虛實一體創(chuàng)新通用型電子技術(shù)綜合實驗平臺

徐 垚，張永華，韓劍鋒

（1.浙江傳媒學(xué)院 媒體工程學(xué)院，浙江 杭州 310000；2.浙江信網(wǎng)真科技股份有限公司，浙江 杭州 31000）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，高等教育行業(yè)的實驗教學(xué)方式發(fā)生了質(zhì)變。電子技術(shù)類實驗課程作為高等教育中工科實驗的重要組成部分，隨之發(fā)生了根本變化。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)基本采用兩種模式。一種是箱式實驗?zāi)Ｊ?，即一門課程一個實驗箱，以驗證性實驗為主，學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師或者實驗指導(dǎo)書按部就班進(jìn)行，實驗項目相對固定，動手少，思考少。學(xué)生只能在有限的時間內(nèi)進(jìn)行實驗操作，一旦下課或者實驗室被占用，將無法繼續(xù)開展實驗，受時間和空間的限制較大。另一種是虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ?。虛擬仿真實驗在一定程度上只是純粹的模擬實驗，是基于理論化和理想化的模型設(shè)計實驗。學(xué)生用仿真軟件進(jìn)行實驗，只要連線正確，往往都能得出無誤差的實驗結(jié)果，缺乏對具體電路模型的認(rèn)識和設(shè)計，更無法體會到實驗環(huán)節(jié)中經(jīng)常會碰到的器件標(biāo)稱誤差、各種干擾以及器件故障等問題，往往無法有效提高解決工程實踐問題的能力［1］。針對這些問題，浙江傳媒學(xué)院媒體工程學(xué)院聯(lián)合企業(yè)對電子技術(shù)實驗設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，研制了一種可開展多課程、支持線上線下以及虛實一體的創(chuàng)新通用型電子技術(shù)綜合實驗平臺。

1 平臺總體設(shè)計方案

虛實一體創(chuàng)新通用型電子技術(shù)綜合實驗平臺總體設(shè)計貫徹了新工科“繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享”和“尊重個性發(fā)展、激發(fā)學(xué)術(shù)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、提升綜合素質(zhì)”的教育理念，模塊化設(shè)計，多課程融合，且線上線下混合實驗?zāi)Ｊ?，使得學(xué)生實驗不受時空限制，尊重個性發(fā)展，資源協(xié)調(diào)共享。根據(jù)此理念，平臺整體設(shè)計分為硬件部分和軟件部分，采用雙線模式，即線下提供真實實驗操作環(huán)境，線上提供基于B/S 架構(gòu)的在線網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境。平臺的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

2 硬件部分設(shè)計

實驗平臺采用主板加模塊結(jié)構(gòu)。主板提供信號通道和數(shù)據(jù)通道，滿足線上線下實時所需的信號、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信功能。實驗?zāi)K標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，每個模塊主要由實驗電路和控制電路組成。

2.1 平臺主板設(shè)計

實驗平臺主板如圖2 所示，主要有兩大功能：一是線下實驗時給模塊供電，產(chǎn)生實驗所需的各種信號；二是線上實驗時切換模塊引入的測試點，實時采集后臺所需的測試點信號，建立網(wǎng)絡(luò)鏈接并轉(zhuǎn)發(fā)控制命令和采集數(shù)據(jù)［2-3］。

2.1.1 電源管理單元

電源管理單元為各實驗?zāi)K和各控制模塊提供電源。由于模擬和邏輯控制器件工作電壓基本在±5 V，所以實驗電路設(shè)計的電源電壓最大為5 V。模電實驗所需的差分電壓可由可編程電壓源提供?？删幊屉妷嚎杀镜鼐幋a開關(guān)設(shè)置，也可后臺控制。電路分析實驗所需的其他電壓（高于5 V）由實驗?zāi)K內(nèi)置斬波電路產(chǎn)生，可后臺控制。

2.1.2 信號源單元

信號源單元為各實驗?zāi)K提供實驗所需的各種信號。DDS 低頻信號源產(chǎn)生各種函數(shù)信號，如正弦、脈沖、三角、半波以及全波等，頻率為100 Hz～100 kHz，幅度為8 VPP；高頻信號源需滿足高頻實驗，頻率為1 kHz～20 MHz，幅度為100～2 000 mV；邏輯信號，包括數(shù)電實驗所需的16 路邏輯電平、4 路邏輯脈沖等；時鐘信號即數(shù)電實驗所需的各種時鐘信號；掃頻信號即等幅正弦信號，起止頻率可設(shè)置，掃頻范圍為1～10 MHz。低頻信號由主控單元的STM32F407 產(chǎn)生，高頻信號和掃頻信號由主控單元的FPGA 加DA 產(chǎn)生，邏輯信號由主控單元FPGA 產(chǎn)生。

2.1.3 測試點切換與控制電路

將每個實驗?zāi)K可能要的測試點均引出，并通過插座接入主板測試點切換單元，模擬或邏輯交換矩陣切換后臺所需信號供采集單元采集，最后采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)在后臺虛擬儀器顯示。本實驗平臺模擬交換矩陣采用CH446，邏輯交換矩陣采用FPGA。

2.1.4 主控與4 通道采集單元

主控處理器由STM32F407 和EP4CE6E22C8實現(xiàn)。線上實驗時，F(xiàn)407 接收網(wǎng)口發(fā)來的后臺命令，對電源管理單元、信號源單元、測試點切換電路單元及實驗?zāi)K電調(diào)器件等進(jìn)行配置。EP4CE6E22C8 和AD7366 完成4 路模擬信號采集，采集數(shù)據(jù)經(jīng)F407 通過網(wǎng)口發(fā)往后臺，在虛擬儀器顯示。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化實驗?zāi)K設(shè)計

實驗平臺模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，專用開模框架、有機(jī)玻璃保護(hù)，擁有統(tǒng)一的通信總線，確保不同課程實驗?zāi)K能在同一個實驗平臺上使用?？紤]到實驗?zāi)K需支持線上線下實驗，因此每個模塊由兩部分組成，即實驗電路部分和線上實驗控制部分。實驗?zāi)K框圖如圖3 所示。

2.2.1 實驗電路單元

實驗電路用于完成不同實驗，每個模塊實驗電路各不相同。但是，為了支持線上實驗，實驗電路可調(diào)器件應(yīng)盡可能采用數(shù)控器件，如數(shù)字電位器（小功率負(fù)載）、多路選擇器（器件選擇、信號選擇）、數(shù)控電源（工作點）以及數(shù)控諧振回路（選頻回路、振蕩回路）等。

2.2.2 線上實驗控制電路

線上實驗時，學(xué)生在客戶端瀏覽器上進(jìn)行實驗電路搭建、電路參數(shù)調(diào)整以及測試點選擇等操作。在線實驗操作軟件將各種操作命令通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)往對應(yīng)平臺的主板，主板處理器解釋命令后，經(jīng)CAN總線通知實驗?zāi)K的“控制電路”切換實驗電路，確保實際實驗電路和學(xué)生瀏覽器搭建電路一致。

2.2.3 混頻實驗?zāi)K

混頻實驗需要控制的信號和參數(shù)有本振輸入信號、射頻輸入信號、晶體管工作點和中頻濾波器。線下實驗時，本振信號和射頻信號由信號線引入。線上實驗時，本振信號和射頻信號分別由兩個繼電器（J201 和2JD2）切換引入。工作點和中頻濾波器參數(shù)由2U3 數(shù)模芯片產(chǎn)生的電壓調(diào)整。線下實驗時通過編碼開關(guān)（2SS1）設(shè)定，線上實驗時通過CAN總線（2U2）配置。混頻實驗?zāi)K和混頻實驗控制電路，分別如圖4 和圖5 所示。

2.3 線下實驗平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

線下實驗平臺如圖6 所示，采用臺式結(jié)構(gòu)展示。平臺左側(cè)為實驗?zāi)K區(qū)，模塊框架內(nèi)置磁鐵，能可靠吸附主板且更換方便；右下角標(biāo)配嵌入式PC 控制器，線下實驗時學(xué)生能調(diào)閱實驗原理、實驗流程圖以及在線控制實驗電路參數(shù)（實驗電路參數(shù)可用模塊上編碼開關(guān)設(shè)置，也可在PC 界面實驗原理圖上配置）；平臺右上角為實驗?zāi)K與控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D，學(xué)生可總體了解實驗平臺各單元間的相互關(guān)系［4］。

2.4 實驗平臺的課程設(shè)計

實驗平臺的實驗單元均采用可插拔式模塊化設(shè)計，可以通過更換模塊滿足不同課程的實驗，以支持通信電子線路實驗、數(shù)字電子技術(shù)實驗、模擬電子技術(shù)實驗以及電路原理分析實驗等多門電子技術(shù)類實驗課程。目前，已建設(shè)完成通信電子線路實驗和數(shù)字電子技術(shù)實驗部分。

通信電子線路實驗單元模塊包括變?nèi)莨苷{(diào)頻與相位鑒頻模塊、集成乘法器調(diào)幅混頻與同步解調(diào)模塊、高頻功放與無線發(fā)射模塊、無線接收與小信號放大模塊、正弦振蕩器與晶體管混頻模塊和中放AGC 與二極管檢波模塊。實驗?zāi)K均采用微處理器+電控元件結(jié)構(gòu)，工作點調(diào)整、增益以及負(fù)載等均有數(shù)字電位器調(diào)節(jié)，諧振回路參數(shù)、振蕩器頻率以及濾波器帶寬等均有可調(diào)電壓控制，負(fù)載接入、元件切換均有電子開關(guān)控制，從而確保系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、可擴(kuò)展性和可恢復(fù)性［5］。

通信電子線路實驗的單元模塊既可以完成原理性實驗，也可以級聯(lián)后構(gòu)成完整的調(diào)頻無線收發(fā)信機(jī)（如圖7 所示），又能構(gòu)成完整的調(diào)幅無線收發(fā)信機(jī)（如圖8 所示）。

數(shù)字電路除能完成基本的組合邏輯電路和時序邏輯電路實驗外，還能支持?jǐn)?shù)字系統(tǒng)設(shè)計類實驗，學(xué)生可基于FPGA 編譯環(huán)境設(shè)計、仿真、加載以及驗證實驗項目。數(shù)電線下實驗時，學(xué)生可以插芯片也可以不插芯片（FPGA 映射）做實驗，提高了實驗效率，減輕了教師實驗準(zhǔn)備工作量。數(shù)電實驗芯片映射（拖放）液晶界面，如圖9 所示。

3 在線實驗軟件設(shè)計

線上實驗是指學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)離實驗設(shè)備的客戶端瀏覽器上進(jìn)行實驗。線上實驗軟件分為兩部分，即線上實驗網(wǎng)管平臺和線上實驗操作平臺。

3.1 線上實驗網(wǎng)管平臺

線上實驗網(wǎng)管平臺，如圖10 所示，包含線上實驗用戶管理、實驗課程信息管理和遠(yuǎn)程實驗設(shè)備在線管理3 部分功能。線上實驗用戶可依據(jù)學(xué)校學(xué)生名單，采用批量導(dǎo)入授權(quán)或者動態(tài)自主注冊申請等方式。實驗用戶實驗內(nèi)容可與教務(wù)系統(tǒng)動態(tài)關(guān)聯(lián)，也可任課教師手動布置實驗任務(wù)。實驗用戶的實驗成績信息支持多種維度的統(tǒng)計，并可導(dǎo)出報表文件。已授權(quán)的線上實驗用戶在實驗時可獲得線上實驗網(wǎng)管平臺調(diào)度分配的遠(yuǎn)程實驗設(shè)備。

3.2 線上實驗操作平臺

線上實驗操作平臺是用戶在線實驗操作的核心功能，涉及到遠(yuǎn)程實驗設(shè)備的實驗功能單元調(diào)度，如用戶在線選取實驗?zāi)K、在線動態(tài)電子連線以及示波器三用表等儀器儀表的測量使用。所有的實驗操作均真實模擬實際元器件或者儀器儀表的使用方法。線上實驗操作記錄均可在操作管理系統(tǒng)中保留歷史記錄，做到實驗數(shù)據(jù)信息的線上記錄，并可隨時提取接上次實驗完成度接續(xù)實驗，達(dá)到在線遠(yuǎn)程實驗部分替代線下本地實驗的效果［6-8］。

線上實驗平臺采用B/S 架構(gòu)，基于HTML5+Web+FPGA 技術(shù)實現(xiàn)。平臺的硬件設(shè)備統(tǒng)一部署在指定實驗室，統(tǒng)一管理。通過線上實驗平臺搭建遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)（通信電子線路實驗、數(shù)字電子技術(shù)實驗、模擬電子技術(shù)實驗以及電路原理分析實驗內(nèi)容與線下一致），遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)具備實驗平臺管理功能。通過Internet 和在線平臺操作軟件，將數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程操作以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)和實驗平臺有機(jī)結(jié)合，從而達(dá)到共享實驗資源、遠(yuǎn)程進(jìn)行實驗操作等目的。平臺支持多人同時進(jìn)行實驗，每個實驗人員在實驗時單獨占用一個真實的實驗平臺，通過在線實驗網(wǎng)管平臺后臺管理避免發(fā)生沖突，使學(xué)生可以完成真正的遠(yuǎn)程在線實體實驗。在線實驗平臺技術(shù)架構(gòu)如圖11 所示。

線上實驗平臺學(xué)生端不需要安裝任何第三方軟件，通過瀏覽器即可自由訪問服務(wù)器、登陸在線實驗平臺、選擇相應(yīng)的實驗課程和實驗項目、完成相應(yīng)的實驗內(nèi)容、提交實驗報告以及查看實驗成績等。學(xué)生可以不受空間、時間限制，在家中、圖書館、教室以及宿舍等網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，通過計算機(jī)瀏覽器完成實驗預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。在線實驗平臺內(nèi)置了實驗指導(dǎo)書、實驗原理圖、實驗注意事項、實驗步驟以及實驗視頻等。1:1 的實驗操作面板通過網(wǎng)絡(luò)控制遠(yuǎn)程實驗硬件，設(shè)置實驗參數(shù)，調(diào)理實驗信號。配套的虛擬儀器可以測試實際電路的實驗結(jié)果。儀器界面操作與實驗室儀器界面操作一致，有助于學(xué)生熟悉儀器儀表的使用。線上實驗平臺還提供實驗截圖、電子報告等功能，方便實驗室數(shù)字化建設(shè)。

3.3 在線實驗平臺的結(jié)構(gòu)及功能

在線實驗平臺主要由前端交互子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)云平臺子系統(tǒng)、實驗終端電路子系統(tǒng)、FPGA 數(shù)據(jù)反饋子系統(tǒng)以及配套的在線實驗操作、管理軟件平臺等部分組成。前端子系統(tǒng)基于HTML5 前端Web交互方案技術(shù)，使用VUE+WebSocket 核心架構(gòu)結(jié)合設(shè)計，前端實驗操作WebSocket 聯(lián)通后臺服務(wù)器端數(shù)據(jù)云平臺。數(shù)據(jù)云平臺服務(wù)器端使用JAVA、C++以及SQL 編程。數(shù)據(jù)云平臺主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)請求，并分發(fā)終端實驗數(shù)據(jù)請求至硬件實驗終端子系統(tǒng)，同時負(fù)責(zé)實驗中的業(yè)務(wù)邏輯數(shù)據(jù)處理、實驗數(shù)據(jù)報表信息反饋等功能。實驗中的有效數(shù)據(jù)均由實驗終端電路子系統(tǒng)中的實驗電路實際運(yùn)行產(chǎn)生。實驗中，終端電路數(shù)據(jù)響應(yīng)反饋使用FPGA子系統(tǒng)獲取。FPGA 數(shù)據(jù)反饋子系統(tǒng)可集成示波器、邏輯分析儀、三用表、掃頻儀以及頻率計等實驗儀器儀表。實驗數(shù)據(jù)信息依賴于IP 網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)［9-10］。

實驗平臺在網(wǎng)管軟件和遠(yuǎn)程控制模塊的支持下，學(xué)生或教師能通過網(wǎng)絡(luò)在客戶端瀏覽器的虛擬操作平臺上進(jìn)行遠(yuǎn)程實體實驗或原理講解演示。實驗操作包括信號源設(shè)置、電路搭建（電子連線）、電路參數(shù)配置調(diào)整、測量點選擇、虛擬儀器操作以及信號測試等實驗。在線實驗操作界面如圖12 所示。

4 實驗平臺的應(yīng)用效果

創(chuàng)新通用型電子技術(shù)綜合實驗平臺建成后，具備了實踐和仿真、驗證和開發(fā)、系統(tǒng)和單元、硬件方法和軟件算法、原理展示和工程應(yīng)用、本地操作和遠(yuǎn)程實驗、傳統(tǒng)管理和自主開放相結(jié)合等特點。它一方面既能滿足學(xué)生完成課程實驗、工程實訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計，又能滿足教師進(jìn)行硬件開發(fā)、算法研究和指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電子設(shè)計類競賽，另一方面由于平臺采用了可編程技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可為其他專業(yè)課程融合實驗教學(xué)創(chuàng)造一定的條件。

實驗平臺采用線上線下混合實驗?zāi)Ｊ健＞€下實驗學(xué)生能認(rèn)知實驗器件，學(xué)會測試設(shè)備使用，掌握電類實驗基本方法；線上實驗則能更進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生實驗電路搭建技能，更好地理解實驗原理（可觀測試內(nèi)容更豐富），擁有更多的實驗內(nèi)容選擇?？梢?，線上線下混合實驗?zāi)Ｊ娇朔藗鹘y(tǒng)實驗?zāi)Ｊ絾我弧㈨椖抗潭ǖ膯栴}，學(xué)生能根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度安排實驗時間，隨時、隨地、隨興地完成實驗課程，有利于激發(fā)學(xué)生的實驗積極性，滿足學(xué)生的個性化教學(xué)要求［11］。同時，教師可通過實驗室管理系統(tǒng)掌握學(xué)生的實驗情況，進(jìn)行電子報告批改等，減輕了教師實驗輔導(dǎo)的工作量和實驗技術(shù)人員維護(hù)與管理的工作量，提高了實驗室和實驗設(shè)備的利用率，真正做到了實驗室全開放。

5 結(jié)語

通過創(chuàng)新通用型電子技術(shù)綜合實驗平臺的建設(shè)，將線下的實驗教學(xué)與線上實驗教學(xué)相結(jié)合，采取一種虛實一體化的實驗教學(xué)方法，有效解決了實驗場地與學(xué)生實驗時間沖突的矛盾，提升了實驗室的開放效果，使實驗教學(xué)內(nèi)容滿足了新時代實驗技術(shù)發(fā)展的要求，增加了學(xué)生實踐動手機(jī)會，提高了學(xué)生創(chuàng)新能力，滿足了電子信息類專業(yè)的實驗需求，促進(jìn)了高校實驗教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的提高。