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。