摘要：隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的協(xié)同性需求日益增長(zhǎng)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)協(xié)同系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持實(shí)驗(yàn)資源共享、遠(yuǎn)程協(xié)作實(shí)驗(yàn)、實(shí)時(shí)錯(cuò)誤預(yù)警以及智能成績(jī)?cè)u(píng)估等功能。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括傳感器模塊、微控制單元、通信模塊和電源模塊。通過(guò)功能測(cè)試和性能測(cè)試，該系統(tǒng)展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；協(xié)同系統(tǒng)；資源共享；智能評(píng)估

中圖分類號(hào)：TP391.9；TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)正逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。然而，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式仍存在資源共享不足、遠(yuǎn)程協(xié)作困難等問(wèn)題，限制了教學(xué)效率和質(zhì)量的提升。因此，本文設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性的協(xié)同系統(tǒng)，以支持高效的資源共享、遠(yuǎn)程協(xié)作和智能評(píng)估，這對(duì)于推動(dòng)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化具有重要意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在創(chuàng)建一個(gè)高效、互動(dòng)性強(qiáng)的學(xué)習(xí)環(huán)境。系統(tǒng)架構(gòu)由功能設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分組成（圖1）。功能設(shè)計(jì)包括實(shí)驗(yàn)資源共享、遠(yuǎn)程協(xié)作實(shí)驗(yàn)、實(shí)時(shí)錯(cuò)誤預(yù)警和智能成績(jī)?cè)u(píng)估等4 個(gè)功能。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由傳感器模塊、微控制單元、通信模塊和電源模塊組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理；微控制單元作為處理核心，負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度；通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)連接；電源模塊負(fù)責(zé)電源轉(zhuǎn)換和能源管理。整個(gè)系統(tǒng)基于硬件組件協(xié)同工作，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一個(gè)穩(wěn)定、可靠的技術(shù)平臺(tái)。

2 電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 功能設(shè)計(jì)

電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在提供一個(gè)集成化平臺(tái)，以支持實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)習(xí)過(guò)程中的資源共享、協(xié)作、錯(cuò)誤預(yù)警和成績(jī)?cè)u(píng)估。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)資源共享功能

實(shí)驗(yàn)資源共享功能包括資源目錄管理、訪問(wèn)權(quán)限控制和數(shù)據(jù)同步。資源目錄管理允許教師和學(xué)生瀏覽可用的實(shí)驗(yàn)資源；訪問(wèn)權(quán)限控制確保只有授權(quán)用戶才能訪問(wèn)受限資源[1]；數(shù)據(jù)同步確保所有用戶都能訪問(wèn)最新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和資源。該功能基于后端數(shù)據(jù)庫(kù)和前端用戶界面的支持，使用戶能夠輕松搜索、請(qǐng)求和下載所需資源。

2.1.2 遠(yuǎn)程協(xié)作實(shí)驗(yàn)功能

遠(yuǎn)程協(xié)作實(shí)驗(yàn)功能包括實(shí)時(shí)通信、協(xié)作會(huì)話管理和任務(wù)調(diào)度。實(shí)時(shí)通信允許用戶進(jìn)行視頻和語(yǔ)音通話；協(xié)作會(huì)話管理允許用戶創(chuàng)建和管理小組會(huì)話；任務(wù)調(diào)度則幫助用戶規(guī)劃和分配實(shí)驗(yàn)任務(wù)[2]。該功能集成即時(shí)消息服務(wù)、視頻會(huì)議軟件和項(xiàng)目管理工具，確保團(tuán)隊(duì)成員之間能夠有效溝通和協(xié)作。

2.1.3 實(shí)時(shí)錯(cuò)誤預(yù)警功能

實(shí)時(shí)錯(cuò)誤預(yù)警功能包括錯(cuò)誤檢測(cè)、預(yù)警通知和故障分析。錯(cuò)誤檢測(cè)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過(guò)程來(lái)識(shí)別潛在問(wèn)題；預(yù)警通知采用系統(tǒng)消息的方式，及時(shí)通知用戶[3]；故障分析提供問(wèn)題診斷和解決建議。該功能需要集成傳感器、監(jiān)控軟件和自動(dòng)化工具，以確保能夠快速響應(yīng)并減少實(shí)驗(yàn)中斷。

2.1.4 智能成績(jī)?cè)u(píng)估功能

智能成績(jī)?cè)u(píng)估功能以自動(dòng)化方式提高成績(jī)?cè)u(píng)估的準(zhǔn)確性和一致性。該功能包括成績(jī)記錄、評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和成績(jī)反饋。成績(jī)記錄可以自動(dòng)跟蹤學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)和結(jié)果；評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是允許教師定義評(píng)分規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)[4]；成績(jī)反饋負(fù)責(zé)將學(xué)生表現(xiàn)的詳細(xì)分析提供給他們。該功能集成評(píng)估算法、數(shù)據(jù)庫(kù)和用戶反饋機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 傳感器模塊

為了實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理，采用了Analog Devices 公司的ADXL345 三軸加速度計(jì)作為振動(dòng)傳感器，用于測(cè)量物體的線性加速度；使用Bosch Sensortec 公司的BMI160 作為陀螺儀和磁強(qiáng)計(jì)，用于測(cè)量角度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。傳感器模塊具有高精度和低功耗的特點(diǎn)，適用于實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

2.2.2 微控制單元

微控制單元選用STM32F407VET6 微控制器，其擁有高速的ARM Cortex-M4 內(nèi)核、豐富的外設(shè)接口，以及大容量的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（randomaccess memory，RAM） 和Flash 空間， 以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)需求。其模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digitalconverter，ADC）和直接內(nèi)存訪問(wèn)（direct memoryaccess，DMA）特性可直接讀取傳感器數(shù)據(jù)，無(wú)須額外的轉(zhuǎn)換器，降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。

2.2.3 通信模塊

通信模塊采用Nordic Semiconductor 公司的nRF52840 芯片，支持藍(lán)牙5.0 和Zigbee 協(xié)議，具備長(zhǎng)距離通信、低功耗的優(yōu)勢(shì)。其通過(guò)串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）連接微控制單元，方便數(shù)據(jù)交互?？紤]到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有設(shè)備同時(shí)工作，該模塊還配置了天線增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，確保網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性。同時(shí)，預(yù)留了Wi-Fi 和5G 模塊接口，以備使用。

2.2.4 電源模塊

電源模塊的設(shè)計(jì)主要考慮能源管理和電源轉(zhuǎn)換。使用得州儀器公司（TI）的TPS61088 升壓轉(zhuǎn)換器，將電池電壓提升至5 V，供應(yīng)給其他模塊。系統(tǒng)內(nèi)置了電量監(jiān)測(cè)和節(jié)電機(jī)制，當(dāng)電池電量過(guò)低時(shí)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，延長(zhǎng)使用壽命。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)USB 充電口，方便用戶隨時(shí)補(bǔ)充電源。

2.3 運(yùn)行測(cè)試2.3.1 功能測(cè)試

測(cè)試條件準(zhǔn)備與過(guò)程：功能測(cè)試在模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行，使用標(biāo)準(zhǔn)的電子實(shí)驗(yàn)套件，包括Arduino 微控制器、多種傳感器和無(wú)線通信模塊。測(cè)試平臺(tái)為Windows 10 操作系統(tǒng)，配備Intel Core i7處理器，16 GB RAM，以及穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。測(cè)試詳細(xì)過(guò)程包括驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)資源共享功能的可用性、遠(yuǎn)程協(xié)作實(shí)驗(yàn)功能的連通性、實(shí)時(shí)錯(cuò)誤預(yù)警功能的準(zhǔn)確性以及智能成績(jī)?cè)u(píng)估功能的一致性[5]。所有測(cè)試均基于預(yù)定義的實(shí)驗(yàn)案例和腳本，以確保覆蓋所有預(yù)期的功能點(diǎn)。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：每個(gè)功能點(diǎn)都設(shè)定了明確的通過(guò)/ 失敗標(biāo)準(zhǔn)。例如，實(shí)驗(yàn)資源共享功能必須能在5 s 內(nèi)響應(yīng)資源請(qǐng)求，遠(yuǎn)程協(xié)作實(shí)驗(yàn)功能需在500 ms 內(nèi)完成消息傳遞，實(shí)時(shí)錯(cuò)誤預(yù)警功能的誤報(bào)率低于5%，智能成績(jī)?cè)u(píng)估功能的評(píng)分誤差小于3%。

如表1 所示，測(cè)試結(jié)果顯示，資源共享響應(yīng)時(shí)間為2.5 s，遠(yuǎn)程協(xié)作延遲為380 ms，實(shí)時(shí)錯(cuò)誤預(yù)警誤報(bào)率為2%，智能成績(jī)?cè)u(píng)估誤差為1.5%。所有功能點(diǎn)均通過(guò)測(cè)試，這表明系統(tǒng)能夠滿足設(shè)定的功能要求。

2.3.2 性能測(cè)試

測(cè)試條件準(zhǔn)備與過(guò)程：性能測(cè)試在高負(fù)載條件下進(jìn)行，模擬了30 名用戶同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的場(chǎng)景。測(cè)試環(huán)境包括多臺(tái)服務(wù)器，分別承載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信和計(jì)算任務(wù)。測(cè)試詳細(xì)過(guò)程涵蓋了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、吞吐量、資源利用率和穩(wěn)定性評(píng)估。通過(guò)使用壓力測(cè)試工具逐步增加并發(fā)用戶數(shù)量，直到達(dá)到系統(tǒng)極限，以確定系統(tǒng)的最大承載能力。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：性能測(cè)試的目標(biāo)是確保系統(tǒng)在高負(fù)載下仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行，具體指標(biāo)包括系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)2 s，吞吐量至少達(dá)到每分鐘處理100 次請(qǐng)求，中央處理器（central processing unit，CPU）和內(nèi)存利用率均在80% 以下，且無(wú)明顯數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

在實(shí)際性能測(cè)試中，系統(tǒng)在承受30 名用戶同時(shí)操作時(shí)，平均響應(yīng)時(shí)間為1.4 s，吞吐量為每分鐘160 次請(qǐng)求，CPU 和內(nèi)存利用率分別為55% 和47%。在整個(gè)測(cè)試期間，系統(tǒng)未出現(xiàn)任何故障，證明了該系統(tǒng)在高負(fù)載下的穩(wěn)定性和可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了電子技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)協(xié)同系統(tǒng)，集成了實(shí)驗(yàn)資源共享、遠(yuǎn)程協(xié)作實(shí)驗(yàn)、實(shí)時(shí)錯(cuò)誤預(yù)警與智能成績(jī)?cè)u(píng)估等功能，提升了電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。系統(tǒng)采用的模塊化硬件設(shè)計(jì)和智能化算法，保證了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，還為遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)者提供了便捷的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。未來(lái)，將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，探索更多智能技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，如虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等，以期實(shí)現(xiàn)更加沉浸式、個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，推動(dòng)電子技術(shù)教育的持續(xù)創(chuàng)新與進(jìn)步。

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