智能電子線路故障診斷實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉鋒，曾小寶，胡良君

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，張家界 427000）

電子設(shè)備在使用過程中，難免受到各種因素影響而發(fā)生故障，影響正常的生產(chǎn)、生活；對電子線路的故障診斷及排除是電子從業(yè)人員的重要專業(yè)技能，因此在高職教育電子類專業(yè)技術(shù)技能型人才培養(yǎng)過程中，加強(qiáng)電子線路故障診斷及排除能力培養(yǎng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，可以有效提高畢業(yè)生的綜合素質(zhì)。

傳統(tǒng)的電子故障診斷教學(xué)需要大量人為“損壞”的“壞”電路作為實(shí)訓(xùn)裝置，缺乏靈活性，成本高昂，造成了線路故障診斷實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開出率較低，教學(xué)效果大打折扣。這要求我們設(shè)計(jì)開發(fā)一款實(shí)用、靈活的智能電子線路故障診斷實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，用于訓(xùn)練學(xué)生掌握常用電子線路檢修的基本技能，同時(shí)也可以作為考核設(shè)備，相比于傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)方法具有方便操作、集中控制、大數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點(diǎn)，這對推進(jìn)“理實(shí)一體化”教學(xué)、保障人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要意義。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，為了達(dá)到實(shí)用、靈活的目的，遵循了模塊化組合式的設(shè)計(jì)原則，不同的故障診斷目標(biāo)電路通過標(biāo)準(zhǔn)接口插入核心控制板，以實(shí)現(xiàn)靈活擴(kuò)展；遵循了軟硬共建的原則，開發(fā)實(shí)訓(xùn)裝置硬件設(shè)備同時(shí)配備實(shí)訓(xùn)講義、技術(shù)文檔、教學(xué)微課視頻等實(shí)訓(xùn)資源包，打造全方位的學(xué)習(xí)框架；實(shí)訓(xùn)裝置在設(shè)計(jì)中也考慮了基礎(chǔ)性、綜合性、創(chuàng)新性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目相結(jié)合，兼顧全國職業(yè)院校技能競賽、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽等賽前競賽集訓(xùn)的需要，提高裝置的實(shí)用性和先進(jìn)性。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能電子線路故障診斷實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)由上位機(jī)和若干臺(tái)智能故障模擬控制裝置組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框如圖1所示。

圖1 智能電子線路故障診斷實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，上位機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)行故障設(shè)置自動(dòng)評分軟件，負(fù)責(zé)教師端數(shù)據(jù)的發(fā)放，根據(jù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目訓(xùn)練要求發(fā)送故障設(shè)置命令，并收集學(xué)生答題信息以供大數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)學(xué)生技能掌握情況。故障模擬核心控制板通過Wi-Fi 通信模塊與教師機(jī)相連，接收故障設(shè)置命令通過繼電器陣列設(shè)置目標(biāo)電路板故障點(diǎn)，同時(shí)上報(bào)學(xué)生答題數(shù)據(jù)。

1.3 智能故障模擬控制裝置設(shè)計(jì)

智能故障模擬控制裝置（以下簡稱控制器）是整個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心，由Wi-Fi 通信模塊、單片機(jī)控制模塊、觸摸屏人機(jī)交互模塊、數(shù)字控制電源、繼電器陣列、元件陣列、故障模擬單元電路等模塊組成，如圖2所示。其中，單片機(jī)控制模塊通過Wi-Fi通信模塊加入無線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制器、控制器與控制器之間的信息傳遞；觸摸屏人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)訓(xùn)練學(xué)生排故和答題，訓(xùn)練模式下，通過觸摸電路上的故障點(diǎn)按鈕，就可以設(shè)置故障點(diǎn)，同時(shí)顯示該故障點(diǎn)的二維碼，學(xué)生用手機(jī)掃描即可查看學(xué)習(xí)幫助和教學(xué)視頻，在考核模式下，觸摸故障點(diǎn)完成答題。數(shù)字控制電源、繼電器陣列、元件陣列用以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電路的故障模擬，在電子系統(tǒng)中最常見的故障是斷路故障、短路故障、元件失效故障和電源故障，利用繼電器的通斷可以模擬設(shè)置短路、斷路故障點(diǎn)，利用元件陣列將預(yù)先準(zhǔn)備好的失效元件接入目標(biāo)電路可以模擬元件失效故障，利用數(shù)控電源控制電壓、電流輸出給目標(biāo)電路供電，可以模擬電源故障。

圖2 智能故障模擬控制器結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)用STM32F103單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心器件，該器件具有價(jià)格便宜、片內(nèi)資源豐富的優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)控制系統(tǒng)包括了時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG 下載電路等最小系統(tǒng)部分電路和為了實(shí)現(xiàn)無線通信部分的Wi-Fi 模塊電路，Wi-Fi 模塊選用了目前成熟的ESP8266模塊，簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)，該模塊采用串口與單片機(jī)通信，利用模塊提供的AT 指令集實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)通信的功能。

2.2 觸摸屏人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，為了減輕單片機(jī)繪圖的系統(tǒng)開銷，選用了迪文DGUS 串口屏。這種屏幕將實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)好的觸控畫面放入SD 卡，不需要編寫程序，通過串口與單片機(jī)連接，通過讀寫串口即可識(shí)別觸屏按鍵、畫面顯示等功能，方便了故障點(diǎn)的設(shè)置。

2.3 數(shù)字控制電源設(shè)計(jì)

數(shù)字控制電源用于向目標(biāo)電路板提供程控的電壓、電流輸入，為模擬電源故障提供支持。該電路利用大功率DC-DC 芯片XL6019實(shí)現(xiàn)核心功能，核心原理是將單片機(jī)的DAC 輸出，作為電源的采樣反饋比較環(huán)節(jié)的參考電壓，改變DAC 輸出即可控制電源的輸出電壓或輸出電流。

2.4 繼電器陣列和元件陣列設(shè)計(jì)

繼電器陣列和元件陣列的規(guī)模大小直接決定了能設(shè)置的故障點(diǎn)個(gè)數(shù)，為了最大化的增加系統(tǒng)的實(shí)用性，達(dá)到40個(gè)以上故障點(diǎn)的設(shè)置，必須對單片機(jī)進(jìn)行IO 擴(kuò)展，系統(tǒng)采用了5片74HC595級(jí)聯(lián)，利用3個(gè)I/O 口串轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)對40路輸出的獨(dú)立控制。由于74HC595驅(qū)動(dòng)能力有限，不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，我們將74HC595輸出信號(hào)光電隔離后驅(qū)動(dòng)功率芯片ULN2803以驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，通過控制繼電器通斷，模擬斷路、短路故障同時(shí)向目標(biāo)電路板引入失效元器件模擬元件故障。

2.5 故障模擬目標(biāo)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了模塊化組合式設(shè)計(jì)原則，故障模擬目標(biāo)電路通過2.54mm 排針與控制器標(biāo)準(zhǔn)接口相連，插入不同的目標(biāo)電路即可實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，控制器將繼電器陣列和元器件通過該標(biāo)準(zhǔn)接口引出供目標(biāo)電路板使用。為了讓控制器能夠自動(dòng)識(shí)別插入的目標(biāo)板類型，接口中用8個(gè)引腳作為地址線，不同的目標(biāo)板將地址線接不同的電平信號(hào)，構(gòu)成二進(jìn)制編碼以供控制器識(shí)別，于是系統(tǒng)最大支持256個(gè)不同的目標(biāo)電路。目前，我們設(shè)計(jì)了串聯(lián)穩(wěn)壓電源、小功率音頻放大電路、555數(shù)字時(shí)鐘、聲光停電報(bào)警器、電子調(diào)光燈等目標(biāo)電路，它們都是模擬電路、數(shù)字電路中最基礎(chǔ)、最具代表性的電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件編寫分為兩個(gè)部分：上位機(jī)故障設(shè)置自動(dòng)評分軟件和控制器控制軟件。由于采用了無線局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)可以直接使用TCP/IP 編程構(gòu)建服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與控制器之間的數(shù)據(jù)交換，這都可以使用強(qiáng)大的Qt5來編程實(shí)現(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

上位機(jī)與控制器之間的可靠通信，是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵，上下位機(jī)之間需要交換的數(shù)據(jù)包括學(xué)生的登陸信息、目標(biāo)板的類型、設(shè)置故障點(diǎn)、學(xué)生的答題數(shù)據(jù)，為此系統(tǒng)采用了MODBUS通信協(xié)議，根據(jù)需要交換的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了如圖3所示的數(shù)據(jù)幀。

3.2 控制器工作流程

控制器的主要工作是接收教師端的故障設(shè)置命令，觸摸屏的觸摸命令，根據(jù)接收到的命令控制數(shù)字電源輸出，更新繼電器陣列、元件陣列的狀態(tài)，設(shè)置故障點(diǎn)。學(xué)生答題后，判斷答題是否正確，并將結(jié)果反饋給教師端和解除故障，其軟件流程圖如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)包格式

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)束語

智能電子線路故障診斷實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)創(chuàng)造性的將單片機(jī)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、觸摸屏人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)字控制電源技術(shù)、上位機(jī)軟件技術(shù)結(jié)合起來，具有智能化、易擴(kuò)展、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了 圖4 系統(tǒng)軟件流程圖基本電子線路故障診斷教學(xué)的智能化，便于開展“生產(chǎn)型”的理實(shí)一體化教學(xué)。所開發(fā)樣機(jī)設(shè)計(jì)了多個(gè)典型模擬電子線路、數(shù)字電路線路的故障診斷目標(biāo)電路，在實(shí)踐中，取得了良好的教學(xué)效果。