人機交互型電子技術(shù)實驗實訓(xùn)平臺研究

曹 文 ，瞿金山，張春燕 ，魏 彬

（1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽 621010；2.西南科技大學(xué)國防科技學(xué)院，四川綿陽 621010）

0 引言

在傳統(tǒng)的《電子技術(shù)實驗》教學(xué)環(huán)節(jié)中，一般先由教師簡要地講述實驗原理與操作步驟，然后學(xué)生按照剛才的聽課內(nèi)容和實驗指導(dǎo)書上的操作步驟開始以線路連接、數(shù)據(jù)測量為主的實驗內(nèi)容。只要接線正確，往往實驗也就基本完成，由于實驗板與真實電路板之間差別較大，學(xué)生完成實驗后的收獲并不多。如果實驗結(jié)果不正確，學(xué)生一般只會拆除原有連線，再次重復(fù)剛才的接線步驟。這類電子技術(shù)實驗平臺均只針對某些特定實驗內(nèi)容開發(fā)，功能單一，通用性較差，學(xué)生們難以完成驗證性實驗內(nèi)容后的擴展性設(shè)計方案，得不到有價值的訓(xùn)練。

國內(nèi)很多高校在提升辦學(xué)質(zhì)量的過程中，升級、改進傳統(tǒng)實驗手段與內(nèi)容的要求非常迫切。如何對原有電子技術(shù)實驗平臺進行大刀闊斧的改革，使之逐步適應(yīng)新形勢下的人才培養(yǎng)模式，擺在了廣大實驗管理工作者、實驗指導(dǎo)教師面前。

1 智能型實驗平臺設(shè)計思路

近幾年來，隨著軟硬件技術(shù)的成熟，虛擬儀器技術(shù)發(fā)展迅猛，已經(jīng)開始成為測試儀器的發(fā)展趨勢。如果將虛擬儀器技術(shù)引入傳統(tǒng)的實驗技術(shù)項目中，將通用型硬件實驗平臺與上位計算機、數(shù)據(jù)采集卡無縫對接；計算機的人機交互界面對實驗過程進行指導(dǎo)與提示；虛擬儀器保護硬件平臺對實驗數(shù)據(jù)進行全程實時監(jiān)控；學(xué)生的操作仍然針對硬件實驗平臺，但是更貼近工程實踐，不再“為了實驗而實驗”，實現(xiàn)對現(xiàn)有粗放型實驗方案的升級，同時減輕實驗教師的輔導(dǎo)工作量。

智能型實驗平臺將嵌入式系統(tǒng)編程與調(diào)試、虛擬儀器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信、FLASH動畫設(shè)計等全新內(nèi)容融入到傳統(tǒng)的電子技術(shù)硬件實驗平臺中，涉及在線智能監(jiān)測與診斷、計算機輔助教學(xué)（CAI）等先進教學(xué)技術(shù)。由于涉及技術(shù)面寬、技術(shù)難度大，其創(chuàng)意領(lǐng)先而深遠(yuǎn)，在國外也僅僅被運用在昂貴的專業(yè)自診斷（OSD）設(shè)備中，在實驗教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用寥寥可數(shù)。目前國內(nèi)還沒有一所高校的電工電子實驗室采用這種智能型的實驗系統(tǒng)平臺，也沒有任何一家教學(xué)儀器公司推出類似產(chǎn)品。隨著相關(guān)技術(shù)壁壘的逐步克服，將這種先進的實驗手段應(yīng)用到現(xiàn)有電子技術(shù)實驗平臺中，將會作為一種強大的技術(shù)手段提高實驗對學(xué)生的吸引力，改善實驗效果。如果將這種新型實驗平臺通過商業(yè)手段推廣，也必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

2 研究內(nèi)容及關(guān)鍵性技術(shù)工作

將高性能嵌入式控制與測量單元植入實驗平臺的底層，對實驗過程中的操作順序、關(guān)鍵點實驗數(shù)據(jù)與波形進行實時、無損、有效的監(jiān)測；依托全面優(yōu)化的實驗指導(dǎo)專家系統(tǒng)，對學(xué)生的整個實驗操作過程進行科學(xué)、規(guī)范的交互式指導(dǎo)；對學(xué)生實驗中出現(xiàn)的錯誤進行報警提示及后臺保護，延長實驗平臺的使用年限；友好的人機交互界面，能夠?qū)崿F(xiàn)無教師值守情況下全天候的實驗室開放教學(xué)，也避免了因教師能力的個體差異而造成學(xué)生實踐能力參差不齊的現(xiàn)象。更重要的是，該系統(tǒng)能夠引導(dǎo)學(xué)生朝著實驗項目的深度與廣度進行自由拓展。

項目首先重新設(shè)計了一套電子技術(shù)硬件實驗平臺，平臺外觀與傳統(tǒng)實驗平臺接近或類似，但在硬件配置上重點考慮了實驗內(nèi)容的可擴展性與通用性。平臺內(nèi)部（背面）除安排常規(guī)的電氣連線外，新增有自主研發(fā)的嵌入式控制、檢測及數(shù)據(jù)采集單元，對學(xué)生實驗過程中的關(guān)鍵點參數(shù)進行采集與實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳送給配套的計算機。為保證硬件實驗平臺的高度獨立性，嵌入式的控制及數(shù)據(jù)采集單元對基礎(chǔ)實驗操作的影響應(yīng)該降至最小。

計算機層面是電子技術(shù)新型實驗平臺的亮點。通過Lab－View軟件開發(fā)出友好的人機交互界面，信號源、示波器、萬用表、邏輯分析儀等多種虛擬儀器被集成到交互界面下，由學(xué)生根據(jù)實驗選擇調(diào)用。學(xué)生操作中的實驗波形與數(shù)據(jù)、采用FLASH編寫的動態(tài)實驗指導(dǎo)動畫同時顯示在人機交互界面中。當(dāng)偵測到關(guān)鍵點數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差或者學(xué)生的操作步驟發(fā)生紊亂時，完善的實驗專家指導(dǎo)系統(tǒng)通過提示窗口進行糾正，人機交互貫穿整個實驗流程。

項目中所涉及的技術(shù)門類較多，其中軟件的集成與融合是關(guān)鍵，與之相關(guān)的數(shù)據(jù)檢測與傳輸是在調(diào)試中需要特別關(guān)注。在歸一化的計算機軟件設(shè)計中，系統(tǒng)具備智能識別實驗者操作步驟的功能，以判斷操作流程是否正確、規(guī)范。為了使實驗平臺能夠承載種類繁多、技術(shù)層次更加豐富的實驗內(nèi)容，需要對平臺的硬件架構(gòu)進行全面的設(shè)計與規(guī)劃。

3 特色及創(chuàng)新點

在“人機交互友好、具備智能檢測功能的全新電子技術(shù)實驗實訓(xùn)平臺”的全新實驗?zāi)Ｊ较?，高性能嵌入式控制與數(shù)據(jù)采集單元被植入實驗平臺內(nèi)部。學(xué)生在實驗時基本感覺不到它的存在，但系統(tǒng)卻能夠在后臺對實驗過程中的操作順序、關(guān)鍵點實驗數(shù)據(jù)與波形進行實時、無損的全方位監(jiān)測；依托實驗指導(dǎo)專家系統(tǒng)，對學(xué)生的實驗操作進行規(guī)范、恰當(dāng)?shù)慕换ナ街笇?dǎo)，優(yōu)化整個實驗進程。

當(dāng)實驗錯誤發(fā)生時，系統(tǒng)會進行報警提示及主動的后臺保護，延長了實驗平臺的使用年限；計算機提供的人機交互界面與幫助系統(tǒng)，有助于提高學(xué)生實驗效率；同時減輕實驗教師的低水平重復(fù)工作量，降低其工作強度，為將來無教師值守情況下實驗教學(xué)全天候開放打下堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時，新平臺避免了因教師個體能力差異而造成學(xué)生實驗?zāi)芰⒉畈积R的現(xiàn)象。更重要的是，系統(tǒng)能夠裝載更多的外圍設(shè)備，實現(xiàn)實驗內(nèi)容的難度分級，實驗內(nèi)容進一步豐富，實驗深度進一步拓展，引導(dǎo)學(xué)生朝實驗項目的深度與廣度自由拓展。

新的實驗技術(shù)方案并非一蹴而就，而應(yīng)按步驟進行科學(xué)規(guī)劃與設(shè)計，逐步聯(lián)合調(diào)整為一個有機整體：

（1）消化、吸收《電子技術(shù)實驗》課程大綱，研究傳統(tǒng)實驗方案中所使用的硬件平臺，設(shè)計并優(yōu)化新硬件實驗平臺造型，考慮提高實驗設(shè)備堅固性與可靠性的措施。對電路PCB板布局進行工程化約束，使之符合實際電路產(chǎn)品規(guī)范，讓學(xué)生擺脫“實驗板不是電路板”的錯誤認(rèn)識。

（2）根據(jù)計劃達到的實驗指標(biāo)與效果，制定科學(xué)、合理的實驗需求，使之能夠全方位實現(xiàn)驗證性、綜合性、創(chuàng)新性的多種實驗內(nèi)容。

（3）對硬件實驗平臺進行過壓、過流、短路等常見故障現(xiàn)象的保護方案設(shè)計；嵌入式控制與測量系統(tǒng)對實驗開發(fā)板的監(jiān)控方案設(shè)計；實現(xiàn)電子技術(shù)實驗板、嵌入式系統(tǒng)的有機結(jié)合及單向影響。

（4）將虛擬儀器的檢測端布置到硬件實驗平臺的關(guān)鍵點，測試檢測數(shù)據(jù)與計算機之間的通訊接口；此外，學(xué)生也能夠自由調(diào)配虛擬儀器的剩余檢測端，用于自己的實驗操作。

（5）利用LabView軟件編制人機接口管理界面，控制平臺內(nèi)部的虛擬信號源產(chǎn)生實驗所需的工作波形，監(jiān)控硬件實驗平臺底層發(fā)送的數(shù)據(jù)并完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖形化處理。

（6）利用FLASH軟件的動畫處理技術(shù)，編寫計算機輔助教學(xué)界面，并將其無縫地連接到人機接口界面軟件中，以輔助學(xué)生的實驗操作。

4 結(jié)語

人機交互友好、具備智能檢測功能的全新電子技術(shù)實驗實訓(xùn)平臺從傳統(tǒng)的實驗平臺演變而來，一改傳統(tǒng)電子技術(shù)實驗平臺下“教師指導(dǎo)、學(xué)生操作”簡單、粗糙的實驗指導(dǎo)與操作模式。依托虛擬儀器的輔助診斷與測試功能，將計算機系統(tǒng)植入枯燥的實驗平臺，強調(diào)實驗過程的互動。在激發(fā)學(xué)生實驗興趣、吸引學(xué)生參與實驗、提高學(xué)生動手能力、創(chuàng)新實驗項目及內(nèi)容等方面進行了全方位改進與探索。

此外，新實驗平臺對傳統(tǒng)電子實驗儀器的依賴大大減少，通過主動的保護單元設(shè)計提高了設(shè)備完好率，降低了實驗教師的低水平重復(fù)指導(dǎo)工作量，為課后實驗、課程設(shè)計、寢室實驗室等多種實驗形式提供了技術(shù)上的可能性，推廣空間很大，并有可能逐步成為電子技術(shù)實驗室的新發(fā)展趨勢。

［1］曹文.電子設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［2］郝國法.DZJS-1型電子技術(shù)實驗平臺的研制［J］.實驗室研究與探索，2006（2）.

［3］司慧玲.基于LabVIEW的虛擬電工與電子實驗的設(shè)計［D］.南京：南京理工大學(xué)，2012.