徐 垚，張永華，韓劍鋒

（1.浙江傳媒學院 媒體工程學院，浙江 杭州 310000；2.浙江信網(wǎng)真科技股份有限公司，浙江 杭州 31000）

隨著網(wǎng)絡技術和信息技術的快速發(fā)展，高等教育行業(yè)的實驗教學方式發(fā)生了質(zhì)變。電子技術類實驗課程作為高等教育中工科實驗的重要組成部分，隨之發(fā)生了根本變化。傳統(tǒng)的實驗教學基本采用兩種模式。一種是箱式實驗模式，即一門課程一個實驗箱，以驗證性實驗為主，學生根據(jù)指導教師或者實驗指導書按部就班進行，實驗項目相對固定，動手少，思考少。學生只能在有限的時間內(nèi)進行實驗操作，一旦下課或者實驗室被占用，將無法繼續(xù)開展實驗，受時間和空間的限制較大。另一種是虛擬仿真實驗模式。虛擬仿真實驗在一定程度上只是純粹的模擬實驗，是基于理論化和理想化的模型設計實驗。學生用仿真軟件進行實驗，只要連線正確，往往都能得出無誤差的實驗結果，缺乏對具體電路模型的認識和設計，更無法體會到實驗環(huán)節(jié)中經(jīng)常會碰到的器件標稱誤差、各種干擾以及器件故障等問題，往往無法有效提高解決工程實踐問題的能力［1］。針對這些問題，浙江傳媒學院媒體工程學院聯(lián)合企業(yè)對電子技術實驗設備進行創(chuàng)新設計，研制了一種可開展多課程、支持線上線下以及虛實一體的創(chuàng)新通用型電子技術綜合實驗平臺。

1 平臺總體設計方案

虛實一體創(chuàng)新通用型電子技術綜合實驗平臺總體設計貫徹了新工科“繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享”和“尊重個性發(fā)展、激發(fā)學術興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、提升綜合素質(zhì)”的教育理念，模塊化設計，多課程融合，且線上線下混合實驗模式，使得學生實驗不受時空限制，尊重個性發(fā)展，資源協(xié)調(diào)共享。根據(jù)此理念，平臺整體設計分為硬件部分和軟件部分，采用雙線模式，即線下提供真實實驗操作環(huán)境，線上提供基于B/S 架構的在線網(wǎng)絡實驗環(huán)境。平臺的系統(tǒng)架構如圖1 所示。

2 硬件部分設計

實驗平臺采用主板加模塊結構。主板提供信號通道和數(shù)據(jù)通道，滿足線上線下實時所需的信號、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡通信功能。實驗模塊標準化設計，每個模塊主要由實驗電路和控制電路組成。

2.1 平臺主板設計

實驗平臺主板如圖2 所示，主要有兩大功能：一是線下實驗時給模塊供電，產(chǎn)生實驗所需的各種信號；二是線上實驗時切換模塊引入的測試點，實時采集后臺所需的測試點信號，建立網(wǎng)絡鏈接并轉(zhuǎn)發(fā)控制命令和采集數(shù)據(jù)［2-3］。

2.1.1 電源管理單元

電源管理單元為各實驗模塊和各控制模塊提供電源。由于模擬和邏輯控制器件工作電壓基本在±5 V，所以實驗電路設計的電源電壓最大為5 V。模電實驗所需的差分電壓可由可編程電壓源提供。可編程電壓可本地編碼開關設置，也可后臺控制。電路分析實驗所需的其他電壓（高于5 V）由實驗模塊內(nèi)置斬波電路產(chǎn)生，可后臺控制。

2.1.2 信號源單元

信號源單元為各實驗模塊提供實驗所需的各種信號。DDS 低頻信號源產(chǎn)生各種函數(shù)信號，如正弦、脈沖、三角、半波以及全波等，頻率為100 Hz～100 kHz，幅度為8 VPP；高頻信號源需滿足高頻實驗，頻率為1 kHz～20 MHz，幅度為100～2 000 mV；邏輯信號，包括數(shù)電實驗所需的16 路邏輯電平、4 路邏輯脈沖等；時鐘信號即數(shù)電實驗所需的各種時鐘信號；掃頻信號即等幅正弦信號，起止頻率可設置，掃頻范圍為1～10 MHz。低頻信號由主控單元的STM32F407 產(chǎn)生，高頻信號和掃頻信號由主控單元的FPGA 加DA 產(chǎn)生，邏輯信號由主控單元FPGA 產(chǎn)生。

2.1.3 測試點切換與控制電路

將每個實驗模塊可能要的測試點均引出，并通過插座接入主板測試點切換單元，模擬或邏輯交換矩陣切換后臺所需信號供采集單元采集，最后采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡在后臺虛擬儀器顯示。本實驗平臺模擬交換矩陣采用CH446，邏輯交換矩陣采用FPGA。

2.1.4 主控與4 通道采集單元

主控處理器由STM32F407 和EP4CE6E22C8實現(xiàn)。線上實驗時，F(xiàn)407 接收網(wǎng)口發(fā)來的后臺命令，對電源管理單元、信號源單元、測試點切換電路單元及實驗模塊電調(diào)器件等進行配置。EP4CE6E22C8 和AD7366 完成4 路模擬信號采集，采集數(shù)據(jù)經(jīng)F407 通過網(wǎng)口發(fā)往后臺，在虛擬儀器顯示。

2.2 標準化實驗模塊設計

實驗平臺模塊采用標準化設計，專用開?？蚣堋⒂袡C玻璃保護，擁有統(tǒng)一的通信總線，確保不同課程實驗模塊能在同一個實驗平臺上使用。考慮到實驗模塊需支持線上線下實驗，因此每個模塊由兩部分組成，即實驗電路部分和線上實驗控制部分。實驗模塊框圖如圖3 所示。

2.2.1 實驗電路單元

實驗電路用于完成不同實驗，每個模塊實驗電路各不相同。但是，為了支持線上實驗，實驗電路可調(diào)器件應盡可能采用數(shù)控器件，如數(shù)字電位器（小功率負載）、多路選擇器（器件選擇、信號選擇）、數(shù)控電源（工作點）以及數(shù)控諧振回路（選頻回路、振蕩回路）等。

2.2.2 線上實驗控制電路

線上實驗時，學生在客戶端瀏覽器上進行實驗電路搭建、電路參數(shù)調(diào)整以及測試點選擇等操作。在線實驗操作軟件將各種操作命令通過網(wǎng)絡發(fā)往對應平臺的主板，主板處理器解釋命令后，經(jīng)CAN總線通知實驗模塊的“控制電路”切換實驗電路，確保實際實驗電路和學生瀏覽器搭建電路一致。

2.2.3 混頻實驗模塊

混頻實驗需要控制的信號和參數(shù)有本振輸入信號、射頻輸入信號、晶體管工作點和中頻濾波器。線下實驗時，本振信號和射頻信號由信號線引入。線上實驗時，本振信號和射頻信號分別由兩個繼電器（J201 和2JD2）切換引入。工作點和中頻濾波器參數(shù)由2U3 數(shù)模芯片產(chǎn)生的電壓調(diào)整。線下實驗時通過編碼開關（2SS1）設定，線上實驗時通過CAN總線（2U2）配置?；祛l實驗模塊和混頻實驗控制電路，分別如圖4 和圖5 所示。

2.3 線下實驗平臺結構設計

線下實驗平臺如圖6 所示，采用臺式結構展示。平臺左側(cè)為實驗模塊區(qū)，模塊框架內(nèi)置磁鐵，能可靠吸附主板且更換方便；右下角標配嵌入式PC 控制器，線下實驗時學生能調(diào)閱實驗原理、實驗流程圖以及在線控制實驗電路參數(shù)（實驗電路參數(shù)可用模塊上編碼開關設置，也可在PC 界面實驗原理圖上配置）；平臺右上角為實驗模塊與控制系統(tǒng)拓撲圖，學生可總體了解實驗平臺各單元間的相互關系［4］。

2.4 實驗平臺的課程設計

實驗平臺的實驗單元均采用可插拔式模塊化設計，可以通過更換模塊滿足不同課程的實驗，以支持通信電子線路實驗、數(shù)字電子技術實驗、模擬電子技術實驗以及電路原理分析實驗等多門電子技術類實驗課程。目前，已建設完成通信電子線路實驗和數(shù)字電子技術實驗部分。

通信電子線路實驗單元模塊包括變?nèi)莨苷{(diào)頻與相位鑒頻模塊、集成乘法器調(diào)幅混頻與同步解調(diào)模塊、高頻功放與無線發(fā)射模塊、無線接收與小信號放大模塊、正弦振蕩器與晶體管混頻模塊和中放AGC 與二極管檢波模塊。實驗模塊均采用微處理器+電控元件結構，工作點調(diào)整、增益以及負載等均有數(shù)字電位器調(diào)節(jié)，諧振回路參數(shù)、振蕩器頻率以及濾波器帶寬等均有可調(diào)電壓控制，負載接入、元件切換均有電子開關控制，從而確保系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、可擴展性和可恢復性［5］。

通信電子線路實驗的單元模塊既可以完成原理性實驗，也可以級聯(lián)后構成完整的調(diào)頻無線收發(fā)信機（如圖7 所示），又能構成完整的調(diào)幅無線收發(fā)信機（如圖8 所示）。

數(shù)字電路除能完成基本的組合邏輯電路和時序邏輯電路實驗外，還能支持數(shù)字系統(tǒng)設計類實驗，學生可基于FPGA 編譯環(huán)境設計、仿真、加載以及驗證實驗項目。數(shù)電線下實驗時，學生可以插芯片也可以不插芯片（FPGA 映射）做實驗，提高了實驗效率，減輕了教師實驗準備工作量。數(shù)電實驗芯片映射（拖放）液晶界面，如圖9 所示。

3 在線實驗軟件設計

線上實驗是指學生通過網(wǎng)絡在遠離實驗設備的客戶端瀏覽器上進行實驗。線上實驗軟件分為兩部分，即線上實驗網(wǎng)管平臺和線上實驗操作平臺。

3.1 線上實驗網(wǎng)管平臺

線上實驗網(wǎng)管平臺，如圖10 所示，包含線上實驗用戶管理、實驗課程信息管理和遠程實驗設備在線管理3 部分功能。線上實驗用戶可依據(jù)學校學生名單，采用批量導入授權或者動態(tài)自主注冊申請等方式。實驗用戶實驗內(nèi)容可與教務系統(tǒng)動態(tài)關聯(lián)，也可任課教師手動布置實驗任務。實驗用戶的實驗成績信息支持多種維度的統(tǒng)計，并可導出報表文件。已授權的線上實驗用戶在實驗時可獲得線上實驗網(wǎng)管平臺調(diào)度分配的遠程實驗設備。

3.2 線上實驗操作平臺

線上實驗操作平臺是用戶在線實驗操作的核心功能，涉及到遠程實驗設備的實驗功能單元調(diào)度，如用戶在線選取實驗模塊、在線動態(tài)電子連線以及示波器三用表等儀器儀表的測量使用。所有的實驗操作均真實模擬實際元器件或者儀器儀表的使用方法。線上實驗操作記錄均可在操作管理系統(tǒng)中保留歷史記錄，做到實驗數(shù)據(jù)信息的線上記錄，并可隨時提取接上次實驗完成度接續(xù)實驗，達到在線遠程實驗部分替代線下本地實驗的效果［6-8］。

線上實驗平臺采用B/S 架構，基于HTML5+Web+FPGA 技術實現(xiàn)。平臺的硬件設備統(tǒng)一部署在指定實驗室，統(tǒng)一管理。通過線上實驗平臺搭建遠程實驗系統(tǒng)（通信電子線路實驗、數(shù)字電子技術實驗、模擬電子技術實驗以及電路原理分析實驗內(nèi)容與線下一致），遠程實驗系統(tǒng)具備實驗平臺管理功能。通過Internet 和在線平臺操作軟件，將數(shù)據(jù)采集、遠程操作以及遠程監(jiān)控等技術和實驗平臺有機結合，從而達到共享實驗資源、遠程進行實驗操作等目的。平臺支持多人同時進行實驗，每個實驗人員在實驗時單獨占用一個真實的實驗平臺，通過在線實驗網(wǎng)管平臺后臺管理避免發(fā)生沖突，使學生可以完成真正的遠程在線實體實驗。在線實驗平臺技術架構如圖11 所示。

線上實驗平臺學生端不需要安裝任何第三方軟件，通過瀏覽器即可自由訪問服務器、登陸在線實驗平臺、選擇相應的實驗課程和實驗項目、完成相應的實驗內(nèi)容、提交實驗報告以及查看實驗成績等。學生可以不受空間、時間限制，在家中、圖書館、教室以及宿舍等網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)，通過計算機瀏覽器完成實驗預習和復習。在線實驗平臺內(nèi)置了實驗指導書、實驗原理圖、實驗注意事項、實驗步驟以及實驗視頻等。1:1 的實驗操作面板通過網(wǎng)絡控制遠程實驗硬件，設置實驗參數(shù)，調(diào)理實驗信號。配套的虛擬儀器可以測試實際電路的實驗結果。儀器界面操作與實驗室儀器界面操作一致，有助于學生熟悉儀器儀表的使用。線上實驗平臺還提供實驗截圖、電子報告等功能，方便實驗室數(shù)字化建設。

3.3 在線實驗平臺的結構及功能

在線實驗平臺主要由前端交互子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)云平臺子系統(tǒng)、實驗終端電路子系統(tǒng)、FPGA 數(shù)據(jù)反饋子系統(tǒng)以及配套的在線實驗操作、管理軟件平臺等部分組成。前端子系統(tǒng)基于HTML5 前端Web交互方案技術，使用VUE+WebSocket 核心架構結合設計，前端實驗操作WebSocket 聯(lián)通后臺服務器端數(shù)據(jù)云平臺。數(shù)據(jù)云平臺服務器端使用JAVA、C++以及SQL 編程。數(shù)據(jù)云平臺主要負責接收數(shù)據(jù)請求，并分發(fā)終端實驗數(shù)據(jù)請求至硬件實驗終端子系統(tǒng)，同時負責實驗中的業(yè)務邏輯數(shù)據(jù)處理、實驗數(shù)據(jù)報表信息反饋等功能。實驗中的有效數(shù)據(jù)均由實驗終端電路子系統(tǒng)中的實驗電路實際運行產(chǎn)生。實驗中，終端電路數(shù)據(jù)響應反饋使用FPGA子系統(tǒng)獲取。FPGA 數(shù)據(jù)反饋子系統(tǒng)可集成示波器、邏輯分析儀、三用表、掃頻儀以及頻率計等實驗儀器儀表。實驗數(shù)據(jù)信息依賴于IP 網(wǎng)絡傳輸子系統(tǒng)［9-10］。

實驗平臺在網(wǎng)管軟件和遠程控制模塊的支持下，學生或教師能通過網(wǎng)絡在客戶端瀏覽器的虛擬操作平臺上進行遠程實體實驗或原理講解演示。實驗操作包括信號源設置、電路搭建（電子連線）、電路參數(shù)配置調(diào)整、測量點選擇、虛擬儀器操作以及信號測試等實驗。在線實驗操作界面如圖12 所示。

4 實驗平臺的應用效果

創(chuàng)新通用型電子技術綜合實驗平臺建成后，具備了實踐和仿真、驗證和開發(fā)、系統(tǒng)和單元、硬件方法和軟件算法、原理展示和工程應用、本地操作和遠程實驗、傳統(tǒng)管理和自主開放相結合等特點。它一方面既能滿足學生完成課程實驗、工程實訓和畢業(yè)設計，又能滿足教師進行硬件開發(fā)、算法研究和指導學生進行電子設計類競賽，另一方面由于平臺采用了可編程技術、虛擬儀器技術以及互聯(lián)網(wǎng)技術，可為其他專業(yè)課程融合實驗教學創(chuàng)造一定的條件。

實驗平臺采用線上線下混合實驗模式。線下實驗學生能認知實驗器件，學會測試設備使用，掌握電類實驗基本方法；線上實驗則能更進一步訓練學生實驗電路搭建技能，更好地理解實驗原理（可觀測試內(nèi)容更豐富），擁有更多的實驗內(nèi)容選擇?？梢?，線上線下混合實驗模式克服了傳統(tǒng)實驗模式單一、項目固定的問題，學生能根據(jù)自己的學習進度安排實驗時間，隨時、隨地、隨興地完成實驗課程，有利于激發(fā)學生的實驗積極性，滿足學生的個性化教學要求［11］。同時，教師可通過實驗室管理系統(tǒng)掌握學生的實驗情況，進行電子報告批改等，減輕了教師實驗輔導的工作量和實驗技術人員維護與管理的工作量，提高了實驗室和實驗設備的利用率，真正做到了實驗室全開放。

5 結語

通過創(chuàng)新通用型電子技術綜合實驗平臺的建設，將線下的實驗教學與線上實驗教學相結合，采取一種虛實一體化的實驗教學方法，有效解決了實驗場地與學生實驗時間沖突的矛盾，提升了實驗室的開放效果，使實驗教學內(nèi)容滿足了新時代實驗技術發(fā)展的要求，增加了學生實踐動手機會，提高了學生創(chuàng)新能力，滿足了電子信息類專業(yè)的實驗需求，促進了高校實驗教學水平和教學質(zhì)量的提高。