劉 洋, 鄭傳濤, 王兆丹

(1. 吉林大學(xué) a. 通信工程學(xué)院； b. 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長春 130012； 2. 空軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院, 長春 130021)

0 引 言

新工科是相對于傳統(tǒng)工科而言的, 新工科更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、 交叉性和綜合性, 具有引領(lǐng)性、 跨界性、 創(chuàng)新性和交融性等多個(gè)特征[1-6]。學(xué)科交叉融合正是新工科創(chuàng)新性和交融性的體現(xiàn)。學(xué)科交叉融合不斷打破學(xué)科邊界, 將多個(gè)學(xué)科知識體系相互融會(huì)貫通, 促進(jìn)學(xué)科間相互滲透, 并且根據(jù)技術(shù)發(fā)展不斷引入新的知識[7]。

模擬電路實(shí)驗(yàn)作為新工科建設(shè)的基礎(chǔ), 具有很強(qiáng)的專業(yè)性、 技術(shù)性和實(shí)踐性, 在新工科人才培養(yǎng)方案中處于核心地位?，F(xiàn)存的教學(xué)方式無法滿足新工科人才培養(yǎng)要求[8], 如何使課程跟上新工科背景下的專業(yè)需求成為亟待解決的問題。筆者以新工科人才培養(yǎng)為目標(biāo), 以科學(xué)研究為支撐, 深度加強(qiáng)多學(xué)科的融合, 創(chuàng)新性地將模擬電路實(shí)驗(yàn)與光通信等學(xué)科進(jìn)行交叉融合, 提出了一個(gè)基于紅綠藍(lán)的發(fā)光二極管的可見光通信 (VLC: Visible Light Communication)系統(tǒng)的學(xué)科交叉實(shí)驗(yàn)案例, 使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識和技能的同時(shí), 提高學(xué)生的知識應(yīng)用和分析解決問題的能力, 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力以及快速學(xué)習(xí)新事物的能力, 以更好地適應(yīng)新工科理念下的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求。

1 多學(xué)科交叉創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目的

傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容依附理論知識, 以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主, 很少涉及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、 多學(xué)科交叉融合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程問題脫節(jié), 難以適應(yīng)當(dāng)前電子學(xué)發(fā)展及學(xué)科交叉的實(shí)際需求[8]。針對以上問題, 筆者將傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)驗(yàn)融合多學(xué)科的知識, 不斷更新教學(xué)內(nèi)容, 整合模擬電子技術(shù)知識, 使學(xué)生能從不同的角度分析問題, 用不同學(xué)科的知識解決工程上、 科研中遇到的問題。

1.2 設(shè)計(jì)思路

在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上, 緊跟學(xué)科發(fā)展, 融合多學(xué)科的知識, 不斷更新教學(xué)內(nèi)容, 整合模擬電子技術(shù)知識, 設(shè)置厚基礎(chǔ)、 活模塊、 多學(xué)科、 主題式和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。首先確定實(shí)驗(yàn)主題, 在每個(gè)主題下打破傳統(tǒng)的章節(jié)界線, 將教學(xué)內(nèi)容分解和綜合, 使其模塊化, 將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為驗(yàn)證性、 設(shè)計(jì)性、 研究性、 探索性和創(chuàng)新性等多個(gè)模塊, 每個(gè)實(shí)驗(yàn)主題可靈活選用實(shí)驗(yàn)?zāi)K, 每一模塊的內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)主題密切相關(guān)。模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置由淺入深, 層層遞進(jìn), 學(xué)生在掌握基礎(chǔ)理論知識的基礎(chǔ)上, 分析、 解決、 探究問題, 真正地內(nèi)化、 生成和完成實(shí)驗(yàn)主題。

圖1 模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)圖 圖2 TBL-RBL雙軌教學(xué)法設(shè)計(jì)圖 Fig.1 Diagram of analog electronic technology Fig.2 Diagram of TBL-RBL two track experiment content teaching method

在教學(xué)方法的選擇上, 主要采用TBL-RBL(Team Based Learning-Research Based Learning)雙軌教學(xué)法, 其設(shè)計(jì)圖如圖2所示。TBL是以團(tuán)隊(duì)為基礎(chǔ)的教學(xué)法, RBL是以探究為基礎(chǔ)的教學(xué)法。

2 模擬電路實(shí)驗(yàn)多學(xué)科交叉創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例

2.1 實(shí)驗(yàn)主題

根據(jù)學(xué)生的興趣點(diǎn)、 教師團(tuán)隊(duì)的科研方向和實(shí)際工程需求, 模擬電路實(shí)驗(yàn)設(shè)置了4個(gè)實(shí)驗(yàn)主題(見圖1)。這4個(gè)實(shí)驗(yàn)主題分別為可見光通信、 汽車電子、 智慧醫(yī)療和仿生智能機(jī)器人, 基本融合了光學(xué)、 信號與信息處理等多學(xué)科知識, 每個(gè)主題都有明確的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。下面就以其中的VLC主題為例進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)K

VLC主題的最終任務(wù)是要求同學(xué)們自主設(shè)計(jì)VLC系統(tǒng), 分析系統(tǒng)性能。在VLC主題的背景下設(shè)置驗(yàn)證性、 設(shè)計(jì)性和研究性3個(gè)模塊, 如圖3所示。其中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)打基礎(chǔ), 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為研究性實(shí)驗(yàn)提供素材。

圖3 VLC主題實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Diagram of thematic experiment

2.3 具體案例

在VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中, 發(fā)送端通過白光LED(Light Emitting Diode)發(fā)送信號, 接收端通過光電檢測模塊接收信號。接收的信號非常微弱, 為此, 首先要對接收的電信號進(jìn)行放大。同學(xué)們利用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中基本放大電路和集成運(yùn)放的知識設(shè)計(jì)了VLC光電檢測模塊接收信號的多級放大電路, 如圖4所示。其中P1兩端為探測器輸出端的兩個(gè)引腳, 前面的放大器(OP37)的作用是將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柌⒎糯? 后面的放大器(OP37)將電壓信號進(jìn)行2級放大。探測器接收信號波形圖如圖5所示, 經(jīng)過2級放大后的波形如圖6所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見, 設(shè)計(jì)的2級放大電路不失真地放大了交流信號, 可滿足后續(xù)電路需求。

圖4 信號放大電路設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design of signal amplification circuit

圖5 探測器接收信號波形圖 圖6 2級放大后的波形 Fig.5 Waveform of received signal of detector Fig.6 Waveform after secondary amplification

3 基于RGB-LED的VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

在教師的指導(dǎo)下, 同學(xué)們小組合作, 自主探究, 在完成3個(gè)模塊實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上完成實(shí)驗(yàn)主題, 撰寫論文。每個(gè)小組完成主題實(shí)驗(yàn)的側(cè)重點(diǎn)不同, 如基于熒光LED通信的后均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、 基于正交頻分復(fù)用的VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、 基于RGB-LED的VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等。下面就以基于RGB-LED的VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

VLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)含有光發(fā)送和接收模塊以及自由空間光通信信道。RGB-LED的VLC系統(tǒng)模型如圖7所示。發(fā)送部分采用隨機(jī)信息發(fā)生器生成隨機(jī)脈沖信號, 發(fā)送到調(diào)制模塊, 而后傳輸至RGB-LED驅(qū)動(dòng)電路, 調(diào)制電路的發(fā)送端連接至RGB-LED照明設(shè)備。該方法是對調(diào)制的光信號進(jìn)行發(fā)送, 并將其視為光電轉(zhuǎn)換, 最終將3波長光信號(復(fù)合生成白光)發(fā)送到自由空間[9-10]。

圖7 基于RGB-LED的VLC系統(tǒng)模型圖Fig.7 Diagram of VLC system model based on RGB-LED

3.2 系統(tǒng)實(shí)物圖

系統(tǒng)以ARM7-LPC2148為主控芯片, 通過改進(jìn)的OOK (On-Off Keying)編碼調(diào)制將3路信號與3路LED驅(qū)動(dòng)電壓分別進(jìn)行耦合, 加載到RGB-LED上進(jìn)行信息發(fā)送。在系統(tǒng)的接收端, 使用4種光電探測器對光信號進(jìn)行接收, 然后通過選擇模塊對4路信號中的1路信號進(jìn)行放大、 濾波、 整形處理, 并通過接收端的主控芯片LPC2148進(jìn)行解調(diào)解碼, 將數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶屏OLCD12864上顯示。系統(tǒng)發(fā)送端電路如圖8所示, 接收端電路如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)發(fā)送端實(shí)物圖 圖9 系統(tǒng)接收端實(shí)物圖 Fig.8 Image of the transmitter Fig.9 Image of the receiving terminal

3.3 通信試驗(yàn)與性能測試

3.3.1 信息傳輸速率測試

由接收端接收的波形如圖10所示。由圖10可見, 示波器一個(gè)格代表40 μs, 平均周期為3個(gè)格, 即120 μs, 所以信號頻率為8.4 kHz。

圖10 傳輸波形圖 圖11 光強(qiáng)與誤碼率折線圖 Fig.10 Transmission oscillogram Fig.11 Line chart of light intensity and bit error rate

3.3.2 誤碼率測試

通過實(shí)驗(yàn)測試得藍(lán)色LED在不同距離下的壓強(qiáng)與誤碼率的關(guān)系數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 距離-光強(qiáng)-誤碼率的關(guān)系

為觀察方便, 將以上數(shù)據(jù)中光強(qiáng)與誤碼率的關(guān)系繪成折線圖(見圖11)。

由圖11可見, 發(fā)送端的光強(qiáng)為3 370 lux時(shí), 誤碼率最低, 而大于和小于此光強(qiáng)時(shí)誤碼率均高于0.049%。綜上, 此系統(tǒng)的最佳通信狀態(tài)： 傳輸距離為1.5 cm, 光強(qiáng)為3 370 lux。

4 結(jié) 語

筆者從新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)和任務(wù)出發(fā), 結(jié)合模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn), 在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中深度融合多學(xué)科的知識, 提出了多學(xué)科交叉創(chuàng)新型模擬電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案, 詳細(xì)闡述了VLC主題下基于RGB-LED的VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)案例。既滿足了新工科人才培養(yǎng)要求, 又充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性, 使學(xué)生具體了解可見光通信等前沿技術(shù), 培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力、 應(yīng)用多學(xué)科的知識分析和解決問題的能力。