以綜合能力培養(yǎng)為導向的智能電子技術實驗系統(tǒng)研制

陳 璨，郝憲峰，任旭虎，李 林

(中國石油大學(華東)信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

作為電子技術實踐教學的基礎，國內(nèi)外許多高校對電子技術實驗進行了深入的研究與探索，也正在進行相應的改革和調(diào)整。許多高校通過購買成套的電子技術實驗系統(tǒng)來滿足實驗硬件的需要，中國石油大學(華東)前期也曾經(jīng)從市場上購買過成品實驗箱，但經(jīng)過一段時間的試用后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的電子技術實驗系統(tǒng)主要強調(diào)功能的全面性和可做實驗題目的多樣性，很少有針對強化學生分析電路、查找電路故障的實驗系統(tǒng)[1－2]。當學生在實驗過程中遇到問題時，常常手足無措，無從下手，不知道如何解決遇到的問題。經(jīng)過與學生的溝通和對其他高校的調(diào)研，本文總結出以下3點。

1)雖然電子技術芯片型號眾多，但限于實驗室條件，同時便于管理，實驗室一般提供的芯片種類有限，相應的，學生的設計方案會受到限制，這樣造成學生懶于動腦，互相抄襲[3－4]。如果實驗系統(tǒng)硬件具有設置故障點的功能，就可做到一人一題，尋找故障點的過程就像尋寶過程，學生比較有興趣，可極大地提高了學生做實驗的積極性。

2)電子技術實驗過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些學生常犯的失誤和錯誤，有時候這種錯誤是典型的和普遍的，學生常常因為查找錯誤而耽誤大量的實驗時間，如果有可以設置故障點的電子技術實驗系統(tǒng)，通過人為模擬這種故障有助于學生加深印象，避免犯同樣的錯誤，把精力放到電路的設計和分析上[5]。

3)常用電子測量儀器儀表的使用是學生應掌握的基本技能，但是現(xiàn)階段對儀器的學習和使用是分散和單一的，很少有可以培養(yǎng)學生綜合利用各種儀器的題目。如果有可以設置故障點的電子技術實驗系統(tǒng)，通過故意設置一些小故障，學生可以帶著任務進行儀器使用的學習，這樣能夠比較各種測量儀器的使用范圍和優(yōu)缺點，學生對儀器的選擇和使用才會更有效率和效果[6]。

基于此，在現(xiàn)有電路實驗硬件的基礎上，設計一種以綜合能力培養(yǎng)為導向的智能電子技術實驗系統(tǒng)就顯得很有必要。通過可以重新設置故障點的種類和位置的功能，模擬學生在做實驗過程中經(jīng)常遇到的故障，可以提醒學生在做實驗的過程中，如何避免犯低級錯誤，提高實驗的效率。另外，在學生容易出錯和混淆的地方設置故障點，可以引起學生對相關知識點學習的重視，進而較好地掌握相關的內(nèi)容。通過實驗箱故障點的實時監(jiān)測功能，可以隨時掌握學生實驗的進度，發(fā)現(xiàn)學生做實驗過程中暴露出的問題。同時實現(xiàn)了一人一題、一人多題，避免了學生之間相互抄襲、相互依賴的懶惰心理，促使學生在查找電路故障的過程中實現(xiàn)動手能力、電路分析能力和儀器儀表的使用等各方面能力的提高。

1 方案設計與硬件電路

通過調(diào)研和總結學生平時做實驗時常犯的典型失誤，在現(xiàn)有電子技術實驗系統(tǒng)的基礎上，通過增加微控制器和外圍電路，實現(xiàn)電路信息的采集和信號的切換，達到模擬故障點的效果?，F(xiàn)在無線通信模塊價格便宜，使用方便，通過為實驗箱添加無線通信模塊，可以利用計算機實時控制實驗箱故障點的設置和切換，同時通過采集實驗箱故障點的狀態(tài)信號，實現(xiàn)學生實驗過程的監(jiān)測[7－10]。智能電子技術實驗系統(tǒng)功能總框圖如圖1所示。下面結合圖1介紹實驗系統(tǒng)各部分的功能和實現(xiàn)方法。

圖1 系統(tǒng)總框圖

1.1 微控制器

C8051F120是能夠處理模擬和數(shù)字信號的高速單片機。它體積小，采用貼片封裝，運算速度較快，同時具有與MCS－51指令集完全兼容的CIP－51內(nèi)核。單片機采用流水線的指令結構，具有豐富的I/O口和高達20個中斷源，而且具有SPI、ADC、UART和定時器等豐富的外設。此外該單片機具有高達8k＋256字節(jié)的RAM和128k字節(jié)的FLASH，無須外部的擴展即可實現(xiàn)掉電存儲和高速度運算，并且具有JTAG接口，方便在線調(diào)試，尤其適合各種工業(yè)控制和儀表的使用。基于以上原因，數(shù)據(jù)采集以及控制電路由單片機C8051F120來實現(xiàn)。

圖2為自制的微控制器最小系統(tǒng)板，最小系統(tǒng)板既可以單獨使用，又可以通過插針連接到實驗箱底板作為整個系統(tǒng)的控制核心[11－12]。通過這種模塊化的最小系統(tǒng)板的方式，既方便了維修和檢查電路故障，同時也降低了整個實驗系統(tǒng)的成本，不會因為微控制器的故障而導致整個實驗系統(tǒng)報廢。

圖2 微控制器最小系統(tǒng)板

1.2 控制部分結構

學生在做實驗的過程中常見的故障有導線接觸不良、電源短路、電源斷路、芯片損壞、輸入輸出故障等等，實驗系統(tǒng)控制部分結構如圖3所示。本文通過微控制器的I/O控制繼電器的動作，實現(xiàn)信號的通斷和電路的切換，以此模擬電路中出現(xiàn)的導線和芯片的接觸不良，同時可以通過繼電器的切換實現(xiàn)電路功能的轉換和微調(diào)，促使學生重視相關的內(nèi)容。此外通過A/D采集故障點的信息，通過無線通信模塊實現(xiàn)學生實驗過程的監(jiān)測。

圖3 實驗系統(tǒng)控制部分結構示意圖

1.3 無線模塊

當電路實驗系統(tǒng)臺數(shù)較少、實驗課安排不是太集中時，可以通過手持式的編程器修改微控制器程序，借以重新設置故障點的種類和位置，但是當實驗課安排比較集中，實驗臺數(shù)數(shù)目較多時，這種方式耗時耗力，效率較低，不能及時重新設置故障點，同時也不能實時監(jiān)控學生實驗完成情況和實驗效果?；诖耍瑫r考慮現(xiàn)有無線通信模塊價格低廉和功能強大的特點，本文通過計算機和無線通信模塊，利用上位機實現(xiàn)對實驗系統(tǒng)故障點的實時設置和監(jiān)測功能。

SRWF－501是一種單片無線收發(fā)一體的芯片，提供了一個9針的連接器，包含了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成和多頻道切換電路，集成度很高。芯片采用抗干擾能力強的GFSK/FSK調(diào)制方式，工作頻率穩(wěn)定可靠，外圍器件較少，并且能夠直接和單片機或者是上位機進行串口連接，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)無須曼徹斯特編碼，效率比較高。SRWF－501實物圖如圖4所示。

圖4 SRWF－501無線模塊

1.4 無線模塊節(jié)點組網(wǎng)

智能電子技術實驗系統(tǒng)無線通信由兩部分構成:1)信號的采集與發(fā)射裝置，由傳感器、微控制器和SRWF－501集成電路模塊(發(fā)射)構成；2)信號的接收、測量和控制裝置，由SRWF－501集成電路(接收)和上位機及其監(jiān)控軟件構成。

單片機采集端控制器電路原理圖如圖5所示。SRWF－501使用3根引線與微控制器C8051F120相連，微控制器C8051F120通過RXD和TXD兩個口實現(xiàn)與SRWF－501間數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，屬于半雙工通信方式。

PC機與SRWF－501通信模塊的接口電路如圖6所示。SRWF－501使用3根引線與PC機的串口相連，PC機通過串口的RX和TX實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，屬于半雙工通信方式。在無線通信過程中，需要注意以下3個問題。1)通信雙方數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈室欢ㄒO成一致的。例如單片機和微機之間進行無線通信，單片機的串口波特率設為9 600，微機的串口波特率也要設為9 600，保證數(shù)據(jù)能夠正確傳輸，否則就無法完成數(shù)據(jù)通信。2)確保通信的雙方(如單片機和微機)一方處于發(fā)送狀態(tài)時，另一方為接收狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)順利完成傳輸。3)為了減少開關脈沖對無線模塊的干擾，必須選擇紋波系數(shù)較好的電源，最好是使用單獨的穩(wěn)壓芯片進行供電。

圖5 無線模塊節(jié)點結構示意圖

圖6 服務器端節(jié)點示意圖

2 軟功能介紹

2.1 下位機軟件功能

微控制器C8051F120是整個系統(tǒng)的控制核心，軟件編程總體來說分為主控制模塊、無線通信控制模塊、輸入輸出故障設置模塊、芯片故障設置模塊、電源故障設置模塊等5個模塊。程序流程框圖如圖7所示。

2.2 上位機監(jiān)控軟件功能

實驗室虛擬儀器工程平臺(laboratory virtual instrumentation engineering workbench， LabVIEW) 是由美國國家儀器公司所開發(fā)的圖形化程序編譯平臺。與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。LabVIEW是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。

圖7 軟件設計框圖

在上位機終端上，LabVIEW通過RS－232串口通信采集無線模塊節(jié)點的數(shù)據(jù)，顯示采集到的電子技術實驗箱的各項參數(shù)，同時可搭建控制回路，通過RS232發(fā)送控制信號到無線模塊節(jié)點，實現(xiàn)對電子技術實驗箱各個參數(shù)的控制。LabVIEW程序分為前臺界面控制程序和后臺代碼控制程序兩部分，主界面如圖8所示。

圖8 監(jiān)控上位機主界面

通過主界面可以整體監(jiān)控實驗室內(nèi)所有實驗箱的使用情況，通過設置界面，可以設置每臺實驗箱的故障類型和故障位置。為了簡化后臺程序結構，后臺代碼控制程序部分采用層次化結構方式，通過調(diào)用子模塊的方式來實現(xiàn)程序的易讀性，例如可以把功能相對獨立、在程序中可能重復調(diào)用的代碼做成子模塊。后臺程序頂層結構如圖9所示，RS－232串口通信程序子模塊如圖10所示。

圖9 后臺程序頂層結構

3 使用方法和已開發(fā)的實驗項目

通過以上分析可以看出，在普通電子技術實驗平臺的基礎上對原有電路稍加改進，通過增加微控制器和無線模塊，利用上位機實現(xiàn)故障點設置和監(jiān)測功能，實現(xiàn)了電子技術實驗系統(tǒng)的智能化。采用這種改進的實驗平臺，除了可以進行常規(guī)實驗外，最重要的是通過故障點的遠端設置和監(jiān)測功能，使實驗硬件的功能豐富起來，學生查錯的過程像尋寶的過程，學習興趣比較濃厚，積極性較高。同時學生做實驗的過程透明起來，教師可以實時掌握學生做實驗的進度，可以隨時發(fā)現(xiàn)學生做實驗過程中暴露出的問題，這樣更有助于改進今后的實驗教學。

具有故障點設置和監(jiān)測功能的智能電子技術實驗系統(tǒng)是一種全新的實驗系統(tǒng)，需要新的實驗大綱和實驗題目與之配套，才能發(fā)揮出實驗系統(tǒng)在培養(yǎng)學生動手能力和創(chuàng)新能力方面的優(yōu)勢來。經(jīng)過一段時間的試用和摸索，目前可開出的實驗項目的范圍和內(nèi)容有了較大的改進和提高，除了基本的電子技術實驗外，目前以新實驗系統(tǒng)為硬件基礎，開發(fā)設計出新實驗項目十余項，例如組合邏輯電路設計與故障分析、常用儀器在電路分析中的應用、時序邏輯電路分析等。在每次實驗中，雖說實驗題目相同，實驗硬件外觀相同，但是通過遠端設置實驗系統(tǒng)功能后，每個學生的硬件情況卻是不同的，這樣可有效地避免學生抄襲，對學生的評價和考核也更加客觀。

4 結束語

經(jīng)過充分的調(diào)研，提出了具有故障點設置和監(jiān)測功能的智能電子技術實驗系統(tǒng)研制。實驗系統(tǒng)通過模擬學生在做實驗過程中常遇到的故障，可以提醒學生在做實驗的過程中，如何避免犯低級錯誤，提高實驗的效率。另外在學生容易出錯和混淆的地方設置故障點，可以引起學生對相關知識點學習的重視，進而較好地掌握相關的內(nèi)容。通過上位機監(jiān)測和故障設置的軟件開發(fā)，實現(xiàn)對實驗系統(tǒng)故障點的實時設置和監(jiān)測功能。通過這種功能，既可以重新設置故障點的種類和位置，又可以隨時掌握學生實驗的進度，發(fā)現(xiàn)學生做實驗過程中暴露出的問題。本校開設電子技術課程的專業(yè)每年有自動化，測控、電子、電氣等6個專業(yè)20多個班級，新型實驗系統(tǒng)的應用對學生的動手能力和學習興趣的提高都有極大的促進作用，充分調(diào)動了學生參與實驗的積極性與主動性。此外新型實驗系統(tǒng)的開發(fā)和使用對新實驗方法的嘗試和實驗教學改革具有較大的促進作用。

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