CN102881204B - 基于usb及虚拟仪器的数字实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于USB及虚拟仪器的数字实验系统，包括计算机、数字电路实验仪模块、实验芯片，所述计算机与所述数字电路实验仪模块之间通过USB口信号线进行通信，并通过计算机的USB口为数字电路实验仪系统和实验芯片供电，所述数字电路实验仪模块和实验芯片连线为标准的￠2自锁紧接插件，运用基于USB及虚拟仪器的数字实验系统，以微机为基础，构建集成化测试平台，代替常规化仪器仪表，不但满足电工、电子实验教学的需要，而且可将这批微机作为其它有关计算机课程教学用机，大大提高设备利用率实现资源共享，降低实验建设成本，同时虚拟仪器的引入，确立了实际操作与计算机仿真相结合的实验教学方式。
Description
技术领域
本发明涉及一种虚拟仪器技术领域，特别涉及一种基于USB及虚拟仪器的数字实验系统。
背景技术
随着科学技术的发展,社会对高校学生的创新思维和实践能力的要求越来越高。对大学生加强创新思维和实践能力的培养是许多工程类专业的当务之急，而实验教学是加强实践能力不可或缺的环节。
数字电路课程是计算机工程、通信工程、电子工程等学科必修的重要专业基础课，不仅有自身的理论体系，而且是一门实践性很强的课程。实验教学是该课程的一个重要环节,而目前的实验教学方式有很多的局限性,为了适应新的形势要求,应当尽快改革高校教学模式,创造更好的实验教学环境,以激发学生的创造性,提高学生的综合动手能力。
我们对多所高校电子实验教学内容和实验设备进行了考察调研。调研中发现目前电子实验教学仍然沿用着传统的实验教学方法，大部分实验室使用的是传统的测量分析仪器设备，它们主要存在以下问题：
1、价格比较昂贵。例如，数字存储示波器具有能够观察瞬态实时信号、存储波形、携带方便等优势，但是它的价格比较高，远高于模拟示波器。因此更新传统仪器设备所需投资巨大，一般学校很难满足，造成许多学校仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研。
2、传统的测量仪器是一个相对独立的系统，仪器所包含的功能均由仪器厂家定义，所有的功能模块全部都是以硬件或固化软件的形式存在于测量仪器中，单台仪器的功能单一、固定。因此，技术更新慢、维护困难，用户难以根据实际需要改变或扩展仪器功能。
3、传统的实验测量仪器主要由硬件组成，比较容易损坏，且操作不便。
4、滞后、不齐全的实验设备，千篇一律的实验模式对学生掌握课程内容是一个很大的障碍，难以调动学生的主动性和创造性，不利于学生能力培养。
目前比较好的解决方法就是采用虚拟仪器技术，但市场上这方面的设备普遍较昂贵，普及使用存在较大困难。
基于以上原因，实验教学需要大量的测量分析仪器设备，每种仪器都必须配置多套，而且有的仪器设备价格昂贵，仪器设备所需投资巨大，造成许多学校仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研。
发明内容
本发明提供一种代替目前理工类高校开设的电子技术课程中所使用的仪器，使学生在计算机上就可以学习和掌握仪器的原理、功能和操作，体积小、应用成本低的基于USB及虚拟仪器的数字实验系统。
一种基于USB及虚拟仪器的数字实验系统，包括计算机、数字电路实验仪模块、实验芯片，所述计算机与所述数字电路实验仪模块之间通过USB口信号线进行通信，并通过计算机的USB口为数字电路实验仪系统和实验芯片供电，所述数字电路实验仪模块和所述实验芯片之间采用标准的￠2自锁紧接插件连接。
所述数字电路实验仪模块包括ARM微控制器、硬件系统由双通道高速模拟采集通道、16路高速数字量采集通道、16路高速数字量输出通道、2路频率可调的信号源、2路宽度可调的脉冲源、USB2.0接口。
所述计算机与所述数字电路实验仪模块、实验芯片之间数据信号处理步骤，具体有：
a.向ARM微控制器发出产生逻辑信号命令；
b.接收ARM微控制器检测到的逻辑信号并显示；
c.接收ARM微控制器检测的节点模拟信号，实现虚拟示波器；
d.接收ARM微控制器检测的节点电压信号，实现虚拟电压表；
e.向ARM微控制器发出产生方波信号命令；
f.向ARM微控制器发出产生脉冲信号命令；
g.计算机多媒体讲解实验内容；
h.计算机存储实验过程及结果。
所述ARM微控制器采集处理信号，具体步骤：
1.根据计算机命令产生逻辑信号值；
2.检测芯片的逻辑信号，送计算机显示；
3.根据计算机命令产生方波信号源；
4.根据计算机命令产生脉冲信号；
5.检测节点电压参数，送计算机显示；
6.检测节点模拟信号波形参数，送计算机显示。
所述ARM微控制器包括LPC2148ARM微控制器和ATmega32微控制器，所述LPC2148ARM微控制器与所述ATmega32微控制器通过串口进行通信。
所述计算机的USB接口端设有稳压芯片，该稳压芯片采用LM117-3.3V。
所述实验芯片采用74LS08、74LS86、74LS32、74LS74、74LS112等。
运用基于USB及虚拟仪器的数字实验系统，以微机为基础，构建集成化测试平台，代替常规化仪器仪表，不但满足电工、电子实验教学的需要，而且可将这批微机作为其它有关计算机课程教学用机，大大提高设备利用率实现资源共享，降低实验建设成本，同时虚拟仪器的引入，确立了实际操作与计算机仿真相结合的实验教学方式。
实验教学需要大量的测量分析仪器设备，每种仪器都必须配置多套，而且有的仪器设备价格昂贵，仪器设备所需投资巨大，造成许多学校仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研。如果运用虚拟仪器系统，情况就大不一样了。使用虚拟仪器不但可以节约大量仪器设备的经费投入，而且能够提高教学科研的质量与效率。
本发明数字电路实验系统不但性能优良、完全满足数字电路实验的需要，而且可以运行CAI教学软件，在一定程度上提高了教师和学生使用的积极性。另外，价格十分低廉，利于普及应用。无论从经济效益还是社会效益方面都具有积极意义，本本发明数字电路实验系统有益效果是：
1、继续选择使用传统的实验芯片作为实验主体，可增加实验效果。实验过程中使用真实的实验芯片（如门电路、加法器、时基电路、A/D、D/A转换器），可以避免过去使用计算机或CPLD模拟实验芯片的缺点。真实的实验芯片能够提高学生对实验的感性认识，实验更加直观，更易于学生接受该方面知识，提高实验效果。
2、利用计算机实现虚拟示波器、虚拟电压表，可显示有关节点波形与电压，代替传统的示波器、电压表；由计算机和ARM微控制器实现16路逻辑信号检测，检测实验芯片的逻辑状态，代替传统的逻辑笔；由计算机和ARM微控制器产生两路频率可调的方波信号源、正负脉冲信号频率，代替传统方波信号源和正负脉冲信号源。
3、由计算机和ARM微控制器共同实现16路逻辑信号输出，供实验芯片使用，代替传统的由开关产生的逻辑信号。可同时设置多行逻辑信号，这些信号可以按照设定的时间间隔顺续输出。
4、利用虚拟仿真软件的优点， 很好地实现理论与实践紧密结合; 利用计算机辅助实验教学，计算机多媒体讲解实验内容。利用计算机多媒体技术，将实验相关的内容做成网页，学生实验时系统对实验相关内容进行提示，对学生实验操作进行全程指导。
5、计算机存储实验过程及结果。实验能够将示波器波形图、检测的逻辑信号等信息存入WORD文档。
6、计算机与ARM微控制器通过USB口通信，通信速度高，数字电路实验仪可以带电热插拔；
7、系统由计算机的USB口供电。USB口为实验仪器提供5V电源。
8、结构轻巧，保护措施齐全，有很高的可靠性和可维护性。元件采用插入式连接，简洁直观，使用维护方便；
9、成本低。每套实验仪器由3部分组成，每套价格除计算机外，传统实验芯片需要约50元，配套的USB接口及ARM微控制器系统需要约120元。
目前该系统已在学校进行教学试点，一方面,在机电工程学院、信息工程学院班级和教师中进行了实际教学应用和评测性测试;另一方面,通过不同用户的使用,对系统功能、可靠性、教学效果等方面进行了全面测试与考核,得到普遍认可,取得了良好的效果。
因此，基于USB及虚拟仪器的数字实验系统引入实验教学，必将给实验教学带来极大方便，使实验室的仪器、设备发挥更高的效率。随着虚拟仪器技术的发展以及对其教育中应用研究的进一步深入，对于探索教育思想和教学模式、改善实验环境、提高教学质量、培养具有创新意识和创新能力的人才,必将产生深远的影响。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步地说明：
图1是本发明系统系统硬件设计框图；
图2是本发明系统的数据走向图；
图3是本发明系统的硬件层次结构图；
图4是本发明系统ARM微控制器的接线图；
图5是本发明系统数字电路实验仪模块操作界面图。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5所示，一种基于USB及虚拟仪器的数字实验系统，包括计算机、数字电路实验仪模块、实验芯片，所述计算机与所述数字电路实验仪模块之间通过USB口信号线进行通信，并通过计算机的USB口为数字电路实验仪系统和实验芯片供电，所述数字电路实验仪模块和实验芯片连线为标准的￠2自锁紧接插件，所述数字电路实验仪模块包括ARM微控制器、硬件系统由双通道高速模拟采集通道、16路高速数字量采集通道、16路高速数字量输出通道、2路频率可调的信号源、2路宽度可调的脉冲源、USB2.0接口，所述计算机、数字电路实验仪模块、实验芯片之间控制程序的流程，具体有：a.向ARM微控制器发出产生逻辑信号命令；b.接收ARM微控制器检测到的逻辑信号并显示；c.接收ARM微控制器检测的节点模拟信号，实现虚拟示波器；d.接收ARM微控制器检测的节点电压信号，实现虚拟电压表；e.向ARM微控制器发出产生方波信号命令；f.向ARM微控制器发出产生脉冲信号命令；g.计算机多媒体讲解实验内容；h.计算机存储实验过程及结果；所述ARM微控制器采集处理信号，具体步骤有：1.根据计算机命令产生逻辑信号值；2.检测芯片的逻辑信号，送计算机显示；3.根据计算机命令产生方波信号源；4.根据计算机命令产生脉冲信号；5.检测节点电压参数，送计算机显示；6.检测节点模拟信号波形参数，送计算机显示；所述ARM微控制器包括LPC2148ARM微控制器和ATmega32微控制器，所述LPC2148ARM微控制器与所述ATmega32微控制器通过串口进行通信；所述计算机的USB接口端设有稳压芯片，该稳压芯片采用LM1117-3.3V；所述实验芯片采用4LS08、74LS86、74LS32、74LS112、74LS74等。
软件系统由计算机端应用程序、ARM微控制器程序、USB驱动程序组成。
如图4图中， PORTA、PORTC是16路逻辑信号输出端，⑤⑥是可调频率信号源输出端，⑦ 是正负脉冲输出端。③④是16路逻辑信号输出端。⑤⑥是可调频率信号源输出端；计算机的USB接口有4根线，分别是电源+、电源地、数据线D+、D-。电源+提供5V、500mA的电源，LPC2148的电源是3.3V，因此需要通过稳压芯片LM1117-3.3V进行电压转换。计算机端USB接口的D+、D-、电源地分别与LPC2148对应的引脚连接。
AD0.7、AD1.0分别是LPC2148的两个A/D转换器，接虚拟示波器的信号输入端和虚拟万用表的信号输入端。
P1.16～ P1.31是LPC2148的P1端口，共16个I/O口，每个I/O口具有内部上拉电阻，可承受5V电压。这些引脚是16路逻辑信号检测端。
ATmega32微控制器的功能是进行接口扩展、脉冲产生、信号源产生。
LPC2148与ATmega32之间通过串口进行通信。如果是ATmega32的操作命令，LPC2148会将计算机命令转发到ATmega32。TX、TXD是发送端，RX、RXD是接收端，ATmega32的电源由计算机的USB口提供。
实施例1
学生打开电脑，启动实验软件；将微控制器模块通过USB连线连接到计算机，1秒后会看到“USB已经连接”的提示信息；选择所作的实验，看实验目的、实验原理、 设备与芯片、预习思考题、实验步骤等；根据实验原理、实验步骤的提示，用连线将实验芯片与微控制器连接起来；如果对芯片有疑问，可以点击芯片资料，对应的PDF文档会在电脑中显示；根据实验步骤，将16路逻辑电平输出接入与非门输入端，接通仪器＋5V 电源，使用虚拟电压表，观察与非门的逻辑功能是否与真值表符合；测试“与非”门的电压传输特性；用74LS00中一只与非门，用虚拟万用表逐点测试；画出电压传输特性曲线，求出关门电平Uoff和开门电平Uon，输出高电平UOH，输出低电平UOL；观察与非门控制特性，使用固定频率发生器产生频率约1kHz(幅度等于5V)的方波，送入与非门输入端Ui，当控制端E分别加上逻辑0 和逻辑1 电平（E接至输出数据开关），用虚拟示波器同时观察Uo波形，体会各控制端作用，同样测试“或”门 、“异或”门，完成实验过程；系统提供每个实验的EWB仿真文件，如果需要可以使用EWB仿真软件进行仿真；根据计算机显示的实验报告内容要求，书写实验报告。
实施例2
学生打开电脑，启动实验软件；将微控制器模块通过USB连线连接到计算机，1秒后会看到“USB已经连接”的提示信息；选择所作的实验，看实验目的、实验原理、 设备与芯片、预习思考题、实验步骤等；根据实验原理、实验步骤的提示，用连线将实验芯片与微控制器连接起来；如果对芯片有疑问，可以点击芯片资料，对应的PDF文档会在电脑中显示；根据实验步骤，用两个集电极开路与非门“线与”使用驱动一个TTL非门，接负载电阻（由一个200Ω电阻和一个20kΩ电位器串接而成）。用逻辑输出改变两个OC门的输入状态，先使OC门“线与”输出高电平，调节负载电阻；用OC 门实现F=AB+CD+EF ，实验时输入变量允许用原变量和反变量，外接负载电阻RC自取合适的值；用OC 门实现异或逻辑；在电路输入端加不同的逻辑电平值，用数字电压表测量集电极开路与非门及CMOS与非门的输出电平值；在电路输入端加1kHz方波信号，用示波器观察A、B、C 各点电压波形幅值的变化，完成实验过程；系统提供每个实验的EWB仿真文件，如果需要可以使用EWB仿真软件进行仿真；根据计算机显示的实验报告内容要求，书写实验报告。
实施例3
学生打开电脑，启动实验软件；将微控制器模块通过USB连线连接到计算机，1秒后会看到“USB已经连接”的提示信息；选择所作的实验，看实验目的、实验原理、 设备与芯片、预习思考题、实验步骤等；根据实验原理、实验步骤的提示，用连线将实验芯片与微控制器连接起来；如果对芯片有疑问，可以点击芯片资料，对应的PDF文档会在电脑中显示；根据实验步骤，测试74LS125 三态输出门的逻辑功能：三态门输入端接逻辑开关，控制端接单脉冲源，输出端接0－1 逻辑电平指示器。逐个测试集成块中四个门的逻辑功能，完成实验过程；系统提供每个实验的EWB仿真文件，如果需要可以使用EWB仿真软件进行仿真；根据计算机显示的实验报告内容要求，书写实验报告。
本发明数字电路实验系统不但性能优良、完全满足数字电路实验的需要，而且可以运行CAI教学软件，在一定程度上提高了教师和学生使用的积极性。另外，价格十分低廉，利于普及应用。无论从经济效益还是社会效益方面都具有积极意义，本本发明数字电路实验系统有益效果是：
1、继续选择使用传统的实验芯片作为实验主体，可增加实验效果，实验过程中使用真实的实验芯片（如门电路、加法器、时基电路、A/D、D/A转换器），可以避免过去使用计算机或CPLD模拟实验芯片的缺点。真实的实验芯片能够提高学生对实验的感性认识，实验更加直观，更易于学生接受该方面知识，提高实验效果。
2、利用计算机实现虚拟示波器、虚拟电压表，可显示有关节点波形与电压，代替传统的示波器、电压表；由计算机和ARM微控制器实现16路逻辑信号检测，检测实验芯片的逻辑状态，代替传统的逻辑笔；由计算机和ARM微控制器产生两路频率可调的方波信号源、正负脉冲信号频率，代替传统方波信号源和正负脉冲信号源。
3、由计算机和ARM微控制器共同实现16路逻辑信号输出，供实验芯片使用，代替传统的由开关产生的逻辑信号。可同时设置多行逻辑信号，这些信号可以按照设定的时间间隔顺续输出。
4、利用虚拟仿真软件的优点， 很好地实现了理论与实践紧密结合; 利用计算机辅助实验教学，计算机多媒体讲解实验内容。利用计算机多媒体技术，将实验相关的内容做成网页，学生实验时系统对实验相关内容进行提示，对学生实验操作进行全程指导。
5、计算机存储实验过程及结果。实验能够将示波器波形图、检测的逻辑信号等信息存入WORD文档。
6、计算机与ARM微控制器通过USB口通信，通信速度高，数字电路实验仪可以带电热插拔。
7、系统由计算机的USB口供电，USB口为实验仪器提供5V电源。
8、结构轻巧，保护措施齐全，有很高的可靠性和可维护性。元件采用插入式连接，简洁直观，使用维护方便。
9、成本低，每套实验仪器由3部分组成，每套价格除计算机外，传统实验芯片需要约50元，配套的USB接口及ARM微控制器系统需要约120元。
目前该系统已在学校进行教学试点 一方面,在机电工程学院、信息工程学院班级和教师中进行了实际教学应用和评测性测试;另一方面,通过不同用户的使用,对系统功能、可靠性、教学效果等方面进行了全面测试与考核,得到普遍认可,取得了良好的效果。
因此，基于USB及虚拟仪器的数字实验系统引入实验教学，必将给实验教学带来极大方便，使实验室的仪器、设备发挥更高的效率。随着虚拟仪器技术的发展以及对其教育中应用研究的进一步深入，对于探索教育思想和教学模式、改善实验环境、提高教学质量、培养具有创新意识和创新能力的人才,必将产生深远的影响。
Claims (6)
1. 一种基于USB 及虚拟仪器的数字实验系统，其特征在于：包括计算机、数字电路实验仪模块、实验芯片，所述计算机与所述数字电路实验仪模块之间通过USB 口信号线进行通
信，并通过计算机的USB 口为数字电路实验仪模块和实验芯片供电，所述数字电路实验仪
模块与所述实验芯片之间采用￠2 自锁紧接插件连接；所述数字电路实验仪模块包括ARM 微控制器、硬件系统由双通道高速模拟采集通道、16 路高速数字量采集通道、16 路高速数字量输出通道、2 路频率可调的信号源、2 路宽度可调的脉冲源、USB2.0 接口。
2.如权利要求1 所述的基于USB 及虚拟仪器的数字实验系统，其特征在于：所述计算
机与所述数字电路实验仪模块、实验芯片之间数据信号处理步骤，具体有：
a. 向ARM 微控制器发出产生逻辑信号命令；
b. 接收ARM 微控制器检测到的逻辑信号并显示；
c. 接收ARM 微控制器检测的节点模拟信号，实现虚拟示波器；
d. 接收ARM 微控制器检测的节点电压信号，实现虚拟电压表；
e. 向ARM 微控制器发出产生方波信号命令；
f. 向ARM 微控制器发出产生脉冲信号命令；
g. 计算机多媒体讲解实验内容；
h. 计算机存储实验过程及结果。
3.如权利要求1 所述的基于USB 及虚拟仪器的数字实验系统，其特征在于：所述ARM 微控制器采集处理信号，具体步骤：
1. 根据计算机命令产生逻辑信号值；
2. 检测芯片的逻辑信号，送计算机显示；
3. 根据计算机命令产生方波信号源；
4. 根据计算机命令产生脉冲信号；
5. 检测节点电压参数，送计算机显示；
6. 检测节点模拟信号波形参数，送计算机显示。
4.如权利要求1 所述的基于USB 及虚拟仪器的数字实验系统，其特征在于：所述ARM 微控制器包括LPC2148ARM 微控制器和ATmega32 微控制器，所述LPC2148ARM 微控制器与所述ATmega32 微控制器通过串口进行通信。
5.如权利要求1所述的基于USB 及虚拟仪器的数字实验系统，其特征在于：所述计算机的USB 接口端设有稳压芯片，该稳压芯片采用LM117-3.3V。
6.如权利要求1 所述的基于USB 及虚拟仪器的数字实验系统，其特征在于：所述实验芯片采用4LS08、74LS86、74LS32、74LS74、74LS112。
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Effective date of registration: 20141128 Address after: 454000 Jiaozuo City, Henan province people's road, No. 3066 Patentee after: Jiaozuo University Patentee after: State Grid Corporation of China Patentee after: Pingdingshan Power Supply Company, State Grid Henan Electric Power Co., Ltd. Address before: 454000 Jiaozuo City, Henan province people's road, No. 3066 Patentee before: Jiaozuo University |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20151111 Address after: 454000 Jiaozuo City, Henan province people's road, No. 3066 Patentee after: Jiaozuo University Address before: 454000 Jiaozuo City, Henan province people's road, No. 3066 Patentee before: Jiaozuo University Patentee before: State Grid Corporation of China Patentee before: Pingdingshan Power Supply Company, State Grid Henan Electric Power Co., Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140924 Termination date: 20151029 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |