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(shí)驗(yàn)》教學(xué)環(huán)節(jié)中，一般先由教師簡要地講述實(shí)驗(yàn)原理與操作步驟，然后學(xué)生按照剛才的聽課內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容。只要接線正確，往往實(shí)驗(yàn)也就基本完成，由于實(shí)驗(yàn)板與真實(shí)電路板之間差別較大，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后的收獲并不多。如果實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺均只針對某些特定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開發(fā)，功能單一，通用性較差，學(xué)生們難以完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后的擴(kuò)展性設(shè)計(jì)方案，得不到有價(jià)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(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段與內(nèi)容的要求非常迫切。如何對原有電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)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(shí)驗(yàn)管理工作者、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師面前。

1 智能型實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目中，將通用型硬件實(shí)驗(yàn)平臺與上位計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡無縫對接；計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互界面對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行指導(dǎo)與提示；虛擬儀器保護(hù)硬件平臺對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控；學(xué)生的操作仍然針對硬件實(shí)驗(yàn)平臺，但是更貼近工程實(shí)踐，不再“為了實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)”，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有粗放型實(shí)驗(yàn)方案的升級，同時(shí)減輕實(shí)驗(yàn)教師的輔導(dǎo)工作量。

智能型實(shí)驗(yàn)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(dòng)畫設(shè)計(jì)等全新內(nèi)容融入到傳統(tǒng)的電子技術(shù)硬件實(shí)驗(yàn)平臺中，涉及在線智能監(jiān)測與診斷、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）等先進(jìn)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(yùn)用在昂貴的專業(yè)自診斷（OSD）設(shè)備中，在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室采用這種智能型的實(shí)驗(yàn)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(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段應(yīng)用到現(xiàn)有電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺中，將會作為一種強(qiáng)大的技術(shù)手段提高實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的吸引力，改善實(shí)驗(yàn)效果。如果將這種新型實(shí)驗(yàn)平臺通過商業(yè)手段推廣，也必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)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(shí)驗(yàn)平臺的底層，對實(shí)驗(yàn)過程中的操作順序、關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與波形進(jìn)行實(shí)時(shí)、無損、有效的監(jiān)測；依托全面優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)專家系統(tǒng)，對學(xué)生的整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過程進(jìn)行科學(xué)、規(guī)范的交互式指導(dǎo)；對學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行報(bào)警提示及后臺保護(hù)，延長實(shí)驗(yàn)平臺的使用年限；友好的人機(jī)交互界面，能夠?qū)崿F(xiàn)無教師值守情況下全天候的實(shí)驗(yàn)室開放教學(xué)，也避免了因教師能力的個(gè)體差異而造成學(xué)生實(shí)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的深度與廣度進(jìn)行自由拓展。

項(xiàng)目首先重新設(shè)計(jì)了一套電子技術(shù)硬件實(shí)驗(yàn)平臺，平臺外觀與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺接近或類似，但在硬件配置上重點(diǎn)考慮了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的可擴(kuò)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(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳送給配套的計(jì)算機(jī)。為保證硬件實(shí)驗(yàn)平臺的高度獨(dú)立性，嵌入式的控制及數(shù)據(jù)采集單元對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作的影響應(yīng)該降至最小。

計(jì)算機(jī)層面是電子技術(shù)新型實(shí)驗(yàn)平臺的亮點(diǎn)。通過Lab－View軟件開發(fā)出友好的人機(jī)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(shí)驗(yàn)選擇調(diào)用。學(xué)生操作中的實(shí)驗(yàn)波形與數(shù)據(jù)、采用FLASH編寫的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)動(dòng)畫同時(shí)顯示在人機(jī)交互界面中。當(dāng)偵測到關(guān)鍵點(diǎn)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(shí)，完善的實(shí)驗(yàn)專家指導(dǎo)系統(tǒng)通過提示窗口進(jìn)行糾正，人機(jī)交互貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程。

項(xiàng)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(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)具備智能識別實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺能夠承載種類繁多、技術(shù)層次更加豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，需要對平臺的硬件架構(gòu)進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

3 特色及創(chuàng)新點(diǎn)

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

當(dāng)實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會進(jìn)行報(bào)警提示及主動(dòng)的后臺保護(hù)，延長了實(shí)驗(yàn)平臺的使用年限；計(jì)算機(jī)提供的人機(jī)交互界面與幫助系統(tǒng)，有助于提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率；同時(shí)減輕實(shí)驗(yàn)教師的低水平重復(fù)工作量，降低其工作強(qiáng)度，為將來無教師值守情況下實(shí)驗(yàn)教學(xué)全天候開放打下堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)，新平臺避免了因教師個(gè)體能力差異而造成學(xué)生實(shí)驗(yàn)?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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難度分級，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)一步豐富，實(shí)驗(yàn)深度進(jìn)一步拓展，引導(dǎo)學(xué)生朝實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的深度與廣度自由拓展。

新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案并非一蹴而就，而應(yīng)按步驟進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃與設(shè)計(jì)，逐步聯(lián)合調(diào)整為一個(gè)有機(jī)整體：

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

（2）根據(jù)計(jì)劃達(dá)到的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與效果，制定科學(xué)、合理的實(shí)驗(yàn)需求，使之能夠全方位實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證性、綜合性、創(chuàng)新性的多種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（3）對硬件實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行過壓、過流、短路等常見故障現(xiàn)象的保護(hù)方案設(shè)計(jì)；嵌入式控制與測量系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)開發(fā)板的監(jiān)控方案設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)板、嵌入式系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合及單向影響。

（4）將虛擬儀器的檢測端布置到硬件實(shí)驗(yàn)平臺的關(guān)鍵點(diǎn)，測試檢測數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)操作。

（5）利用LabView軟件編制人機(jī)接口管理界面，控制平臺內(nèi)部的虛擬信號源產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的工作波形，監(jiān)控硬件實(shí)驗(yàn)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(dòng)畫處理技術(shù)，編寫計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)界面，并將其無縫地連接到人機(jī)接口界面軟件中，以輔助學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作。

4 結(jié)語

人機(jī)交互友好、具備智能檢測功能的全新電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺演變而來，一改傳統(tǒng)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺下“教師指導(dǎo)、學(xué)生操作”簡單、粗糙的實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)植入枯燥的實(shí)驗(yàn)平臺，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程的互動(dòng)。在激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣、吸引學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)、提高學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容等方面進(jìn)行了全方位改進(jìn)與探索。

此外，新實(shí)驗(yàn)平臺對傳統(tǒng)電子實(shí)驗(yàn)儀器的依賴大大減少，通過主動(dòng)的保護(hù)單元設(shè)計(jì)提高了設(shè)備完好率，降低了實(shí)驗(yàn)教師的低水平重復(fù)指導(dǎo)工作量，為課后實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、寢室實(shí)驗(yàn)室等多種實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的新發(fā)展趨勢。

［1］曹文.電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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

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