结论
目前依托自动化及相关专业实验平台，出色地完成了本科生《传感与检测技术》、《仪表与自动化》、《仪表与过程控制系统》课程实验，实验内容包括：压力检测、温度测控系统、温度测控系统软件设计、人机接口电路设计，双容水箱液位控制、PID控制算法等。另外完成了研究生的《智能仪表原理及应用》、《虚拟仪器及仿真》、《现代测试技术》等课程实践教学和具体课题的开发等工作。先后有60多人在本实验平台上完成了大学生开放性实验、课程设计以及毕业设计工作，学生反映效果良好。
随着传感与检测技术、计算机控制技术的飞速发展，新的设计理念、技术和设备层出不穷，专业课程实验室的建设决不能仅仅停留在目前现有的技术水平和教学层次上，必须紧跟自动化技术的发展与实际应用培养适应当前发展的科技创新人才。为此，将继续积极探索实验教学方法和教学模式，不断完善和更新实验教学内容，加强新型测控管技术与实际工程应用的紧密结合，不断研究完善该平台的教学及科研功能，倡导学生的创新能力， 这是我们今后的研究方向。
参考文献
[1] 王茜.自动化专业综合性实验平台的建设模式[ J] .实验室研究与探索， 2009, 28 ( 10) : 96-98
[2] 方彦军，刘经宇. 网络化检测系统创新实验平台的研究与建设[J], 中国电力教育， 2010 ,158(7),130-132
[3] 史旭华, 俞海珍. 工业自动化专业综合创新实验教学平台[J]. 实验室研究与探索 2008, Vol27( 10) 34-36.
[4] 徐安,周凡.用微控制器讲出你的创意——多MCU平台与设计性综合性实验[J].计算机教育, 2009,(15):188-191,170.
[5] 贾立新,施朝霞.模块化综合电子系统设计实验平台[J].北华航天工业学院学报,2010,20(s1):25-27.
[6] 刘红丽等.传感与检测技术[M].国防工业出版社,2012年9月，129-172,301-304
[7] 张春峰,朱玉玉.检测与控制综合实验平台的开发[J].实验室科学,2010,13(6):68-71.
[8] 谢新开. 自动化专业综合实验教学改革探析，实验科学与技术, 2007 ,10（5）：102-104.