工业电气自动化设计方案电气自动化控制设计方案电气工程专业微机及网络通信实验支撑平台.docx

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工业电气自动化设计方案电气自动化控制设计方案电气工程专业微机及网络通信实验支撑平台

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（electronicdesignautomation）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（generalpurposeinput/output）相关（包括键盘、发光二极管LED（lightemittingdiode）、液晶显示器LCD（liquidcrystaldisplay）等应用）、定时器、看门狗、中断技术以及内部整合电路IIC（inter-integratedcircuit）、串行外围设备接口SPI（serialperipheralinterface）、多通道缓冲串行口MCBSP（multichannelbufferedserialport）、串行通信接口SCI（serialcommunicationinterface）、局域控制网CAN（controllerareanetwork）、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（pulsewidthmodulation）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,这是实验教案的重点。

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工程等提供良好的支持。

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案的难点。

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（digitalsignalprocessor）专长于数字信号处理,而微控制单元MCU（microcontrollerunit）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（electricallyerasableprogrammableread-onlymemory）的不间断实时日历时钟RTC（real-timeclock）、138译码器和电源管理、复杂可编程逻辑器件CPLD（complexprogrammablelogicdevice）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案尤为重要。

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（fastfouriertransform）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