王泉德，王先培（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢430079）

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，自動(dòng)化技術(shù)、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)已經(jīng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體，傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方法發(fā)生了根本性變化?；丶惺骄植孔詣?dòng)化的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)已經(jīng)被以通信技術(shù)為核心的分散綜合自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)所取代，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)也由單點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展到以總線技術(shù)為基礎(chǔ)的多點(diǎn)測(cè)試計(jì)量的虛擬儀器系統(tǒng)和以總線技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器系統(tǒng)?！稖y(cè)控總線與儀器通信技術(shù)》課程內(nèi)容包括片內(nèi)總線通信技術(shù)、片間總線通信技術(shù)、內(nèi)總線通信技術(shù)、系統(tǒng)總線通信技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)總線通信技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、儀器通信技術(shù)以及無線通信技術(shù)等。進(jìn)行該課程教學(xué)時(shí)，需要充分考慮測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的特點(diǎn)和知識(shí)結(jié)構(gòu)，以便將將先進(jìn)測(cè)控總線與儀器通信技術(shù)介紹給測(cè)控技術(shù)與儀器、自動(dòng)化、機(jī)電一體化等專業(yè)的學(xué)生。為此，筆者根據(jù)多年教學(xué)實(shí)踐，對(duì) 《測(cè)控總線與儀器通信技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的選擇

《測(cè)控總線與儀器通信技術(shù)》課程涉及到的總線和通信技術(shù)較多，如果實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容涵蓋所有相關(guān)內(nèi)容，則會(huì)占用過多的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，也給實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研發(fā)帶來困難。為此，需要研究教材內(nèi)容，挑選具有代表性的總線與儀器通信技術(shù)，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)裝置，使學(xué)生通過主流知識(shí)和技術(shù)的學(xué)習(xí)實(shí)踐，對(duì)應(yīng)用于特定領(lǐng)域和環(huán)境下的其他總線和通信技術(shù)也能觸類旁通。

控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network，CAN）是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，由德國BOSCH公司開發(fā)并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)。近年來，CAN總線以其高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度高、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。為此，筆者選取具有代表性的CAN總線的相關(guān)技術(shù)，并融合簡單接口通信技術(shù)、無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容：

1）簡單接口通信實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握串口通信等簡單通信技術(shù)以及各種通信連接方式。

2）CAN總線通信實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握CAN總線通信技術(shù)，并能在CAN總線上構(gòu)建各種連接方式的多點(diǎn)通信系統(tǒng)。

3）集成無線通信模塊的CAN總線通信實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握無線通信技術(shù)及其構(gòu)建CAN總線多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)的方法。

4）創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。以生產(chǎn)實(shí)踐為應(yīng)用背景，構(gòu)建以CAN總線為核心的多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集或測(cè)控系統(tǒng)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的研制

根據(jù)選擇的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的研制。采用臺(tái)灣宏晶公司出產(chǎn)的STC系列STC89C52單片機(jī)來開發(fā)通信節(jié)點(diǎn)。由于STC系列單片機(jī)不需要配備ISP電路，可以通過內(nèi)嵌一段代碼來實(shí)現(xiàn)串口下載，因而其串口不但可以通信，而且可以用來實(shí)現(xiàn)程序下載，學(xué)生只需要連上PC的串口就可以自由下載自己所編程序。此外，采用Philips公司出產(chǎn)的符合CAN2.0A通信協(xié)議的SJA1000作為實(shí)驗(yàn)裝置的CAN控制器，SJA1000相對(duì)比較簡單，資料豐富，可以讓學(xué)生快速入門。該實(shí)驗(yàn)裝置中幾個(gè)主要部件的設(shè)計(jì)如下。

2.1 CAN通訊模塊的電路設(shè)計(jì)

CAN通訊模塊的電路設(shè)計(jì)如圖1所示。該電路主要包括如下3部分：①與CPU的接口?？蓪JA1000看作STC89C52單片機(jī)的一個(gè)外部RAM，設(shè)計(jì)相應(yīng)的擴(kuò)展電路即可，并選擇Intel模式連接單片機(jī)。SJA1000的數(shù)據(jù)線和地址線是共用的，STC89C52的數(shù)據(jù)線和地址線也是共用的，直接進(jìn)行連接即可，但需要連接地址鎖存信號(hào)ALE以區(qū)分AD線上傳輸?shù)氖堑刂愤€是數(shù)據(jù)。SJA1000的中斷管腳連接單片機(jī)的INT1外部中斷，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包后，通知STC89C52進(jìn)行處理。此外，還需要為SJA1000添加片選信號(hào)和讀寫信號(hào)。②CAN控制器SJA1000與驅(qū)動(dòng)器82C250接口及其他外圍電路。SJA1000有2路發(fā)送和接收管腳，選取其中1組即可，直接與82C250的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送管腳進(jìn)行連接。③82C250外圍電路。在CANH和CANL管腳增加阻容電路，濾除總線上的干擾以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。RS管腳可以用來選擇82C250的工作模式，即高速模式(應(yīng)用與對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率高的情況，通訊數(shù)據(jù)線最好是屏蔽的）、斜率模式(速度較低，通訊數(shù)據(jù)線可以是普通的雙絞線）、準(zhǔn)備模式(應(yīng)用于對(duì)功耗要求比較高的場(chǎng)合）。

圖1 CAN通訊模塊電路設(shè)計(jì)

2.2 無線通信模塊設(shè)計(jì)

無線通信模塊基于nRF2401單片射頻收發(fā)芯片開發(fā)，其電路設(shè)計(jì)如圖2所示。nRF2401工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，具有多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。由于使用DuoCeiverTM技術(shù)，nRF2401可以使用同一天線同時(shí)接收2個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。

根據(jù)研制的實(shí)驗(yàn)裝置可以開設(shè)如下實(shí)驗(yàn)。

1）232、485 串口通信和程序下載實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)裝置的使用并掌握簡單接口通信技術(shù)。

2）CAN總線通信協(xié)議驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)可完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接受通信節(jié)點(diǎn)的編程并下載驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)收發(fā)。

3）CAN總線組網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)3個(gè)及3個(gè)以上節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)收發(fā)，學(xué)生通過完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接受通信節(jié)點(diǎn)的編程并下載驗(yàn)證，可以掌握基于CAN總線通信的多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信技術(shù)。

4）CAN總線無線通信實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)3個(gè)及3個(gè)以上節(jié)點(diǎn)間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)，學(xué)生通過完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接受通信節(jié)點(diǎn)的編程并下載驗(yàn)證，可以掌握基于CAN總線通信的多節(jié)點(diǎn)無線組網(wǎng)通信技術(shù)。

圖2 無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

5）基于CAN總線構(gòu)建多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)采集不同壓力、溫度、紅外燈傳感器信號(hào)，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)預(yù)處理并提交給中心節(jié)點(diǎn)集中進(jìn)行管理。學(xué)生通過完成各傳感器信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的編程并下載驗(yàn)證，可以掌握多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理和構(gòu)建方法。

6）基于CAN總線構(gòu)建簡單的測(cè)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)采集不同壓力、溫度、紅外燈傳感器信號(hào)，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)預(yù)處理并提交給控制節(jié)點(diǎn)處理，控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)所接收的信息完成相應(yīng)的控制操作。學(xué)生通過完成各傳感器信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)的編程并下載驗(yàn)證，可以掌握實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)的原理和構(gòu)建方法。

3 結(jié) 語

測(cè)控總線與儀器通信技術(shù)是電子、儀器類本科生必須重點(diǎn)掌握的知識(shí)和技術(shù)之一。筆者在分析 《測(cè)控總線與儀器通信技術(shù)》課程的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，并據(jù)此設(shè)置了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為 《測(cè)控總線與儀器通信技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。下一步的工作重點(diǎn)是通過教學(xué)實(shí)踐進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)整試驗(yàn)內(nèi)容，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握測(cè)控總線與儀器通信技術(shù)的相關(guān)知識(shí)和技能。