机械电子工程专业生电子实验教学平台的开发

本文是一篇机械电子工程论文范文,机械电子工程类有关学年毕业论文,关于机械电子工程专业生电子实验教学平台的开发相关本科毕业论文范文。适合机械电子工程及实验教学及电子产品方面的的大学硕士和本科毕业论文以及机械电子工程相关开题报告范文和职称论文写作参考文献资料下载。

摘 要：通过分析目前机械电子工程专业研究生电子实验教学平台存在的问题,开发了符合该专业研究生电子实验教学的平台,详细说明了平台的开发以及开发思路.该平台能很好地将研究生的学习和科研紧密结合起来,为今后的工作打下良好的基础.

关 键 词：研究生电子实验教学MCUCPLD

随着研究生招生规模的扩大,社会对研究生的需求及研究生培养目标也在发生变化.如何培养具有高层次应用型、实践型人才是高校管理层和教学实施环节中各个主体单位和部门必须面对和认真考虑的问题.机械电子工程专业是机械专业中学科交叉的典型学科,对机、电、液等相关知识都有一定的要求[1],然而近几年,社会上对机械电子工程专业的研究生存在一些看法,认为该专业研究生机械方面的知识不够扎实,有关电方面的知识更是短缺,这种现象是实际存在的,其有悖于机械电子工程专业的培养方案,有悖于培养高层次应用型人才的目标.产生这种现象的原因,主要是研究生在本科和读研期间对电的实践较少,对电方面的实验动手机会也较少.

研究生与本科生的培养有所不同,研究生的理论学习时间是1年,其余2年时间主要是硕士课题研究,这就使研究生的专业水平局限于某个领域.对机械电子工程专业的研究生来说,课堂学习和实验环节是扩展电知识结构的重要过程,为了在短短的1年时间内掌握更多有关电方面的知识,必须理论联系实际,多做实验,才能提高学习效果,提高实际动手能力以及加深电方面知识的理解.因此,开发一套适用于研究生的电子实验教学平台将有助于研究生在电子知识方面的提高,有助于培养“两手都硬”的合格的机械电子工程专业研究生.

1现状分析

机械电子工程专业开设与电相关的课程一般包括现代控制理论、机电系统检测与控制、计算机控制及接口技术、工程测试与信号处理、数控技术等,这些课程都涉及信号检测、信号处理、信号辨别、算法处理、输出控制等内容,通过传统实验箱装置实现这些实验内容是有难度的.存在问题如下：

（1）目前关于电子开发的实验箱数目有限,价格昂贵,无法实现人手一套,并且各个模块相互独立,无法形成一个完整的闭环控制回路.

（2）实验所用技术比较落后,无法适应发展趋势.作为本科基础教学实验可以满足,但作为研究生应用性教学实验是存在一定差距的.比如AD转换器,传统实验箱仍然使用8位的0809芯片,随着技术的发展AD转换精度和转换时间都有了很大的提高,接口方式也发生了很大的变化,常采用串行I2C或SPI总线方式,接口方式大大简化,这些都是传统实验箱所无法达到的.

（3）实验箱实验与实际应用开发还存在一定的差距.研究生的研究学习,是为了今后更好地进行科研工作、开发产品等,所以,研究生的实验应更加接近实际应用.

（4）实验内容单薄、僵化,无法开发研究生的创新思想.传统实验箱没有留有扩展接口,只能做实验箱上固有的实验,不利于研究生的创新培养.

（5）传统实验箱无法应用到研究生课题的研究中.这是普遍问题,如果课题中涉及电子电路的内容,研究生只有重新设计开发.因此,在一年级理论学习期间设计搭建好自己的通用电子实验平台,为以后两年课题的开展节约时间和打下良好基础.对于两年制的研究生就更应如此.

上述问题使得大部分课程实验无法开出或者部分实验停留在演示阶段上,研究生无法深入掌握了解更深层次的内容,与实际应用脱轨.例如最基础的接口应用、基本的通讯实现大多停留在理论阶段,没有进行实质性的编程操作,对于经典的PID控制算法也没有进行过实验和深入的了解,从而在后续课题中涉及该内容的知识时感到无从下手,所以,开发一个既能满足以上课程基本实验要求又能贴近实际应用的电子实验教学平台很有必要.

2电子平台设计

2.1平台框架介绍

针对上述情况,开发了接近于实际应用,既可以用于教学又可以作为科研的电子教学平台,框架如图1所示.

图1电子平台组成结构

（1）微处理器（MCU）―完成计算、显示、信号输出等功能；

（2）电源―为主板、传感器等用电器件提供电能；

（3）放大―将传感器来的微弱电信号放大处理；

（4）数字化单元―将模拟信号转换为数字信号,MCU可进行处理；

（5）LED/KEY―显示/按键功能,人机接口；

（6）Flash―参数存储,掉电保护；

（7）电流输出―输出0～20mA或4～20mA控制调节执行器；

（8）RS485/232―通讯功能,可与上位PC机通讯（数字信号输出）；

（9）网络接口―它是现代仪表发展趋势,实现网络化传输；

（10）CPLD―复杂可编程逻辑器件,可减少MCU的器件,执行速度快,已成为现代电子电路设计中必不可少的器件之一；

（11）扩展接口―方便研究生在课题中进行功能扩展.

上述功能是一个相对完整的平台,研究生在学习各个功能模块的同时,也可以根据自己的相关课题进行裁减,以满足自己课题需要,使学习和科研并行.

2.2元器件选型

针对这样一个平台,元器件选择也是考虑的重点,应具有代表性.除了要使研究生掌握电子电路的基础知识外,还要和目前常用的器件相结合,避免出现在学校学习的内容与社会实际应用内容不相符.

（1）MCU选择

MCU的选择很重要,由于技术的不断更新,MCU的功能越来越强大,越来越完善.基于51内核的MCU仍然处于主导地位,因此在该开发平台上仍然选择51内核的MCU.该开发平台选择C8051F020,该型号单片机集成了AD和DA等功能,具有很强的代表性.

（2）数字化单元

数字化单元也就是信号的前置处理,主要包括传感器过来信号的滤波.为了让研究生能更多地掌握和了解滤波电路,该数字化单元设置了两种滤波方式：无源RC滤波和有源二阶滤波,可以使研究生对这两种基本滤波方式进行分析、对比学习.（3）通讯

通讯是现代电子产品必不可少的功能,在该平台上集成两种通讯方式：RS485和RS232.这是在工业产品中应用较多的通讯方式.

（4）人机接口

包括按键和显示,采用数码管并留有TS1620液晶显示模块的接口,使研究生能更好地掌握两种显示方式的学习.

（5）Flash

具有掉电保护的数据存储器,在工业应用中常用来保存参数.随着技术的发展,目前的掉电保护数据存储器常采用I2C总线接口模式,这里选择24C02存储器.

（6）I2C总线接口器件AD/DA

所选MCU具有AD/DA功能,但是扩展AD/DA也是必不可少的,应用传统结构的AD/DA,如果需要高精度,如16位或者20位,那么AD/DA的数据线和控制线将会有很多,目前高精度的AD/DA常采用串行接口方式,如I2C,SPI等接口方式,因此在该平台选择串行AD/DA转换器,AD选择20位的CS5510,DA选择12位的TLC5618.

（7）网络接口

仪器网络化将是今后的发展趋势[2],因此在平台上扩展了网络接口,采用CP2200芯片,SiliconLaboratories公司推出的CP2200,是业界体积最小和效能最高的单芯片以太网控制器,可以提供目前应用最广泛的局域网技术.CP2200最多能将所需电路板面积减少90%,同时让系统成本和复杂性减至最少,相对于RTL8019以太网控制芯片来说,更容易将嵌入式以太网功能导入各种产品.

（8）CPLD

CPLD已经成为电子设计中必不可少的器件之一,能够提高运行速度,降低器件,具有很强的灵活性,对于机械电子专业研究生是必须掌握的内容之一.

（9）扩展接口

该平台除了用于研究生学习外,另一个重要任务是帮助研究生进行课题的研究.为了不同课题的开展,所用功能也不相同,因此必须留有扩展接口,方便研究生进行扩展.

通过该平台,研究生能够实现电子产品的完整开发,从程序编写、下载直至调试等完整的步骤,对于电子产品来说程序是灵魂,研究生可以把更多的时间放在程序编写和算法研究上面.

3结束语

整个平台采用模块化设计结构,其优点有：

（1）满足不同课程所需实验的要求；

（2）适应学生学习进度；

（3）通过模块组合,激发学生的创新意识；

（4）可作为今后课题的部分硬件平台；

（5）耗资少,成本低.