黎蓮花 王月娥 黃 新 殷賢華 曾昭南 王 光

(桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院,桂林 541004)

高校的電路、模電、傳感器等電子類課程實驗、實訓,一般使用傳統(tǒng)儀器測量、顯示,學生需要手動記錄實驗數(shù)據(jù),實驗后還需要手繪實驗曲線、手寫實驗報告,這樣不僅工作量繁多,而且對學生課后自主學習的時間有一定的影響,此外有些學生上交的實驗報告字跡潦草、格式不規(guī)范,在一定程度上影響了教師批閱。為改善傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ?本文設(shè)計了一種實驗平臺,具備實驗過程自動化、報告規(guī)范化以及儀器資源網(wǎng)絡(luò)化等功能。在當今信息化時代,電子文檔具有便于傳輸、修改、保存等特點,而網(wǎng)絡(luò)化共享儀器實驗教學平臺,適用于學生自主學習及高校教學,也可作為相關(guān)科研人員的遠程實驗平臺。

傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ胶蛡鹘y(tǒng)儀器有以下幾個問題:①主要是驗證性實驗,沒有提供環(huán)境給學生進行硬件、軟件綜合性設(shè)計;②實驗過程是“眼看手記后處理”的模式;③儀器無接口、不聯(lián)網(wǎng),利用率低。這不符合“新工科”強調(diào)的學科的“實用性、交叉性與綜合性”,也不符合“新工科”要求的“傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造”。

近年虛擬儀器(Virtual Instrument)、虛擬仿真技術(shù)發(fā)展迅速,編程軟件LabVIEW迭代周期短,許多高校結(jié)合虛擬儀器技術(shù)對主要課程實驗進行了探索、研究,設(shè)計實用的綜合性平臺,例如,虛擬儀器技術(shù)在新工科虛擬仿真實驗平臺中的應(yīng)用、基于虛擬儀器的光電檢測實驗平臺的研究、基于虛擬儀器的機械工程測試實驗平臺開發(fā)、基于虛擬儀器技術(shù)的電子測量儀器平臺開發(fā)、基于虛擬儀器的導航控制實驗教學平臺設(shè)計等等[1-6]。

相較于以上平臺,本文堅持以生為本的教學理念,為把學生從繁瑣的實驗中解放出來,有更多自主時間發(fā)揮主觀能動性、創(chuàng)新性,也響應(yīng)“新工科”要求,結(jié)合虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了一款傳感器綜合性實驗平臺,該平臺具有以下幾點優(yōu)勢:①提供面包板,方便學生搭建硬件電路;②為傳統(tǒng)儀器增加接口平臺,升級實驗平臺;③一鍵電子實驗報告生成(自動嵌入實驗數(shù)據(jù)表格),一鍵發(fā)送郵箱;④平臺界面發(fā)布網(wǎng)頁,共享儀器設(shè)備資源。硬件和計算機軟件的結(jié)合、真實和虛擬的結(jié)合,激發(fā)學生綜合性設(shè)計的興趣,為教師和學生的教與學,提供一些改革的思路。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

虛擬儀器技術(shù)是利用計算機和高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用[7]。平臺硬件由浙江大學開發(fā)的傳感器實驗平臺、美國國家儀器公司(National Instruments,縮寫NI)的ELVIS II(美國國家儀器教學實驗室虛擬儀器套件)實驗板卡和計算機組成[8],如圖1所示。

(a)系統(tǒng)框圖

傳感器實驗平臺完成傳感器信號的獲取、轉(zhuǎn)換和調(diào)理等功能,然后利用ELVIS II數(shù)據(jù)采集卡功能完成傳感器信號的采集,最終將采集到的信號送入計算機做后期的處理、存儲及顯示。

傳感器實驗平臺面板采用NI的LabVIEW軟件開發(fā),它是強大的虛擬儀器開發(fā)軟件,提供了大量的操作控件和顯示控件。開發(fā)人員不必寫文本的代碼,只需要調(diào)用需要的函數(shù)和控件即可配置出功能強大、界面美觀的虛擬儀器,大大提高了儀器軟件的開發(fā)效率[9]?；谏鲜龅挠布蛙浖?開發(fā)出豐富多樣的實驗,如圖2所示。

圖2 實驗平臺

2 實驗設(shè)計

2.1 傳感器實驗

傳感器實驗分為四個子單元,分別是光纖傳感器、霍爾傳感器、電渦流傳感器、應(yīng)變片傳感器四個實驗。通過千分尺改變位移進而測出傳感器的位移——輸出電壓關(guān)系曲線,分析傳感器的靈敏度,了解傳感器的線性工作區(qū)域。

1)硬件模塊介紹

僅以光纖傳感器為代表做介紹,反射式光纖傳感器工作原理如圖3所示,光纖采用Y型結(jié)構(gòu),兩束多模光纖合并于一端組成光纖探頭,一束作為接收,另一束為光源發(fā)射,近紅外二極管發(fā)出的近紅外光經(jīng)光源光纖照射至被測物,由被測物反射的光信號經(jīng)接收光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為電信號,反射光的強弱與反射物和光纖探頭的距離成一定的比例關(guān)系,通過對光強的檢測就可得知位置量的變化。

圖3 反射式光纖傳感器工作原理

2)實驗軟面板設(shè)計

以光纖傳感器實驗為例,如圖4所示為光纖傳感器實驗子面板,主界面左邊選擇實驗項目,右邊隨之切換到實驗子面板。子面板左側(cè)可供設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備通道,電壓范圍以及記錄文件的文件名,中間是曲線部分顯示實驗采集到的電壓與位移的關(guān)系,右側(cè)是實時操作、顯示板塊用于采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完畢,點“生成報表”生成實驗報告。

圖4 主界面及光纖傳感器實驗子面板

3) 操作步驟

(1)按照實驗指導書在光纖傳感器模塊上連接好線路,調(diào)試好實驗?zāi)K。

(2)選擇連接的儀器名稱和相應(yīng)的物理通道,單擊“運行”按鈕。

(3)選擇當前位移,滑動千分尺,單擊確定采集按鍵,表格就會出現(xiàn)相應(yīng)的位移電壓數(shù)據(jù)。

(4)再選擇位移值,滑動千分尺,多次采集數(shù)據(jù)。采集一定量數(shù)據(jù)后就能在信號曲線處看到光纖傳感器的電壓位移關(guān)系曲線了,在此曲線中能明顯看出傳感器的線性區(qū)域。

(5)完成實驗后,可點擊“生成報表”控件,生成本次實驗的實驗報告。

(6)點擊“退出實驗”即可退出當前實驗。

(7)嘗試清除數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、重載數(shù)據(jù)功能。

2.2 電子類課程實驗

1)LPF被測電路

以二階低通濾波器頻率特性測試為例,本實驗被測對象是二階低通濾波器(Low Pass Filter,簡寫LPF),電路如圖5所示。

圖5 二階低通濾波器

電路中R1和R2實測為162 Ω,電容C1和C2均為標稱值1 μF,根據(jù)公式(1)、(2)計算截止頻率fc,其中ωc為截止角頻率。計算得到fc=367.4 Hz,電路在ELVIS面包板上設(shè)計,方便快捷。

(1)

(2)

2)實驗原理

如圖6所示該實驗通過NI ELVIS II 板卡的AO1口輸出一個幅值不變的掃頻正弦信號作為低通濾波器的輸入信號,通過AI1模擬輸入端口對LPF的輸出波形進行采集,上位機進行處理和顯示,并計算出低截止頻率fc。

圖6 頻率特性測試框圖

3)實驗軟面板設(shè)計

實驗軟面板由兩部分組成,如圖7所示。掃頻信號發(fā)生器控制NI ELVIS II的AO模擬輸出端口輸出一個掃頻信號。幅頻特性曲線測試面板采集低通濾波器的輸出信號,計算出采集到的信號的幅值和頻率,然后將采集到的LPF輸出信號的幅值除以輸入信號的幅值,并轉(zhuǎn)化為dB,最終逐點描繪出LPF通帶內(nèi)的幅頻特性[9]。根據(jù)幅頻特性曲線圖,測得截止頻率fc=375 Hz,考慮到掃頻信號的步進頻率為5 Hz以及電阻電容的誤差,結(jié)果是合理的。

(a)掃頻信號發(fā)生器

除了頻率特性測試,還可以做其他電子電路實驗,如圖8所示為PID直流電機調(diào)速實驗,面板的左上角可以設(shè)定數(shù)據(jù)采集和電壓輸出的設(shè)備名和端口號、采樣率、采樣數(shù)等參數(shù)。

圖8 PID直流電機調(diào)速實驗

PID參數(shù)設(shè)置一欄可以對PID算法的比例、積分、微分三個參數(shù)進行配置。通過調(diào)節(jié)這三個參數(shù)可以改變電機的響應(yīng)特性[10]。

3 實驗報告設(shè)計

3.1 報表(實驗報告)生成設(shè)計

開發(fā)一個具體項目,用戶通常需要存儲和打印結(jié)果。報表生成是不可或缺的。NI報表生成工具包封裝了Word和Excel對象,是創(chuàng)建復雜報表的強大工具。本平臺能夠把每個實驗填寫的內(nèi)容和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)打包生成報表作為實驗報告,規(guī)范了實驗報告格式和數(shù)據(jù)曲線圖,有利于實驗數(shù)據(jù)的分析和評閱。

點擊“生成報表”,生成如圖9所示的光纖傳感器實驗Word報表,包含實驗名稱、實驗人員、實驗內(nèi)容等信息。

(a) 實驗報告表頭

該功能大大提高了實驗人員的實驗效率,徹底改變了在實驗后補寫實驗報告的傳統(tǒng)模式。在這個信息化時代,電子文檔具有更方便傳輸、修改、保存等特點。

3.2 實驗報告發(fā)送郵箱設(shè)計

如圖10所示是發(fā)送郵件的界面。在面板的左側(cè)可以設(shè)置發(fā)件人信息,包括發(fā)件人郵箱地址、發(fā)件人郵箱的SMTP服務(wù)器、服務(wù)器端口。用戶名和密碼是發(fā)件人的郵箱和密碼。配置好以上參數(shù)后點擊配置服務(wù)器即可。

圖10 郵箱發(fā)送設(shè)計

在面板的右側(cè)填寫收件人郵箱地址、郵件的主題以及郵件內(nèi)容。可以在附件選擇要發(fā)送的實驗報表(報告),點擊發(fā)送按鈕即可將該郵件發(fā)送至收件人,這里默認收件人是該實驗的指導教師,方便教師對學生實驗報表進行集中管理和批閱。

4 遠程共享

校內(nèi)用戶在瀏覽器中輸入實驗發(fā)布網(wǎng)址即可打開。校外用戶需先安裝VPN,再打開網(wǎng)址。

需要注意:學生遠程儀器界面是網(wǎng)頁,真正的程序都是在服務(wù)器上執(zhí)行的,上面提到的報表也是在服務(wù)器上生成,即生成的報表最終也是保存在服務(wù)器上的,為此我們提供了另外一個鏈接用來下載此報表。根據(jù)生成報表時設(shè)定的名稱和學號下載相應(yīng)的文檔即可。

5 結(jié)語

以“傳感器”實驗教改為依托,探索了電子類課程實驗擺脫傳統(tǒng)儀器對手、眼的束縛,利用高效的實驗平臺實現(xiàn)了實驗過程自動化或半自動操作,實現(xiàn)了曲線繪制、實驗報告(報表)生成和快速發(fā)送報告到郵箱的虛擬儀器設(shè)計、遠程共享實驗網(wǎng)頁等,為電子類課程實驗改革提供一些思路。