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摘要：“计算机控制技术”课程是自动化等专业的核心课程之一，具有重要意义。基于电子信息大类本科生现有课程体系，结合传统的计算机控制技术课程内容，重点关注“信息物理系统”和“机器人”等学科前沿方向，重新组合与设计课堂教学与实验内容。一方面使得课程内容更接近学生已有知识体系，易被其接纳吸收，另一方实现了核心知识教学的与能力培养。本文基于电子信息大类学生现有课程体系，结合经典的计算机控制技术课程内容，重点聚焦“信息物理系统”中所涉及的相关技术，对传统的计算机控制课程内容进行了重新组合与升级。该方案重组了课程内容，在原有核心知识点的基础上，突出了智能感知和智能控制等关键技术，并利用虚拟仪器LabVIEW，实现了对控制过程的可视化处理。
关键词：电子信息类；计算机控制技术；信息物理系统
本文引用格式：王晓磊等.面向电信类本科的“计算机控制技术”课程建设探讨[J].教育现代化，2020，7（42）：113-115.
Discussion on the Course Construction of"Computer Control Technology"for Telecommunication Undergraduates
WANG Xiao-lei,CUI Yong-qiang,CHEN Kun,BAI Di
(South Central University for Nationalities,College of Electronic and Information Engineering,Wuhan,Hubei)
Abstract:“Computer control technology”course is one of the core courses of automation and other majors,which is of great significance.Based on the existing curriculum system of electronic information undergraduate,combining with the traditional curriculum content of computer control technology,the focus is on the frontier direction of“information physics system”and“robot”,etc.,re-combination and design of classroom teaching and experiment content.On the one hand,it makes the curriculum content more close to the students'existing knowledge system and easy to be accepted and absorbed by it.Based on the existing curriculum system of electronic information students,combined with the classic computer control technology curriculum content,this paper focuses on the related technologies involved in the"information physics system",and recombines and upgrades the traditional computer control curriculum content.Based on the original core knowledge points,the key technologies such as intelligent perception and intelligent control are highlighted in the scheme,and the visual processing of control process is realized by using virtual instrument LabVIEW.
Key words:electronic information;computer control technology;information physics system
一 课程现状分析
传统意义上，计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，以计算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。[1-2]
然而，对于电子信息大类的学生来说，经典的计算机控制技术课程教学存在由于专业体系不同而产生的“水土不服”问题。例如，自动化等专业的学生在学习“计算机控制技术”课程前，大多学过“自动控制原理”和其他与控制系统相关的课程，因此在控制理论方面具有一定的基础。而这些控制类的前续课程在电信类学生的培养方案中，大部分是缺失的。导致他们在学习“计算机控制技术”课程前，缺乏控制系统的基础知识，对于系统的状态，性能评估和各类变换等内容存在较大的学习困难。而相对地，电信类学生在电路和系统方向上具有良好基础，他们在电子电路技术和单片机应用等方面均经过较为完备的训练。故传统计算机控制技术教材中所涉及的电路和微机技术，在电信类学生看来又过于简单。
可见传统的“计算机控制技术”教学内容并不适合电子信息类学生。而另一方面，计算机控制系统所涉及的智能控制等前沿知识，又是电子信息类学生所必须的掌握的。随着时代发展，学科间融合不断加深，尤其是以信息物理系统(Cyber Physical Systems，简称CPS)为代表的新一代智能系统地提出，更进一步拉近了不同学科间的距离。CPS作为计算进程和物理进程的统一，集成计算、通信与控制于一体，包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，可视为计算机控制系统的下一代形态和新的发展阶段。其包含又不局限传统的自动化，电子信息和计算机等专业，智能车，无人机和智能机器人均可视为其具体形式。[3-4]对于电子信息专业而言，“计算机控制技术”课程是学生接触和了解CPS及智能机器人等技术的绝佳平台，不应该被原本针对其他专业的教材和教学方法所限制，而是应该立足高远，面向新一代的智能系统，进行重构。
本文基于电子信息大类学生现有课程体系，结合经典的计算机控制技术课程内容，重点聚焦“信息物理系统”中所涉及的相关技术，对传统的计算机控制课程内容进行了重新组合与升级。在课堂教学上，一方面弱化与控制理论相关的纯理论教学，使学生摆脱大量抽象的数学计算，另一方面升级课程中与环境感知，智能计算，互联通信等相关内容，紧扣时代发展方向。在实验教学上，通过虚拟仪器设计和智能小车，补充理论教学内容，提升学生能力。
二 课程内容设计
改革后计算机控制技术教学内容分为7个章节，第一章为概论，主要介绍计算机控制技术的相关基础知识，具体划分为三部分。第一部分介绍控制系统的基本概念和发展历史，凸显计算机技术的发展在控制系统演化中的决定性作用。第二部分从不同角度对控制系统进行分类介绍，重点分析闭环控制系统的基本特征。第三部分集中在现代的控制系统，分析诸如SpaceX公司的可回收火箭，谷歌无人驾驶汽车和波士顿动力的各类机器人等先进案例，最后介绍工业4.0与其核心CPS。
第二章为控制器内容。从计算机控制技术的角度看，控制器实际上就是各类计算机,因此本章实际上是对计算机尤其是微型嵌入式系统地介绍。首先介绍程序存储式计算机运行的基本原理，过程中引入指令的概念，介绍ARM指令集与ARM公司。通过手机芯片与ARM内核的关系，阐述内核的含义。继而以ARM cortexM内核的STM32微控制器为例，从存储结构，地址映射，IO，时钟，中断和定时器的角度，完成微控制器内容的讲授。
第三章为总线与接口，分为两个部分。首先介绍总线的一般定义，并从总线的结构层次，同步方式，数据传输方式等层面对总线进行分析。接下来分别从PC系列总线，外部总线和工业总线三个方向对常见总线进行介绍。总线内容虽相对简单，但对于电信类学生，可以与通信技术适当结合，增进学生的理解程度。
第四章为传感器，首先介绍传感器的基本概念与原理，讨论敏感度和分辨率等重要指标。为了激发学生兴趣，相对金属应变片等传统传感器，重点介绍音视频等多媒体传感器。以手机中的图像传感器为例，分析当年的苹果、华为和三星等品牌最新款旗舰手机上搭载的图像传感器，对技术参数进行讲解和比较。从传感器网络和物联网的角度对不同类型传感器及传感器融合方法进行介绍。
第五章为虚拟仪器与LabVIEW使用。一方面介绍虚拟仪器的基本知识，阐述硬件功能软件化的概念及方法。另一方面，通过案例设置式教学，对LabVIEW的图形化编程的方式和数据流的编程理念进行介绍。以实际的应用案例，串联LabVIEW中前面板与程序框图，数据类型，结构、节点与连线等内容，展示LabVIEW的强大功能。
第六章为信号处理和控制方法。首先从时域和频域的角度分析常用信号分析处理方法，时域主要关心波形识别、数字微分和积分算法，频域上主要关心频谱和傅立叶分解以及信号的截断过程。通过LabVIEW对语音信号的时域和频域分析，以图形化的方式直观体现信号处理过程。对于控制方法，重点关注PID算法，强化闭环控制系统的模型，明确输入和输出等物理量的具体含义，利用LabVIEW的仿真例程，演示比例，积分和微分三种关系的实际效果。
第七章为执行器，主要介绍电机的基本知识和控制电机的常用方法。以智能小车为例，通过对小车主控芯片的C语言编程，对车轮上电机的进行PWM驱动，实现对每个车轮的单独控制，完成小车行驶的基本功能。
这七章教学内容的设计，遵循了电子信息类学生的知识体系特点和现有技术的发展趋势，涵盖了计算机控制技术的基础知识和核心内容，构建了如图1所示的知识闭环结构。
三 实验内容设计
实验教学是课堂教学的必要补充，在课堂内容的基础上，依托以STM32为主控芯片的智能小车（图2），进行实验教学。鉴于学生在此前已有C语言和单片机课程的基础，具备了相应的C语言程序编写能力，熟悉相应的嵌入式编程软件使用方法。因此，实验重点在于实现相应地对小车的控制功能。
课程共设置三个实验。实验一为智能车行驶控制实验，通过主控芯片产生的PWM波，驱动电机并控制智能小车的车轮，实现小车的直线和转弯行驶。实验二为超声波传感器实验，通过智能小车上的超声波雷达，检测周围障碍物，继而控制小车行驶方向，进行避障。第三为循迹实验，通过小车上的红外对管传感器，实现对地面上的黑色条纹的识别，并沿条纹进行行驶。通过这些实验，实现基础的“实时传感检测-实时信号处理-实时电机控制”的闭环控制过程。
四 总结
本文立足于电信类学生的知识体系与实际需求，分析了“计算机控制技术”课程的现状，并结合学科发展的方向，提出了针对电信类学生的课程改革方案。在相应的实验教学中，本文设计了3个基于STM32智能小车平台的实验，依次实现小车的行驶、避障和寻迹功能，实验难度循序渐进，一方面使学生对于控制技术有直观的感受，另一方面也锻炼了学生的动手编程能力。
参考文献
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