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導(dǎo)語：在硬件系統(tǒng)設(shè)計論文的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
從嵌入式處理器來看，從最初的4位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的8位單片機(jī)、到日益受到廣泛青睞的32位MCU，以及更高性能的64位嵌入式處理器，目前具有嵌入式功能特點的處理器已逾千種，數(shù)十種常用的體系架構(gòu)。廣闊的市場應(yīng)用前景吸引了大量的半導(dǎo)體公司參與競爭，其中從ASIC、MCU、DSP到FPGA以及因為結(jié)合了MCU和DSP優(yōu)勢而近年來異軍突起的匯聚式處理器，處理器速度越來越快、性能越來越強(qiáng)，而功耗和價格卻越來越低。目前。豐富的嵌入式處理器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到從國防、工業(yè)、汽車到醫(yī)療設(shè)備和消費電子等幾乎所有的行業(yè)和領(lǐng)域。
匯聚式處理器解決嵌入式設(shè)計技術(shù)挑戰(zhàn)
盡管嵌入式設(shè)計經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在核心處理器硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)和開發(fā)工具上已經(jīng)有廣泛的選擇，然而隨著市場競爭加劇、系統(tǒng)日益復(fù)雜化，目標(biāo)應(yīng)用對系統(tǒng)的功能、性能、成本的要求也日趨苛刻。工程師所面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)似乎并沒有隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展降低，甚至日益增高，工程師在進(jìn)行方案選擇時必須正確評估應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)。
處理能力要求越來越高。系統(tǒng)本身的復(fù)雜功能、友好的界面設(shè)計要求、各種接口和通信需求都需要占用大量的MIPS處理能力，單一的傳統(tǒng)MCU或ASIC很多時候難以滿足系統(tǒng)高處理能力的需求，雙芯片甚至三芯片解決方案日益增多，但隨之而來的高設(shè)計復(fù)雜性、功耗和BOM(材料清單)成本讓方案缺乏競爭性。此外，當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，特別是一些新產(chǎn)品和功能復(fù)雜的嵌入式產(chǎn)品設(shè)計，要在設(shè)計周期很有限的條件下完全從零開始實現(xiàn)設(shè)計已經(jīng)變得不現(xiàn)實，也不具成本效益。因此，是否能提供完善的開發(fā)工具套件、必要的軟件模塊、成熟的參考設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計支持，以及是否有完整的設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)等，對于是否能按期高質(zhì)量地完成系統(tǒng)設(shè)計非常關(guān)鍵。
標(biāo)準(zhǔn)的多樣性和不確定性帶來產(chǎn)品升級換代的顧慮。當(dāng)前在各個行業(yè)都面臨一些創(chuàng)新型應(yīng)用，例如智能電表和智能視頻監(jiān)控等，這些應(yīng)用都具有一定開創(chuàng)性，目前沒有或尚未形成行業(yè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如何在保證搶占市場窗口期的先機(jī)，同時確保當(dāng)前的設(shè)計滿足未來變化的市場和技術(shù)需求，必須考慮方案的可擴(kuò)展性和性能裕量。
低功耗的要求日益苛刻。處理器性能要求越來越高，而系統(tǒng)功耗要求越來越低，這幾乎形成一對矛盾。然而，實際設(shè)計過程中，工程師不得不面對這種近乎矛盾的需求。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)、嵌入式處理器架構(gòu)優(yōu)化以及設(shè)計技術(shù)的改進(jìn)，低功耗設(shè)計技術(shù)日新月異，電壓、工作頻率自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)、多工作模式的節(jié)能技術(shù)、數(shù)字電源管理技術(shù)，以及低功耗的最新半導(dǎo)體工藝技術(shù)應(yīng)用層出不窮。在眾多方案中選擇滿足設(shè)計功率預(yù)算要求的系統(tǒng)方案也是系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵因素之一。
選擇具有廣泛嵌入式系統(tǒng)支持能力的解決方案非常重要。目前可用的嵌入式操作系統(tǒng)眾多，各具優(yōu)勢，硬件平臺方案對這些操作系統(tǒng)的支持能力是進(jìn)行方案選型的考慮要點之一。
以Mcu或AsIc為核心器件的硬件平臺方案在解決上述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計要求上正面臨挑戰(zhàn)，有限的處理能力通常難以滿足很多應(yīng)用的高處理能力需求，或者缺乏進(jìn)行功能擴(kuò)展和產(chǎn)品升級換代的設(shè)計靈活性，某些設(shè)計為了滿足系統(tǒng)的處理能力要求而增加DsP或協(xié)處理器，從而增加系統(tǒng)的復(fù)雜性、功耗和成本。
結(jié)合MCU和DsP性能優(yōu)勢的匯聚式處理器是有效解決上述設(shè)計挑戰(zhàn)的方案之一，而ADI公司Blackfin處理器是目前市面上唯一的匯聚式處理器產(chǎn)品。匯聚式處理器典型應(yīng)用有電力應(yīng)用的智能電表，安防應(yīng)用的視頻監(jiān)控，醫(yī)療設(shè)備的便攜式房顫監(jiān)測儀，工業(yè)應(yīng)用的3DLevelScanner三維曲面測量儀等。預(yù)覽全文，請訪問本刊網(wǎng)。
科學(xué)大師是引用出來的
在一次期刊培訓(xùn)會上，我國一位期刊研究專家語出驚人：“科學(xué)大師不是評出來的，而是引用出來的。”例如達(dá)爾文的相對論、牛頓三大定律的引用率都屬最高級。但目前，我國科技論文的引用量和引用率偏少，這不僅不利于眾多科研成果傳播，也不利于科研新人的顯現(xiàn)，因此，應(yīng)該鼓勵科研人員在學(xué)術(shù)論文中多引用文章和著作。
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基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計
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基于Cortex—A9的智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)
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基于Cortex—M3的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
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關(guān)鍵詞：Proteus軟件，嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計仿真，聯(lián)合仿真
1、引言
隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在通信、多媒體、工業(yè)控制、信息家電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。按照傳統(tǒng)的模式，在整個項目開發(fā)程中，先根據(jù)要求設(shè)計原理圖，搭好硬件電路和編寫程序，通過仿真器對系統(tǒng)硬件和軟件調(diào)試, 最后將調(diào)試成功的程序固化到單片機(jī)中。由于硬件眾多可能出現(xiàn)各種故障，整個過程要花費大量的時間與精力。如果采用 Proteus 軟件進(jìn)行系統(tǒng)虛擬開發(fā)和仿真，可大大降低開發(fā)成本并提高開發(fā)速度。
2、proteus軟件的體系結(jié)構(gòu)
Proteus是目前世界上最先進(jìn)最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺。它是由英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件。Proteus除了能實現(xiàn)模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)電路仿真等功能外，最重要的特點是它能夠把用戶編寫的應(yīng)用軟件作用在微處理器上并和連接在該處理器的外圍模擬器件及數(shù)字器件協(xié)同仿真，就像在真正的嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺上執(zhí)行目標(biāo)代碼。還可以直接實時動態(tài)地模擬按鍵、鍵盤的輸入，LED、液晶顯示的輸出，同時配合虛擬工具如示波器、邏輯分析儀等進(jìn)行相應(yīng)的測量和觀測。
Proteus軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。Proteus PCB Design主要用于PCB設(shè)計，如自動或人工布線及其硬件電路仿真等。
圖1 Proteus體系結(jié)構(gòu)
Proteus VSM主要實現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及數(shù)/模混合電路的設(shè)計與仿真，特別是能實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和仿真。它的核心是ProSPICE，這是一個組合了SPICE3F5模擬仿真器核和基于快速事件驅(qū)動的數(shù)字仿真器的混合仿真系統(tǒng)，SPICE內(nèi)核使用眾多制造商提供的SPICE模型。PROTEUS VSM包含大量的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字信號圖形發(fā)生器、時鐘計數(shù)器、虛擬終端，以及簡單的電壓計、電流計。仿真過程中，可以用鼠標(biāo)點擊開關(guān)、按鍵、電位計、可調(diào)電阻等動態(tài)外設(shè)模型，使嵌入式系統(tǒng)根據(jù)輸入信號做出相應(yīng)的響應(yīng)，并將響應(yīng)處理結(jié)果實時地顯示在LED、LCD的動態(tài)顯示器件上，實現(xiàn)了實時交互式仿真。整個過程與真實的軟件、硬件調(diào)試過程相似。
3、Proteus設(shè)計和仿真嵌入式系統(tǒng)流程
3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計流程
嵌入式系統(tǒng)是一個軟硬件緊密結(jié)合的系統(tǒng)，首先要進(jìn)行硬件系統(tǒng)的原理圖設(shè)計，這是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。只有在設(shè)計好硬件系統(tǒng)的原理圖的基礎(chǔ)上才可以進(jìn)行仿真。硬件系統(tǒng)在Proteus中的設(shè)計流程如下：：
1) 創(chuàng)建設(shè)計文檔和設(shè)置工作環(huán)境。在進(jìn)行硬件系統(tǒng)的設(shè)計前，首先根據(jù)嵌入式系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能構(gòu)思好其硬件系統(tǒng)原理圖，即必須知道所設(shè)計嵌入式系統(tǒng)需要哪些電路、元器件來完成。工作環(huán)境采用默認(rèn)的，也可以根據(jù)實際硬件系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度來設(shè)置圖紙的大小及注釋的風(fēng)格等。在硬件系統(tǒng)電路圖設(shè)計的整個過程中，圖紙的大小可以不斷地調(diào)整。設(shè)置合適的圖紙大小是完成原理圖設(shè)計的第一步。
2) 提取和放置元器件。根據(jù)構(gòu)思好的硬件系統(tǒng)電路圖從元器件庫選取相應(yīng)的元器件放到圖紙適當(dāng)位置，并對元器件的名稱、標(biāo)注進(jìn)行設(shè)定，再根據(jù)元器件之間的走線等聯(lián)系對元器件在工作平面上的位置進(jìn)行調(diào)整和修改，使得硬件系統(tǒng)電路原理圖美觀、易懂。
3)元器件間的連線。根據(jù)實際電路的需要，利用 Proteus 的各種工具進(jìn)行布線, 用導(dǎo)線把元器件連接起來。構(gòu)成一幅完整的硬件系統(tǒng)電路圖。
完成上述步驟后, 就構(gòu)成一幅完整的嵌入式系統(tǒng)硬件電路圖。如果要完成印制電路板還要還要進(jìn)行以下步驟。
4)建立網(wǎng)絡(luò)表。網(wǎng)格是設(shè)計中有電氣性連接的電路。
5)對硬件系統(tǒng)原理圖進(jìn)行電氣規(guī)則檢查。當(dāng)完成布線后，利用Proteus ISIS編輯環(huán)境所提供的電氣規(guī)則檢查命令對設(shè)計進(jìn)行檢查，并根據(jù)系統(tǒng)提供的錯誤檢查報告修改硬件系統(tǒng)原理圖。
6)調(diào)整。如果硬件系統(tǒng)原理圖已經(jīng)通過電氣規(guī)則檢驗，那么硬件系統(tǒng)的設(shè)計就完成了，但是對于一般硬件電路設(shè)計而言，尤其是較復(fù)雜的硬件系統(tǒng)，通常需要對其電路多次修改才能通過電氣規(guī)則檢測。論文參考網(wǎng)。
7)存盤和輸出報表。Proteus ISIS提供了多種報表輸出格式，同時可以對設(shè)計好的硬件系統(tǒng)原理圖和報表進(jìn)行存盤和輸出報表。
3.2、軟件系統(tǒng)設(shè)計
軟件系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂。論文參考網(wǎng)。在Proteus中完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計后，要根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行程序設(shè)計。論文參考網(wǎng)。在編制和輸入的源程序代碼時，Proteus 提供了一個簡明的源程序文本編輯器 SRCEDIT。它本質(zhì)上是 NOTPAD的改進(jìn)版本，可以打開多個源文件。如果要使用像UltraEdit的第三方源程序編輯器，方法是：首先選擇菜單的Source→SetupExternal TextEditor，彈出Source Code EditorConfiguration對話框，其次單擊對話框中的 Browse按鈕，并選擇文本編輯器的可執(zhí)行文件。此時在Executable中顯示文件路徑，最后單擊 OK按鈕。
源程序設(shè)計完成后，必須生成目標(biāo)代碼。Proteus 提供些代碼生成工具。 如果要使用第三方代碼生成工具，要進(jìn)行注冊，方法是：首先要大開菜單欄Source→DefineCode GenerationTools，彈出Add /Remove Code GenerationTools對話框， 再單擊New按鈕，出現(xiàn)Code GenerationTools對話框，選擇工具可執(zhí)行文件，單擊“打開“按鈕，即可將代碼生成工具添到Add /Remove CodeGeneration Tools對話框中Tool下拉列表中。并在SourceExtn、Obj.Extn文本中，分別加入源程序文件和目標(biāo)代碼文件的擴(kuò)展名，如分別寫入ASM、HEX。在Command Line中輸入編譯器的路徑，%1代表源文件，%2代表目標(biāo)文件。最后為列表文件設(shè)置擴(kuò)展名，并指定調(diào)試數(shù)據(jù)提取路徑。
3.3、系統(tǒng)仿真
對所編寫的程序進(jìn)行編譯、鏈接，通過后可以進(jìn)行系統(tǒng)仿真。首先在硬件系統(tǒng)原理圖中選擇微處理器，單擊左鍵彈出編輯元器件對話框，在元器件屬性Program File中添加目標(biāo)代碼文件。在Clock Frequency中設(shè)置晶振頻率。點仿真運行按鈕，Proteus開始運行仿真過程。圖2就是在Proteus中設(shè)計和仿真的計算器?？梢杂檬髽?biāo)在計算器面板上操作，LCD顯示結(jié)果，實現(xiàn)了實時交互式仿真。
圖2 設(shè)計和仿真計算器圖
4、Proteus和Keil的聯(lián)合仿真
uVision是德國Keil公司的開發(fā)軟件工具。它支持眾多與此同時8051兼容的 8位單片機(jī)。內(nèi)部集成C編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器和軟件仿真等基本組件，其界面提供了功能強(qiáng)大的編輯和瀏覽，非常方便的進(jìn)行快速開發(fā)。它的用戶比較多，相關(guān)資料也很豐富，而且用C語言開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用軟件也是今后的一種發(fā)展趨勢。因此結(jié)合Proteus和uVis ion進(jìn)行聯(lián)合仿真也十分必要。
由于Keil與Proteus之間通信是通過TCP /IP進(jìn)行的，因此要確保你的計算機(jī)安裝了TCP /IP協(xié)議，否則要安裝此協(xié)議。KEIL和Proteus可以在同一臺計算機(jī)上，也可以分別在兩臺計算機(jī)上。Proteus幫助文檔通過實例說明其方法，下面給出連接步驟：
1) 把Proteus 的MODEL子目錄下的VDM51.DLL復(fù)制到Keil安裝目錄下的 BIN 子目錄里。
2) 用文本編輯器打開 KEIL 安裝目錄下的TOOLS.INI, 并在[C51]下添加 TDRV3=BINVDM51.DLL(“proteus VSM Monitor- 51Driver“)，保存。
3) 在Proteus的debug菜單中選中use remote debug monitor。
4) 打開 uVis ion, 進(jìn)入到 PROJECT的 OPTION FOR TARGET“ 工程名” ，在彈出的對話框選擇 DEBUG 選項卡,選中Use單選按鈕, 并且在下三角按鈕選擇 Proteus VSM Monitor-51Driver。
5) 單擊Setting 按鈕，彈出對話框如果Keil和Proteus在同一臺計算機(jī)上，不要改動設(shè)置，直接單擊 OK按鈕。如不在同一臺計算機(jī)，則 HOST中填寫另一臺計算機(jī)的IP地址，端口號不變。
完成上面的設(shè)置后, 就可以聯(lián)合仿真。
5、結(jié)束語
Proteus為嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)者培養(yǎng)研發(fā)能力和從事電路設(shè)計及嵌入式系統(tǒng)的工程師提高開發(fā)效率提供了一個平臺。應(yīng)用Proteus軟件設(shè)計和仿真嵌入式系統(tǒng)，這對于提高產(chǎn)品的開發(fā)效率、 降低開發(fā)成本等有著非常重要的作用。也為嵌入式系統(tǒng)實踐教學(xué)和建立虛擬實驗室提供了新方法。
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但以技能培養(yǎng)為主的技工院校，往往沒有開設(shè)這一教學(xué)環(huán)節(jié)。雖然有技能鑒定環(huán)節(jié)，對學(xué)生的理論知識水平和實操技能進(jìn)行較為全面的考核，但學(xué)生往往缺乏“系統(tǒng)”的觀念，看到的只是一個個單獨的個體（科目），未能將這些科目串成一個“專業(yè)”。另外，技校生的寫作能力很差，特別是對于專業(yè)論文，更是毫無概念。因此，筆者經(jīng)過幾個學(xué)期的實踐、試點，認(rèn)為在高技及以上層次班級開展畢業(yè)設(shè)計是必要的、可行的，具有重大的現(xiàn)實意義。
一、畢業(yè)設(shè)計的意義
1.高技及以上層次班級可開展畢業(yè)設(shè)計
依據(jù)“全國技工院校專業(yè)目錄”，中技層次班級往往為三年制教育，并且最后一年為校外定崗實習(xí)。他們所學(xué)的知識、技能、綜合素質(zhì)等往往不足以開展畢業(yè)設(shè)計。而高技及以上層次學(xué)生比中技層次學(xué)生在技能上、特別是專業(yè)知識技能上，更能適應(yīng)畢業(yè)設(shè)計的要求。對初中起點高技班而言，學(xué)生臨近畢業(yè)前期，已經(jīng)歷了三四年的理論學(xué)習(xí)、技能培養(yǎng)，能較深入地理解所學(xué)專業(yè)，掌握更堅實的技能水平。對于高中起點的學(xué)生，開展畢業(yè)設(shè)計的意義就更加必要。據(jù)筆者了解，高中畢業(yè)起點學(xué)生，更愿意當(dāng)自己是“大學(xué)生”，愿意被當(dāng)做是“大學(xué)生”。而對工科生而言，畢業(yè)設(shè)計是必需的。
2.有利于綜合應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容
開展畢業(yè)設(shè)計能將所學(xué)的分散的課程整合在一起，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)他們樹立起“系統(tǒng)”的觀念。技校學(xué)生往往能很好地完成單一的任務(wù)，但若要將多個單一的任務(wù)整合成一個較為復(fù)雜的大任務(wù)（或“工程”），往往是他們的“軟肋”。因此，透過畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力是十分有意義的。同時，畢業(yè)設(shè)計也是檢驗教學(xué)效果的一種有效方法。
3.有利于培養(yǎng)信息檢索能力
技校學(xué)生大多不懂得“檢索”一詞的含義，更不會自覺、主動地開展信息檢索和信息處理。他們往往是被動地接收。筆者曾給學(xué)生某個主題，要求他們?nèi)ニ阉髻Y料，最后合成一份報告。一開始，學(xué)生們不以為然，認(rèn)為“百度一下”而已嘛。但結(jié)果是令人失望的，他們未能很好完成檢索工作。因此，開設(shè)畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)、引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)有效的信息檢索，并能對信息進(jìn)行處理，取其精華，去其糟粕。檢索能力的培養(yǎng)和鍛煉，筆者認(rèn)為無論對誰都是必需的、有意義的。
4.有利于學(xué)習(xí)論文寫作
筆者在參加維修電工技師、高級技師培訓(xùn)班的論文輔導(dǎo)時，深感基本寫作能力的重要性。在筆者輔導(dǎo)的學(xué)員中，有不少技能很好，但一提筆就頭疼，甚至連一個完整的句子都表達(dá)不出來。另外，在工作崗位上，特別是在專業(yè)技術(shù)崗位上，論文撰寫是必不可少的。它是一種合理的、準(zhǔn)確的總結(jié)與表達(dá)，是一種有效的溝通、交流方式。對即將踏入社會的學(xué)生而言，指導(dǎo)他們認(rèn)識什么是論文，并初步撰寫簡單的畢業(yè)論文，無疑是十分有意義的。
二、畢業(yè)設(shè)計的開展
1.合理選題，全程指導(dǎo)
老師擬定若干課題，學(xué)生根據(jù)實際情況選定?？紤]到學(xué)生尚無自主選題能力，課題的設(shè)計必須由老師完成。老師必須結(jié)合學(xué)校實際情況（包括硬件、課程開設(shè)、專業(yè)特點等實際情況）和學(xué)生的實際知識水平、技能水平，有針對性地設(shè)計一些綜合性課題。這些課題，不能是憑空設(shè)想的，必須是實際工程項目的一部分（可以是適當(dāng)簡化的）。只有實打?qū)嵉?、貼近生活的課題，才符合技校特點，才能讓學(xué)生感受到實際場景。
筆者學(xué)校設(shè)計了如下幾個課題：全自動化洗衣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計；自動售貨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計；多路搶答器設(shè)計；多功能電子時鐘設(shè)計；基于PWM的直接電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計；5層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計。每個課題都能結(jié)合學(xué)校實訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行實地實物制作與調(diào)試，作為畢業(yè)成果。
老師還必須結(jié)合學(xué)生實際情況，指導(dǎo)其合理選題，避免中途出現(xiàn)課題太難或太簡單的情形，保證學(xué)生能在有效時間內(nèi)完成相應(yīng)要求。同時指導(dǎo)教師必須全程跟蹤、指導(dǎo)學(xué)生，特別是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何檢索資料、如何進(jìn)行信息整合、如何尋求問題突破口。一句話，老師必須更加重視“過程”，而非“結(jié)果”。因為熟悉設(shè)計流程、學(xué)習(xí)信息檢索就是畢業(yè)設(shè)計的一大目的。
2.制訂計劃，遵照執(zhí)行
學(xué)生選題后，指導(dǎo)教師必須十分重視學(xué)生進(jìn)度計劃的制訂。這一方面讓學(xué)生體會到計劃對開展工作的必要性和好處，另外一方面也是對學(xué)生的一種約束與鞭策。
老師必須重視指導(dǎo)學(xué)生開展計劃的制訂，合理分配時間段。計劃制定后，必須由老師簽名、學(xué)生本人簽名確認(rèn)，并定期開展驗收工作。這樣可以及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，并及時解決，也能很好地避免學(xué)生惰性發(fā)作。
3.逐個擊破，樹立信心
課題要求階梯式，每個課題分若干步驟完成，比如首先是基礎(chǔ)功能（要求），接著是相互獨立的提高要求。學(xué)生猶如搭積木似的開展畢業(yè)設(shè)計，逐個擊破，而不要求系統(tǒng)地一次性完成整個設(shè)計要求。這樣的好處是明顯的，學(xué)生完成基本要求后，對后續(xù)提高要求的破解就更有信心。
筆者一開始開展畢業(yè)設(shè)計，一次性就將設(shè)計要求給出，最后發(fā)現(xiàn)效果很差。這再次驗證了技校學(xué)生缺乏系統(tǒng)意識，無法全盤考慮問題、解決問題。之后，筆者將所有課題設(shè)計成“積木式”，每個學(xué)生都必須完成最基本的“拼裝”（基本要求），之后逐個完成提高要求。其實這也是一種很重要的編程思想——模塊化。
4.撰寫論文，學(xué)習(xí)表達(dá)
開展畢業(yè)設(shè)計的重要一環(huán)，就是撰寫畢業(yè)論文，對課題完成情況進(jìn)行合理、準(zhǔn)確、規(guī)范的表達(dá)。其目的不在于論文本身，而在指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到什么是論文，讓學(xué)生明白有效地開展信息檢索是有好處的，這對以后的工作是非常有幫助的。
在這一過程中，指導(dǎo)老師必須介紹論文的意義、論文的結(jié)構(gòu)框架、撰寫要求、技巧等，還必須給出范文供學(xué)生參考。另外，諸如字體、排版等基本要求，也是學(xué)生往往不重視的部分，他們往往認(rèn)為，這是小事。對此，指導(dǎo)老師必須嚴(yán)格要求學(xué)生重視細(xì)節(jié)，讓他們明白細(xì)節(jié)決定成敗。
指導(dǎo)老師還應(yīng)充分認(rèn)識到學(xué)生表達(dá)能力差、不善于開展信息檢索等問題，并全程引導(dǎo)、幫助學(xué)生開展信息檢索，比如如何設(shè)定檢索關(guān)鍵詞，以更快獲取期望的信息。同時，還必須指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何對檢索到的原始素材進(jìn)行有效的取舍、組織、消化，最終形成對學(xué)生有意義的資料?？傊?，指導(dǎo)學(xué)生撰寫論文往往比指導(dǎo)課題設(shè)計更難，需要花費更多的精力和耐心，但對提高學(xué)生的能力而言是毋庸置疑的。
三、小結(jié)
結(jié)合筆者近年來的教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為高技及以上層次（特別是兼修大?；虮究疲┑膶W(xué)生開展畢業(yè)設(shè)計對全面考核教育、教學(xué)質(zhì)量，切實提高學(xué)生綜合能力，特別是設(shè)計能力、信息檢索能力、論文寫作能力，具有十分有益的作用，可以為其走向工作崗位奠定良好的學(xué)業(yè)基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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[2]人力資源與社會保障部.全國技工院校專業(yè)目錄（2013年修訂）[Z].北京：中國勞動社會保障出版社，2013.
（作者單位：廣東省粵東高級技工學(xué)校）
關(guān)鍵詞：畢業(yè)設(shè)計；團(tuán)隊合作模式；畢業(yè)設(shè)計改革
中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0161-02
近年來，在高校不斷擴(kuò)招，就業(yè)形勢日益嚴(yán)峻的背景下，使得學(xué)生壓力倍增，紛紛把考取研究生和找一個理想的工作作為頭等大事，忽略了實踐環(huán)節(jié)對于專業(yè)學(xué)習(xí)的重要性，這一矛盾對于通常安排在第八學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計而言顯得更加突出。在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，有些學(xué)生應(yīng)用人單位要求提前到崗實習(xí)。然而到了工作崗位上，既要盡快熟悉新的工作環(huán)境，又要努力做好手頭的工作，在相當(dāng)短的時間內(nèi)完成從學(xué)生角色到員工角色的轉(zhuǎn)變，開始一種全新的生活，對不少學(xué)生來說在其心理上和生理上都是一個很大的挑戰(zhàn)，很難再有精力去做好畢業(yè)設(shè)計。更有甚者，部分學(xué)生頂崗實習(xí)后，由于專業(yè)不對口，工作環(huán)境根本不具備做畢業(yè)設(shè)計的條件，尤其對于電氣工程及其自動化這種實踐性較強(qiáng)的專業(yè)而言，沒有最基本的實驗設(shè)備和實驗環(huán)境，學(xué)生無法去做畢業(yè)設(shè)計，只能馬馬虎虎，敷衍了事。[1-4]
本文針對當(dāng)前高校畢業(yè)設(shè)計（論文）環(huán)節(jié)存在的普遍問題探尋針對性的解決方案，以電氣工程及其自動化專業(yè)BG1001試點班為例，嘗試建立符合人才培養(yǎng)規(guī)律與學(xué)校定位的畢業(yè)設(shè)計（論文）模式。
一、改革方案
1.方案制訂
為了使每個學(xué)生都能在畢業(yè)設(shè)計中得到實在的鍛煉，目前，畢業(yè)設(shè)計（論文）基本實行單人單題目制度，學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）過程中獨立完成自己的工作。這種主要的模式雖然有利于培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題的能力，但在協(xié)作能力的培養(yǎng)上卻有所不足。因此，試點班BG1001電氣工程及其自動化（試點班）嘗試通過相互協(xié)作的團(tuán)隊合作模式，即2個學(xué)生相互合作、完成一個較大的綜合性題目的模式。指導(dǎo)教師選擇上盡量選擇具有一定硬件開發(fā)能力及具有較高學(xué)術(shù)造詣的教師，此次試點班指導(dǎo)教師配備了2名教授、5名副教授（高工）、2名講師。論文選題如表1所示。
團(tuán)隊合作模式的最主要特征就是個人的設(shè)計內(nèi)容與他人的相互關(guān)聯(lián)，具有下列特點和要求：
（1）題目具有一定的綜合性或合作性，能培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)新能力和合作精神。為了能夠滿足2個學(xué)生共同完成一個項目課題，選題就比較重要，需要滿足2個學(xué)生的工作量，又能彼此分工。本次選題要求能夠完成實物，并在正式答辯時能夠進(jìn)行實物展示。
（2）題目來源多樣化、自由化。指導(dǎo)教師可以根據(jù)專業(yè)內(nèi)容或自己的科研課題命題，也可結(jié)合學(xué)生的想法和思路與學(xué)生商議共同命題。例如：基于ARM的四軸飛行器姿態(tài)控制研究項目有學(xué)生自己提出。本次選題類型有硬件設(shè)計、PLC控制、基于單片機(jī)的開發(fā)、基于ARM的開發(fā)、基于DSP的開發(fā)、仿真設(shè)計等。
（3）團(tuán)隊合作模式可以有三種方式：同一項目分工，可以一個硬件設(shè)計、一個軟件開發(fā)。例如：超低功耗無線車位探測控制系統(tǒng)設(shè)計研究、光伏最大功率跟蹤電路設(shè)計等項目就是采取該模式。同一項目可以不同方案實現(xiàn)。該方案在本次畢業(yè)設(shè)計中沒有團(tuán)隊采用。同一項目，可以一個通過軟件仿真實現(xiàn)、另一個完成實物開發(fā)。
（4）要求教師對合作的兩個學(xué)生同時進(jìn)行指導(dǎo)。除了按照統(tǒng)一的畢業(yè)設(shè)計（論文）管理規(guī)范給予指導(dǎo)外，還要針對相關(guān)聯(lián)和合作的內(nèi)容，組織相關(guān)學(xué)生共同分析、探討題目完成中遇到的問題等。
團(tuán)隊合作模式的優(yōu)點是：每個學(xué)生不僅在各自的研究內(nèi)容中得到科學(xué)研究方式方法的培養(yǎng)和訓(xùn)練，且能從相互間的配合和協(xié)作，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)精神，為今后從事科學(xué)研究打下一定的基礎(chǔ)。[5]
二、畢設(shè)執(zhí)行情況
對于試點班的畢設(shè)執(zhí)行情況，跟其他班的采取措施一致，同時進(jìn)行。BG1001學(xué)生人數(shù)為43人，學(xué)生按照簽約單位要求，在簽約單位實習(xí)學(xué)生人數(shù)為29人。畢業(yè)實習(xí)單位主要有上海三菱電梯有限公司、上海阿爾斯通交通設(shè)備有限公司、上海振華港機(jī)重工有限公司中國電子科技集團(tuán)公司第21研究所等17家單位。因此該班也存在著提前到崗的情況，給畢設(shè)工作的開展帶來不少的困難。
1.開題報告
2014年3月7日，電氣工程及其自動化專業(yè)舉行了2014屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題答辯，電氣系共有149位本科畢業(yè)生，系部組織了6個答辯小組。試點班的學(xué)生答辯時分配到各個小組，同一課題的學(xué)生分到同一組。由于試點班的學(xué)生是2個人一個題目，答辯時，可以兩個人一起進(jìn)行答辯。這樣方便參加答辯的老師整體上把握學(xué)生的研究內(nèi)容、工作量，及時指出不足。答辯老師肯定了試點班學(xué)生按新方式進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計。認(rèn)為學(xué)生的分工比較明確，題目選取上也有一定的工作量和難度，適合學(xué)生開展此課題。開展畢設(shè)過程中，能把該專業(yè)學(xué)過的電路、電子技術(shù)、嵌入式開發(fā)語言等靈活運用，達(dá)到了開展畢設(shè)的目的。但同時，但也指出了一些同學(xué)的不足。
試點班具體情況匯總?cè)缦拢河械漠厴I(yè)設(shè)計（論文）研究目的、內(nèi)容不明確以及課題范圍太廣，需要補學(xué)的東西較多，論文工作量偏大。例如基于ARM的四軸飛行器姿態(tài)控制研究，該課題涉及無線遙控、通訊，四個電機(jī)的驅(qū)動，飛行姿態(tài)的控制，工作量比較大，尤其是飛行姿態(tài)的控制涉及到空氣動力學(xué)的知識，而電氣工程及其自動化專業(yè)沒有學(xué)過這方面的課程，因此需要補學(xué)得知識就比較多，學(xué)生完成該設(shè)計的難度也會比較大。有的畢業(yè)設(shè)計（論文）研究內(nèi)容稍簡單，難度偏低，工作量偏小，應(yīng)增加其量程及控制功能。例如“基于單片機(jī)的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)設(shè)計”，該題目主要是完成電壓-電流轉(zhuǎn)換，這個主要是運用運放及其反饋知識，相對來說比較簡單，但是如果能增加其量程的選擇、能夠有效的控制切換并進(jìn)行良好的顯示，也能符合畢設(shè)的要求?！耙环N新型非接觸式鋼軌裂紋檢測系統(tǒng)”該題目需增加其巡檢功能，檢測系統(tǒng)不僅能在固定的位置檢測出裂紋，而且在移動中也能正常工作。
2.中期檢查
為保證畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量，加強(qiáng)對畢業(yè)設(shè)計過程環(huán)節(jié)的監(jiān)控，切實做好畢業(yè)設(shè)計工作，2014年4月18日，電氣系舉行了2014屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查答辯，要求每一位畢業(yè)生進(jìn)行PPT匯報答辯，并檢查了畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書、畢業(yè)設(shè)計課題的進(jìn)度、畢業(yè)設(shè)計（論文）教師指導(dǎo)記錄本、中期檢查報告等。電氣系中期答辯的分組跟開題報告答辯時一致，這樣參加答辯教師對學(xué)生所做的東西比較熟悉，能夠?qū)W(xué)生現(xiàn)階段的成果進(jìn)行點評和指導(dǎo)。
經(jīng)過答辯學(xué)生的宣講、答辯組老師的詢問和學(xué)生所交材料的檢查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計還存在著一些問題。試點班總共不通過人數(shù)為7人，具體情況見表2。其中4人是缺席了中期檢查，三人應(yīng)論文存在問題比較多，進(jìn)度嚴(yán)重滯后而沒有通過答辯。缺席4人次也說明這個班的部分學(xué)生對待畢設(shè)的態(tài)度也不是很積極。
存在問題：部分同學(xué)對畢業(yè)設(shè)計不夠重視，投入精力較少，在中期檢查中發(fā)現(xiàn)他們對研究內(nèi)容尚不清楚，對畢業(yè)設(shè)計（論文）的要求理解不透徹，課題研究還處于起步階段，沒有真正突出重點。例如：光伏最大功率跟蹤電路設(shè)計論文，該論文沒有實際開展，對文獻(xiàn)綜述也比較簡單，對里面的重點技術(shù)MPPT也不是太了解，論文中期報告也沒有按照學(xué)校要求的格式撰寫。部分學(xué)生收集、整理、分析信息、資料的能力欠缺，畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容稍單薄，數(shù)據(jù)運算、分析、處理能力不夠，圖紙規(guī)范化程度低，設(shè)計實驗線路和搭建實驗裝置、實驗數(shù)據(jù)的處理（圖表，曲線）、實驗結(jié)果與討論能力稍欠缺。
3.全院畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯
2014年5月27日、30日、31日，電氣學(xué)院舉行了2014屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯，要求每一位畢業(yè)生進(jìn)行PPT匯報答辯，并檢查了畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書、畢業(yè)設(shè)計（論文）等。具體情況匯總?cè)缦拢罕緦霉灿?94位本科畢業(yè)生，學(xué)院組織了18個答辯小組，共有391位同學(xué)參加了答辯。其中3位同學(xué)（其中一位海外留學(xué)生）因為畢業(yè)設(shè)計（論文）沒有完成，故沒有參加答辯。經(jīng)過答辯學(xué)生的宣講、答辯組老師的詢問和學(xué)生所交材料的檢查，答辯組老師認(rèn)為大多數(shù)同學(xué)能在規(guī)定的時間內(nèi)完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)陳述、基本上能圍繞主題展開，概念基本清楚。試點班學(xué)生基本按照預(yù)先的要求完成了實物，14個作品進(jìn)行了展示。
在參加首次答辯的391位同學(xué)中，最后經(jīng)過答辯組專家的一致推薦有38位同學(xué)（其中試點班學(xué)生9名）的畢業(yè)設(shè)計被評為電氣學(xué)院優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計，試點班學(xué)生約占23.7%。經(jīng)過電氣學(xué)院學(xué)術(shù)委員會的選優(yōu)答辯、討論研究，最終推薦8位同學(xué)（其中試點班學(xué)生2名，約占25%）參加學(xué)校的公開答辯，最終試點班學(xué)生一名獲得三等獎，一名獲得優(yōu)秀獎。
三、結(jié)論
本次BG1001電氣工程及其自動化（試點班）畢業(yè)設(shè)計，對畢設(shè)模式進(jìn)行了一些嘗試，采取了團(tuán)隊合作模式，即2個學(xué)生相互合作、完成一個較大的綜合性題目的模式；另外選題上主要是以實物開發(fā)為主；指導(dǎo)教師選擇上盡量選擇具有一定硬件開發(fā)能力的教師；且要求畢設(shè)答辯時需遞交實物進(jìn)行展示。試點班畢業(yè)設(shè)計改革表明，盡管有67%學(xué)生畢設(shè)期間一直在企業(yè)實習(xí)，但畢設(shè)質(zhì)量還是有明顯改善，試點班的學(xué)生占電氣學(xué)院的優(yōu)秀率為23.7%，校級優(yōu)秀占25%。
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關(guān)鍵詞:單片機(jī)系統(tǒng);綜合實踐課程;實踐教學(xué)
abstract: single-chip system design is a practical application and have a strong curriculum. in order to fully stimulate the creativity of students so that students are familiar with single-chip application system and development process, to master the single-chip design and development of the principle, we created an integrated single-chip system design practice courses. this article describes the practice of integrated curriculum implementation plan, gives a typical example of the design. after several years of teaching practice, this course has been a good teaching results.
key words: single-chip system; the practice of integrated curriculum; teaching practice
1 前言
單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計是一門實踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計實驗教學(xué),具有:①實驗應(yīng)用機(jī)會少;②缺乏具體的實驗教學(xué)內(nèi)容和完善的考試、考核方法;③驗證性多,創(chuàng)新性少;④實驗教學(xué)內(nèi)容與實踐應(yīng)用脫節(jié)的弊端[1]。這樣的教學(xué)模式和方法,很難讓學(xué)生完全掌握單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的基本原理和開發(fā)方法,更不用說培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此,為了培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生具備獨立設(shè)計簡單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、編寫系統(tǒng)控制程序的能力和技能,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力,我校在學(xué)生完成了《單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計》的理論課和匯編程序設(shè)計、七段數(shù)碼顯示、鍵盤掃描、ad轉(zhuǎn)換、串行通訊等實驗教學(xué)后,特開設(shè)了為期2周的綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。此教學(xué)環(huán)節(jié)讓學(xué)生完成一個單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試的完整過程,整個綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)完成后,學(xué)生對單片機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用興趣更濃了,而且具備了自行設(shè)計、開發(fā)簡單的單片機(jī)系統(tǒng)的能力。
2 任務(wù)與要求
利用偉福lab6000系列單片機(jī)仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)成簡單實用的單片機(jī)系統(tǒng),要求如下:
(1)充分應(yīng)用mcs-51系列微處理器和偉福lab6000系列單片機(jī)仿真實驗系統(tǒng)所提供的硬件資源,自由選題實現(xiàn)一個簡單實用的單片機(jī)系統(tǒng)。
(2)要求具備必需的人機(jī)接口。
(3)可以選用匯編或c51語言進(jìn)行控制程序開發(fā)。
設(shè)計的系統(tǒng)性能如下:
(1)系統(tǒng)運行穩(wěn)定,具有一定的抗干擾和故障自測能力。
(2)系統(tǒng)設(shè)計安全可靠,具有出錯報警和應(yīng)急關(guān)閉能力。
(3)系統(tǒng)精度達(dá)到一般民用品的基本要求。
(4)人機(jī)接口界面友好、直觀、操作簡單。
另外,我們提供了一些選題供學(xué)生拓展思路,主要有:
(1)出租車計價器。
(2)溫度控制系統(tǒng)。
(3)可編程交通燈系統(tǒng)。
(4)pwm電機(jī)調(diào)
速系統(tǒng)。
(5)數(shù)字溫度計。
(6)數(shù)字頻率計。
3 設(shè)計范例
3.1 pwm電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
pwm電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示,系統(tǒng)包含電機(jī)驅(qū)動電路和測速電路,兩者構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動采用脈寬pwm調(diào)壓電路,測速電路的核心部件是霍爾元件。
圖1 pwm直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖[2]
霍爾元件是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化,可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。在外磁場的作用下,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過霍爾元件導(dǎo)通閾值bop時,霍爾元件輸出管導(dǎo)通,輸出低電平。若外加磁場的b值降低到brp時,輸出管截止,輸出高電平。在直流電機(jī)的轉(zhuǎn)盤上粘貼著一枚小磁鐵,霍爾元件安裝在轉(zhuǎn)盤附近,每當(dāng)磁鐵靠近霍爾元件時霍爾元件導(dǎo)通,輸出低電平,遠(yuǎn)離時霍爾元件截至,輸出高電平。這樣,直流電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈,霍爾元件就會輸出一個脈沖,通過這個原理能夠測出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
pwm是單片機(jī)系統(tǒng)中常用的模擬量輸出方法,通過外接的轉(zhuǎn)換電路,可以將脈沖的占空比轉(zhuǎn)化成電壓。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動電壓呈近似線形關(guān)系,改變脈沖的占空比,就可以改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2,閉環(huán)工作時,測速電路測得的轉(zhuǎn)速和給定的轉(zhuǎn)速相減獲得差值e,根據(jù)差值e運用pid增量控制算法獲得控制量,即占空比,通過mcs-51的口線輸出給定占空比的脈沖,再通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電壓來驅(qū)動直流電機(jī)。系統(tǒng)控制算法采用增量型pid控制算法,如果k時刻電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速是y(k),給定轉(zhuǎn)速是r(k),pid控制器輸入信號為e(k),輸出信號為u(k),則離散的pid遞推算法如下:
圖2 pwm直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.2 數(shù)字溫度計數(shù)字溫度計的核心電路——溫度傳感器調(diào)理電路如圖3所示,溫度傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(ntc),ntc的阻值隨著溫度的上升而非線性下降,具體溫度-阻值特性為
(4)
式中,rt 、 rt0是溫度分別為t、t0 時的電阻值;b為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的材料常數(shù)[3]。
固定電阻和ntc組成的電阻橋輸出電壓隨ntc阻值的變化而變化,這種變化經(jīng)過差動放大器的放大后送給ad轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,具體轉(zhuǎn)換遵循以下公式:
(1) 電橋輸出電壓u
(5)
(2) 差動放大器輸出電壓 u'(一般r7=r8,r9=r10)
圖3 數(shù)字溫度計原理圖[2]
一般情況下,會事先根據(jù)ntc的溫度-阻值特性計算出一張溫度-阻值對應(yīng)表。根據(jù)ad轉(zhuǎn)換的數(shù)字值逆運算獲得當(dāng)前ntc的阻值,再根據(jù)ntc的溫度特性表運用分段查表和表項間線性運算就可以獲得當(dāng)前溫度值,把當(dāng)前溫度在輸出設(shè)備(如七段數(shù)碼管、lcd)上顯示出來就構(gòu)成了完整的數(shù)字溫度計。本范例也可在其他溫度測量的系統(tǒng)中應(yīng)用。
3.3 出租車計價器
出租車計價器是一個較實用的設(shè)計范例,它的結(jié)構(gòu)如圖4。出租車計價器包含里程測量電路、實時時鐘電路和人機(jī)接口。
出租車計價器里程測量的核心部件是霍爾元件,具體電路和圖1的測速電路一樣。在輪胎的轉(zhuǎn)軸上粘貼了6個小磁鐵,輪胎轉(zhuǎn)動一圈,霍爾元件就會輸出6個脈沖,對脈沖進(jìn)行計數(shù)就可以獲得輪胎轉(zhuǎn)動的圈數(shù),圈數(shù)乘以輪胎的周長就可以獲得車輛行駛的里程數(shù)。
圖4 出租車計價器結(jié)構(gòu)框圖
一般情況下,出租車白天和晚上的里程單價并不一樣,因此需要一個實時時鐘來獲得當(dāng)前時間。ds1307是一個i2c總線的實時時鐘(rtc),在外部電池的供電下,它能提供高精度的年月日時分秒bcd碼時間。另外,它還包含56字節(jié)的非易失性sram(nv
sram),可以用來保存系統(tǒng)的設(shè)置信息。
顯示設(shè)備可以采用七段數(shù)碼管或lcd,用來顯示當(dāng)前時間、行駛里程數(shù)、里程單價、和行駛
里程價格等信息。還需要少量的按鍵或矩陣式鍵盤用于輸入里程單價、開始計價、清零、時間設(shè)置等操作。
4 實施過程
4.1 根據(jù)任務(wù)與要求進(jìn)行總體規(guī)劃與設(shè)計
這個過程包括:
⑴ 課題選擇。
⑵ 硬件模塊的選擇和設(shè)計。
⑶ 軟件整體流程的設(shè)計。
⑷ 查找各種所需資料。
綜合實踐課題題目是不是新穎,是不是能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和好奇心,直接影響學(xué)生實驗的積極性,有的學(xué)生覺得做實驗非常無聊,就是因為他們的好奇心和熱情沒有被激發(fā)起來。而集知識性、趣味性、創(chuàng)造性于一體,能應(yīng)用所學(xué)知識解決具體問題的綜合實踐課題,是本綜合實踐的最大亮點,也是本教學(xué)環(huán)節(jié)區(qū)別于其他教學(xué)環(huán)節(jié)的標(biāo)志。我們要求學(xué)生思考在實際生活中能應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)技術(shù)能解決的具體問題,并且考慮偉福lab6000系列單片機(jī)仿真實驗系統(tǒng)所能提供的硬件資源,選擇一個有自己特色、能在兩周內(nèi)獨立完成的題目,題目要求新穎,鼓勵創(chuàng)造性的思維,并且能解決實際生活中的具體問題。
受限于實驗條件,硬件設(shè)計無法完全按照單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的一般方法和標(biāo)準(zhǔn)步驟來實施。在教學(xué)過程中,我們要求學(xué)生可以根據(jù)偉福lab6000系列單片機(jī)仿真實驗系統(tǒng)所提供的硬件資源自主地完成硬件部分的理論設(shè)計,也可以不完全局限于此實驗平臺進(jìn)行理論設(shè)計。理論設(shè)計完全遵循單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的一般流程,學(xué)生自己查閱資料,設(shè)計硬件電路圖。指導(dǎo)老師對硬件部分的理論設(shè)計進(jìn)行評審后,再根據(jù)具體的實驗平臺指導(dǎo)學(xué)生完成課題。
軟件設(shè)計可以采用匯編語言或keil c51高級語言開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn),這兩種軟件開發(fā)環(huán)境是當(dāng)前mcs-51系列單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的主流環(huán)境。根據(jù)學(xué)生選題的特點,指導(dǎo)學(xué)生選擇較為容易實現(xiàn)的開發(fā)環(huán)境。
4.2 根據(jù)總體規(guī)劃實施軟硬件的開發(fā)與設(shè)計
這個過程包括:
⑴ 硬件連接。
⑵ 軟件編程。
⑶ 軟硬件聯(lián)調(diào)。
在這一過程中主要培養(yǎng)學(xué)生的硬件設(shè)計能力、編程能力和積累軟硬件調(diào)試經(jīng)驗,熟練掌握單片機(jī)系統(tǒng)中人機(jī)接口的設(shè)計、控制算法設(shè)計、硬件驅(qū)動程序設(shè)計,體會理論與實踐之間的差別,對單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)由理性認(rèn)識轉(zhuǎn)化為感性認(rèn)識,激發(fā)學(xué)生的求知欲望,鍛煉學(xué)生克服困難解決問題的能力。
4.3 交流總結(jié)
在2周的綜合實踐中抽出一天時間讓能力較強(qiáng)的學(xué)生陳述他的設(shè)計思想和設(shè)計過程、設(shè)計中的難題和解決方法以及自己的心得體會。讓進(jìn)展不順的學(xué)生提出他在設(shè)計中沒能解決的難題,全班同學(xué)共同討論,集思廣益,找到解決問題的方法。這樣可以使學(xué)生互相學(xué)習(xí),取長補短,拓寬知識面,活躍思維,能在以后的工作和學(xué)習(xí)中更好地完成任務(wù)。
4.4 完成實踐報告及驗收評分
最后兩天是綜合實踐報告的完成階段,在進(jìn)行了兩周的綜合實踐以后有必要好好地總結(jié)一下,把自己在綜合實踐中所學(xué)到的知識以文字的形式表述出來,這樣更有助于水平和能力的提高。
實踐報告完全按照畢業(yè)論文要求書寫,包含中英文摘要、設(shè)計任務(wù)與要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理、主要單元電路的設(shè)計過程、控制軟件的編寫及調(diào)試、測試數(shù)據(jù)及調(diào)試中故障分析、收獲和體會、參考文獻(xiàn)等部分。要求學(xué)生重點講述清楚故障分析和收獲體會。
綜合實踐成績由平時表現(xiàn)、實踐報告、設(shè)計成果、創(chuàng)新點4部分組成,成績構(gòu)成比例是2:3:4:1[4]。
5 效果
> 經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐,單片機(jī)系統(tǒng)綜合實踐教學(xué)環(huán)節(jié)取得的效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)讓學(xué)生掌握了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的一般原理及其基本的實現(xiàn)過程,實現(xiàn)了從理論向?qū)嶋H的遷移,強(qiáng)化了學(xué)生所學(xué)的知識。
(2)讓學(xué)生掌握了單片機(jī)系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計的基本方法,具備了軟硬件相結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計的基本能力和調(diào)試經(jīng)驗。
(3)本綜合實踐的課題真實性很強(qiáng),讓學(xué)生經(jīng)歷了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的全過程,提高了學(xué)生的研制開發(fā)能力和創(chuàng)新能力。
(4)本綜合實踐涉及到多學(xué)科、多知識點,是計算機(jī)軟硬件知識的大綜合。經(jīng)過綜合實踐,學(xué)生運用所學(xué)知識分析解決問題的能力有了較大的提高,完成了多學(xué)科知識的融會貫通。
參考文獻(xiàn)
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Abstract： In this paper， we use the Internet of things technology and vehicle LIN bus technology to collect the data from the car battery sensor to the remote server， remote server achieves the remote monitoring and fault diagnosis function of the battery through the data storage and display， to solve the shortcomings that existing car battery diagnosis must be diagnosed in a wired way.
關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)；LIN總線；監(jiān)測
Key words： Internet of things；LIN bus；monitoring
中圖分類號：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）31-0092-02
0 引言
隨著無線通信技術(shù)的逐步發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)智能家居，水電氣的無線抄表系統(tǒng)，智能交通領(lǐng)域迅速發(fā)展起來。但是直接將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和GPRS融合到一起，開發(fā)出一種智能的關(guān)于車輛電池診斷的產(chǎn)品還無定型產(chǎn)品，大部分產(chǎn)品只是和已有的GPRS模塊進(jìn)行對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。但這種“組裝產(chǎn)品”無法控制GPRS模塊，給其運行和調(diào)試人員帶來諸多不便，尤其針對于應(yīng)用于研發(fā)階段汽車電池匹配的設(shè)備并沒有，所以說開發(fā)出基于物聯(lián)網(wǎng)的車載電池診斷系統(tǒng)這種混合網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)關(guān)勢在必行，為汽車電池匹配工作提供了更加便捷的方式。
1 系統(tǒng)的框架設(shè)計
本系統(tǒng)主要有汽車電池信號采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程信號顯示診斷系統(tǒng)兩部分組成的。本系統(tǒng)的工作原理是利用汽車上的電池傳感器（汽車電池的電流、電壓傳感器和電池溫度傳感器）采集到的電流、電壓和溫度信號通過車載LIN收發(fā)器和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)端，遠(yuǎn)程服務(wù)器端對采集到的信號自動存儲數(shù)據(jù)，并自動生成診斷報告，對汽車電池的性能和工作環(huán)境做出判斷。系統(tǒng)的硬件框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
系統(tǒng)采用STM32開發(fā)板作為開發(fā)平臺，選用LIN收發(fā)器TJA1020進(jìn)行信號處理，同時選用具有GPRS功能和短信功能的SIM300模塊來與服務(wù)器診斷中心的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括了電源電路設(shè)計、晶振復(fù)位電路設(shè)計、LIN總線電路設(shè)計、通訊電路設(shè)計等。
2.1 電源電路和晶振復(fù)位電路的設(shè)計
電源電路的設(shè)計主要考慮的是STM32微控制器需要的電壓是3.3V的，而汽車上的蓄電池是12V的，所以電源模塊的設(shè)計只需要把蓄電池的12V電壓轉(zhuǎn)換成5V的電壓就可以，為防止意外短路情況的發(fā)生，在電源電路的設(shè)計過程中加上保險絲保護(hù)電路即可。晶振復(fù)位電路的設(shè)計直接采用STM開發(fā)板的電路。電源電路和晶振復(fù)位電路組成了系統(tǒng)的最小系統(tǒng)。
2.2 LIN總線電路設(shè)計
系統(tǒng)采用的LIN總線TJA1020收發(fā)器是一個物理媒體連接， 它是 LIN主機(jī)/從機(jī)協(xié)議控制器和 LIN 傳輸媒體之間的接口。該收發(fā)器可以工作在低功耗模式幾乎不消耗電流，減少功率損失。TJA1020收發(fā)器把電池傳感器采集到的信號輸送給MCU，實現(xiàn)了電路信號的收發(fā)功能，而且TJA1020收發(fā)器具有隔離功能，有效的隔絕干擾信號，系統(tǒng)設(shè)計的總線電路圖如圖2所示。
2.3 通訊電路設(shè)計
為把采集到的信號遠(yuǎn)程輸送到服務(wù)器端，系統(tǒng)設(shè)計了遠(yuǎn)程通訊電路，該電路采用SIM300模塊。SIM300模塊有完善的三頻/四頻GSM/GPRS解決方案。使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，使得具備GSM/GPRS 900/1800/1900MHz三種頻率下工作，SIM300以小尺寸和低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。
SIM300模塊具有正常操作模式、斷電模式、最小系統(tǒng)模式和警報模式4種模式。SIM300提供了兩個不平衡異步操作的串口。將SIM300模塊設(shè)計成數(shù)據(jù)通訊設(shè)備，通過信號與微處理器相連連接，支持從1200波特到115200波特的波特率。根據(jù)SIM模塊的特性和本系統(tǒng)的要求，設(shè)計出的通訊電路如圖3所示。
2.4 系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計
系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計對于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的運行有著重要的作用，本文的抗抗干擾設(shè)計主要考慮以下兩點。
①元器件的布局過程中將數(shù)字電路和模擬電路分開，布線時注意線的走向一致，減少回路環(huán)的面積。
②電源模塊單獨布置，以減小電源波動對電路的影響。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
在軟件設(shè)計的過程采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的編程思想，系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)庫采集系統(tǒng)的程序、車載LIN總線通訊協(xié)議的設(shè)計及遠(yuǎn)程顯示診斷系統(tǒng)的設(shè)計。
系統(tǒng)把采集到的信號經(jīng)過MCU的處理，把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)端，遠(yuǎn)程服務(wù)端先把數(shù)據(jù)存儲起來，并判斷數(shù)據(jù)是否在正常的范圍內(nèi)，如果采集到的數(shù)據(jù)正常，則在上位機(jī)上顯示出來，如果數(shù)據(jù)不在正常的范圍內(nèi)則報警示意，提醒駕駛員更換電池。系統(tǒng)主控單元的流程圖如圖4所示。
4 實驗結(jié)果及結(jié)論
系統(tǒng)測試采用的是60Ah的蓄電池作為實驗對象，利用設(shè)計的遠(yuǎn)程車載電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對汽車電池電壓、電流、溫度等信息的監(jiān)測。一旦某個參數(shù)出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會報警顯示。這對電動汽車電池的維護(hù)具有重要的意義，可以快速提醒駕駛員電池的使用狀況，對駕駛員提供汽車電池的使用提供技術(shù)支持，防止對電池的損害，延長電池的使用壽命和使用效率，節(jié)省成本。
參考文獻(xiàn)：
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哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)科早在2007年就率先進(jìn)行了碩士研究生分類培養(yǎng)的培養(yǎng)模式改革試點工作。分別制定了學(xué)術(shù)型和應(yīng)用型的培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案，對應(yīng)用型研究生培養(yǎng)的改革和探索，為貫徹執(zhí)行全日制專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)提供了實踐經(jīng)驗，在實際的培養(yǎng)過程中，一方面積極與企業(yè)合作，建立校外實踐基地;另一方面，面對工程碩士招生的逐年增長，也積極探索多種形式的實踐基地建設(shè)模式，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)科具有悠久的工程實踐傳統(tǒng)，在多年的辦學(xué)過程中，形成了面向國防，服務(wù)航天的工程教育特色，在整合學(xué)科、學(xué)院實驗實踐教學(xué)資源的基礎(chǔ)上，依托重點學(xué)科優(yōu)勢，通過校內(nèi)實踐基地的建設(shè)，對學(xué)生的創(chuàng)新實踐活動起到了引領(lǐng)和促進(jìn)作用。研究生培養(yǎng)計劃中的課程實驗、實習(xí)實踐、學(xué)位論文3個主要實踐環(huán)節(jié)，承擔(dān)著不同的實踐教育任務(wù)，課程實驗的任務(wù)是加深對課堂知識的理解和掌握，圍繞某一(某些)具體知識點進(jìn)行感性認(rèn)識訓(xùn)練。學(xué)位論文是訓(xùn)練綜合運用科學(xué)理論、方法和技術(shù)手段解決某一具體工程技術(shù)問題的能力。因此，在目前的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，校內(nèi)實踐基地主要是完成實習(xí)實踐的教學(xué)任務(wù)，其功能定位為:培養(yǎng)學(xué)生熟悉本領(lǐng)域產(chǎn)品研發(fā)全過程;綜合運用所學(xué)知識進(jìn)行創(chuàng)新性研發(fā)工作;熟悉生產(chǎn)和管理模式以及設(shè)備和工藝流程配置;在實踐中發(fā)現(xiàn)、提煉和總結(jié)學(xué)術(shù)問題的能力。通過在校內(nèi)實踐基地的訓(xùn)練，使學(xué)生基本熟悉機(jī)械工程領(lǐng)域的各類典型工作流程、關(guān)鍵核心技術(shù)的實現(xiàn)途徑、相關(guān)職業(yè)及技術(shù)規(guī)范，培養(yǎng)實踐研究和技術(shù)創(chuàng)新能力，并結(jié)合實踐內(nèi)容完成論文的選題指導(dǎo)工作，為進(jìn)一步進(jìn)入企業(yè)深入實踐奠定前期必要的技術(shù)基礎(chǔ)和知識儲備。為了實現(xiàn)上述功能定位，校內(nèi)實踐基地在構(gòu)建中遵循以下原則:(1)系統(tǒng)性。綜合考慮到我校機(jī)械工程學(xué)科及各二級學(xué)科的研究方向和特色，在平臺的建設(shè)上避免圍繞某一(某些)具體方向進(jìn)行實踐環(huán)節(jié)建設(shè)，而是通過整體平臺的構(gòu)建為學(xué)生提供一個系統(tǒng)接觸機(jī)械工程領(lǐng)域各種先進(jìn)技術(shù)和方法的實踐場所。(2)綜合性。在平臺所完成的實踐教學(xué)功能的設(shè)計上，注重依托校內(nèi)實踐基地將培養(yǎng)方案內(nèi)的實驗、實踐等各環(huán)節(jié)單元知識進(jìn)行綜合運用與具體實施。(3)開放性。為發(fā)揮學(xué)生在實踐中的創(chuàng)造性，構(gòu)建了自行設(shè)計、自由探索的開放環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新能力的實踐。(4)示范性。作為實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的硬件平臺，在保證其教學(xué)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)最大化地體現(xiàn)出對機(jī)械工程領(lǐng)域典型企業(yè)的示范作用。(5)學(xué)術(shù)性。面向研究生的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，更為注重的是通過實踐培養(yǎng)學(xué)生從中總結(jié)規(guī)律、發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題的能力，因此實踐環(huán)節(jié)應(yīng)具有一定的學(xué)術(shù)內(nèi)涵。
2校內(nèi)實踐基地硬件平臺的構(gòu)建
與課堂理論教學(xué)不同，實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)需要依賴于儀器設(shè)備等硬件條件，因此需要結(jié)合學(xué)科的特點來構(gòu)建完成預(yù)定實踐教育功能的硬件平臺組成。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程一級學(xué)科包含機(jī)械電子工程、機(jī)械制造及其自動化、機(jī)械設(shè)計及理論、車輛工程、工業(yè)工程、精密與微納制造和航空宇航制造工程7376個二級學(xué)科，年招收碩士生350人，其中應(yīng)用型碩士研究生和全日制工程碩士240人左右。機(jī)械工程學(xué)科覆蓋的各個二級學(xué)科各具內(nèi)涵，互相獨立而又互為支撐，形成了各具特色的研究方向。機(jī)械工程領(lǐng)域工程碩士研究生的應(yīng)用能力培養(yǎng)主要體現(xiàn)在以下方面:①大型/復(fù)雜/先進(jìn)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計能力;②各種傳動及其檢測、控制技術(shù)應(yīng)用能力;③先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用能力;④機(jī)電融合應(yīng)用能力;⑤科技協(xié)作能力。這些能力的培養(yǎng)需要一系列超出單個課程的綜合實踐平臺來提供學(xué)生從實踐中鍛煉和掌握工程技術(shù)能力的實踐機(jī)會。依托校內(nèi)實踐基地，建設(shè)一個獨立于課程教學(xué)之外，支撐全院研究生工程實踐能力培養(yǎng)的工程實踐平臺具有重要意義。對于應(yīng)用型碩士研究生，應(yīng)該在機(jī)械工程一級學(xué)科的框架下，培養(yǎng)其對各相關(guān)研究方向的了解和掌握，培養(yǎng)出知識面廣博、適應(yīng)性廣的交叉復(fù)合型人才，因此，校內(nèi)實踐基地所建設(shè)的教學(xué)平臺應(yīng)體現(xiàn)出綜合性，并具有一定的輻射性，加強(qiáng)碩士研究生對機(jī)械工程領(lǐng)域相關(guān)研究方向的了解，拓展知識面，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。所建立的校內(nèi)實踐基地硬件平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1校內(nèi)實踐基地硬件平臺的總體結(jié)構(gòu)校內(nèi)實踐基地硬件平臺包括實驗平臺和實踐平臺兩個部分，其中實驗平臺用來支撐培養(yǎng)計劃中的實踐學(xué)分，由傳感及測試技術(shù)實驗子平臺、數(shù)字化制造技術(shù)實驗子平臺、機(jī)器人技術(shù)實驗子平臺和微納米測量技術(shù)實驗子平臺組成;實踐平臺用來為學(xué)生提供一個實現(xiàn)自主創(chuàng)新、自由探索的實踐環(huán)境，由金屬零件少無切削制造技術(shù)工程實踐子平臺、空間機(jī)構(gòu)及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計與實踐子平臺、數(shù)控運動控制綜合實踐子平臺和液壓伺服傳動與氣壓傳動綜合應(yīng)用實踐子平臺組成。
2．1傳感及測試技術(shù)實驗子平臺傳感及測試技術(shù)是機(jī)械工程學(xué)科研究生必須掌握的一門偏重于基礎(chǔ)的技術(shù)，并且是其它眾多技術(shù)的基礎(chǔ)，因此該實驗子平臺的建設(shè)側(cè)重訓(xùn)練研究生對常用傳感器的基本原理及其典型應(yīng)用，使學(xué)生不但對傳感技術(shù)中所涉及的各種傳感器的測量原理和性能指標(biāo)有深入具體的認(rèn)識，而且還能夠針對具體的問題，選擇合適的傳感器完成相應(yīng)的檢測任務(wù)，為將來的學(xué)習(xí)和工作奠定實踐基礎(chǔ)，提高應(yīng)用型研究生對相關(guān)專業(yè)理論的認(rèn)知、加強(qiáng)對專業(yè)技術(shù)工作適應(yīng)能力和開發(fā)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
2．2數(shù)字化制造技術(shù)實驗子平臺該實驗子平臺以對數(shù)字化制造技術(shù)的原理和核心技術(shù)的理解為主，以校園網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，建立數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計和加工子系統(tǒng)，兩個子系統(tǒng)共享一個服務(wù)器，實現(xiàn)信息共享。以現(xiàn)有的CAD/CAM軟件和自行開發(fā)的數(shù)控技術(shù)、數(shù)字化加工、數(shù)字化裝配等軟件為基礎(chǔ)，為數(shù)字化設(shè)計、建模和仿真、加工技術(shù)的研究提供基本的實驗教學(xué)環(huán)境和條件。使學(xué)生掌握數(shù)字化制造技術(shù)在產(chǎn)品的設(shè)計、分析、制造、制造系統(tǒng)規(guī)劃等方面的應(yīng)用。
2．3機(jī)器人技術(shù)實驗子平臺該實驗子平臺是一個具有一定規(guī)模的、模塊化的、可擴(kuò)展的機(jī)器人系統(tǒng)開放實驗平臺，子平臺的建設(shè)以常規(guī)機(jī)器人技術(shù)教學(xué)為主，并兼顧機(jī)器人智能運動控制和機(jī)構(gòu)空間復(fù)雜軌跡的實現(xiàn)等相關(guān)教學(xué)實驗。能夠進(jìn)行14個機(jī)器人技術(shù)方面的教學(xué)實驗，各實驗間既可以獨立進(jìn)行，也可以聯(lián)合進(jìn)行;能根據(jù)教學(xué)的需求及課程的變化需求進(jìn)行迅速調(diào)整，以適應(yīng)實驗教學(xué)的需要。這些實驗要求學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識進(jìn)行設(shè)計、編程和實施，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計、分析和動手能力，促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)教學(xué)水平的提高，培養(yǎng)機(jī)械工程學(xué)科研究生的綜合技能和創(chuàng)新能力。
2．4微納米測量技術(shù)實驗子平臺隨著超精密加工技術(shù)和納米加工技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)械加工表面形貌的微觀檢測提出了越來越高的要求。因此微納米檢測技術(shù)成為機(jī)械工程學(xué)科新的研究熱點。通過實驗教學(xué)，使學(xué)生掌握原子力顯微鏡測量原理、測試參數(shù)的選擇，數(shù)據(jù)處理知識。掌握利用原子力顯微鏡獲得力曲線，根據(jù)納米壓痕法的理論基礎(chǔ)及彈性接觸理論計算材料的機(jī)械力學(xué)特性，分析研究測量儀器的原理、精度、誤差及適用范圍。
2．5金屬零件少無切削制造技術(shù)工程實踐子平臺本子平臺對學(xué)生進(jìn)行金屬零件少無切削制造技術(shù)的實踐訓(xùn)練。學(xué)生通過設(shè)計制造零件的實踐，培養(yǎng)研究生:先進(jìn)綠色制造技術(shù)運用能能力;產(chǎn)品制造生產(chǎn)線管理與運用能力;數(shù)控等先進(jìn)裝備控制與運用能力。
2．6空間機(jī)構(gòu)及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計與實踐子平臺通過先進(jìn)傳動裝置的學(xué)習(xí)和拆裝，使學(xué)生了解、學(xué)習(xí)高性能諧波減速器等國外先進(jìn)傳動裝置的原理、設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)和工藝;由學(xué)生利用基本元部件設(shè)計并構(gòu)建機(jī)械系統(tǒng)，如多自由度關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)等。根據(jù)學(xué)生自己構(gòu)建的機(jī)械系統(tǒng)，運用機(jī)構(gòu)設(shè)計與動力分析軟件建立虛擬樣機(jī)，進(jìn)行仿真。學(xué)生為自己構(gòu)建的機(jī)械系統(tǒng)配備運動控制系統(tǒng)，利用計算機(jī)和PID控制來控制交、直流伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)其構(gòu)建的機(jī)械系統(tǒng)的預(yù)期運動目標(biāo)。
2．7數(shù)控運動控制綜合實踐子平臺以機(jī)床運動形式為主要控制目標(biāo)，運動控制為主，順序控制為輔，訓(xùn)練學(xué)生機(jī)電系統(tǒng)計算機(jī)控制能力。實踐子平臺以單軸運動模塊為基本單元，可搭建一軸、兩軸和三軸運動控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用PC-Base運動控制控制器為核心，交流伺服系統(tǒng)為基礎(chǔ)，形成一個開放式的、學(xué)生可實際搭建的(包括內(nèi)部控制軟件)實踐系統(tǒng)。
2．8液壓伺服傳動與氣壓傳動綜合應(yīng)用實踐子平臺該實踐子平臺對學(xué)生進(jìn)行流體傳動與控制重要基礎(chǔ)和綜合應(yīng)用的訓(xùn)練。平臺包含豎直液壓伺服搬運、水平液壓傳動搬運、氣動插拔銷三套子系統(tǒng)，訓(xùn)練學(xué)生:流體傳動與控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計能力、液壓伺服系統(tǒng)(位置和力及其切換)設(shè)計調(diào)試能力、液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試能力、氣壓傳動系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。
3校內(nèi)實踐基地的實踐教學(xué)體系
在校內(nèi)實踐基地硬件平臺構(gòu)建的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用型研究生培養(yǎng)方案，構(gòu)建了校內(nèi)實踐基地的實踐教學(xué)體系，根據(jù)兩類平臺的特點，結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)，依托實驗平臺下設(shè)的4個子平臺建設(shè)了一門具有特色的實驗課程“機(jī)械工程學(xué)科應(yīng)用型研究生綜合實驗”，綜合實驗課程在內(nèi)容設(shè)置上立足機(jī)械工程學(xué)科的主干課程，從機(jī)械工程一級學(xué)科的角度去組織實驗教學(xué)的內(nèi)容，規(guī)劃建設(shè)的實驗項目既是對若干門學(xué)位課程內(nèi)容的深化和提升，又是對某門課程課內(nèi)實驗的強(qiáng)化，支撐研究生培養(yǎng)計劃中2學(xué)分的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可以完成總計66學(xué)時的實驗教學(xué)，根據(jù)課程的設(shè)置和培養(yǎng)計劃，要求研究生從中選擇22學(xué)時進(jìn)行本門課程的實驗教學(xué)，以加強(qiáng)碩士研究生現(xiàn)代實驗方法和技能的訓(xùn)練和提高。在教學(xué)體系的建設(shè)上，實踐平臺是對實驗平臺的進(jìn)一步深化和運用，目的是注重學(xué)生自主實踐能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)，實踐內(nèi)容的設(shè)計充分體現(xiàn)出開放性和探索性，學(xué)生利用平臺所提供的基本元件和模塊，根據(jù)給定的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)，自行搭建系統(tǒng)，獨立完成相應(yīng)的實踐訓(xùn)練項目。結(jié)合實踐平臺的硬件設(shè)備，建設(shè)了一門面向全院碩士生的實踐課程“機(jī)械工程綜合實踐”，以獨立實踐課程的形式來實現(xiàn)校內(nèi)實踐基地的實踐教學(xué)功能，使本領(lǐng)域的應(yīng)用型研究生能夠經(jīng)歷一個相對完整的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計、制造、檢測和控制的工程應(yīng)用過程的基本訓(xùn)練，支撐研究生培養(yǎng)計劃中的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，根據(jù)課程的設(shè)置和培養(yǎng)計劃，要求研究生從中選擇若干實踐項目進(jìn)行實訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。依托校內(nèi)實踐基地開設(shè)的兩門實驗實踐課程，初步確定了機(jī)械工程領(lǐng)域應(yīng)用型研究生的實踐教學(xué)體系。解決了應(yīng)用型研究生培養(yǎng)方案中實踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱的問題;確立了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的主體地位，以獨立的課程形式來加深課堂理論知識的理解，提高創(chuàng)新實踐的能力，滿足機(jī)械工程學(xué)科研究生培養(yǎng)方案中實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)計劃，為進(jìn)一步的分類培養(yǎng)模式改革提供實踐。
4校內(nèi)實踐基地的運行效果與深化建設(shè)
【關(guān)鍵詞】電渦流；傳感器；單片機(jī)
1.引言
現(xiàn)代社會是信息化的社會，人們的主要交流和溝通都是通過對信息的傳遞、處理而進(jìn)行的。傳感器就是人們從自然界獲取各種相應(yīng)外界信息的方式，能夠?qū)⑾鄳?yīng)的需要采集的信息轉(zhuǎn)換成為控制芯片能夠識別的電流或者電壓等信號，在現(xiàn)代的控制測量系統(tǒng)中具有不可缺少的作用。
本論文主要介紹的是電渦流式位移傳感器。電渦流式位移傳感器屬于電感式位移傳感器的一種，是基于電渦流效應(yīng)而工作的傳感器，具有很多優(yōu)點：高分辨率、高可靠性、較寬的頻率響應(yīng)以及較高的靈敏度等等。
該傳感器還具有很強(qiáng)的抗干擾能力，相比而言，傳統(tǒng)的傳感器具有非線性誤差，要求工作環(huán)境恒定或者價格較高[1]。
2.電渦流式微位移傳感器
2.1 傳感器發(fā)展歷程
國外在工業(yè)化的過程中，逐漸將傳感器廣泛應(yīng)用在各個生產(chǎn)領(lǐng)域，在航天和軍事領(lǐng)域也有十分領(lǐng)先的傳感器應(yīng)用。之后伴隨各個國家的機(jī)械、自動化、計算機(jī)等信息產(chǎn)業(yè)如日中天，歐美國家以及亞洲的日本都對世界的傳感器具有相當(dāng)重要的影響。
我國主要是在1960年開始對傳感器進(jìn)行開發(fā)工作。國家組織大批科研人員對其進(jìn)行研究和開發(fā)，并實施了“八五”、“九五”等國家計劃，使得其取得了十分矚目的應(yīng)用成就。然而我們也應(yīng)該清醒地意識到，我國在傳感器的基礎(chǔ)制造工藝等方面還不能和發(fā)達(dá)國家相提并論，許多核心技術(shù)以及芯片都要進(jìn)口。與此同時，我們的傳感器在國際上沒有太大競爭力，產(chǎn)品研發(fā)和更新速度很低，缺少實用創(chuàng)新性[2]。
2.2 傳統(tǒng)傳感器缺點
以往的傳感器和電渦流位移傳感器比起來，具有以下幾個方面的嚴(yán)重不足：
（1）輸入一輸出特性存在非線性且隨時間而漂移；
（2）環(huán)境會干擾參數(shù)，使得測量結(jié)果發(fā)生漂移；
（3）因結(jié)構(gòu)尺寸大，而時間響應(yīng)特別差；
（4）易受噪聲干擾、信噪比低；
（5）靈敏度或者分辨率不夠理想。
2.3 電渦流式微位移傳感器
本論文所要介紹的電渦流位移傳感器，其工作原理是利用了渦流效應(yīng)。該類型的傳感器，通過渦流效應(yīng)使相應(yīng)的位移的變化，轉(zhuǎn)換成線圈的阻抗值變化；之后利用特定的電路將線圈阻抗值變化轉(zhuǎn)換成為電壓的變化，再進(jìn)行檢測和輸出，根據(jù)相應(yīng)的公式或者經(jīng)驗，能夠還原成位移信息。這種傳感器具有很多優(yōu)點，比如具有很高的靈敏度、簡單的結(jié)構(gòu)以及及時的動態(tài)響應(yīng)。該傳感器廣泛應(yīng)用在測量振動和位移等信息量上。大體上輸出的電壓信號與位移的變化量是線性的關(guān)系，公式是ΔS=K?ΔV。其中K是系統(tǒng)的比例常數(shù)，在不同的傳感器中根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同是不一樣的。
2.4 電渦流式位移傳感器測量原理
公式能夠精確描述該原理。我們根據(jù)公式可以得知，在其他條件不變的情況下，Z（線圈的阻抗）與S一一對應(yīng)。電渦流傳感器測量位移的原理就是基于此公式，在特定的信號激勵過程中，傳感器會依據(jù)位移變化而產(chǎn)生電壓的變化。
3.測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3.1 主控芯片
本論文設(shè)計的電渦流微位移傳感器使用的主控芯片是AT89S52單片機(jī)。MSC-51單片機(jī)是八位的非常實用的單片機(jī)。本論文所使用的AT89S52單片機(jī)就是基于這款單片機(jī)的。MSC-51單片機(jī)的基本架構(gòu)被ATMEL公司購買，繼而在其基本內(nèi)核的基礎(chǔ)上加入了許多新的功能，同時擴(kuò)展了芯片的容量以及加入flash閃存等等。51內(nèi)核的單片機(jī)具有很多優(yōu)點，因此無論是在工業(yè)上還是在一些電子產(chǎn)品上應(yīng)用都很多。全球也有許多大公司對其進(jìn)行擴(kuò)展，加入新的功能。即使是在今天，51單片機(jī)仍然在控制系統(tǒng)中占據(jù)很大市場[4]。
下面對本論文所使用的單片機(jī)作簡要介紹。AT89S52單片機(jī)具有最大能夠支持的64K外部存儲擴(kuò)展，同時還具有8K字節(jié)的Flash空間。該單片機(jī)具有4組I/O口，分別是從P0到P3，同時每組端口具有8個引腳。每個引腳除了能夠作為普通的輸入和輸出端口外，還具有其它功能，也就是我們通常所說的引腳復(fù)用。其還具有斷電保護(hù)、看門口、計時器和定時器。51單片機(jī)一般的工作電壓是5V。
3.2 顯示模塊
本論文設(shè)計的LCD1602電路，該液晶模塊能夠顯示2行*16列的字符，相對于數(shù)碼管而言，顯示更加靈活多變。該液晶模塊用來顯示其測量處理后的數(shù)據(jù)。
4.測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計
本論文的主程序循環(huán)采集電量的變化，并實時顯示在液晶模塊上。系統(tǒng)軟件是指完成系統(tǒng)設(shè)計功能的軟件。為了提高系統(tǒng)的實時性、可靠性，在編寫系統(tǒng)應(yīng)用軟件時，主要考慮以下兩方面：
（1）提高系統(tǒng)抗干擾性能。在工業(yè)現(xiàn)場不可避免的有各種抗干擾因素。因此本系統(tǒng)除了在硬件上硬件復(fù)位和加電容濾波外。在軟件上，采用了指令冗余技術(shù)、延時消抖技術(shù)以及對位移大小采樣值進(jìn)行中值濾波的數(shù)字濾波方法，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
（2）采用模塊化編程。將系統(tǒng)的應(yīng)用程序分為若干個功能模塊，這些模塊可以任意更改而不影響程序的其余部分，將各個功能模塊程序調(diào)通后，再把各個功能模塊結(jié)合起進(jìn)行聯(lián)調(diào)，這大大減少了調(diào)試時間，提高了程序的通用性，方便程序的修改和檢查。
5.總結(jié)
電渦流位移傳感器是一種基于電渦流效應(yīng)的傳感器，能夠?qū)⑽灰频淖兓D(zhuǎn)換成電量的變化。本論文主要介紹了傳統(tǒng)傳感器的發(fā)展歷程，進(jìn)而介紹了電渦流式微位移傳感器的測量原理和優(yōu)勢，并基于單片機(jī)設(shè)計了測量系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
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