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电气工程专业微机及网络通信实验支撑平台论文学士学位论文.doc
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2023-07-01
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电气工程专业微机及网络通信实验支撑平台论文学士学位论文.doc
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工业电气自动化论文电气自动化控制论文:
电气工程专业微机及网络通信实验支撑平台
摘要:针对当前电气类专业实验普遍存在着内容分散、平台落后等问
题,在分析电气类专业实验的现状和发展趋势基础上,提出实验课程整
合以及建设满足多课程需要的实验支撑平台,并开发了基于数字信号
处理器的电气工程专业微机及网络通信综合实验板,实验板具有齐全
的存储功能、丰富的人机界面、灵活的数据采集回路、强大的网络技
术等特点,能满足电气工程专业微机、网络等基础和专业实验课程的
需要,也可作为课程、毕业设计和创新性设计实验的一体化支撑平台。
关键词:电气工程;实验平台;数字系统;微机
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网特性、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
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