以综合能力培养为导向的智能电子技术实验系统研制

陈 璨，郝宪峰，任旭虎，李 林

(中国石油大学(华东)信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

作为电子技术实践教学的基础，国内外许多高校对电子技术实验进行了深入的研究与探索，也正在进行相应的改革和调整。许多高校通过购买成套的电子技术实验系统来满足实验硬件的需要，中国石油大学(华东)前期也曾经从市场上购买过成品实验箱，但经过一段时间的试用后发现，现有的电子技术实验系统主要强调功能的全面性和可做实验题目的多样性，很少有针对强化学生分析电路、查找电路故障的实验系统[1－2]。当学生在实验过程中遇到问题时，常常手足无措，无从下手，不知道如何解决遇到的问题。经过与学生的沟通和对其他高校的调研，本文总结出以下3点。

1)虽然电子技术芯片型号众多，但限于实验室条件，同时便于管理，实验室一般提供的芯片种类有限，相应的，学生的设计方案会受到限制，这样造成学生懒于动脑，互相抄袭[3－4]。如果实验系统硬件具有设置故障点的功能，就可做到一人一题，寻找故障点的过程就像寻宝过程，学生比较有兴趣，可极大地提高了学生做实验的积极性。

2)电子技术实验过程中经常出现一些学生常犯的失误和错误，有时候这种错误是典型的和普遍的，学生常常因为查找错误而耽误大量的实验时间，如果有可以设置故障点的电子技术实验系统，通过人为模拟这种故障有助于学生加深印象，避免犯同样的错误，把精力放到电路的设计和分析上[5]。

3)常用电子测量仪器仪表的使用是学生应掌握的基本技能，但是现阶段对仪器的学习和使用是分散和单一的，很少有可以培养学生综合利用各种仪器的题目。如果有可以设置故障点的电子技术实验系统，通过故意设置一些小故障，学生可以带着任务进行仪器使用的学习，这样能够比较各种测量仪器的使用范围和优缺点，学生对仪器的选择和使用才会更有效率和效果[6]。

基于此，在现有电路实验硬件的基础上，设计一种以综合能力培养为导向的智能电子技术实验系统就显得很有必要。通过可以重新设置故障点的种类和位置的功能，模拟学生在做实验过程中经常遇到的故障，可以提醒学生在做实验的过程中，如何避免犯低级错误，提高实验的效率。另外，在学生容易出错和混淆的地方设置故障点，可以引起学生对相关知识点学习的重视，进而较好地掌握相关的内容。通过实验箱故障点的实时监测功能，可以随时掌握学生实验的进度，发现学生做实验过程中暴露出的问题。同时实现了一人一题、一人多题，避免了学生之间相互抄袭、相互依赖的懒惰心理，促使学生在查找电路故障的过程中实现动手能力、电路分析能力和仪器仪表的使用等各方面能力的提高。

1 方案设计与硬件电路

通过调研和总结学生平时做实验时常犯的典型失误，在现有电子技术实验系统的基础上，通过增加微控制器和外围电路，实现电路信息的采集和信号的切换，达到模拟故障点的效果。现在无线通信模块价格便宜，使用方便，通过为实验箱添加无线通信模块，可以利用计算机实时控制实验箱故障点的设置和切换，同时通过采集实验箱故障点的状态信号，实现学生实验过程的监测[7－10]。智能电子技术实验系统功能总框图如图1所示。下面结合图1介绍实验系统各部分的功能和实现方法。

图1 系统总框图

1.1 微控制器

C8051F120是能够处理模拟和数字信号的高速单片机。它体积小，采用贴片封装，运算速度较快，同时具有与MCS－51指令集完全兼容的CIP－51内核。单片机采用流水线的指令结构，具有丰富的I/O口和高达20个中断源，而且具有SPI、ADC、UART和定时器等丰富的外设。此外该单片机具有高达8k＋256字节的RAM和128k字节的FLASH，无须外部的扩展即可实现掉电存储和高速度运算，并且具有JTAG接口，方便在线调试，尤其适合各种工业控制和仪表的使用。基于以上原因，数据采集以及控制电路由单片机C8051F120来实现。

图2为自制的微控制器最小系统板，最小系统板既可以单独使用，又可以通过插针连接到实验箱底板作为整个系统的控制核心[11－12]。通过这种模块化的最小系统板的方式，既方便了维修和检查电路故障，同时也降低了整个实验系统的成本，不会因为微控制器的故障而导致整个实验系统报废。

图2 微控制器最小系统板

1.2 控制部分结构

学生在做实验的过程中常见的故障有导线接触不良、电源短路、电源断路、芯片损坏、输入输出故障等等，实验系统控制部分结构如图3所示。本文通过微控制器的I/O控制继电器的动作，实现信号的通断和电路的切换，以此模拟电路中出现的导线和芯片的接触不良，同时可以通过继电器的切换实现电路功能的转换和微调，促使学生重视相关的内容。此外通过A/D采集故障点的信息，通过无线通信模块实现学生实验过程的监测。

图3 实验系统控制部分结构示意图

1.3 无线模块

当电路实验系统台数较少、实验课安排不是太集中时，可以通过手持式的编程器修改微控制器程序，借以重新设置故障点的种类和位置，但是当实验课安排比较集中，实验台数数目较多时，这种方式耗时耗力，效率较低，不能及时重新设置故障点，同时也不能实时监控学生实验完成情况和实验效果。基于此，同时考虑现有无线通信模块价格低廉和功能强大的特点，本文通过计算机和无线通信模块，利用上位机实现对实验系统故障点的实时设置和监测功能。

SRWF－501是一种单片无线收发一体的芯片，提供了一个9针的连接器，包含了高频发射、高频接收、PLL合成和多频道切换电路，集成度很高。芯片采用抗干扰能力强的GFSK/FSK调制方式，工作频率稳定可靠，外围器件较少，并且能够直接和单片机或者是上位机进行串口连接，传输的数据无须曼彻斯特编码，效率比较高。SRWF－501实物图如图4所示。

图4 SRWF－501无线模块

1.4 无线模块节点组网

智能电子技术实验系统无线通信由两部分构成:1)信号的采集与发射装置，由传感器、微控制器和SRWF－501集成电路模块(发射)构成；2)信号的接收、测量和控制装置，由SRWF－501集成电路(接收)和上位机及其监控软件构成。

单片机采集端控制器电路原理图如图5所示。SRWF－501使用3根引线与微控制器C8051F120相连，微控制器C8051F120通过RXD和TXD两个口实现与SRWF－501间数据的接收与发送，属于半双工通信方式。

PC机与SRWF－501通信模块的接口电路如图6所示。SRWF－501使用3根引线与PC机的串口相连，PC机通过串口的RX和TX实现数据的接收与发送，属于半双工通信方式。在无线通信过程中，需要注意以下3个问题。1)通信双方数据传输的波特率一定要设成一致的。例如单片机和微机之间进行无线通信，单片机的串口波特率设为9 600，微机的串口波特率也要设为9 600，保证数据能够正确传输，否则就无法完成数据通信。2)确保通信的双方(如单片机和微机)一方处于发送状态时，另一方为接收状态，保证数据顺利完成传输。3)为了减少开关脉冲对无线模块的干扰，必须选择纹波系数较好的电源，最好是使用单独的稳压芯片进行供电。

图5 无线模块节点结构示意图

图6 服务器端节点示意图

2 软功能介绍

2.1 下位机软件功能

微控制器C8051F120是整个系统的控制核心，软件编程总体来说分为主控制模块、无线通信控制模块、输入输出故障设置模块、芯片故障设置模块、电源故障设置模块等5个模块。程序流程框图如图7所示。

2.2 上位机监控软件功能

实验室虚拟仪器工程平台(laboratory virtual instrumentation engineering workbench， LabVIEW) 是由美国国家仪器公司所开发的图形化程序编译平台。与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。

图7 软件设计框图

在上位机终端上，LabVIEW通过RS－232串口通信采集无线模块节点的数据，显示采集到的电子技术实验箱的各项参数，同时可搭建控制回路，通过RS232发送控制信号到无线模块节点，实现对电子技术实验箱各个参数的控制。LabVIEW程序分为前台界面控制程序和后台代码控制程序两部分，主界面如图8所示。

图8 监控上位机主界面

通过主界面可以整体监控实验室内所有实验箱的使用情况，通过设置界面，可以设置每台实验箱的故障类型和故障位置。为了简化后台程序结构，后台代码控制程序部分采用层次化结构方式，通过调用子模块的方式来实现程序的易读性，例如可以把功能相对独立、在程序中可能重复调用的代码做成子模块。后台程序顶层结构如图9所示，RS－232串口通信程序子模块如图10所示。

图9 后台程序顶层结构

3 使用方法和已开发的实验项目

通过以上分析可以看出，在普通电子技术实验平台的基础上对原有电路稍加改进，通过增加微控制器和无线模块，利用上位机实现故障点设置和监测功能，实现了电子技术实验系统的智能化。采用这种改进的实验平台，除了可以进行常规实验外，最重要的是通过故障点的远端设置和监测功能，使实验硬件的功能丰富起来，学生查错的过程像寻宝的过程，学习兴趣比较浓厚，积极性较高。同时学生做实验的过程透明起来，教师可以实时掌握学生做实验的进度，可以随时发现学生做实验过程中暴露出的问题，这样更有助于改进今后的实验教学。

具有故障点设置和监测功能的智能电子技术实验系统是一种全新的实验系统，需要新的实验大纲和实验题目与之配套，才能发挥出实验系统在培养学生动手能力和创新能力方面的优势来。经过一段时间的试用和摸索，目前可开出的实验项目的范围和内容有了较大的改进和提高，除了基本的电子技术实验外，目前以新实验系统为硬件基础，开发设计出新实验项目十余项，例如组合逻辑电路设计与故障分析、常用仪器在电路分析中的应用、时序逻辑电路分析等。在每次实验中，虽说实验题目相同，实验硬件外观相同，但是通过远端设置实验系统功能后，每个学生的硬件情况却是不同的，这样可有效地避免学生抄袭，对学生的评价和考核也更加客观。

4 结束语

经过充分的调研，提出了具有故障点设置和监测功能的智能电子技术实验系统研制。实验系统通过模拟学生在做实验过程中常遇到的故障，可以提醒学生在做实验的过程中，如何避免犯低级错误，提高实验的效率。另外在学生容易出错和混淆的地方设置故障点，可以引起学生对相关知识点学习的重视，进而较好地掌握相关的内容。通过上位机监测和故障设置的软件开发，实现对实验系统故障点的实时设置和监测功能。通过这种功能，既可以重新设置故障点的种类和位置，又可以随时掌握学生实验的进度，发现学生做实验过程中暴露出的问题。本校开设电子技术课程的专业每年有自动化，测控、电子、电气等6个专业20多个班级，新型实验系统的应用对学生的动手能力和学习兴趣的提高都有极大的促进作用，充分调动了学生参与实验的积极性与主动性。此外新型实验系统的开发和使用对新实验方法的尝试和实验教学改革具有较大的促进作用。

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