实验设备自研在学生双创能力培养中的实践

徐伟杰， 戴圣伟， 肖刚毅， 李志斌

(1． 湖南化工职业技术学院 自动化与信息工程学院， 湖南 株洲 412006；2． 湖南工业大学 电气与信息工程学院， 湖南 株洲 412007)

实验设备自研在学生双创能力培养中的实践

徐伟杰1， 戴圣伟2， 肖刚毅2， 李志斌2

(1． 湖南化工职业技术学院 自动化与信息工程学院， 湖南 株洲 412006；2． 湖南工业大学 电气与信息工程学院， 湖南 株洲 412007)

为了提升学生的“双创”能力，用活实验室现有资源，落实基于问题、基于项目的实践教学方法，实现高校实验设备再设计及功能重构的价值导向，以适应当今高等教育“双创”的国家战略。以学生自研信号发生器实验设备为例，说明实验设备自研全程在学生双创能力培养中不可替代的作用，并以取得的成绩，支撑了实验设备自研在学生学习期间实施的重要性与必要性。

实验设备； 双创能力； 信号发生器

0 引 言

李克强总理提出的“大众创业，万众创新”(简称“双创”)是新时期我国的创新发展战略，成为了我国当今高等教育创新与培养高校学生双创精神、双创能力的推动力，而高校实验设备功能与作用的转型发展则是实现高校学生“双创”的重要载体与平台之一，一系列产教融合的科技创新与应用能力创新的成果研究亦充分展示了高校实验设备再设计及功能重构的价值导向[1-5]。信号发生器作为电类实验室最基本的实验设备，学生对其性能的掌握直接关系到实验效果的好坏。若能在导师指导下，完成信号发生器的自研，更是为培养其双创能力探索了一条最佳途径[6-10]。

1 自研信号发生器及对学生双创能力的培养

1.1 信号发生器设计方案

以STC89C52单片机为控制核心，通过AD9850模块合成所需频率和波形的信号，用LCD_1602液晶显示屏显示，通过单片机对AD9850控制信号输出。系统包括STC89C52单片机、按键模块、复位电路、晶振电路、显示模块、电源模块、AD9850 DDS模块和输出调理模块[11]。信号发生器系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

方案设计部分，可培养学生能力如下：

(1) 培养学生的全局能力。各项设计指标的均衡考虑，多种方案的对比研究及最终方案的选定，各电路模块与核心控制模块的连接方式等均需学生对设计产品的全局考虑。

(2) 培养学生的创新能力。方案确定时，需查阅丰富的文献资料，对比已有的各种方案，按照实际的设计要求，实现本身的设计目标等，全过程的亲身体验，设计工作的扎实开展、推进，均是学生对创新性学习的最好诠释。其创新能力的培养将贯穿整个信号发生器自研全过程。

1.2 系统主要硬件设计

STC89C52单片机最小系统 STC89C52单片机最小系统中主要包括：STC89C52单片机、晶振电路与复位电路。主要用于系统数据处理和控制[12]，单片机最小系统如图2所示。

图2 STC89C52单片机最小系统图

+5 V直流稳压电源+5 V直流稳压电源主要包括：降压变压器、全桥整流、滤波回路以及LM7805稳压电路，用于整个电路供电，直流稳压电源电路如图3所示。

图3 直流稳压电源电路

AD9850 DDS频率合成模块 采用AD9850模块产生信号，通过单片机对AD9850模块进行控制，实现直接数字频率合成技术(DDS)，再通过D/A 模块将数字信号转换为模拟信号[13-14]。AD9850是系统的核心，内部包括：高速DDS，相位码控制电路，DAC高速的比较器。DDS模块实物如图4所示[15]。

图4 DDS模块实物图

系统主要硬件设计部分，可培养学生能力如下：

(1) 产品质量与成本的协调能力。在硬件电路元器件选型过程中，产品质量与元器件的成本始终是一对矛盾的结合体，需学生在实践过程中，协调所选器件性能与器件成本之间的关系，以达到最优的性价比。

(2) 一丝不苟的学习能力。在硬件电路的组装过程中，任何小细节的忽略，可能导致整个硬件电路设计调试的失败。一丝不苟的学习能力锻炼将贯穿整个信号发生器自研的全过程。

1.3 系统软件设计

(1) 系统软件整体设计。第一步就是设置初值。第二步就是键盘扫描，判断键位。具体说明如下：(1)将按键“1”定义为“步进加”，当检测按键被按下后，输出的频率Fout(T)=Fout(T-1)+Step，且在Lcd_1602上显示当前的频率值，同时将当前的频率值输入AD9850模块，合成输出相应的信号。(2)将按键“8”，定义为“步进减”，按键判断后，当输出频Fout(T-1)>Step时，执行操作Fout(T)=Fout(T-1)-Step；当输出频率Fout(T-1)

图5 程序流程图

(2) 系统软件整体设计。① 计算机编程能力、实际工程应用能力。信号发生器软件设计中的设置初始值、步进值、信号的合成等均需软件来完成。软件与实际硬件电路的匹配使用，是对计算机应用能力最好的训练，也是对学生计算机编程能力最好的检验。② 大中型应用软件开发能力。在信号发生器软件设计中，若不仅关注编程方法和技巧，更注重以程序为基础，着力提升实际工程中所涉及的大中型软件开发能力，并加以实践，对于快速提升学生的双创能力，具有重要的意义。

1.4 实物验证

系统的连接，如图6所示，AD9850与STC89C52单片机最小系统相连，通过编程实现单片机控制AD9850芯片合成相关频率的信号[17]。设置初值频率100Hz，步进值100Hz，实际输出值为100.0Hz，并且在LCD_1602上显示输出的信号频率及步进值，信号发生器输出频率如图7所示。

图6 单片机与AD9850的连接图

实物验证部分，可培养学生能力如下：① 实验仿真与实物验证的衔接能力。信号发生器在实验仿真中所用元器件参数为纯理论性的，而信号发生器实物制作调试中的元器件参数要受外界的各种不可预知的影响，学生通过分析实物调试数据，找出其中差异，完善元器件参数，对于学生提升实践工程能力有着重要的意义。② 学生对硬件、软件的综合调试能力。

图7 信号发生器100Hz信号输出

1.5 数据分析

从表1可知，信号发生器的精度较高，误差小于0.05%，达到了设计要求，符合设计原则。

表1 信号发生器设定值与实测值比较表

数据分析部分，学生根据所得实物调试数据，分析实物性能，找出设计不足，完善设计方法，提升设计能力。

2 自研信号发生器对学生创新能力培养成效

学生在导师的指导下，信号发生器从设计方案、硬件设计、软件设计、系统调试到整个设计过程的经验总结、理论提升等全过程中，取得较好成绩。

(1) 获批国家实用新型专利2项。① 一种基于AT89C51单片机的数字频率计(获批专利号：ZL2016200119481)。② 一种基于STC89C52单片机的正弦信号发生器(获批专利号：ZL2016200164788)。以上两专利的获批，使学生在信号发生器的创业中，拥有了自主知识产权。

(2) 获批湖南省大学生创新项目1项--天煌DZX-3电子学综合实验装置模电部分改进设计与实现(文号：湘教通〔2016〕283号)，项目主持经验的积累，为学生创业中的企业管理打下基础。

(3) 获湖南工业大学2016届优秀毕业论文(证书编号：2016-06-039)。

3 结 语

通过实验设备自研在学生双创能力培养中的实践应用，得到以下结论：

(1) 学生实验设备自研有助于学生将理论知识更好的结合实际工程需要，进而提升自身创新能力。

(2) 学生实验设备自研为学生的创业打下良好的基础。

(3) 该研究成果对高校用活实验设备资源，提升学生的双创能力具有一定的借鉴意义。

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A Study of Independently Developing Experimental Facilities for Promoting Students’ Ability of Dual Innovation

XU Weijie1, DAI Shengwei2, XIAO Gangyi2, LI zhibin2

(1． Automation and Information Engineering Institute, Hunan Chemical Vocation Technology College, Zhuzhou 412007, China； 2． Institute of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology，Zhuzhou 412007, Hunan, China)

To improve students’ ability of dual innovation, this paper exploits laboratory existing resources flexibly and implements practical teaching method based on problems and projects. It realizes the value guidance of revising and reconstructing functions of experimental facilities, and adapts to current national strategy of dual innovation in high education. As an example, a signal generator was developed by students themselves, the process illustrates the irreplaceable role of experimental facility development in students’ ability of dual innovation. The achievements support the significance and necessity for encouraging students to independently develop experimental facilities in studying.

experimental facilities； dual innovation； signal generator

2016-12-19

教育部大学生创新训练项目(201611535004、201611535005)

徐伟杰(1977-)，男，湖南浏阳人，学士，讲师，主要从事控制方面的理论与实践教学。E-mail：swodn@163.com

C 45； G 424.21

A

1006-7167(2017)08-0288-03