汽车电子实践教学方法研究

    马天才 贾文雅

    

    

    摘 ?要 实践性教学是培养学生实践能力和创新能力的重要途径和必由之路，是汽车电子专业课程建设的核心环节。基于开发外围接口电路和软件，扩大教学实验的范围，创造学生了解最新技术发展动态和实际工程应用技术的途径。

    关键词 汽车电子技术;实践教学;实验教学;教学改革;课程设计;实验平台

    中图分类号：G642.0 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）14-0116-04

    Abstract Practical teaching is an important way to cultivate students?practical and innovative ability. It is the core link of automobile elec-tronic professional curriculum construction. The project is based on?the development of peripheral interface circuits and software， expan-ding the scope of teaching tests. It can create ways for students to?understand the latest technological developments and practical engi-neering applications.

    Key words automotive electronics technology; practical teaching; experiment teaching; teaching reform; curriculum design; experi-mental platform

    1 引言

    在過去十年汽车技术的飞速发展过程中，汽车电子技术无疑是其中主要的关键驱动力，汽车电子技术也是未来汽车低碳化、智能化和信息化的技术基础。然而由于汽车工业属于最具代表性的综合技术载体，仅仅依靠电子技术还无法支撑汽车技术的发展，需要研发和从业人员具备除电子技术以外的工业技术知识，因此，教学和学生培养必须立足于综合、全面技术人才的培养，尤其是非汽车电子专业的学生需要加强对汽车电子技术的理解和对工具的运用。

    现阶段，汽车电子学科的本科理论教学内容主要讲授专业基础知识，偏重于理论和原理性的应用，虽然现有实验教学内容对理论学习可以起到较好的辅助作用，但是所涉及的技术已经远远落后于工业领域的主流技术水平，导致学生在毕业设计以及在后期的研究生学习和进入工作岗位后存在较长的学习期。

    基于上述原因，本项目通过对现有实验装置的改造，增加其对外部新部件的接入能力，实现基于教学内容和当前技术与零部件联通的桥梁，针对不同的课程和不同基础的学生开设差异化的实验内容，提升教学质量，增强学生培养效果。

    在对汽车电子技术的教学研究中，文献[1]提出优化配置汽车电子与控制课程内容、改革结构体系、改革教学方法和手段、加强实验建设和课程设计环节等改革思路;文献[2]分析了汽车电子控制技术课程在理论教学和实践教学方面的问题，提出灵活多样的理论教学改革方案和采用项目教学法等加强实践环节教学的建议;文献[3]介绍了汽车电子控制技术课程精品实验项目的设计思想、主要环节及具体实践;文献[4]将虚拟仪器LabVIEW软件应用于汽车电子技术综合性和设计性虚拟实验中，并进行实验教学的实践;文献[5]开发了汽车电子控制系统实验教学所需要的嵌入式系统，完成实验箱硬件及教学实验所需的支撑软件，并在此基础上开展了教学实践;文献[6]介绍了汽车电子系列特色课程的研究。

    本文探索以教师设计为主，结合计算机硬件基础课程实验、汽车嵌入式系统以及汽车电子专业课程设计教学内容，积极吸收本科生参与，综合教师教课需求和学生学习需求，完成本项目的建设。

    2 需求分析

    平台需求分析 ?平台的主要建设内容基于现有“通用微机接口实验系统”和“MT-IDE for Freescale HC08 V1.0通用开发套件”已用功能和外围可扩展接口，结合汽车电子学科教学需求，围绕汽车电子常用的执行器、传感器和通信系统实验要求展开，主要包括以下建设内容。

    1）常用传感器电气接口和信号调理装置开发：根据现有相关课程教学内容，选择电压、电流、温度、压力、流量、速度等传感器作为实验教学对象，开发供电、电源保护、信号调理、信号保护、信号测量等功能模块，配置专用的线束和测量端口，并集成为一套可移动式教学装置。

    2）常用执行器电气接口和功率驱动模块开发：根据相关课程教学内容，拟选择节气门、继电器、分离式MOSFET、智能型驱动模块、电磁阀、直流电机和散热风扇等作为实验教学对象，开发大功率供电、电源检测、驱动模块调理、控制信号变换电路、功耗测量、执行器保护等功能模块;通过热插拔接口连接外部执行器，通过专用线束连接原有实验装置，形成执行器实验和功率电子验证的移动式开发实验平台。

    3）常用通信接口转换与软件监控装置开发：主要针对现有实验装置上具有的RS232、SCI接口扩展计算机接入模块;针对汽车工业常用的LIN、CAN、SPI、RS485开发独立接入模块，基于现有实验装置接口，通过电平转换，增加计算机接入模块，实现端口扩展以及与计算机系统的互联。

    控制器硬件需求分析 ?根据平台需求，可将控制器硬件划分为图1所示的10个部分，分别包含SBC（系统基础芯片）、CAN（CAN网络通信）、AD（模拟量采集）、DI（数字量采集）、PWMi（脉宽调制输出）、Hiside/Lowside Out-put（高低边驱动）、Half-Bridge Driver（半桥驱动）、5 V电源、DAC（模拟量输出）、EEPROM（带电可擦可编程只写存储器）。

    3 方案设计

    平台架构设计 ?整个实物接入装置初步拟定为上位机、自制控制器、软件平台、实物接入平台、被接入物等五部分。整体架构如图2所示，上位机与控制器通过CAN通信，上位机可对控制器发送指令和实时监控内部状态;软件平台负责编写下位机刷入自制控制器;实物接入平台负责提供控制器、传感器、执行器所需电源，以及将所有控制器资源通过螺丝端子的形式与被控对象连接。搭建的实物接入平台如图3所示。

    控制器硬件设计 ?控制器采用的是恩智浦（NXP）的32位微控制器SPC5746RK1MMT5。它的工作频率高达200 MHz，并提供针对低功耗优化的高性能处理。它利用当前电源设备的可用开发基础架构，并支持软件驱动程序、操作系统和配置代码，以帮助用户实施。控制器的设计母图如图4所示。

    4 实践教学在课程中的应用

    本项目建设的内容主要是在原有实验教学设备基础上，通过开发相应的接口，扩展现有实验设备的实验能力，增加现阶段汽车工业中常用的传感器、执行器、通信接口和控制单元的实验内容，面向不同的课程可以采用有针对性的裁剪和扩充。本项目建设内容主要应用于计算机硬件技术基础、汽车嵌入式系统和汽车电子专业课程设计。

    在计算机硬件基础课程教学中的应用 ?针对计算机硬件基础课程实验教学的应用主要是面向汇编语言拓展软件执行效果的验证，包括运算结果通过外围指示灯、显示器等反映出来，用于支撑学生对汇编语言语句以及执行效果的理解;针对输入输出接口教学内容，增加汽车实际使用的按钮、仪表盘等实际执行器作为外部的输入输出终端，辅助学生理解计算机系统增加接口芯片的必要性，以及输入缓冲、输出锁存的基本原理的物理意义;针对8253可编程定时器的实验教学内容，增加时间测量功能，体验在汽车实际工作中定时控制的必要性;针对A/D转换实验教学内容，增加实际传感器的接入和调理电路，培养实际物理信号和数字转换结果之间的运算能力。

    1）实验内容。目前该课程的实验课分为四个实验：I/O地址译码、简单并行接口、可编程定时器/计数器（8253）、模/数转换器。这四个实验的进行涉及软件和硬件两个方面，这就既需要学生根据原理图准确地连接好实验电路，也需要学生操作软件实现功能，对于学生提升实验能力有极大的帮助。

    2）实验过程。实验教学机房的每个位置配备了电脑及相应的实验平台，如图5所示。首先，学生理解实验的目的，明确实验意义，在检查好实验仪器后，按照实验原理图连接好电路;然后在电脑上检查硬件是否连接;接着按照指导书通过对执行器的控制观察实验现象。图6为学生做实验的过程。

    3）实验成果。该系统针对课程提供了最新接口USB的实验，使学生在校学习期间有机会接触常规接口与新型接口，为学生今后从事微机开发应用打下基础。

    在汽车嵌入式系统教学中的应用 ?针对嵌入式系统课程教学面临的实验设备成品化，实验项目时滞化，不利于培养大学生实践创新能力等问题，探索一种嵌入式实验教学电路板的开发，构建学习领域实验课程，教学效果较好。

    1）实验内容。本嵌入式实验教学电路板的开发包括学生参与完成嵌入式系统的规划、电子CAD绘图与制板、贴片元器件识别与焊接、MCU最小系统调试、项目化功能电路调试这五个环节。

    2）实验过程。

    ①教师给出规划范例，指定条件，让学生进行开发板的规划。

    ②学生通过Altium Designer软件绘图，教师进一步给出开发板规划的原理图范例，让学生遵循自己的规划，自主完成原理图与印制电路板图的绘制，要求尽量选用贴片元器件。

    ③教师一方面给学生介绍常见的电子元件，另一方面对学生手工焊接贴片元件技术进行指导，增加学生的理论知识，训练学生的动手操作能力，培养学生细心与耐心的习惯。

    ④进行最小系统调试。通过教师提供的程序范例，学生编译、生成下载文件，烧写到开发板里，验证MCU最小系统是否工作。

    ⑤在调试好最小系统的开发板上由简到繁逐一完成多个功能项目的调试与验证。

    3）实验成果。学生通过此门课程的学习，能正确识读嵌入式系统的组成方框图，掌握各功能模块的作用，掌握安装与调试方法，学会分析安装与调试过程中普遍出现的故障现象的原因，掌握典型故障的排除方法，以及必要的测量与调试手段，具有嵌入式系统维修与调试的实际经验。

    在汽车电子专业课程设计教学中的应用 ?本教学系统中使用的MC9S12XS128单片机核心板，与全国大学生飞思卡尔杯智能车模竞赛设计的单片机基本系统模块相兼容。MC9S12XS128嵌入式教学系统主要由两个部分组成：调试下载用的新款三合一USBDM、MC9S12XS128单片机基本系统（MC9S12XS128单片机核心板和与核心板配套使用的MC9S12XS128嵌入式教学系统实验板）。

    1）实验内容。学生利用MC9S12XS128单片机核心板，以CodeWarrior为开发环境，通过动手编写代码来实现对单片上一些元器件的控制以及对串口的调试工作。

    2）实验过程。

    ①查阅单片机的电路原理图，在CodeWarrior中进行程序调试，实现预期功能。

    ②利用MC9S12XS128单片机核心板进行SCI串口实验。

    ③学生用Protel设计单片机最小系统，包括电源、时钟（晶振）电路。

    3）实验成果。首先，利用本项目开发的软硬件接口，建立前期课程所学知识与课程设计所用知识之间的桥梁，将设计内容化整为零，缩短设计验证过程;其次，利用本项目开发的软硬件接口，充分利用实验室现有资源，减少了课程设计过程中实践环节的投入，为多位学生之间的分工合作提供了开放性平台;最后，基于本项目的改造，实现了对课程设计开发的软件、硬件进行客观的量化評价，增强课程考核评价的客观性和公正性。

    5 结语

    在汽车电子技术实践教学中，由于这一学科的实践性较强，最好的教学方法便是将理论教学与实践教学结合起来。理论教学主要是让学生掌握相关的汽车电子技术理论，而后能够在实践中加以运用。本项目对教学实践进行改革，尽可能增加实践教学课程的比例，让学生将学到的理论知识加以运用;通过实验或者课程设计的方式，增进对理论知识的了解，并且逐渐能够将其运用到实践中。本项目顺利完成预期的各个阶段的工作计划，包括：完成实验平台改造设计总体方案和核心硬件原理图设计与器件选型;完成实验平台的核心接口电路集成开发与调试;将实验平台应用于教学实践，并根据学生的使用情况进行优化改造。本次实践教学搭建了基于教学内容和当前技术与零部件联通的桥梁，针对不同的课程和不同基础的学生开设差异化的实验内容，强化了学生对理论知识的实际运用能力，加深了学生的学习兴趣，以此达成提升教学质量和增强学生培养效果的目的。

    为了更好地培养汽车电子技术人才，本项目在以下方面还可以进一步改善。

    1）加强校企联合。汽车电子教学要注重与汽车企业相互协作，教学不应该脱离实际技术需求。

    2）探索培养学生自主学习能力的实践教学方法。从某种意义上讲，实践的过程就是自主学习能力形成的过程，因此应着重从培养学生自主学习能力的角度探索实践教学方法。

    参考文献

    [1]周雅夫，连静，李琳辉，等.《汽车电子与控制》课程教学改革的探析[J].科技创新导报，2010（16）：190.

    [2]赵科.汽车电子控制技术教学探讨[J].新西部，2011（9）：221-222.

    [3]赵秀春，徐国凯，陈晓云.汽车电子控制技术精品实验项目设计与实践[J].大连民族学院学报，2010，12（5）：497-499.

    [4]仇成群.LabVIEW在汽车电子虚拟实验教学中的应用[J].仪器仪表用户，2011，18（6）：97-98.

    [5]张新丰，陈慧，孟宗良，等.控制器V型开发模式实验教学探索[J].实验室研究与探索，2012，31（2）：131-134.

    [6]麦启明，苏艳，肖婷，等.汽车电子系列课程研究与实践[J].电气电子教学学报，2012，34（5）：20-21.