张 刚 王淑娟 吕 超 徐 乐 张 岩
(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院， 哈尔滨 150001)
高阶性、创新性和挑战度是“金课”建设的标准[1-2]。电气信息实践类“金课”建设是提高学生自主学习能力、工程实践能力和创新能力的关键手段[3-7]。近年来，随着EDA技术和半导体技术的进步，电气信息类学生进行复杂电子系统开发的难度逐渐下降，学生越来越“喜软怕硬”，对底层电子技术硬件电路兴趣度下降。由于电子技术实践类课程偏重于硬件基础实验，学生参与热情和满意度下降明显。但与此同时，结合人工智能、无人驾驶、移动互联网等新兴技术的电子类科技创新竞赛方兴未艾，学生参与热情极高。因此，如何在提高电子技术实践类课程“两性一度”的同时，进一步提高学生参与热情，激发学生创新精神，成为当前实践教学改革面临的新课题[8-11]。
哈尔滨工业大学“电子技术课程综合实验”是面向电气信息类本科二年级开设的一门综合实验课程，是学生在学习完电路、模拟和数字电子技术等基础知识后，尝试利用所学知识解决综合性工程问题的首次实践。2018年起，对标“金课”建设要求，对课程内容进行了全新设计。改革思路为将科创竞赛内容和形式引入课程综合实验，以全国大学生智能车竞赛为背景，建设了“循迹竞速电动车设计”项目，提高学生的参与兴趣。内容设计上，将授课教师的科研成果融入实验内容，实验要求层次推进，并可以多方案实现，提高了课程的高阶性和挑战度。通过上述课程改革，在继续保持哈尔滨工业大学电气专业学生工程实践能力和创新能力强的人才培养特色的同时，进一步激发学生学习兴趣，培养自主学习能力，提高人才培养水平。
“循迹竞速电动车设计”项目要求学生在不使用微控制器的条件下，利用模拟和数字电子技术中学过的基本电路，设计、组装一辆循迹竞速电动车，在图1所示赛道上完成如下任务：
图1 跑道示意图
(1)设计组合逻辑电路，实现电动车自主循迹功能；
(2)设计时序逻辑电路，实现电动车终点退出功能(检测到终点退出赛道)；
(3)通过电路仿真完成系统总体方案的验证；
(4)优化电动车循迹方案、速度和转向控制逻辑，提高竞速成绩；
(5)优化元器件布局、布线工艺，改善系统电磁兼容性和信号完整性。
教学实施过程以学生为主体设计制作，教师启发引导，具体设计如图2所示。教学实施进程分为课前预热、调试验收和总结反思三个环节。本实验是一个比较完整的工程实践过程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计与仿真、实验调试、功能优化、设计总结等过程。
图2 教学过程
电子技术实验的魅力在于实验结果的未知性，实验结果往往与理论值存在一定差别，甚至测试不到结果。在这种情况下，学生会产生悲观失落、自我怀疑的挫败情绪。因此，教师要在实验全程进行心理辅导，帮助学生分析实验结果不理想的原因，以实事求是的原则指导学生排除故障，培养追求真理、严谨治学的求实精神。对于部分优秀学生而言，实现基本功能较为容易，教师要通过方案启发、加分奖励等手段，鼓励学生挑战更快速度、更高性能、更完美的工艺，勇攀高峰，敢为人先，培养学生的工匠精神和创新精神。
通过上述教学过程，培养学生能够运用所学习的电子技术基础知识完成具有一定复杂度电子电路的设计、仿真和调试，深入理解方案优化、电磁兼容、PWM控制等工程概念，具备解决复杂工程问题的能力，培养学生工程实践能力、创新能力、自主学习能力和团队精神。
该项目是一个运用数字和模拟电子技术解决工程实际问题的典型案例。如图3所示，完成实验作品需要综合运用传感器及检测技术、PWM信号和时钟信号发生、信号调理、组合和时序逻辑控制电路设计、电机驱动、锂电池等相关知识，以及电路仿真、可编程逻辑器件开发、PCB制作与焊接等技术方法，涉及参数优化、抗干扰等工程概念与方法。实验内容分为基本要求和拓展部分，每一功能均可由多种方案实现，学生完成实验内容的自由度较高。
图3 循迹竞速电动车系统结构图
2.1 电动车平台
循迹电动车车体采用如图4所示的三轮两驱结构(2个驱动轮、1个万向轮)，驱动轮由直流减速电机驱动(减速比1:48)，车体为亚克力结构。车体以散件发放给每个小组后，需要按照图纸组装并为驱动电机焊接电源线。
图4 循迹竞速电动车车体
2.2 电源模块
电源模块为小车的轨迹检测传感器、控制电路和电机驱动等电路提供电源，其中轨迹检测和控制电路均设计为直流+5 V供电，小车采用直流电动机驱动，驱动电压为直流+5～+10 V。因此本设计采用两节18650锂电池串联(约为+7 V)配合LM7805线性稳压芯片(输出+5 V)分别获得两种电压等级电源。电路原理图如图5所示。这里留一个思考题，结合当前电动车“里程焦虑”背景，要求学生思考LM7805是否是一个好的选择，有什么可替代的优化方案。这里主要考察“功耗”约束下的工程方案选择，同时也是串联稳压与开关稳压电路的再学习、再理解。
图5 电源模块原理图
2.3 轨迹检测模块
轨迹检测使用两路反射式红外传感器实现，分别安装在左轮和右轮下方。反射式红外传感器电路如图6所示，其中TCRT5000是一种集发射与接收于一体的光电传感器，它由一个红外发光二极管和一个红外光电三极管组成。检测反射距离1～25 mm适用，传感器越贴近地面，循迹精度越高。TCRT5000输出信号使用施密特反相器改善波形质量，输出波形驱动能力强。除采用两路传感器方案外，轨迹检测还可采用三传感器或多传感器来实现，循迹精度更高，但控制电路设计也更为复杂，对学生能力要求也更高。
图6 反射式红外传感器电路原理图
2.4 主控模块
电动车主控模块的功能是驱动电动车直流电机，根据轨迹检测模块输出的轨迹信息实时调整电动车行进方向和速度，实现循迹功能和终点退出功能。具体实现方案如图7所示。
该设计的电机驱动使用L293B芯片完成。L293B是推挽四通道驱动器，常用于减速电机驱动，具有驱动电路简单、功率容量大的特点。L293B的EN1和EN2引脚是使能端，高电平有效，如接入脉宽调制(PWM)信号可实现对电机转速的精确控制。IN为控制信号输入端，例如，可通过改变IN1和IN2管脚的电平实现对电机的正反转控制。
电动车方向控制策略有两种方案：
方案一：通过车轮转速差实现方向控制。电动车左右驱动轮均使用L293B的PWM转速控制功能，根据轨迹检测情况实时调整PWM信号占空比，利用两个车轮转速差调整行进方向。PWM信号占空比调节使用74LS85比较器和74LS163计数器实现。74LS163对时钟信号循环计数(0～15)，计数输出作为被比较数输入74LS85，与控制逻辑给出的比较数对比。改变比较数的值即可调整74LS85输出信号脉宽，进而调节左右轮电机的速度差来改变行进方向。
时钟信号发生电路由555定时器和74LS14施密特反相器构成。555定时器构成多谐振荡器，通过调整电位器Rw实现时钟频率调整。时钟信号经施密特反相器整形，输出规范的数字信号电平。
方案二：通过电机正反转实现方向控制。电动车左右驱动轮均L293B的正反转控制功能，根据轨迹检测情况实时调整左右车轮的转向来调整行进方向。控制逻辑输出的L_dir和R_dir可以作为电机驱动芯片的输入。
图7 循迹电动车主控制电路
逻辑控制模块功能是根据轨迹检测结果给出电机速度和转向的控制信号，实现循迹和终点退出功能。假设电动车赛道背景色为浅色(反射式红外传感器输出数字量1)，轨迹线为深色(反射式红外传感器输出数字量0)，电机正转控制信号为0，反转控制信号为1。如通过电机正反转来控制行进方向，则电动车的循迹控制逻辑真值表如表1所示。
根据此真值表可列写出输入变量SL和SR与输出变量L_dir和R_dir的逻辑表达式(1)和式(2)，使用2个非门即可实现此组合逻辑电路。
(1)
(2)
表1 电动车循迹逻辑真值表
本设计要求循迹电动车在终点检测终止线时停止循迹，并倒车退出比赛。与简单循迹功能相比，相当于控制模块输入多了一个输入变量，即是否已到达终点线。可使用触发器作为电动车当前状态Q的寄存器(0表示循迹状态，1表示退出状态)，列出真值表如表2所示，通过卡诺图化简可得逻辑表达式。
(3)
(4)
表2 考虑终点退出的电动车循迹逻辑真值表
带有终点退出功能的循迹电动车控制逻辑电路方案之一如图8所示，触发器74LS74的D输入端始终接高电平，使用上电复位电路将触发器输出Q置为0。当车未到达终点时，触发器时钟端CLK始终保持低电平；
当车到达终点检测到终点线后，SL和SR同时输出0，CLK出现上升沿，触发器输出Q锁存住D输入端的状态，即输出变为高电平，电动车被锁定在倒车状态。L_dir和R_dir接入L293B控制车轮旋转方向。这一方案虽然原理简单，但学生调试成功率并不高，原因在于触发器在发车前需要复位，大部分学生采用手动复位，不太可靠，易被干扰。问题驱动下，学生就会自主设计可靠的自动复位电路。除上述方案外，学生还可自主设计转速差控制方式的逻辑电路，在此不再赘述。
在调试完控制电路后，学生作品需要在图1(b)所示赛道内竞速，竞速成绩占总成绩30%，以倒逼学生去优化电路设计，提高循迹速度。但优化过程中又会受到循迹精度、器件性能的约束，需要在多种方案冲突中做出折中和妥协，培养学生解决复杂工程问题的能力。
除完成基本功能外，如学生能够制作PCB并完成焊接调试、使用FPGA实现逻辑控制、通过系统抗干扰设计减少波形噪声并分析原理等，均可获得额外加分。学生需要自行查找资料、学习软件，通过团队协作来完成本部分的功能。
本设计所制作的电动车既涉及数字电路又包含模拟电路，既有低压控制信号，又有功率负载驱动电机，电磁干扰问题较为突出。为了获得准确、干净的信号波形，需要采取必要的抗干扰措施。比如图9所示的电源电压同步开关噪声，解决这一问题学生要自行查找资料，找到解决办法，比如加去耦电容，并且能够验证效果，说明原理。
图8 循迹电动车控制逻辑电路
图9 控制板供电的同步开关噪声及去耦电容使用效果
此外，借助于近场探头、频谱仪等电磁兼容的测试设备，学生可以去找到干扰源。本项目中的主要干扰源是驱动电机及其供电电缆，如图10所示。
图10 电机供电电缆的近场磁场发射及抑制效果
(a) 铝箔包裹 (b) 双绞 图11 电机供电电缆近场辐射的抑制措施
如能采取如图11所示的线缆双绞并配合屏蔽措施，便可达到良好的电磁发射抑制效果。这两部分拓展内容的设计灵感来自于教师设计团队的科研项目。
本设计的考核要求及方法如表3所示。学生组队完成调试验收后，要求每个组员分别进行口头答辩。
答辩最后，学生参与“生生互评”环节，互评采用投票形式，每人1票，投给本组贡献最大的同学，得票数即分数，计入最终成绩。此外，学生需要提交固定格式设计报告，并对本次实验提出改进建议。教师对实验中出现的问题进行整理，获取反馈信息进行改进，以待后续提高。
由于本综合实验采用面包板搭建电路，大部分学生是本科阶段第一次系统调试此类复杂电路，学生普遍反映调试过程中遭遇了较多挫折。特别是在终点退出功能实现、面包板连线、电路电磁干扰等方面遇到较多问题。但也因此锻炼了学生解决复杂工程问题的能力，部分学生还能自主学习，掌握了如“可靠性”“系统优化”“容错性”“成本控制”等课堂之外的知识，课程目标达成度很高。
表3 考核要求与方法
为了切实提高电气信息类学生解决本领域复杂工程问题的能力，打造实践类“金课”，提出以循迹竞速电动车位载体的课程综合实验项目，采用任务驱动模式，将课堂知识与复杂工程实现的挑战性、竞技类项目的趣味性结合，能够激发学生学习兴趣和创新热情。同时，将科研成果和竞赛内容转化为教学内容，科教融合，提升了课程的高阶性和挑战度。实验难度设计层次分明，方案多样，拓展空间大，满足各层次学生学习需求。从教学效果来看，该项目切实提高了实践类课程的学生满意度和教学目标达成度。此外，该项目对实验条件要求较低，具有良好的推广性。
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