陳應(yīng)華 張曉霞

（廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 511442）

在當(dāng)前疫情情況下，大部分高職院校均采用線上遠(yuǎn)程教學(xué)的模式，但是大部分基于視頻、直播等模式，與傳統(tǒng)的線下教學(xué)相比，線上難以開展實(shí)踐教學(xué)[1]。該文介紹的在線電子元器件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺是基于互聯(lián)網(wǎng)+電子技術(shù)的在線實(shí)驗(yàn)平臺，也契合教育部當(dāng)前 “線上”+“線下”混合式教學(xué)模式，學(xué)生可以在手機(jī)客戶端完成所有硬件實(shí)驗(yàn)或者實(shí)訓(xùn)，可以通過手機(jī)客戶端連接硬件電路，硬件連接過程和實(shí)驗(yàn)反饋的結(jié)果通過在線的網(wǎng)絡(luò)視頻回送給學(xué)生。

1 電路仿真軟件在教學(xué)中的優(yōu)缺點(diǎn)

目前高職院校電子技術(shù)類課程教學(xué)通常會使用Proteus[2]、Multisim等電子仿真軟件輔助進(jìn)行，學(xué)生可以在電腦上快速搭建電路進(jìn)行仿真演示，相比之前只能使用PPT等多媒體手段進(jìn)行枯燥的原理講解，仿真軟件體現(xiàn)了所見即所得的效果，有一定程度的動手操作，使學(xué)生增加了學(xué)習(xí)的興趣，加深了對電路原理的理解，教學(xué)過程更加方便、快捷和有效。

但是仿真和實(shí)物電路還是有較大的區(qū)別，學(xué)生還需要盡可能多接觸實(shí)際的電子元器件和應(yīng)用電路，才能更好地掌握硬件電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程。

2 在線電子元器件應(yīng)用的逐步實(shí)現(xiàn)方法

2.1 增加繼電器開關(guān)和若干測試點(diǎn)

將傳統(tǒng)的仿真電路加上繼電器開關(guān)并做成實(shí)物電路板，如圖1所示為某三極管增加測試開關(guān)和測試點(diǎn)的仿真電路。圖中設(shè)置了SW1-SW7的7個開關(guān)，通過不同的開關(guān)組合可以實(shí)現(xiàn)3種典型的三極管應(yīng)用電路的多種測試實(shí)驗(yàn)。這里強(qiáng)調(diào)使用繼電器開關(guān)是為了后續(xù)增加網(wǎng)絡(luò)控制。

圖1 增加測試開關(guān)和測試點(diǎn)的仿真電路

2.1.1 開關(guān)電路測試

條件：SW5閉合（其他開關(guān)斷開）。

可做的實(shí)驗(yàn)： 1）3個電位參數(shù)VE、VB、VC的測量； 2）三極管飽和導(dǎo)通壓降；3）三極管截至漏電流。

2.1.2 共發(fā)射極電路測試

條件：開關(guān)SW2 、SW4 和SW5閉合（其他開關(guān)斷開）。

可做的實(shí)驗(yàn)：1） 3個電位參數(shù)VE、VB、VC的測量； 2）放大倍數(shù)β測量； 3）交流電壓放大倍數(shù)測量。

2.1.3 射極跟隨器電路測試

條件：SW3和SW7閉合（其他開關(guān)斷開）。

可做的實(shí)驗(yàn)：1）3個電位參數(shù)VE、VB、VC的測量； 2）放大倍數(shù)β測量； 3）交流電壓放大倍數(shù)測量。

2.2 采用Wi-Fi、藍(lán)牙等無線方式對繼電器開關(guān)進(jìn)行控制

為了脫離機(jī)械按鍵操作，采用Wi-Fi、藍(lán)牙等無線方式對繼電器開關(guān)進(jìn)行控制，可以完成無接觸實(shí)驗(yàn)，所以需要具備Wi-Fi功能和藍(lán)牙功能的模塊或者芯片，如ESP32[3]。

圖2是使用了ESP32無線模塊來進(jìn)行繼電器驅(qū)動的例子，可以使用手機(jī)APP通過Wi-Fi或者藍(lán)牙進(jìn)行現(xiàn)場的無接觸控制，無須網(wǎng)絡(luò)支持，延長了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的壽命。手機(jī)App的基本界面包括8個按鍵，對應(yīng)電路中的8個實(shí)物繼電器開關(guān)，可以單獨(dú)控制某個開關(guān)，也可以通過App一次性控制其中某幾個開關(guān)的狀態(tài)，缺點(diǎn)是學(xué)生必須在現(xiàn)場，距離必須為Wi-Fi和藍(lán)牙的傳輸范圍以內(nèi)，不能在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)，通常是肉眼觀察控制過程和實(shí)驗(yàn)反饋結(jié)果。

圖2 使用無線模塊進(jìn)行開關(guān)控制的電路

2.3 對若干測試點(diǎn)進(jìn)行檢測

為了達(dá)到無接觸測量的目的，使用了多選一電子切換電路，配合板載的電壓表可以完成多點(diǎn)循環(huán)測量。圖3為通過手機(jī)App利用Wi-Fi或者藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)8個觸點(diǎn)測量的例子。由于硬件使用了八選一的電子切換電路，因此，在 App上按一個按鍵，就可以循環(huán)測量8個點(diǎn)的電位，為了分辨出來是哪個點(diǎn)，增加語音模塊進(jìn)行語音播報(bào)。

圖3 八選一電子切換電路

語音播報(bào)模塊如圖4所示，主要由語音控制IC、存儲器、D類功放組成，其中語音控制IC所起的作用如下：1） 連接FLASH存儲，可通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦更新音頻文件； 2） 音頻解碼DAC輸出；3） 支持I/O觸發(fā)播放功能，8個IO口組合可觸發(fā)255個音頻文件，圖中使用了3個I/O口組合觸發(fā)8個音頻文件。

圖4 語音播報(bào)模塊示意圖

2.4 使用云平臺服務(wù)搭建在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

筆者采用以上的遞進(jìn)方案，只是完成了現(xiàn)場的無接觸測試，在當(dāng)前疫情環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)更加需要基于網(wǎng)絡(luò)的可遠(yuǎn)程操作的實(shí)驗(yàn)[4]。圖5示意了使用手機(jī)App和ESP32無線模塊均通過Wi-Fi登錄云平臺，在云平臺的支持下，對板載繼電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)而完成在線實(shí)驗(yàn)。為了觀察實(shí)驗(yàn)過程和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果，采用網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。

圖5 基于云平臺搭建的在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

ESP-32S Wi-Fi 模塊內(nèi)部主要由Wi-Fi和藍(lán)牙系統(tǒng)級芯片ESP32和極少數(shù)外圍元件構(gòu)成，包括了天線開關(guān)、RF balun、發(fā)送端功率放大、接收端低噪聲放大器、濾波器、電源管理等功能，具有強(qiáng)大的處理性能、可靠的安全性能和Wi-Fi藍(lán)牙等功能。ESP32同時提供了開放平臺，可以由用戶自定義相應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

ESP-32S Wi-Fi模塊增加了三極管集電極開路（OC）形式，當(dāng)手機(jī)App控制軟件的開關(guān)經(jīng)過觸摸打開時，芯片ESP32輸出高電平1時，模塊輸出低電平，驅(qū)動繼電器的線圈上電，繼電器動作，反之，當(dāng)App控制軟件的開關(guān)經(jīng)過觸摸關(guān)閉時，芯片ESP32輸出低電平0時，模塊輸出高阻狀態(tài)，驅(qū)動繼電器的線圈無電，繼電器不動作。

該軟件設(shè)置了全開和全關(guān)2個功能，當(dāng)某個開關(guān)點(diǎn)開后，就會通過云端對遠(yuǎn)程的ESP32進(jìn)行控制，導(dǎo)致其對應(yīng)的I/O口輸出低電平，對應(yīng)的繼電器的線圈就會上電，導(dǎo)致開關(guān)動作。

2.5 利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭對實(shí)物電路板進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控

采用網(wǎng)絡(luò)攝像頭有如下的技術(shù)特點(diǎn)：1） 使用螢石的專業(yè)攝像頭，清晰度為1080P，高清晰的傳輸實(shí)驗(yàn)情況；2） 攝像頭采用H.265編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效視頻傳輸，在特定環(huán)境下，相比H.264編碼節(jié)省50%的存儲空間；3） 語音播報(bào)功能，為了追求更高的話音清晰度，可以將語音播報(bào)模塊的音頻輸出接攝像頭的音頻輸入；4） 為了節(jié)省攝像頭電源，可以在手機(jī)App里邊設(shè)置一個開關(guān)作為攝像頭的電源控制開關(guān)，當(dāng)開始實(shí)驗(yàn)時接通攝像頭電源，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉攝像頭電源。

但是網(wǎng)絡(luò)攝像頭通常作為監(jiān)控使用，清晰度一般會比手機(jī)攝像頭差一些，而且對近距離拍攝比較勉強(qiáng)，會產(chǎn)生桶形失真。桶形失真是由于鏡頭原因引起的圖像畫面像木桶一樣膨脹的失真現(xiàn)象，會把一個正方形的物品，拍攝成木桶狀物品，在使用廣角鏡頭或變焦鏡頭的最廣角端時，容易出現(xiàn)桶形失真現(xiàn)象。

2.6 利用手機(jī)攝像頭對實(shí)物電路板進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控

為了避免網(wǎng)絡(luò)攝像頭的桶形失真，可以使用手機(jī)攝像頭進(jìn)行替代，通?？梢缘玫礁诱鎸?shí)和清晰的視頻效果，并且有如下優(yōu)點(diǎn)：1） 可以使用網(wǎng)絡(luò)直播軟件、視頻會議軟件等通用軟件進(jìn)行視頻傳輸；2） 可以實(shí)現(xiàn)廣播，做到一人做實(shí)驗(yàn)，多人觀看；3） 基本無桶形失真，畫面更加真實(shí)。

當(dāng)然手機(jī)攝像頭與網(wǎng)絡(luò)攝像頭相比，也有弊端，網(wǎng)絡(luò)攝像頭安裝好后，只需要通過加電來控制。手機(jī)攝像頭則較難通過控制繼電器開關(guān)的手機(jī)App進(jìn)行加電控制，通常需要人為開機(jī)并打開相應(yīng)軟件，設(shè)置好后，軟件一直打開，保證視頻實(shí)時傳輸。

3 結(jié)語

在線電子元器件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺為模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、集成電路應(yīng)用、元器件應(yīng)用等電子類專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)提供了比較方便的途徑，是仿真軟件調(diào)試電路之后過度到焊接實(shí)物測試的銜接過程，可以通過攝像頭遠(yuǎn)程觀察到自己配置電路過程和電路的工作狀態(tài)，有助于學(xué)生理解工作原理，是基于真實(shí)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)平臺[5]。由于看到的是真實(shí)的電路，可以作為理論教學(xué)和仿真教學(xué)的有效補(bǔ)充。

在線電子元器件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺可以利用現(xiàn)在的信息技術(shù)打造成為真正的在線開放式實(shí)驗(yàn)平臺，可以供任何網(wǎng)絡(luò)使用者進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)。

但是，盡管在當(dāng)前疫情環(huán)境下該方案有效地實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)驗(yàn)，但是學(xué)生不能親手接觸電路元件，要讓學(xué)生真正學(xué)習(xí)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、調(diào)試和維修方面的技能，不能完全使用在線實(shí)驗(yàn)或者虛擬的仿真來替代實(shí)際的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)。