CN104680905B - 一种应用于实验教学的教学过程自动监测系统和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于实验教学的教学过程自动监测系统和监测方法。该系统包括控制台、工作台和通信模块。控制台通过通信模块同时监视多个工作台情况。工作台包含信号采集模块、检测模块、显示模块、360度监视模块等。信号采集模块设有若干个采集端口，用于识别当前元器件；检测模块用于根据设定的时间间隔不断地检测实验操作过程中是否存在问题；显示模块用于显示当前信号采集模块连接的元器件及其端口连接拓扑图，并根据检测模块的检测结果提示报警信号；360度监视模块与控制台连接，用于实时观测实验操作情况、元器件状态和各仪表读数。本发明可以减轻教师检查线路、元器件等的工作量，并提高学生独立操作实验的能力。

Description

一种应用于实验教学的教学过程自动监测系统和监测方法

技术领域

本发明属于实验过程自动监测技术领域，具体涉及一种应用于实验教学的教学过程自动监测系统和监测方法，可实现对实验元器件状态监测和实验操作情况监视。

背景技术

在电气实验中，包括基础性的实验，比如说电路、数字电子、模拟电子实验；专业性实验，比如说电机实验、电力电子实验等，都存在开出实验组数较多，单个实验接线较多，同时进行实验人数较多等现状，导致教师帮助学员检测线路的时候耗费的人手较多、还容易出现漏检、错检等问题。学生在实验过程中，也容易由于操作不当，出现短路、开路问题，进而导致设备过热、甚至烧毁的现象。

因此，在电气实验中，如何克服上述问题，提供一种实验效率高、实验过程安全的监测系统和监测方法具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于实验教学的教学过程自动监测系统，该系统可解决目前实验教学中教、学独立进行的问题，减轻教师检查线路、元器件等的工作量，并提高学生独立操作实验的能力。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述教学过程自动监测系统的监测方法，该方法操作方便，教师可同时监视多个实验室情况，并且同一个实验室可以实施多种不同的实验，提高实验室的利用率，有利于创新性实验的开展。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种应用于实验教学的教学过程自动监测系统，包括控制台、工作台和通信模块，控制台通过通信模块同时监视若干个工作台的操作情况，工作台配置在每一个实验台处，实验时控制台传送设定的元器件参数和端口连接拓扑图信息到工作台上；其中工作台包括电源模块、信号采集模块、检测模块、显示模块、360度监视模块，信号采集模块设有若干个采集端口，实验时实验台上的元器件与采集端口一一对应连接，信号采集模块用于识别当前元器件；检测模块用于根据设定的时间间隔不断地检测实验操作过程中是否存在问题；显示模块用于显示当前信号采集模块连接的元器件及其端口连接拓扑图，并根据检测模块的检测结果提示报警信号；360度监视模块与控制台连接，用于实时观测实验操作情况、元器件状态和各仪表读数；电源模块用于向工作台其他模块供电。

优选的，所述控制台通过通信模块对工作台进行一对一或者是一对多的监控，监控模式采用报警事件触发模式和主动传唤数据模式。

优选的，所述工作台以实验挂箱、实验模块或者是移动终端的模式配置在每一个实验台上面，工作台用于发送报警信息和主动传唤数据信息到控制台，并在实验结束后形成报文发送给控制台。

具体的，所述信号采集模块包括一集成端口采集卡，所述采集端口设置在该采集卡上，用于实时监测元器件状态。

更进一步的，所述信号采集模块还包括一外接端口转换卡，实验时实验台上的每个元器件均通过接线端子与此外接端口转换卡相连，该外接端口转换卡与所述集成端口采集卡相连。

更进一步的，所述采集端口根据元器件不同有多类接口，包括电源、电压表、电流表、电阻、电抗、电感、晶闸管、电机、集成芯片等，每一类端口都有一定的数量，并且能够拓展。对于不同的元器件，系统使用不用的等效模型。

具体的，所述检测模块包括串联通路检测模块、并联通路检测模块、故障检测模块、操作过程错误检测模块，所述串联通路检测模块用于根据端口连接拓扑图检测各元器件是否串联；所述并联通路检测模块用于根据端口连接拓扑图检测各元器件是否并联；所述故障检测模块用于通过检测重要设备的保险丝情况判断元器件是否烧坏，以及按照设定的时间间隔不断地检测实验短路、开路故障；所述操作过程错误检测模块用于通过比较当前实验中各元器件的实际工作值和设定工作值，判断操作是否存在错误。

具体的，所述电源模块包括电源和转换电路，用于输出15V直流电压和220V交流电压。

优选的，所述工作台还包括一用于识别当前要操作此工作台的人员身份的身份识别模块。可以通过扫描此人的特征，进行身份识别，从而避免发生替代实验。

优选的，所述工作台还包括一存储模块，该存储模块包含A、B、C三区，其中A区用于保存定量永久数据，B区用于保存大量的即时数据，C区用于保存定量快速数据。

优选的，所述工作台和控制台之间设有通话装置。从而在实验过程中，学生和教师可以及时进行语音沟通。

一种基于上述教学过程自动监测系统的监测方法，包括步骤：

(1)实验前，教师进行预先设置，包括步骤：

(1-1)将实验台的元器件对照信号采集模块上的采集端口一一对应连接，信号采集模块对元器件实现识别初始化；

(1-2)根据每个实验原理图的不同要求，选定元器件，对于特定的元器件进行唯一选定，对于多个可选元器件，使用与、或、非等逻辑进行选定；

(1-3)对于选定的元器件，根据可能存在的连接方式，确定其端口连接拓扑图；

(1-4)保存某一实验的元器件及其端口连接拓扑图，并设定其额定参数和报警阈值，形成包含相关信息的文件；将文件上传到控制台；

(2)学生进行实验时，操作步骤如下：

(2-1)选择当前需要进行的实验，进行实验预作，包括步骤：选择元器件；确定端口连接拓扑图；确定元器件额定参数和报警阈值；确定实验方案；比较上述实验方案和教师预设方案，确定是否存在问题，如有存在问题则检测模块自动指出，提示修正，否则执行步骤(2-2)；

(2-2)进行实验接线：按照方案进行接线，完毕后检查接线是否正确，如果不正确，则指出其存在的问题，否则执行步骤(2-3)；

(2-3)接通电源开始实验：接通电源，调制实验参数，检测模块监测在调制过程中是否存在错误情况，如果有则进行报警提示，同时传送到控制台；

(2-4)实验停止，系统收集实验过程信息，汇总形成一文件，传送到控制台，最后关闭监测。

优选的，在步骤(2)学生进行实验前，还包括步骤：进行身份识别。以避免学生进行替代实验。

优选的，所述步骤(2)学生进行实验时，端口连接拓扑图由学生做出，然后通过通信模块发送到控制台，控制台处教师进行检查，若检查通过则学生按照此端口连接拓扑图进行实验，否则进行报警提示。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、通过本发明系统，可解决目前实验教学中教、学独立进行的问题，减轻教师检查线路、元器件等的工作量，教师可以同时监视多个实验室情况，并且同一个实验室可以实施多种不同的实验，提高实验室的利用率，有利于创新性实验的开展。

2、通过本发明，教师只要事前将本次实验需要用到的元器件端口一一连接到工作台的信号采集模块，在学生进行实验时，就会显示出学生是否接线正确、调制过程是否正确。教师通过控制台可以同时监测整个实验室是否存在异常状态，同时，学员也可以通过工作台显示模块和检测模块独立进行实验，而不再需要教师过多的指导，从而提高实验能力。

3、在本发明中，对于某个实验，教师一旦选定元器件，并连接形成端口连接拓扑图，可以将该拓扑图保存记录，下一次可以调用并提示所需用元器件，为后续多次反复实验提供简便的实验前准备工作。

4、所有检测电信号为主的实验都可以应用本发明所述的自动监测系统。对于非电信号元器件，可以经过等效之后接入系统。

附图说明

图1是本实施例控制台-工作台工作方式示意图。

图2是本实施例工作台结构构成图。

图3是本实施例监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1，本实施例一种应用于实验教学的教学过程自动监测系统，包括控制台、工作台和通信模块，控制台通过通信模块实现对工作台的一对一或者是一对多的监控。监控模式采用报警事件触发模式和主动传唤数据模式。控制台可以传送设定的元器件参数和端口连接拓扑图等批量信息到工作台上，实现数据同步。工作台可以以实验挂箱、实验模块或者是移动终端的模式配置在每一个实验台上面。工作台主要发送报警信息和主动传唤数据信息到控制台，并在实验结束后形成报文发送给工作台。

参见图2，本实施例工作台包括电源模块、信号采集模块、检测模块、显示模块、360度监视模块、身份识别模块、存储模块。电源模块包括电源和转换电路，用于输出15V直流电压和220V交流电压，为其他模块进行供电。存储模块用于存储数据，该存储模块包含A、B、C三区，其中A区用于保存定量永久数据，B区用于保存大量的即时数据，C区用于保存定量快速数据。

本实施例中，信号采集模块还包括集成端口采集卡、采集端口。由于针对传统实验台上的每一个元器件，比如说电源、电阻、电容等，是不能监测每一个元器件的电压电流的。本发明为了对每个元器件进行状态监测，因此可将采集端口设置在一集成端口采集卡上，通过此电路来实现专门监测元器件状态。

另外，对于现在已经在使用的实验台，如果要对每个元器件的两端进行状态信号采集，仅靠原有实验台自带的集成电路是无法完成的，因此，本实施例提出增加一外接端口转换卡，即通过元器件的外接端口(一般是实验用的接线端子)进行信号的引出。为了方便管理，把整个实验台所有元器件的引出信号接到外接端口转换卡上。这个转换卡再连接到集成端口采集卡上，就可以实现对每个元器件进行状态监测。

采集端口按照元器件分类，包括电源、电压表、电流表、电阻、电抗、电感、晶闸管、电机、集成芯片等。每一类端口都有一定的数量，并且能够拓展。对于不同的元器件，系统使用不用的等效模型。

检测模块包括串联通路检测模块、并联通路检测模块、故障检测模块、操作过程错误检测模块，所述串联通路检测模块主要判断由电源、电压表、电流表、电阻、电抗、电感、晶闸管、电机等组成的回路是否串联成功。所述并联通路检测模块用于根据端口连接拓扑图检测各元器件是否并联。所述故障检测模块用于判断电阻、晶闸管、表计、电源等重要设备是否存在烧坏现象，并按一定时间间隔检测短路、开路问题。所述操作过程错误检测模块用于判断越限、过电压、过电流、过励、欠励等问题。

显示模块可以显示信号采集模块标示的元器件及其端口连接拓扑图，并根据检测模块的检测结果提示报警信号。通过采集实验所需元器件信息和端口连接拓扑图，判断实验过程中学生是否存在错接、误接、掉线等问题，

控制台可以通过360度监视模块，即时察看实验操作情况、仪表读数和元器件状态。

参见图3，本实施例所述教学过程自动监测系统的监测方法，包括步骤：

(1)实验前，教师进行预先设置，包括步骤：

(1-1)实验前，首先将实验台的元器件对照采集模块上的端口一一对应连接。采集模块将实验台的元器件识别为电阻1、电阻2、电阻3、直流电源1、直流电源2等。对实验台元器件实现识别初始化。

(1-2)根据每个实验原理图的不同要求，选定元器件。对于特定的元器件进行唯一选定，对于多个可选元器件，使用与、或、非等逻辑进行选定。

(1-3)对于选定的元器件，根据可能存在的连接方式，确定其端口连接拓扑图。

(1-4)保存某一实验的元器件及其端口连接拓扑图，并设定其额定参数和报警阈值，形成包含相关信息的文件。将文件上传到控制台。

以上步骤确认并保存后，以后调用就可以了，不需要多次重复进行，大大提高教师实验预先准备工作的效率。

(2)学生进行实验时，操作步骤如下：

(2-1)进行身份识别，避免替代实验。

(2-2)选择当前需要进行的实验，进行实验预作，包括步骤：选择元器件；确定端口连接拓扑图；确定元器件额定参数和报警阈值；确定实验方案；比较上述实验方案和教师预设方案，确定是否存在问题，如有存在问题则检测模块自动指出，提示修正，否则执行步骤(2-3)。

(2-3)提示进行实验接线：学生按照方案进行接线，完毕后进行确认。系统检查接线是否正确，并指出其存在的短路、开路、漏接、错接等问题。

(2-4)接线无误后，提示接通电源开始实验。学生接通电源，调制实验参数。系统监测在调制过程中是否存在越限、掉线、烧坏元件等情况，如果有则进行报警提示，同时传送到控制台。

(2-5)学生主动停止实验，系统收集实验过程信息，汇总形成一文件，传送到控制台，关闭监测。

此外，系统提供实验数据预习功能。根据教师所选择元器件的端口，提示输入本次实验相关设备的额定参数，比如说电源输出电压大小、电表量程、电阻额定电压电流等等。根据原理图将各元器件连接，构成端口拓扑图。并将其跟教师的设置相比较，从而判断其预习效果。改善以往手写预习内容过多，实际预习效果并不理想的问题。

实验过程中，学生可以主动按下呼叫按钮，要求与教师对话。教师也可以根据接收到的报警，调用学生操作实验的实时图形，并要求与学生对话。

以上是常规实验的实施方式，对于创新性实验，可以由学生设计实验方案，提交教师审核后作为实验准备步骤。例如，学生可以自由选择元器件和连接，将端口连接拓扑图保存并给教师检查，教师审查通过后按照计划进行，出现操作错误的时候系统报警提示。

使用该系统，教师可以同时监视多个实验室情况，并且同一个实验室可以实施多种不同的实验，提高实验室的利用率，有利于创新性实验的开展。

所有检测电信号为主的实验都可以应用该自动监测系统。对于非电信号元器件，可以经过等效之后接入系统。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于实验教学的教学过程自动监测系统，其特征在于，包括控制台、工作台和通信模块，控制台通过通信模块同时监视若干个工作台的操作情况，工作台配置在每一个实验台处，实验时控制台传送设定的元器件参数和端口连接拓扑图信息到工作台上；其中工作台包括电源模块、信号采集模块、检测模块、显示模块、360度监视模块，信号采集模块设有若干个采集端口，实验时实验台上的元器件与采集端口一一对应连接，信号采集模块用于识别当前元器件；检测模块用于根据设定的时间间隔不断地检测实验操作过程中是否存在问题；显示模块用于显示当前信号采集模块连接的元器件及其端口连接拓扑图，并根据检测模块的检测结果提示报警信号；360度监视模块与控制台连接，用于实时观测实验操作情况、元器件状态和各仪表读数；电源模块用于向工作台其他模块供电；

所述信号采集模块包括一集成端口采集卡，所述采集端口设置在该采集卡上，用于实时监测元器件状态；

所述信号采集模块还包括一外接端口转换卡，实验时实验台上的每个元器件均通过接线端子与此外接端口转换卡相连，该外接端口转换卡与所述集成端口采集卡相连；

所述采集端口根据元器件不同有多类接口，包括电源、电压表、电流表、电阻、电抗、电感、晶闸管、电机、集成芯片，每一类端口都有一定的数量，并且可拓展。

2.根据权利要求1所述的应用于实验教学的教学过程自动监测系统，其特征在于，所述控制台通过通信模块对工作台进行一对一或者是一对多的监控，监控模式采用报警事件触发模式和主动传唤数据模式；

所述工作台以实验挂箱、实验模块或者是移动终端的模式配置在每一个实验台上面，工作台用于发送报警信息和主动传唤数据信息到控制台，并在实验结束后形成报文发送给控制台。

3.根据权利要求1所述的应用于实验教学的教学过程自动监测系统，其特征在于，所述检测模块包括串联通路检测模块、并联通路检测模块、故障检测模块、操作过程错误检测模块，所述串联通路检测模块用于根据端口连接拓扑图检测各元器件是否串联；所述并联通路检测模块用于根据端口连接拓扑图检测各元器件是否并联；所述故障检测模块用于通过检测重要设备的保险丝情况判断元器件是否烧坏，以及按照设定的时间间隔不断地检测实验短路、开路故障；所述操作过程错误检测模块用于通过比较当前实验中各元器件的实际工作值和设定工作值，判断操作是否存在错误。

4.根据权利要求1所述的应用于实验教学的教学过程自动监测系统，其特征在于，所述电源模块包括电源和转换电路，用于输出15V直流电压和220V交流电压。

5.根据权利要求1所述的应用于实验教学的教学过程自动监测系统，其特征在于，所述工作台还包括一用于识别当前要操作此工作台的人员身份的身份识别模块；

所述工作台还包括一存储模块，该存储模块包含A、B、C三区，其中A区用于保存定量永久数据，B区用于保存大量的即时数据，C区用于保存定量快速数据。

6.根据权利要求1所述的应用于实验教学的教学过程自动监测系统，其特征在于，所述工作台和控制台之间设有通话装置。

7.一种基于权利要求1所述的教学过程自动监测系统的监测方法，其特征在于，包括步骤：

(1)实验前，教师进行预先设置，包括步骤：

(1-1)将实验台的元器件对照信号采集模块上的采集端口一一对应连接，信号采集模块对元器件实现识别初始化；

(1-2)根据每个实验原理图的不同要求，选定元器件，对于特定的元器件进行唯一选定，对于多个可选元器件，使用与、或、非等逻辑进行选定；

(1-3)对于选定的元器件，根据可能存在的连接方式，确定其端口连接拓扑图；

(1-4)保存某一实验的元器件及其端口连接拓扑图，并设定其额定参数和报警阈值，形成包含相关信息的文件；将文件上传到控制台；

(2)学生进行实验时，操作步骤如下：

(2-1)选择当前需要进行的实验，进行实验预作，包括步骤：选择元器件；确定端口连接拓扑图；确定元器件额定参数和报警阈值；确定实验方案；比较上述实验方案和教师预设方案，确定是否存在问题，如有存在问题则检测模块自动指出，提示修正，否则执行步骤(2-2)；

(2-2)进行实验接线：按照方案进行接线，完毕后检查接线是否正确，如果不正确，则指出其存在的问题，否则执行步骤(2-3)；

(2-3)接通电源开始实验：接通电源，调制实验参数，检测模块监测在调制过程中是否存在错误情况，如果有则进行报警提示，同时传送到控制台；

(2-4)实验停止，系统收集实验过程信息，汇总形成一文件，传送到控制台，最后关闭监测。

8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，在步骤(2)学生进行实验前，还包括步骤：进行身份识别。