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        基于Android的口袋儀器實驗室開發(fā)

        2020-06-08 10:26:50歐陽佳鵬楊振南劉億民李文
        電腦知識與技術(shù) 2020年10期
        關(guān)鍵詞:課外實踐電子技術(shù)

        歐陽佳鵬 楊振南 劉億民 李文

        摘要:針對應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)實踐中存在的理論與實踐融合不緊密,實驗裝置靈活性差、電壓等級高及實驗時間和空間受到局限等問題,構(gòu)建了一種以CPLD為控制核心,基于Android的便攜式電子技術(shù)口袋儀器實驗平臺,開發(fā)了低成本、易攜帶的電路板,并與Android手機APP一起組成電子技術(shù)口袋儀器實驗室。該口袋儀器實驗室具有操作簡單、性能可靠、便于擴展、功能豐富等優(yōu)點,可用于電子電路基礎(chǔ)實驗、綜設(shè)性實驗或課程設(shè)計,能滿足電子電路移動實驗教學(xué)需要,有效提高了課程教學(xué)及實踐效果。

        關(guān)鍵詞:口袋實驗室;電子技術(shù);基礎(chǔ)實驗;課外實踐

        中圖分類號:TP391 文獻標(biāo)識碼:A

        文章編號:1009-3044(2020)10-0243-02

        1概述

        目前,大部分應(yīng)用型院校的工科專業(yè)學(xué)生在工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)方面存在實驗課時不夠、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練不足等問題。電子電路基礎(chǔ)系列課程是高校電子信息類專業(yè)必不可少的專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)課,也是理論與實踐聯(lián)系緊密度高,課程實踐性強的系列課程,對學(xué)生專業(yè)技能掌握及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)尤其重要。依據(jù)新工科人才培養(yǎng)要求嘲,圍繞工科學(xué)生工程實踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)目標(biāo),通過加強理論課程及其實驗的交融互促,既可以增進學(xué)生對理論課程生硬概念及復(fù)雜原理的理解,又可以增強學(xué)生實踐應(yīng)用和創(chuàng)新能力,提高學(xué)生分析和解決問題的能力。但是,電子電路實驗測量和調(diào)試都離不開測量儀器,傳統(tǒng)實驗通常是規(guī)定時間內(nèi)在實驗室里完成,且高校配有的實驗裝置體積大,電壓等級較高,擴展性差,更不能應(yīng)用于學(xué)生的創(chuàng)新比賽。此實驗手段使實驗地點和時間受到了極大的限制,此實驗方式及實踐教學(xué)模式,已顯露出如時滯性、空間局限性、攜帶不便性等諸多弊端。

        口袋儀器實驗室是讓學(xué)生普遍能擁有自己的全天候開放式的硬軟件實驗平臺,方便他們進行實驗學(xué)習(xí)嘲。結(jié)合團隊多年來基礎(chǔ)課教學(xué)及學(xué)生課外科創(chuàng)競賽等活動指導(dǎo)的實踐,提出設(shè)計一種基于Android的便攜式“電子電路基礎(chǔ)”口袋儀器實驗室,并將其應(yīng)用于電子電路系列課程的課堂教學(xué)、實驗教學(xué)及創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)中。

        2口袋儀器實驗室的設(shè)計

        2.1總體方案設(shè)計

        口袋儀器實驗室設(shè)計理念是滿足可隨需做實驗的思路,將實驗套件設(shè)計成便攜化?;诳诖鼉x器實驗室理念,該實驗平臺的總體設(shè)計方案是利用CPCD作為數(shù)據(jù)采集卡對數(shù)據(jù)進行處理和存儲,通過Android軟件APP對處理數(shù)據(jù)進行波形顯示,來代替實驗室中的萬用表、示波器等儀器設(shè)備。方便學(xué)生隨時隨地進行實驗學(xué)習(xí)。

        總體設(shè)計方案包括三部分:

        (1)CPLD核心模塊。用于將前端電路和ADC采集的數(shù)據(jù)進行處理和存儲。(2)手機APP模塊。用于將USB傳輸?shù)紸n-droid手機的數(shù)據(jù)進行波形顯示。(3)進階實驗?zāi)K。用于結(jié)合專業(yè)就業(yè)方向開發(fā)工程實踐項目。如尋跡/避障小車、機器人高爾夫、智能家居系統(tǒng)、無人飛行器等多個進階功能模塊,用于綜設(shè)性實驗項目、課程設(shè)計、課外科創(chuàng)競賽等。

        2.2硬件模塊設(shè)計

        口袋儀器實驗室開發(fā)初衷:

        (1)促進理論與實踐的交叉融合和相互促進。開發(fā)不僅能用于電子電路基礎(chǔ)實驗,而且能用于理論課堂中與學(xué)生的互動和演示中,幫助學(xué)生加深對生硬概念及復(fù)雜原理的理解及實驗動手能力的提高。(2)提高實驗項目的進階擴展性。方便教師因材施教,以較小成本對實驗項目進行改進或設(shè)計新項目,開展分類分層教學(xué)。(3)拓展實驗時空域。讓學(xué)生全天候按需地進行實踐,從而將理論與實踐、課內(nèi)與課外、知識與技能及創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力互通互促,進而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

        該實驗平臺的總體設(shè)計方案是將前端電路和ADC采集的數(shù)據(jù)利用CPLD對數(shù)據(jù)進行處理和存儲,通過USB傳輸?shù)紸n-droid手機,通過Android軟件APP對數(shù)據(jù)處理并進行波形顯示,來代替實驗室中的萬用表、示波器等儀器設(shè)備。各模塊硬件電路設(shè)計如下:

        (1)模擬部分硬件電路設(shè)計

        設(shè)計的模擬電路部分從示波器接口探頭開始到ADC的輸入端,主要對輸人的信號進行預(yù)處理,可利用運算放大電路對輸入的被測信號進行調(diào)理,對信號進行放大,衰減以及濾波,以便能夠被ADC正確地采樣。采用的放大芯片是OPA2889,該芯片是增益穩(wěn)定電壓反饋運算放大器,采用雙+5V電源,0PA2889可提供±4v輸出擺幅,驅(qū)動電流超過40mA,帶寬為60MHz。460tzMch的低電源電流,使用可選的禁用控制引腳可以進一步降低系統(tǒng)功耗。使用MAX4522作為模擬開關(guān),輸入端接入CPLD,由CPLD實現(xiàn)模擬開關(guān)的控制,從而控制0PA2889的放大倍數(shù),滿足對不同的垂直靈敏度的要求。

        (2)數(shù)字部分硬件電路設(shè)計

        數(shù)字電路部分從ADC開始到USB接口的輸出,主要由ADC部分、CPLD和USB控制器組成。由于設(shè)計的示波器的帶寬在1Hz到20Mhz之間,我們采用的是實時采樣法,依據(jù)奈奎斯特采樣定理,并結(jié)合工程實際需求,為了避免產(chǎn)生混疊的現(xiàn)象,目前實時采樣一般規(guī)定是在帶寬的4-5倍,則采樣頻率大約為100MSPS左右。ADC08100芯片是低功耗,8位的高速AD轉(zhuǎn)換芯片,轉(zhuǎn)換速率在20MSPS到100MSPS之間,性能好。其中CPLD的功能分為三部分:采樣模塊,12C從機模塊和控制模塊。此外,設(shè)計采用Cypress公司的FX2 USB控制器作為硬件電路與手機通信的方案,通過FX2 USB控制器的12C主機傳送到CPLD。

        (3)硬件電路器件參數(shù)

        硬件電路使用的主要器件詳見表1器件選型參數(shù)表所示。

        2.3手機APP設(shè)計

        Android軟件類似于傳統(tǒng)的虛擬儀器的上位機。

        3口袋儀器實驗室的測試

        3.1硬件模塊信號測試

        硬件電路板測試步驟如下:

        (1)連接電路。用USB線將手機與硬件電路板連接(電路板的LED燈亮表示連接正常),并將硬件電路板的示波器接口與信號發(fā)生器相連接,打開示波器開關(guān)。(2)打開OscPrimeAPP,設(shè)置USB連接。(3)點擊測試。(4)設(shè)置時間軸、電壓軸大小,將波形顯示進行調(diào)整。

        3.2手機APP軟件測試

        Android手機APP測試步驟如下:

        (1)啟動Android OseiPrime應(yīng)用程序。(2)選擇輸入源。點擊輸人選擇圖標(biāo),選擇OseiPfime USB作為輸入源。同時啟用“探頭補償USB OseiPrime”,點擊“自動獲取OseiPrime校準(zhǔn)”。(3)點擊運行/停止按鈕開始采樣。通過兩次訪問USB,第一次是將固件上傳到FX2微控制器,第二次是開始溝通。(4)將示波器探頭連接到左側(cè)BNC連接器(P1),并連接到標(biāo)有“PCOMP”的探頭補償輸出端。(5)啟動探針補償。為了得到最好的效果,可調(diào)整設(shè)置,選擇1024點顯示。(6)補償調(diào)整,選擇適當(dāng)?shù)腣/div設(shè)置。(7)波形測量,探頭補償信號輸出波形。

        4口袋儀器實驗室應(yīng)用與效果分析

        4.1課堂教學(xué)互動應(yīng)用

        電子電路基礎(chǔ)類課程組專任教師在學(xué)期初會將口袋儀器實驗室套件人手一套地發(fā)放給授課班級的學(xué)生。授課中,允許3-5名同學(xué)為一組進行小組合作學(xué)習(xí)。課堂講解中,可將例題效果通過手機進行展示,加強了理論與實踐的深入融合,學(xué)生參與感、獲得感明顯增強。同時還可以進行課堂深入互動,通過互動學(xué)生對知識掌握情況能得到及時反饋,且活躍了課堂氛圍,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

        4.2基礎(chǔ)實驗項目應(yīng)用

        基礎(chǔ)實驗?zāi)K用于輔助課堂教學(xué)和常規(guī)實驗。如基本的電路實驗、模擬電子技術(shù)實驗、數(shù)字電路實驗、單片機實驗等的信號測試都能滿足需求??梢悦馊ピ诿總€實驗室內(nèi)購置示波器等儀器設(shè)備的經(jīng)費、場地及維護開銷。

        4.3進階實驗項目應(yīng)用

        只需在手機中安裝APP軟件,再加上手機數(shù)據(jù)線一根,學(xué)生就可進行各類電子電路實驗及科創(chuàng)競賽作品的調(diào)試與設(shè)計。且隨時隨地都可以進行實驗。進階實驗項目應(yīng)用可用于綜設(shè)性實驗、課程設(shè)計、課外科技創(chuàng)新競賽等。目前,學(xué)生團隊已開發(fā)的包括機器人尋跡/避障小車、跳舞/競技機器人、無人機、超聲波測聲速等多個進階項目。

        4.4效果分析

        課程團隊于2016-2018年對三屆電子信息類畢業(yè)生進行了匿名問卷調(diào)查,針對學(xué)生使用口袋儀器實驗室的實踐應(yīng)用效果,學(xué)生滿意度連續(xù)三年達100%。且近三年我校電子設(shè)計類競賽、機器人競賽等獲得國家一等獎l項,湖南省一等獎4項,二等獎6項,三等獎10余項,由此可見口袋實驗室獲得學(xué)生的認可并取得了顯著效果。

        5結(jié)束語

        設(shè)計開發(fā)的基于Android的電子技術(shù)口袋儀器實驗室套件是課程團隊長期從事一線教學(xué)深耕精耘并實踐探索持續(xù)改進基礎(chǔ)之上的教學(xué)應(yīng)用成果,其在課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和雙創(chuàng)應(yīng)用等環(huán)節(jié)中都有效地支撐了學(xué)校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo),可為國內(nèi)各高校提供參考借鑒。

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