电气工程专业微机及网络通信实验支撑平台论文

计算机、网络、微电子等技术的发展,有力地推动了电气技术的发展,也促进了高校电气工程学科的建设。传统的电气专业课程逐步将电气原理与数字、网络和智能等技术相结合;高校电气专业在传统专业课程的基础上,开设了微机原理及接口、网络通信和现场总线、甚至电子设计自动化EDA(electronic

design

automation)技术、数字信号处理和嵌入式应用等电子信息类课程,电气专业已发展成为一门综合性、跨学科的专业。作为学科建设重要组成部分和理论课程不可或缺的补充,实验对加深学生知识掌握和培养学生实践能力起着不可替代的作用,但目前电气类实验普遍存在内容分散,平台建设滞后的现象。实验课程和平台需进行相应的整合与建设,才能适应学科发展。

1

需求分析

当前电气工程专业微机及网络通信实验内容可归纳为三大类:微机原理与接口、网络通信技术等基础课程实验;电气专业课程实验;课程设计、毕业设计和创新性实验。

微机原理与接口、网络通信技术等基础课程实验内容主要包括:寻址方式、串并行总线接口和通用输入输出GPIO(general

purpose

input/output)相关(包括键盘、发光二极管LED(light

emittingdiode)、液晶显示器LCD(liquid

crystal

display)等应用)、定时器、看门狗、中断技术以及内部整合电路IIC(inter-integrated

circuit)、串行外围设备接口SPI(serial

peripheral

interface)、多通道缓冲串行口MCBSP(multichannel

buffered

serial

port)、串行通信接口SCI(serial

communicationinterface)、局域控制网CAN(controller

areanetwork)、以太网等通信;电气专业课程实验的实验内容则更为广泛:电力系统微机保护主要包括了继电器特性、三段电流保护、变压器差动保护、重合闸等实验;自动装置主要包含准同期、励磁调节等实验;电力电子实验包括了电力电子器件特性和以脉冲宽度调制PWM(pulse

widthmodulation)为核心的整流和逆变等实验,而数字PWM则是其发展趋势;电机课程实验目前主要包含了变压器变比、空载和短路特性、同步发电机运行和并***性、直流电机、三相异步电动机启动和运行特性等内容,并逐步增加电力电子技术在电机中的应用;电力系统分析实验(动模实验)的核心是对一次设备的电气模拟,但其控制核心,包括用以模拟原动机的直流电动机控制、励磁系统调节,基本都采用基于PWM技术的电力电子手段。

数字系统由于其具有灵活性好、稳定性优、集成度高、抗干扰性强、具有可重复性等一系列优点而成为电气自动装置的主流和趋势,目前涉及电气微机装置的课程,如继电保护、自动装置、远动技术、变电站综合自动化、数字电力电子装置等,都有专门的章节介绍微机和数据采集等知识点,涉及的内容几乎一样。这样,理论课程存在着如何整合的问题,实验课程和实验平台也应进行相应的调整。从数字装置结构分析,主要包括三大部分:数据输入、逻辑判断、执行输出。对电气微机装置而言,数据输入基本一样,主要是反映三相电压、电流的模拟量以及反映断路器等状态的开关量;逻辑部分是根据相应的原理对采集的数据进行逻辑判断后输出结果,这是实验教学的重点;输出部分则为相对简单的开关量或模拟量输出。对电气微机装置而言,差别最大的就是逻辑部分,这部分的差异又主要体现在通过软件编程对原理的实现上。因此,有可能建立统一的实验硬件平台以满足课程整合的需要,从而根据课程安排和实验的难易程度安排实验课程,有针对性地突出重点和差异性。

当前电气专业的课程包含了越来越多的电子信息类内容,同时,原有的电气专业的课程也存在着实验更新的问题,建立统一的实验平台是当前在平台建设经费有限的情况下满足实验内容增多的较好方法。而且,统一的实验平台有利于实验内容的整合,保持实验的条理性和持续性,有助于学生循序渐进地掌握知识。比如,当前学生学习微机课程时,偏重于寻址方式和技术参数的记忆;而目前的电力微机装置课程,又很少涉及到更细的微机实现方式,例如,讲解微机继电保护的开入回路时,一般会介绍开关输入信号经光耦器件进入到装置中,但具体到如何在控制器实现,便很少涉及。这样,虽然相关知识学生都接触过,但知识都相对孤立,更谈不上应用。若有合理的课程安排和良好的实验平台支持,则可在先前开设的微机课程中安排GPIO和总线实验,使学生掌握控制器与外设基本的联系方式;到了微机继电保护课程,则结合GPIO和总线实验内容,讲授控制器如何通过GPIO或总线读取经过光耦的开关量信号,这就将相关知识内容“串连”起来,有助于学生的深入理解和应用。

实验平台的建设还应满足各种层次的实验需要,为课程、毕业设计和学生科研项目等提供良好的支持。目前高校本科开设的实验大多为基础性验证型实验,用于培养学生综合、应用以及创新能力的综合性和创新型实验较少,面向电气工程的微机类创新实验则更少。因为微机式装置集成度高,在硬件平台相对稳定的情况下,其功能主要通过代码软件的形式实现,对学生来说尤其抽象,如何进行微机装置的综合和创新实验是实验教学的难点。而微机类相关课程普遍存在着“百听不如一见,百见不如一做”现象,很多理论课上不易讲清楚的内容,往往通过动手实验便可发现问题。同时,很多问题也要靠亲身实践才能发现和有更深入的体会。这些都需要有功能强大、具有良好扩展性的实验平台支持。

在当前实验课时并无增加甚至压缩的情况下,如何安排实验课时以保证学生学习效率,是亟需解决的问题。统一、良好的实验平台可减少设备资金的投入,提高实验设备利用率,同时,也有助于学生减少熟悉实验设备的时间,而把重点放在原理理解和动手实现上。这对实验平台建设提出了更高要

求:功能齐全,尽可能满足电气学科多个课程的需要;技术先进,能体现包括计算机、微电子和网络等新技术在电气工程的应用;有良好的扩展性,既可单独使用,也预留接口与其它设备组成更完整系统。目前能同时满足上面条件的实验板几乎没有[12~15],故构造了基于TMS320F2812DSP(简称2812DSP)的电气工程微机及网络通信实验平台。

2

设计与实现

主控制器是微机系统的核心和关键。一般认为,数字信号处理器DSP(digital

signal

processor)专长于数字信号处理,而微控制单元MCU(microcontroller

unit)的优势则体现在控制方面。随着半导体技术发展,两者之间的界限并不明显,比如DSP主流生产厂家TI公司生产的2000系列DSP,其控制能力并不逊色于MCU;该系列芯片具有丰富的外围接口,方便外围扩展,其在电气工业领域的广泛应用更是有助于学生熟悉该系列芯片后直接从事相关的产品研发。因此,本实验板采用TI公司2000系列芯片2812DSP为主控制器。

2812DSP采用哈佛总线结构,程序总线和数据总线分开,取指令和取数据并行操作,使得数据吞吐量提高一倍。2812DSP内嵌32位的高性能CPU,具有高速的运算能力,保证了信号处理的实时性。同时,实验板上外扩了512KWord的闪存(FLASH)、512KWord的静态随机存储器(StaticRAM,SRAM)、内嵌电可擦可编程只读存储器EEPROM(electrically

erasable

programmableread-only

memory)的不间断实时日历时钟RTC(real-time

clock)、138译码器和电源管理、复杂可编程逻辑器件CPLD(complex

programmablelogic

device)等芯片;实验板配有模数(A/D)回路、数模(D/A)回路、以光耦为核心的开入和开出回路等;拥有RS485/232、CAN、以太网等丰富的网络;同时,本实验板配有键盘、LED、LCD等丰富的人机接口。如图1所示,本实验板具有下列特点:

(1)存储能力大,存储样式多。除了DSP内部存储器外,实验板还配置了SRAM、FLASH、EEPROM等多种存储器件。上微机原理与接口等课程的实验时,通过对存储器的读、写等操作以及上、断电后信息是否保存来比较不同存储器的性能,包括读写速度、挥发性等;上电气微机装置课程时,可在微机原理与接口等课程对存储器性能有所了解和能进行基本操作的基础上,进一步熟悉其应用,例如:SRAM通常用来存放采样数据等临时数据;EEPROM可用于存放定值等数据;而FLASH由于其大容量且具有非挥发性,可用来存储录波等数据。这样,学生通过在实验板上实现从对存储器的读写操作再到实际场合的应用,其亲身的实践无疑会收到更好的学习效果。

(2)丰富的人机界面。由于数字系统的高度集成性,运行结果及现象往往不那么具体直观,这需要良好的人机界面来提示当前运行情况,良好的人机界面对用以实验教学尤为重要。本实验板配置有点阵数为240×128、内带控制驱动器的点阵图形式的液晶显示模块LCD和大量的LED。LCD可调用已存储在外部flash并以该LCD显示模式存储的完全16*16汉字库,学生只需通过在已提供的底层函数中输入所需显示汉字的区位码和LCD中的显示位置即可。对于有兴趣的学生,还可在讲授汉字显示等原理的基础上引导学生完成LCD上汉字显示。2812DSP的数据总线和GPIO(保留六个GPIO与键盘相连)都通过跳线与LED相连,通过LED的亮、灭情况直观反映管脚电平情况。一方面,微机原理与接口等课程的基础实验中通常都有LED显示实验,电气微机装置也需通过LED来显示运行、告警等状况,独立使用实验板时也可用LED的亮、灭模拟断路器等开关的开、断情况;另外,LED对实验板研制过程的调试和实验板出现异常时的故障诊断、确认以及排除也非常有帮助。

(3)灵活的A

/D回路。模拟量输入是微机装置的关键部分,要求模拟量输入回路能灵敏、准确、及时地采集到真实反映一次系统状态的数据,其采样频率、精度等需满足日趋复杂的算法的要求。

本实验板数据采集有2812DSP内部和外部A/D两种模式,DSP内部包含16路的12位精度A/D转换器;同时,DSP外接精度高达16位的A/D,模拟量经外部A/D转换后通过2812DSP数

据总线进入控制器。

便利、灵活地提供A/D实验的模拟信号源直接影响实验板使用的方便性和效率。实验板的每个模拟输入通道,可通过跳线选择是用实验板提供的板上信号源或外接信号源。板上信号源由直流电压经可调电阻分压产生,该方法可方便产生信号,缺点是虽然输入信号在一定幅度内可变化但局限于直流电压,适合在微机原理与接口技术课程等基础A/D实验或调试场合应用。使用信号发生器产生信号则可灵活改变输入信号大小和类型,从而模拟一次系统电气量,这在电气微机装置实验中起到关键作用,学生可进行数据采集、算法编程(如快速傅氏变换FFT(fast

fourier

transform)等算法)、逻辑判断(继电保护课程用于故障判断,准同期课程用于合闸条件判断等)并将显示相关结果。

(4)强大的网络技术。目前,电力系统通信网络广义上划分为三个层次:RS485/RS232等传输速度较慢、智能化较低的传统网络;CAN、Lonwork等速率较高、通信较灵活的现场总线型网络;通信能力很强、代表网络发展趋势的以太网[16]。2812DSP有丰富的网络接口,芯片本身已经集成CAN网络接口,芯片的两个SCI分别配置成RS485/RS232;同时,通过总线扩展连接10M/100M自适应以太网芯片,外扩以太网接口。这样,实验板便配有了包括以太网、CAN、RS485/RS232等实际广泛应用的网络接口。一方面紧密联系实际工程需要;另一方面,可灵活地进行不同的网络实验。

网络通信课程的概念多而且抽象,通过丰富的网络平台,学生可以增强对网络的直观认识。以最基础的网速性能为例,用小量、中量和大量的数据分别在上述各种网络传输,就可明显地区分出网速性能:各种网络对小数据量传输无明显的传输速度差异,但随着数据量的增大,不同网络的速度差异将越趋分化,高速网络的优点将明显体现出来。通过类似实验,学生不仅较好地掌握网络性能等知识,而且培养了能针对不同场合需要进行网络选择等实际应用能力。

除了在本实验板上验证通信概念等内容之外,学生还可进行更多的动手实践,培养对实践应用网络的操作和故障诊断与排除等能力,比如网络的“差动“概念,可通过示波器观察各种网络技术的波形,使学生直观认识以太网、CAN、RS485是“差动“类型网络,并在此基础上,让学生自己分析“差动“网络在抗干扰等方面的优缺点,这样可收到比单纯的理论授课更好的效果。进一步可以在该平台上实现更复杂的功能,包括通过代码程序等分析和实现网络的“分层“思想和网络协议(如以太网的IP/TCP协议)等,当然,这适合毕业设计、创新性设计实验等要求较高的场合。此外,实验板还可通过RS232、RS485或以太网接口与光纤通信模块连接,实现光纤网络实验。

(5)灵活的EDA技术。EDA技术迅速发展,使可编程逻辑器件(如CPLD等)与串行运行代码的控制器(如MCU、DSP等)在电子设计方面起着同样重要的作用。可编程逻辑器件可通过软件编程对其硬件结构和工作方式进行重构,从而使硬件设计如同软件设计那样方便快捷,其优越性使其在电气工程等领域的应用越来越广泛,可编程逻辑器件及其相关技术也逐步进入电气专业的课程。

本实验平台配置了CPLD器件,CPLD通过零欧姆电阻与2812DSP总线和读写控制线等连接。作为辅助控制器,利用CPLD设计灵活、IO管脚丰富的优点进行外围扩展,这也是当前电气微机装置常用的设计方法。如果不焊接零欧姆电阻,CPLD就可作为独立控制器单独使用,CPLD和辅助的晶振等简单元件就可构成最小系统,通过将CPLD的IO管脚都引伸到插槽,CPLD便可以与其它设备构成完整的应用系统。

(6)良好的扩展性。实验板设计过程已考虑功能尽可能的齐全,但由于印刷电路板PCB(printedcircuit

board)的尺寸限制和成本考虑,在一块PCB上实现所有的功能是不可能的。例如,本实验板具有多达12路的PWM输出接口,从电磁兼容及PCB尺寸考虑,本实验板上就没有配备相应的驱动电路,而是将所有的PWM管脚都引到插槽中,外接驱动电路便可用于电力电子技术相关课程的PWM应用等。设计中考虑实验板的可扩展性,把数据总线、GPIO等管脚尽可能地连接到插槽中,方便功能的扩展。这样,一个管脚就有多个信号回路。以复用CAN通信功能的GPIO管脚为例,该管脚有三个信息回路:CAN通信功能回路、实现GPIO功能的LED回路、与插槽连接,为解决由于多回路可能带来的信号干扰问题,可通过串接零欧姆电阻和跳线等方法解决。如此设计,与工业PCB相比,本PCB板上会有较多的串接电阻和跳线,增加了PCB的面积和复杂性,该问题可通过合理的元器件位置设计和PCB布线来解决。

3

调试

实验板操作简便,适合不同阶段的学生实验,以较为复杂的LCD显示和以太网通信进行调试。

DSP外部FLASH已预存适合该LCD显示模式的16×16汉字库,通过编写简单的显示子程序便可实现区位码和存储物理地址之间的线性转换,实验过程中调用汉字字模时,在主程序中直接输入汉字的区位码即可实现对汉字的显示,图2为在实验板上实现对区位码为1601~1694的汉字的LCD显示。

用以太网实验中最容易实现的Ping实验测试PC机和实验板的网络连接情况,将PC机和实验板的RJ45接口分别通过2条超5类B标准非屏蔽双绞线连接到一个100Mb/s的集线器(可根据需要添加多台PC机或实验板等带以太网接口的设备),PC机上同时运行Sniffer软件监视网络状态、数据流动等网络上传输的信息。

测试过程为:PC机运行Ping程序向实验板发送连接请求,实验板上的DSP通过以太网控制器获得该报文并做出回应,PC机在屏幕上输出连接情况和通信延时,如图3所示,PC机每次都接收到来自IP地址为192.168.1.2的DSP的回复,显示的通信延时都小于1

ms,由于所采用的Windows自带测试工具精度所限,更精确的网络延时的确定还需要其他工具,但该工具毫秒级精度已满足一般教学实验需要。以太网Ping测试结果表明两台机器已经成功建立连接,在TCP/IP协议的传输模型中,IP层及其更低层连接完好。

同时,通过Sniffer软件,可更深入分析网络数据流情况,从图4可看出整个通信过程:IP地址为192.168.1.1的PC机不断询问网络上IP地址为192.168.1.2的机器,IP地址为192.168.1.2的实验板不断回复该查询。Sniffer软件中间部分显示了对所选择网络包的自动解析,可看到通信过程中数据包结构及代表的网络协议的含义,包括数据包的类型、校验码、序列号等信息。Sniffer软件下端则代表所选择网络包的完整数据流。

4

应用

本实验板可以独立使用,完成微机原理与接口、网络通信技术等基础课程实验的键盘输入、LED显示、LCD显示、数据采集、FFT算法等经典实验以及RS485/RS232、CAN、以太网等通信实验。在电气工程相关课程中,本实验板能基本满足电气工程的微机远动、故障定位与录波、微机继电保护、准同期并列操作、电力系统通信等应用,实验基本流程为:信号发生器产生的信号(模拟一次系统的电气量)输入到本实验板的A/D回路,控制器采集数据后,根据所需实现的功能进行判断,如保护装置进行故障判断、准同期装置进行合闸条件判断等,并通过D/A或开关量输出回路等输出结果并在LED、LCD直观显示该过程。学生可以在实验板上根据自身对原理的理解,自行设计、亲自实践并进行验证。对于要求较高的实验和具备Hypersim或实时数字仿真器RTDS(real

timedigital

simulator)等在线实时仿真系统或设备情况下,可将该实验板连接到Hypersim或RTDS系统中,通过完整的系统测试预期应达到的功能。

5

结语

针对学科融合及课程整合趋势提出建设满足多课程的电气工程专业微机及网络通信实验支撑平台,开发了基于2812DSP的高性能实验板,为电气工程专业实验内容安排和平台建设提供一种思路。

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