汽車電子實踐教學方法研究

馬天才 賈文雅

摘 ?要 實踐性教學是培養學生實踐能力和創新能力的重要途徑和必由之路，是汽車電子專業課程建設的核心環節。基于開發外圍接口電路和軟件，擴大教學實驗的范圍，創造學生了解最新技術發展動態和實際工程應用技術的途徑。

關鍵詞 汽車電子技術;實踐教學;實驗教學;教學改革;課程設計;實驗平臺

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：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

在過去十年汽車技術的飛速發展過程中，汽車電子技術無疑是其中主要的關鍵驅動力，汽車電子技術也是未來汽車低碳化、智能化和信息化的技術基礎。然而由于汽車工業屬于最具代表性的綜合技術載體，僅僅依靠電子技術還無法支撐汽車技術的發展，需要研發和從業人員具備除電子技術以外的工業技術知識，因此，教學和學生培養必須立足于綜合、全面技術人才的培養，尤其是非汽車電子專業的學生需要加強對汽車電子技術的理解和對工具的運用。

現階段，汽車電子學科的本科理論教學內容主要講授專業基礎知識，偏重于理論和原理性的應用，雖然現有實驗教學內容對理論學習可以起到較好的輔助作用，但是所涉及的技術已經遠遠落后于工業領域的主流技術水平，導致學生在畢業設計以及在后期的研究生學習和進入工作崗位后存在較長的學習期。

基于上述原因，本項目通過對現有實驗裝置的改造，增加其對外部新部件的接入能力，實現基于教學內容和當前技術與零部件聯通的橋梁，針對不同的課程和不同基礎的學生開設差異化的實驗內容，提升教學質量，增強學生培養效果。

在對汽車電子技術的教學研究中，文獻[1]提出優化配置汽車電子與控制課程內容、改革結構體系、改革教學方法和手段、加強實驗建設和課程設計環節等改革思路;文獻[2]分析了汽車電子控制技術課程在理論教學和實踐教學方面的問題，提出靈活多樣的理論教學改革方案和采用項目教學法等加強實踐環節教學的建議;文獻[3]介紹了汽車電子控制技術課程精品實驗項目的設計思想、主要環節及具體實踐;文獻[4]將虛擬儀器LabVIEW軟件應用于汽車電子技術綜合性和設計性虛擬實驗中，并進行實驗教學的實踐;文獻[5]開發了汽車電子控制系統實驗教學所需要的嵌入式系統，完成實驗箱硬件及教學實驗所需的支撐軟件，并在此基礎上開展了教學實踐;文獻[6]介紹了汽車電子系列特色課程的研究。

本文探索以教師設計為主，結合計算機硬件基礎課程實驗、汽車嵌入式系統以及汽車電子專業課程設計教學內容，積極吸收本科生參與，綜合教師教課需求和學生學習需求，完成本項目的建設。

2 需求分析

平臺需求分析 ?平臺的主要建設內容基于現有“通用微機接口實驗系統”和“MT-IDE for Freescale HC08 V1.0通用開發套件”已用功能和外圍可擴展接口，結合汽車電子學科教學需求，圍繞汽車電子常用的執行器、傳感器和通信系統實驗要求展開，主要包括以下建設內容。

1）常用傳感器電氣接口和信號調理裝置開發：根據現有相關課程教學內容，選擇電壓、電流、溫度、壓力、流量、速度等傳感器作為實驗教學對象，開發供電、電源保護、信號調理、信號保護、信號測量等功能模塊，配置專用的線束和測量端口，并集成為一套可移動式教學裝置。

2）常用執行器電氣接口和功率驅動模塊開發：根據相關課程教學內容，擬選擇節氣門、繼電器、分離式MOSFET、智能型驅動模塊、電磁閥、直流電機和散熱風扇等作為實驗教學對象，開發大功率供電、電源檢測、驅動模塊調理、控制信號變換電路、功耗測量、執行器保護等功能模塊;通過熱插拔接口連接外部執行器，通過專用線束連接原有實驗裝置，形成執行器實驗和功率電子驗證的移動式開發實驗平臺。

3）常用通信接口轉換與軟件監控裝置開發：主要針對現有實驗裝置上具有的RS232、SCI接口擴展計算機接入模塊;針對汽車工業常用的LIN、CAN、SPI、RS485開發獨立接入模塊，基于現有實驗裝置接口，通過電平轉換，增加計算機接入模塊，實現端口擴展以及與計算機系統的互聯。

控制器硬件需求分析 ?根據平臺需求，可將控制器硬件劃分為圖1所示的10個部分，分別包含SBC（系統基礎芯片）、CAN（CAN網絡通信）、AD（模擬量采集）、DI（數字量采集）、PWMi（脈寬調制輸出）、Hiside/Lowside Out-put（高低邊驅動）、Half-Bridge Driver（半橋驅動）、5 V電源、DAC（模擬量輸出）、EEPROM（帶電可擦可編程只寫存儲器）。

3 方案設計

平臺架構設計 ?整個實物接入裝置初步擬定為上位機、自制控制器、軟件平臺、實物接入平臺、被接入物等五部分。整體架構如圖2所示，上位機與控制器通過CAN通信，上位機可對控制器發送指令和實時監控內部狀態;軟件平臺負責編寫下位機刷入自制控制器;實物接入平臺負責提供控制器、傳感器、執行器所需電源，以及將所有控制器資源通過螺絲端子的形式與被控對象連接。搭建的實物接入平臺如圖3所示。

控制器硬件設計 ?控制器采用的是恩智浦（NXP）的32位微控制器SPC5746RK1MMT5。它的工作頻率高達200 MHz，并提供針對低功耗優化的高性能處理。它利用當前電源設備的可用開發基礎架構，并支持軟件驅動程序、操作系統和配置代碼，以幫助用戶實施。控制器的設計母圖如圖4所示。

4 實踐教學在課程中的應用

本項目建設的內容主要是在原有實驗教學設備基礎上，通過開發相應的接口，擴展現有實驗設備的實驗能力，增加現階段汽車工業中常用的傳感器、執行器、通信接口和控制單元的實驗內容，面向不同的課程可以采用有針對性的裁剪和擴充。本項目建設內容主要應用于計算機硬件技術基礎、汽車嵌入式系統和汽車電子專業課程設計。

在計算機硬件基礎課程教學中的應用 ?針對計算機硬件基礎課程實驗教學的應用主要是面向匯編語言拓展軟件執行效果的驗證，包括運算結果通過外圍指示燈、顯示器等反映出來，用于支撐學生對匯編語言語句以及執行效果的理解;針對輸入輸出接口教學內容，增加汽車實際使用的按鈕、儀表盤等實際執行器作為外部的輸入輸出終端，輔助學生理解計算機系統增加接口芯片的必要性，以及輸入緩沖、輸出鎖存的基本原理的物理意義;針對8253可編程定時器的實驗教學內容，增加時間測量功能，體驗在汽車實際工作中定時控制的必要性;針對A/D轉換實驗教學內容，增加實際傳感器的接入和調理電路，培養實際物理信號和數字轉換結果之間的運算能力。

1）實驗內容。目前該課程的實驗課分為四個實驗：I/O地址譯碼、簡單并行接口、可編程定時器/計數器（8253）、模/數轉換器。這四個實驗的進行涉及軟件和硬件兩個方面，這就既需要學生根據原理圖準確地連接好實驗電路，也需要學生操作軟件實現功能，對于學生提升實驗能力有極大的幫助。

2）實驗過程。實驗教學機房的每個位置配備了電腦及相應的實驗平臺，如圖5所示。首先，學生理解實驗的目的，明確實驗意義，在檢查好實驗儀器后，按照實驗原理圖連接好電路;然后在電腦上檢查硬件是否連接;接著按照指導書通過對執行器的控制觀察實驗現象。圖6為學生做實驗的過程。

3）實驗成果。該系統針對課程提供了最新接口USB的實驗，使學生在校學習期間有機會接觸常規接口與新型接口，為學生今后從事微機開發應用打下基礎。

在汽車嵌入式系統教學中的應用 ?針對嵌入式系統課程教學面臨的實驗設備成品化，實驗項目時滯化，不利于培養大學生實踐創新能力等問題，探索一種嵌入式實驗教學電路板的開發，構建學習領域實驗課程，教學效果較好。

1）實驗內容。本嵌入式實驗教學電路板的開發包括學生參與完成嵌入式系統的規劃、電子CAD繪圖與制板、貼片元器件識別與焊接、MCU最小系統調試、項目化功能電路調試這五個環節。

2）實驗過程。

①教師給出規劃范例，指定條件，讓學生進行開發板的規劃。

②學生通過Altium Designer軟件繪圖，教師進一步給出開發板規劃的原理圖范例，讓學生遵循自己的規劃，自主完成原理圖與印制電路板圖的繪制，要求盡量選用貼片元器件。

③教師一方面給學生介紹常見的電子元件，另一方面對學生手工焊接貼片元件技術進行指導，增加學生的理論知識，訓練學生的動手操作能力，培養學生細心與耐心的習慣。

④進行最小系統調試。通過教師提供的程序范例，學生編譯、生成下載文件，燒寫到開發板里，驗證MCU最小系統是否工作。

⑤在調試好最小系統的開發板上由簡到繁逐一完成多個功能項目的調試與驗證。

3）實驗成果。學生通過此門課程的學習，能正確識讀嵌入式系統的組成方框圖，掌握各功能模塊的作用，掌握安裝與調試方法，學會分析安裝與調試過程中普遍出現的故障現象的原因，掌握典型故障的排除方法，以及必要的測量與調試手段，具有嵌入式系統維修與調試的實際經驗。

在汽車電子專業課程設計教學中的應用 ?本教學系統中使用的MC9S12XS128單片機核心板，與全國大學生飛思卡爾杯智能車模競賽設計的單片機基本系統模塊相兼容。MC9S12XS128嵌入式教學系統主要由兩個部分組成：調試下載用的新款三合一USBDM、MC9S12XS128單片機基本系統（MC9S12XS128單片機核心板和與核心板配套使用的MC9S12XS128嵌入式教學系統實驗板）。

1）實驗內容。學生利用MC9S12XS128單片機核心板，以CodeWarrior為開發環境，通過動手編寫代碼來實現對單片上一些元器件的控制以及對串口的調試工作。

2）實驗過程。

①查閱單片機的電路原理圖，在CodeWarrior中進行程序調試，實現預期功能。

②利用MC9S12XS128單片機核心板進行SCI串口實驗。

③學生用Protel設計單片機最小系統，包括電源、時鐘（晶振）電路。

3）實驗成果。首先，利用本項目開發的軟硬件接口，建立前期課程所學知識與課程設計所用知識之間的橋梁，將設計內容化整為零，縮短設計驗證過程;其次，利用本項目開發的軟硬件接口，充分利用實驗室現有資源，減少了課程設計過程中實踐環節的投入，為多位學生之間的分工合作提供了開放性平臺;最后，基于本項目的改造，實現了對課程設計開發的軟件、硬件進行客觀的量化評價，增強課程考核評價的客觀性和公正性。

5 結語

在汽車電子技術實踐教學中，由于這一學科的實踐性較強，最好的教學方法便是將理論教學與實踐教學結合起來。理論教學主要是讓學生掌握相關的汽車電子技術理論，而后能夠在實踐中加以運用。本項目對教學實踐進行改革，盡可能增加實踐教學課程的比例，讓學生將學到的理論知識加以運用;通過實驗或者課程設計的方式，增進對理論知識的了解，并且逐漸能夠將其運用到實踐中。本項目順利完成預期的各個階段的工作計劃，包括：完成實驗平臺改造設計總體方案和核心硬件原理圖設計與器件選型;完成實驗平臺的核心接口電路集成開發與調試;將實驗平臺應用于教學實踐，并根據學生的使用情況進行優化改造。本次實踐教學搭建了基于教學內容和當前技術與零部件聯通的橋梁，針對不同的課程和不同基礎的學生開設差異化的實驗內容，強化了學生對理論知識的實際運用能力，加深了學生的學習興趣，以此達成提升教學質量和增強學生培養效果的目的。

為了更好地培養汽車電子技術人才，本項目在以下方面還可以進一步改善。

1）加強校企聯合。汽車電子教學要注重與汽車企業相互協作，教學不應該脫離實際技術需求。

2）探索培養學生自主學習能力的實踐教學方法。從某種意義上講，實踐的過程就是自主學習能力形成的過程，因此應著重從培養學生自主學習能力的角度探索實踐教學方法。

參考文獻

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