CN101271643B

CN101271643B - 家用计算机软硬件结合的实验教学、个人自学用实验装置

Info

Publication number: CN101271643B
Application number: CN2008100641202A
Authority: CN
Inventors: 张金傲; 严复铁; 吕少华; 鲍振忠; 任海峰; 耿海涛; 徐蓉
Original assignee: Deqiang College Of Commerce Of Harbin University Of Commerce; Heilongjiang University
Current assignee: Deqiang College Of Commerce Of Harbin University Of Commerce; Heilongjiang University
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: CN101271643A

Abstract

家用计算机软硬件结合的实验教学、个人自学用实验装置，本发明组成包括：实验测试单元，所述的实验测试单元安装在计算机(1)的5.25英寸驱动器安装槽上并与计算机内电源及通讯接口连接，实验测试单元的前面板接口通过电缆与试验板外部接口板连接并通过它连接试验电路板或试验设备，它的一组模拟量检测端、开关量检测端和实验用电源输出端连接在实验板上搭建的实验电路相关检测点上，在具备硬件控制CAI课件的控制下实现对实验电路实际实验操作，通过实验测试单元、实验电路和通用教学课件CAI(实验教材)的无缝连接，实现虚拟试验与实际操作试验之间的切换。本发明涉及物理电学实验、计算机控制及CAI课件的硬件控制口领域。

Description

家用计算机软硬件结合的实验教学、个人自学用实验装置

技术领域：

本发明涉及一种家用计算机软硬件结合的实验教学、个人自学用实验装置。

背景技术：

现有的类似产品可大致分为两类：第一类面向高端（科研单位、企业、大学），这一类产品专业化程度高、造价高、面向实际生产和科研；第二类以学校实验设备为主的专业产品，这一类产品面向教学实验（中学、一般学校），专用性强、功能单一、体积大，造价较高。现已在教学中普遍使用的各类CAI课件还没有与这些设备的接口和交互控制能力。上述产品家庭普及困难。当前还没有利用家用计算机在家庭使用造价低廉配有硬件的一体化实验设备。

发明内容：

本发明的目的是提供一种解决现有CAI教学课件没有与电学类实验设备和实验板接口和交互控制能力的问题，为普通学校和家庭提供一种适合在家庭使用造价低廉配有硬件的一体化家用计算机软硬件结合的实验教学、个人自学用实验装置，解决现有CAI教学课件没有与电学类实验设备和实验板接口和交互控制能力的问题，为普通学校和家庭提供一种造价低廉的与家用计算机一体化的实验设备。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

家用计算机软硬件结合的实验教学、个人自学用实验装置，其组成包括：实验测试单元，所述的实验测试单元安装在计算机机箱5.25英寸驱动器安装槽上并与机箱内电源及通讯接口连接,所述的实验测试单元的前面板上测试接口通过电缆与试验板外部接口板连接并通过它连接试验电路板或实验设备，所述的实验测试单元模拟量检测端、开关量检测端和实验用电源输出端连接在试验电路板上搭建的实验电路相应检测点，在具备硬件控制的CAI课件控制下实现对实验电路实际实验操作,通过实验测试单元、实验电路和通用教学课件CAI教材的无缝连接，实现虚拟试验与实际操作试验之间的切换，所述的实验测试单元的实验控制部件的电路部分由单片机系统控制下的继电器电路、检测电路和测试用交/直流可控电源构成，单片机I/O口的A/D模拟输入为检测输入端，通过与其连接的检测电路、继电器组、对应的触点转换电路经试验板外部接口板连接试验电路板对实验电路测试点的模拟量、开关量进行检测，单片机初始条件是每个时间段通过继电器的切换只对1个测试点接通进行检测，以保证电路各测量点的物理切换或者由软件确定多路同时检测，在检测过程中通过计算机调节可调电源的电压调节和电源的开启，对通用实验开关接口切换、测试电路中的断点，实现对在试验电路板上搭建实验电路提供电源和测试点的接通和闭合。

所述的家用计算机软硬件结合的实验教学、个人自学用实验装置，所述的实验测试单元的实验控制部件，其电路板和元器件安装在金属盒内，安装在前面板上的测试接口通过电缆与所述的试验板外部接口板连接并通过它连接试验电路板或实验设备,或者通过前面板上通用检测接口连接标准测试笔、实验状态显示LED和系统复位键，测试单元后板上的电源接口与计算机内的标准电源接口连接，所述的实验测试单元控制接口通过标准连接线与计算机内部的232或USB接口连接。

所述的家用计算机软硬件结合的实验教学、个人自学用实验装置，通过在教学软件中插入通用的硬件控制插件，使实验控制部件受控于CAI课件。

这个技术方案有以下有益效果：

1、本发明作为家用计算机系统的一种一体化的通用配置，增加了家用计算机的应用范围。它可作为一种标准硬件结合的配置安装在家用计算机上，将实验引入家庭，解决学习者实际动手能力差的不足。

、现有产品“大都为专业化板卡和实验设备结构造价高，本发明采用模块化结构，安装、更换、使用方便、硬件结构简单、造价低。

、实现学习过程中的虚拟实验和实际动手实验间的切换，使教学课件具备硬件控制能力，发挥了硬件实验和软件模拟实验的各自优点和长处，配套的应用软件（CAI）开发简单方便，充分满足学习者自学的需要，增强了计算机辅助教学的效果，为提高学习者的学习兴趣和对学习的方便灵活性都带来了好处。

本发明可完成中学及其它物理教学中电学部分的常规直流、交流电路和部分数字电路实验与测试。本发明具有普通检测接口可用于一般电子、电学参数的检测。

附图说明：

附图1是本发明总体示意图。

附图2是本发明的外观图。

附图3是实验控制部件与试验板及标准测试笔的示意图。

附图4是本发明控制部件示意图。

附图5是本发明测试控制部分示意图。

附图6是本发明的实施框图。

本发明的具体实施方式：

实施例1：

见附图2、图3，本发明包括：实验控制部件2安装在计算机1的ATX标准机箱的空闲5.25英寸驱动器安装槽上。所述的实验控制部件2与标准光驱金属盒的外观、结构、尺寸及安装方式相似同，通过固定螺丝口2-12方便安装在计算机1机箱上，控制部件的电路板和元器件安装在这个金属盒内。它前面板上的测试接口2-10通过电缆5与试验板外部接口板3的连接插座3-1连接，通用测试接口2-9连接标准测试笔6，用于对单个原件或实验电路测试点的手动静态测量（电压、电流、电阻、电平）；实验状态显示LED 2-7-4用来显示实验过程与状态；系统复位键2-11是实验控制部件（单片机）的系统复位键。实验控制部件后板上的电源2-3和通讯接口2-5通过电缆分别与计算机1（以下称系统机）内部的电源1-2（为实验控制部件、实验电路和电阻测试提供1.5-12 V可调节电源）和232或USB接口1-1用于系统机1（上位机）与实验控制部件2（下位机）之间的通讯。与试验板外部接口板3连接的接口2-10的接线端子包括：提供测试用交、直流电源的1.5-15V直流电输出端、1.5-15V直流电输出端-2、15V交流电输出端、提供测试电路测试断点的开关接口-1和开关接口-2、提供测试电路电压测试的电压检测-1接口、电压检测-2接口、电压检测-3接口、电压检测-4接口、提供测试电流测试的电流I检测接口、提供测试电阻R检测接口。这些检测端子可与实验电路的测试点连接或连接其它实验装置。试验板外部接口板3有电源状态显示LED 3-2和防止实验电源短路和过流的保险管3-3；试验电路板4为通用试验电路板。

实施例2：

见附图4、附图5，实验控制部件2的电路主要由以下3个主要部分构成：①带A/D转换输入的单片机基本系统2-1，作为与系统机连接的下位机用于对与其连接的相关电路进行控制，测量结果时实存储和与上位机即系统机通讯等。232 或USB接口电路2-2通过接口2-3与系统机内的232 或USB端口连接，用于系统机对实验控制部件的控制。②与系统机电源连接的测试用交/直流可控电源2-4通过电源接口2-5为实验控制部件提供工作电源并通过它的转换和开关控制为测试电路和电阻测量提供可调节电源，它包括：测试用1.5-5V可调电源及电子开关电路2-4-1、测试用5-12V直流电源调节及电子开关电路2-4-2、测试用（5～12V）交流电产生、电压调节及过压、过流保护电路2-4-3和直流过压、过流保护电路2-4-4。③检测电路部分包括：继电器电路2-7，由以下部分构成：继电器驱动电路2-7-1与其对应的继电器阵列2-7-2、继电器的触点转换电路2-7-3，上述电路在单片机控制下通过继电器触点的扫描切换和不同组合分别接通检测电路2-8中的电压检测电路-1 2-8-3、电压检测电路-2 2-8-4、电压检测电路-3 2-8-5、电压检测电路-4 2-8-6、电流检测电路2-8-7、电阻检测电路2-8-8等实现对实验电路各测试点的测试，它还包括通用检测接口2-9在单片机控制下通过继电器驱动的V/I/R（即电压/电流/电阻）检测转换电路2-8-10实现对单个原器件和实验电路的手动检测。检测电路2-8包括自动量程转换2-8-12、电压、电流过载保护电路2-8-11、测量电源、交、直流检测转换电路等都是以有技术，这里不详细说明。电压、电流过载保护电路2-8-11用于在实验过程中的过压、过流、短路保护(通过断开测试电源方式或降低实验电源的电压方式)。数据存储器2-6用于对检测数据、和控制指令的临时存储。Reset、Watch-dog电路2-11在单片机2-1软件发生软故障时复位用。状态显示电路2-7-4用于显示当前的检测端口和检测类型

工作原理：

见图-6，打开系统机实验教学CAI课件（已插入硬件控制插件-软件），切换至虚拟试验模块（软件），根据课件要求和指导进行电路设计或个性化电路设计。可首先进行虚拟试验获得虚拟实验数据后，切换CAI课件至实际试验，也可在试验电路板上按教学要求搭建试验电路或自行电路设计，通过CAI课件设置试验板上的实验电路各测试点的电压、电流、电阻、电感、电平等测试点的静态和动态数据参数和电路测试断点状态参数和其它电路参数。通过试验板外部接口板3的接口端子连接以下各点电压检测V1接口，电压检测V2接口，电压检测V3接口，电压检测V4接口，电流检测I接口，电阻检测R接口，在计算机上设置电路的检测断点开关K1接口，和开关K2接口，设置测量电源参数（静态或动态的交流、直流、电压范围和开启关闭时间）并连接直流电输出端或交流电输出端，最后连接实验电路电源。

进入电路的实际操作试验，在系统机控制下的单片机接通或断开测试电源、接通或断开开关接口-1、开关接口-2、继电器驱动电路、驱动继电器按程序的设置吸合或释放。被测的静态或动态参数依次通过继电器的触点转换电路对应的电压、电流过载保护电路、自动量程转换电路、检测转换电路。经过上述电路的量程自动转换、电压、电流过载保护和检测转换最后进入单片机的A/D转换输入端，通过单片机的A/D转换和运算后将测试数据参数通过232或USB转入系统机，在系统机上显示静态和动态实验结果。通过修改元件参数、更换元气件、更改电路连接和更换测试点、调整实验电压等继续实验直到达到教学或设计要求。

Claims

1.一种家用计算机软硬件结合的实验教学、个人自学用实验装置，其组成包括：实验测试单元，其特征是：所述的实验测试单元安装在计算机机箱5.25英寸驱动器安装槽上并与机箱内电源及通讯接口连接,所述的实验测试单元的前面板上测试接口通过电缆与试验板外部接口板连接并通过它连接试验电路板，所述的实验测试单元模拟量检测端、开关量检测端和实验用电源输出端连接在试验电路板上搭建的实验电路相应检测点，在具备硬件控制的CAI课件控制下实现对实验电路实际实验操作,通过实验测试单元、实验电路和通用教学课件CAI教材的无缝连接，实现虚拟试验与实际操作试验之间的切换，所述的实验测试单元的实验控制部件的电路部分由单片机系统控制下的继电器电路、检测电路和测试用交/直流可控电源构成，单片机I/O口的A/D模拟输入为检测输入端，通过与其连接的检测电路、继电器组、对应的触点转换电路经试验板外部接口板连接试验电路板对实验电路测试点的模拟量、开关量进行检测，单片机初始条件是每个时间段通过继电器的切换只对1个测试点接通进行检测，以保证电路各测量点的物理切换或者由软件确定多路同时检测，在检测过程中通过计算机调节可控电源的电压调节和电源的开启，对通用实验开关接口切换、测试电路中的断点，实现对在试验电路板上搭建实验电路提供电源和测试点的接通和闭合。

2.根据权利要求1所述的家用计算机软硬件结合的实验教学、个人自学用实验装置，其特征是：所述的实验测试单元的实验控制部件，其电路板和元器件安装在金属盒内，通过前面板上通用检测接口连接标准测试笔、实验状态显示LED和系统复位键，测试单元后板上的电源接口与计算机内的标准电源接口连接，所述的实验测试单元控制接口通过标准连接线与计算机内部的232或USB接口连接。

3、根据权利要求1所述的家用计算机软硬件结合的实验教学、个人自学用实验装置，其特征是：通过在教学软件中插入通用的硬件控制插件，使实验控制部件受控于CAI课件。