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【摘 要】通过对嵌入式单片机在维修电工中级工实训考评设備中的应用，将职业技能培训考评智能化，使得职业技能培训从过去对实训成果的评判向职业技能实训过程并重转变，为教学改革助力。
【关键词】嵌入式 单片机 中级工 电力实训 考评
【中图分类号】 G 【文献标识码】 A
【文章编号】0450-9889（2015）08C-0185-03
职业资格认证与技能鉴定，是当今社会评价劳动者职业技术能力高低的重要方法之一，获得了社会广泛的认可。随着社会发展对职业技能要求的不断提高，以及“双证书制”的实施，职业技能需求已经从单纯的技能标准结果过渡到职业能力和职业素质培养并重，特别是实训过程中对职业素养的培养已成为企事业单位的迫切需求。但是，以往的职业技能培训几乎都是以“考”促“学”，甚至以“考”代“学”，以参加某一工种的职业资格认证，通过了相应理论、技能考试，成绩结果合格，取得了相应工种的职业资格证书为终结。这样的方法使得相当一部分学员为了得证而考证，培训教师和考评员也疲于对技能结果的重复性评分，使得职业技能培训与提高中重要的职业素质培养过程部分被淡忘或忽略掉。而目前社会与企事业单位希望得到的是具有扎实职业技能并拥有综合职业素养、全面发展的创新型劳动技能人才，这就对职业技能实训配套的硬件设备提出了更高的要求。
一、电力实训存在的问题
电力技能实训培养与考核时考评员和学员的工作量都较大，其要求学员在掌握专业理论的基础上，不仅要会按图接线，还要求学员能够具备设计一定难度的线路能力，能够进行控制线路的判断和排故。但是常用的实训板上元件与接线端子数量随着实训等级的提高成倍地增长，越接近于工程项目实际，元器件越多，线路越复杂，产生的故障可能性就越多。下面以电力实训中常用的电机拖动电气控制图之一的电动机接触器联锁正反转控制原理图为例。
如图1可见，此电力实训操作中用到的主要元器件较多，接线端子较多。其中使用到的元器件就有KM交流接触器、FR热继电器、FU螺旋式熔断器、SB按钮、XT端子排。其电力实训操作安装步骤要求是：首先，正确识读电路图，配齐所需元器件并进行检验，选配安装工具和控制板。其次，绘制布置图和安装接线图，选配主电路导线和截面，根据接线图布线。最后，安装电动机，连接电动机及所有电器元件金属外壳保护接地线，连接电源、电动机、控制按钮等外部连接导线，自检后交验通电试车。
而更高等级电力培训与考评涉及的电气控制原理更复杂，控制线路安装步骤更多，安装接线工艺要求更高。而且原实训与考评接线板还存在工作电压高、元器件故障多、查线排故时间长等缺点。再加上现实中师生比资源配比的不合理，传统的电力实训考评中考评员的大部分有限的时间都耗费在重复性的查线和帮助学员板子排故上，就仅够完成对最终实训是否成功进行判定，而无法腾出更多的时间对技能过程进行更全面的职业素养判定。学员对于只对实训最终能否成功的结果“一考定全盘”颇有微词，事实是大部分最终实现不了控制功能的学员都仅仅是因为某些线路的接线错误或元器件有故障导致，但其实训过程的努力与获得也应该得到相应的体现。此外，电力中级工实训中在安全操作规程规范，工作前、工作时、工作后工作区域操作台、地面的清理，元器件、工具的摆放等职业素养也应该在最终考评成绩中应有体现。
因此，急需对原有电力实训硬件设备进行改进，使得考评员与实训板使用者从大量重复性接线端子的检查与排故中解脱出来，能用更多的时间和精力去对职业技能实践过程中的职业素养进行培养。而嵌入式单片机设计形成的自动考评评价系统正好能解决此问题，它利用高速的运算处理能力和众多输出、输入接口来自动对电力实训中的实训板接线和元器件进行自查并给出报告显示。与以往的中级工实训与考核实训板相比，它增加了自动查线功能，不光能够弥补原有设备的缺点，还能够通过显示屏与输入键盘实现元器件故障自检、自我考试记录与提醒等功能。
图1 电动机接触器联锁正反转控制原理图
二、PIC单片机的嵌入系统应用设计
通过对以往传统的维修电工实训考评设备进行分析可知，应用智能的单片机嵌入式技术，可以探索和提出一种新的智能型实训考评设备。在原有实训设备上进行改进，让考评员与学员从重复性烦琐的端子接线和元器件故障排故中解脱出来。让他们有更多的时间和精力去注重职业技能与职业素养过程的考核当中去，使得学员的实践技能不仅能做到应有的标准，而且还能够做好，体现出不同等级的职业技能素养，这样才能真正全面提高职业鉴定的含金量，以适应社会发展对职业技能培训的新要求。本文以PIC单片机的嵌入系统在电力实训设备中应用进行探索。嵌入系统主要由以下四个部分组成。
（一）元器件的选择。原中级工实训板元器件中传统的自动控制元器件的工作电压为380V，已大大超过人体安全电压数倍，这对学员的自主学习产生了较大的安全威胁。新的实训设备从安全与经济实用角度权衡考虑，元器件的工作电压选择为直流24V，增加单片机定时器、晶体管、可控硅等低压电子元器件。原实训板开关存在大量机械式主开关、辅助开关及按钮，故障率较高，新的实训设备元器件考虑采用无损电子开关低压三极管来替代原机械式开关。
同时，原实训板无故障自检与排故功能，这需要在新实验板中通过端子排接头的引入，利用单片机的编程功能可以实现。此外，还需要有时间记录与定时功能、学号录入与成绩记录功能、控制线路考核与评分功能。而这些功能的实现，无疑选择成熟的单片机的应用嵌入为最佳。
（二）控制器的选择。美国微芯公司生产的PIC单片机产品丰富，片内资源灵活多样，抗干扰能力强，安全可靠，广泛应用于工业控制领域。它是一种用来开发和控制外围设备的集成电路，功耗较小，速度快，采用精简指令集，单指令周期，不同型号间兼容性较好，价格也较合理。
采用PIC的8位单片机18F4520能够满足上述要求，它拥有40MHZ的工作频率，可完全满足实训板的实时性要求。它拥有36个可复用的IO口，可静态或动态的测试或代替控制线路的端子或开关。它拥有32K的闪存程序存储器以及256字节的EEPROM，再加上单字节指令技术，可以存储超大的控制线路逻辑判断程序以及存储非易失性的学号成绩等数据。它拥有多达13路采样精度为10位的AD转换通道，可以对输入电压、电流，线路的短路、断开直接进行采样判断。此外，它还拥有4个定时器、2个比较器、1个捕捉比较PWN模块、1个串行通信模块、1个并行PSP通信模块等，留给了实训板装置极大的扩展空间。 （三）硬件的构成。本实训板嵌入式装置应采用18f4520单片机为核心，以带背光1602字符型液晶模块作为显示媒介的设备。输入按键模块采用4*3矩阵键盘模块，DS1302芯片作为时钟记录，此外还有提示考试开始和结束的蜂鸣器。
单片机18f4520最小运行系统如图2所示。
显示部分采用常用的能显示2行，每行16个汉字的LCD1602模块。它通过PIC单片机的RA2、RA3、RA5引脚分别连接到LCD显示模块的RS、RW、EN控制端，同时单片机的RD7-RD0的八个引脚分别连接到LCD显示模块的DB7-DB0作为数据传输线。LCD1602显示模块的引脚接线如图3所示。
图2 单片机18f4520运行接线原理图
图3 LCD1602显示模块接线原理图
实时时钟芯片采用美国DALLAS公司的DS1302芯片，具有主后备电源，可以在单片机断电后由后备电池继续给实时时钟供电，这就使得准确记录学生考试的起停时间、考试成绩成为可能。它分别对应的是单片机引脚的RE0、RE1、RE2连接到时钟芯片的RST复位线、IO数据线、SCLK串行时钟线即可。DS1302时钟芯片引脚图如图4所示。
图4 DS1302时钟模块接线原理图
作为人机对话最常用的部分，键盘是一个系统中的重要组成部分。一般键盘可以分为两类，一类是静态键盘，也称为独立式键盘，接口线的数量与按键数相当。另一种是动态键盘，也叫做矩阵式键盘，可以采用较少的接口线而实现较多的按键数量。因本实训板的接线端子较多，为了省下更多的接口资源给接线端子，本按键部分采用矩阵式键盘。采用连接单片机7根线即可实现学员考号及密码0-9数字的输入、删除以及确认按钮，其原理接线图如图5所示。
图5 矩阵式键盘接线原理图
（四）系统软件的设计。为了能多利用别人已经编好的函数集，编译时采用广受好评的C18函数集工具。系统程序总体由单片机18f4520初始化、LCD1602显示模块初始化、DS1302时钟芯片初始化和主程序四部分组成。
程序要能够实现实训板开机后的自检，学员考号的录入，排故故障的随机设置，考试时间的计时，考试的结果评定及记录等功能。故程序的流程图如图6所示。
图6 程序设计流程图
单片机18f4520初始化包括设置系统晶振的工作模式和工作频率，输入输出引脚的方向和状态定义，定时器模块的设置等。LCD1602显示模块初始化包括控制引脚的和数据引脚的定义，LCD工作模式设置，清屏和光标显示等。DS1302时钟芯片初始化包括时钟数据线引腳定义、时间设置、读写时序函数设置等。
综上所述，通过对传统维修电工实训板采用工业级的单片机嵌入式应用改造，新的实训考评系统具有能耗低、寿命长、维护率低和可移动性好等优点，使用常见的9v层叠电池即可长期工作。同时更重要的是能够明显地降低实践培训考核的劳动强度，减少安全风险和元件的故障率，使得学员自己能够在安全的环境下自我测评。考评的程序与标准可规范的固化在单片机内，将使得实训与考评更加科学标准化。学员和考评员都可以将以往对实践结果的考评重心转移到对实践过程的考评上来，从以往单纯的技能鉴定延伸到对过程职业素养的体现上来，从以往单纯的量化考核到具体素质细节的质的考核上来。下一步，将在低功耗、低维护率和智能化的基础上尝试增加超外差、ZigBee等无线通信方式与上位机进行连接，以实现考评实训工作的智能化管理与控制，全面提升培训考评的硬件水平。本文仅对学员学习智能电网技术课程之前先修的电力实训技能培训考核的一种设备进行单片机嵌入式应用做出探索与设计，仅当抛砖引玉。只有探索和开发出更多的智能化职业实训与考评设备，我们职业技能的改革与发展才能得到更有效的硬件保障，我国的职业教育水平才能实现质的飞跃。
【基金项目】2014年度广西高等教育教学改革工程项目（2014JGB364）
【作者简介】滕开良，男，广西南宁人，广西电力职业技术学院讲师，工程师，技师，硕士。
【关键词】嵌入式 单片机 中级工 电力实训 考评
【中图分类号】 G 【文献标识码】 A
【文章编号】0450-9889（2015）08C-0185-03
职业资格认证与技能鉴定，是当今社会评价劳动者职业技术能力高低的重要方法之一，获得了社会广泛的认可。随着社会发展对职业技能要求的不断提高，以及“双证书制”的实施，职业技能需求已经从单纯的技能标准结果过渡到职业能力和职业素质培养并重，特别是实训过程中对职业素养的培养已成为企事业单位的迫切需求。但是，以往的职业技能培训几乎都是以“考”促“学”，甚至以“考”代“学”，以参加某一工种的职业资格认证，通过了相应理论、技能考试，成绩结果合格，取得了相应工种的职业资格证书为终结。这样的方法使得相当一部分学员为了得证而考证，培训教师和考评员也疲于对技能结果的重复性评分，使得职业技能培训与提高中重要的职业素质培养过程部分被淡忘或忽略掉。而目前社会与企事业单位希望得到的是具有扎实职业技能并拥有综合职业素养、全面发展的创新型劳动技能人才，这就对职业技能实训配套的硬件设备提出了更高的要求。
一、电力实训存在的问题
电力技能实训培养与考核时考评员和学员的工作量都较大，其要求学员在掌握专业理论的基础上，不仅要会按图接线，还要求学员能够具备设计一定难度的线路能力，能够进行控制线路的判断和排故。但是常用的实训板上元件与接线端子数量随着实训等级的提高成倍地增长，越接近于工程项目实际，元器件越多，线路越复杂，产生的故障可能性就越多。下面以电力实训中常用的电机拖动电气控制图之一的电动机接触器联锁正反转控制原理图为例。
如图1可见，此电力实训操作中用到的主要元器件较多，接线端子较多。其中使用到的元器件就有KM交流接触器、FR热继电器、FU螺旋式熔断器、SB按钮、XT端子排。其电力实训操作安装步骤要求是：首先，正确识读电路图，配齐所需元器件并进行检验，选配安装工具和控制板。其次，绘制布置图和安装接线图，选配主电路导线和截面，根据接线图布线。最后，安装电动机，连接电动机及所有电器元件金属外壳保护接地线，连接电源、电动机、控制按钮等外部连接导线，自检后交验通电试车。
而更高等级电力培训与考评涉及的电气控制原理更复杂，控制线路安装步骤更多，安装接线工艺要求更高。而且原实训与考评接线板还存在工作电压高、元器件故障多、查线排故时间长等缺点。再加上现实中师生比资源配比的不合理，传统的电力实训考评中考评员的大部分有限的时间都耗费在重复性的查线和帮助学员板子排故上，就仅够完成对最终实训是否成功进行判定，而无法腾出更多的时间对技能过程进行更全面的职业素养判定。学员对于只对实训最终能否成功的结果“一考定全盘”颇有微词，事实是大部分最终实现不了控制功能的学员都仅仅是因为某些线路的接线错误或元器件有故障导致，但其实训过程的努力与获得也应该得到相应的体现。此外，电力中级工实训中在安全操作规程规范，工作前、工作时、工作后工作区域操作台、地面的清理，元器件、工具的摆放等职业素养也应该在最终考评成绩中应有体现。
因此，急需对原有电力实训硬件设备进行改进，使得考评员与实训板使用者从大量重复性接线端子的检查与排故中解脱出来，能用更多的时间和精力去对职业技能实践过程中的职业素养进行培养。而嵌入式单片机设计形成的自动考评评价系统正好能解决此问题，它利用高速的运算处理能力和众多输出、输入接口来自动对电力实训中的实训板接线和元器件进行自查并给出报告显示。与以往的中级工实训与考核实训板相比，它增加了自动查线功能，不光能够弥补原有设备的缺点，还能够通过显示屏与输入键盘实现元器件故障自检、自我考试记录与提醒等功能。
图1 电动机接触器联锁正反转控制原理图
二、PIC单片机的嵌入系统应用设计
通过对以往传统的维修电工实训考评设备进行分析可知，应用智能的单片机嵌入式技术，可以探索和提出一种新的智能型实训考评设备。在原有实训设备上进行改进，让考评员与学员从重复性烦琐的端子接线和元器件故障排故中解脱出来。让他们有更多的时间和精力去注重职业技能与职业素养过程的考核当中去，使得学员的实践技能不仅能做到应有的标准，而且还能够做好，体现出不同等级的职业技能素养，这样才能真正全面提高职业鉴定的含金量，以适应社会发展对职业技能培训的新要求。本文以PIC单片机的嵌入系统在电力实训设备中应用进行探索。嵌入系统主要由以下四个部分组成。
（一）元器件的选择。原中级工实训板元器件中传统的自动控制元器件的工作电压为380V，已大大超过人体安全电压数倍，这对学员的自主学习产生了较大的安全威胁。新的实训设备从安全与经济实用角度权衡考虑，元器件的工作电压选择为直流24V，增加单片机定时器、晶体管、可控硅等低压电子元器件。原实训板开关存在大量机械式主开关、辅助开关及按钮，故障率较高，新的实训设备元器件考虑采用无损电子开关低压三极管来替代原机械式开关。
同时，原实训板无故障自检与排故功能，这需要在新实验板中通过端子排接头的引入，利用单片机的编程功能可以实现。此外，还需要有时间记录与定时功能、学号录入与成绩记录功能、控制线路考核与评分功能。而这些功能的实现，无疑选择成熟的单片机的应用嵌入为最佳。
（二）控制器的选择。美国微芯公司生产的PIC单片机产品丰富，片内资源灵活多样，抗干扰能力强，安全可靠，广泛应用于工业控制领域。它是一种用来开发和控制外围设备的集成电路，功耗较小，速度快，采用精简指令集，单指令周期，不同型号间兼容性较好，价格也较合理。
采用PIC的8位单片机18F4520能够满足上述要求，它拥有40MHZ的工作频率，可完全满足实训板的实时性要求。它拥有36个可复用的IO口，可静态或动态的测试或代替控制线路的端子或开关。它拥有32K的闪存程序存储器以及256字节的EEPROM，再加上单字节指令技术，可以存储超大的控制线路逻辑判断程序以及存储非易失性的学号成绩等数据。它拥有多达13路采样精度为10位的AD转换通道，可以对输入电压、电流，线路的短路、断开直接进行采样判断。此外，它还拥有4个定时器、2个比较器、1个捕捉比较PWN模块、1个串行通信模块、1个并行PSP通信模块等，留给了实训板装置极大的扩展空间。 （三）硬件的构成。本实训板嵌入式装置应采用18f4520单片机为核心，以带背光1602字符型液晶模块作为显示媒介的设备。输入按键模块采用4*3矩阵键盘模块，DS1302芯片作为时钟记录，此外还有提示考试开始和结束的蜂鸣器。
单片机18f4520最小运行系统如图2所示。
显示部分采用常用的能显示2行，每行16个汉字的LCD1602模块。它通过PIC单片机的RA2、RA3、RA5引脚分别连接到LCD显示模块的RS、RW、EN控制端，同时单片机的RD7-RD0的八个引脚分别连接到LCD显示模块的DB7-DB0作为数据传输线。LCD1602显示模块的引脚接线如图3所示。
图2 单片机18f4520运行接线原理图
图3 LCD1602显示模块接线原理图
实时时钟芯片采用美国DALLAS公司的DS1302芯片，具有主后备电源，可以在单片机断电后由后备电池继续给实时时钟供电，这就使得准确记录学生考试的起停时间、考试成绩成为可能。它分别对应的是单片机引脚的RE0、RE1、RE2连接到时钟芯片的RST复位线、IO数据线、SCLK串行时钟线即可。DS1302时钟芯片引脚图如图4所示。
图4 DS1302时钟模块接线原理图
作为人机对话最常用的部分，键盘是一个系统中的重要组成部分。一般键盘可以分为两类，一类是静态键盘，也称为独立式键盘，接口线的数量与按键数相当。另一种是动态键盘，也叫做矩阵式键盘，可以采用较少的接口线而实现较多的按键数量。因本实训板的接线端子较多，为了省下更多的接口资源给接线端子，本按键部分采用矩阵式键盘。采用连接单片机7根线即可实现学员考号及密码0-9数字的输入、删除以及确认按钮，其原理接线图如图5所示。
图5 矩阵式键盘接线原理图
（四）系统软件的设计。为了能多利用别人已经编好的函数集，编译时采用广受好评的C18函数集工具。系统程序总体由单片机18f4520初始化、LCD1602显示模块初始化、DS1302时钟芯片初始化和主程序四部分组成。
程序要能够实现实训板开机后的自检，学员考号的录入，排故故障的随机设置，考试时间的计时，考试的结果评定及记录等功能。故程序的流程图如图6所示。
图6 程序设计流程图
单片机18f4520初始化包括设置系统晶振的工作模式和工作频率，输入输出引脚的方向和状态定义，定时器模块的设置等。LCD1602显示模块初始化包括控制引脚的和数据引脚的定义，LCD工作模式设置，清屏和光标显示等。DS1302时钟芯片初始化包括时钟数据线引腳定义、时间设置、读写时序函数设置等。
综上所述，通过对传统维修电工实训板采用工业级的单片机嵌入式应用改造，新的实训考评系统具有能耗低、寿命长、维护率低和可移动性好等优点，使用常见的9v层叠电池即可长期工作。同时更重要的是能够明显地降低实践培训考核的劳动强度，减少安全风险和元件的故障率，使得学员自己能够在安全的环境下自我测评。考评的程序与标准可规范的固化在单片机内，将使得实训与考评更加科学标准化。学员和考评员都可以将以往对实践结果的考评重心转移到对实践过程的考评上来，从以往单纯的技能鉴定延伸到对过程职业素养的体现上来，从以往单纯的量化考核到具体素质细节的质的考核上来。下一步，将在低功耗、低维护率和智能化的基础上尝试增加超外差、ZigBee等无线通信方式与上位机进行连接，以实现考评实训工作的智能化管理与控制，全面提升培训考评的硬件水平。本文仅对学员学习智能电网技术课程之前先修的电力实训技能培训考核的一种设备进行单片机嵌入式应用做出探索与设计，仅当抛砖引玉。只有探索和开发出更多的智能化职业实训与考评设备，我们职业技能的改革与发展才能得到更有效的硬件保障，我国的职业教育水平才能实现质的飞跃。
【基金项目】2014年度广西高等教育教学改革工程项目（2014JGB364）
【作者简介】滕开良，男，广西南宁人，广西电力职业技术学院讲师，工程师，技师，硕士。