CN105955918A - 一种实验万用仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实验万用仪系统，属于应用系统开发技术领域。它解决了实验教学仪器设备管理难度大、实验教学效率低的问题。本系统包括：数据采集平台、数据应用平台和云实验管理服务器，数据采集平台通过USB中断间隔发送数据给数据应用平台，数据采集平台包括：数据采样模块、数据处理模块、ID编码管理模块；ID编码管理模块，用于对ID编码与实验个人相关联。数据应用平台包括：函数信号发生器控制模块、示波器控制模块、数据校正控制模块和ID控制模块。ID控制模块，用于比对和管理ID编号和实验者个人信息的匹配。云实验管理服务器包括：实验项目管理模块、实验报告管理模块和实验者管理模块。本发明对实验设备、教学成绩和教学效率进行有效管理。

Description

一种实验万用仪系统

技术领域

本发明属于应用系统开发技术领域，涉及一种实验万用仪系统。

背景技术

目前，国内的实验教学基本都还是由传统的实验设备实现。像示波器，函数信号发生器，万用表，电源等都是实验教学中常用的教学设备。由于这些设备在实验教学中的弊端：设备价格高，数量少，不能人手拥有一整套设备，而极容易造成不是每个人都能享受到实验资源的情况，从而导致教学质量和效率的低下。另外这些仪器在实验教学的管理，实验仪器的维护、使用等其他方面也存在诸多的不便。

虚拟仪表技术是近年来迅速崛起发展的一种新型技术。它充分利用了各类仪表的硬件资源和计算机资源，将测量和控制技术结合在一起，以软代硬的思想来进行设计。用集成化硬件模块进行数据采集和输出，利用计算机对复杂数学运算的处理能力，在软件端实现具有和传统仪器测量系统一样的标准和功能，硬件模块和软件的数据交互则靠各种不同类型的总线进行实现。虚拟仪器使实验教学效率大大提高，方便了实验室的管理，此外还提高了学生们提高了自主学习及动手能力。

且中国专利文献公开了申请号为200710099143.2的USB测试中的信号采集装置和USB信号测试方法，该虚拟示波器及方法对USB信号输出设备的待测信号进行采集并发送到主机上进行显示。该发明虽然能够对待测信号的采集和电气特性分析，可以使示波器的采样时刻更加精准。但USB虚拟示波器具有数据传输滞后从而使得显示的波形图为先前某段时间的图像，且单独一种实验仪器在实验过程和管理中难度大，不能有针对性的进行有效管理。

发明内容

本发明针对现有的技术存在上述问题，提出了一种实验万用仪系统，该系统解决了实验教学仪器设备管理难度大、实验教学效率低的问题。

本发明通过下列技术方案来实现：一种实验万用仪系统，包括：数据采集平台，用于根据需求采集实验数据并执行控制指令；数据应用平台，用于对实验数据进行显示、分析及处理，数据采集平台通过USB中断间隔发送数据给数据应用平台，其特征在于，还包括与数据应用平台无线通信的云实验管理服务器，云实验管理服务器用于学生实验项目和实验数据管理，所述数据采集平台包括：

数据采样模块，用于采集示波器、电压电流表、函数信号发生器等仪表数据；

数据处理模块，用于实现对采集的仪表数据存储并通过双缓存模式间隔发送数据给数据应用平台；

ID编码管理模块，用于对ID编码与实验个人相关联；

所述数据应用平台包括：函数信号发生器控制模块，用控制函数信号发生器的产生及输出数据值的改变，并显示输出波形信息；

示波器控制模块，用于控制示波器的采样频率、信号衰减、触发电平控制和显示；

数据校正控制模块，用于把前一次断电存储的数据和用户标准仪器进行对比较正参数，并把修整好的数据重新发送给数据采集平台；

ID控制模块，用于比对和管理ID编号和实验者个人信息的匹配；

所述云实验管理服务器包括：实验项目管理模块、实验报告管理模块和实验者管理模块；所述实验项目管理模块设置有包含若干个不同实验项目的项目库，实验者点击进入对应的实验项目进行实验；所述实验报告管理模块采集实验过程监控数据进行实验报告的生成及管理；所述实验者管理模块包括实验者编号与ID码一一对应的数据库，调用数据库确定实验者的信息并进行管理。

数据采集平台应用于万用仪控制器内，万用仪具有示波器、函数信号发生器、电压电流表、可调电源集合于一体功能，根据实验需求，只需要一个万用仪就能完成电子类课程教学实验中的多个基础实验。数据采样模块采集示波器、电压电流表、函数信号发生器等仪表数据，并通过数据处理模块存储并发送给数据应用平台。数据应用平台应用于计算机、手机、平板等。且万用仪中的数据采集平台采集控制器内的ID编码于实验者特征相关联，因每个万用仪内控制器不同则所在的ID编码具有唯一性，当ID编码于实验者特征相关联时，一个实验者对应一个万用仪，这个万用仪做的实验在数据应用平台输出时也会指定到对应的实验者的成绩中。在教学实验中一个学生一个万用仪，在任意一个相关的实验过程及结果直接对应了一个学生。因此减少了仪器设备的管理，同时也方便了实验教学成绩的管理及教学效率的提高。同时建立有云实验管理服务器，通过实验项目管理模块、实验报告管理模块和实验者管理模块进行实现，实验者通过实验项目管理模块选择自己要进行的实验项目开始实验，同时实验过程也受到对应项目要求的监视，方便了学生实验的管理；实验结束后的实验数据存储于云实验管理服务器内且由实验报告管理模块对本次的实验根据实验过程的监控数据和实验要求进行比对计算产生该次实验对应实验项目的实验报告，实验过程监控数据包括实验该项目对应的波形图像、数据、实验时间、操作点击的规范程度、实验衍生、扩展能力等进行评估实验成绩。教师通过分析实验报告指导实验问题和注意事项并管理实验者的实验成绩。且通过实验者管理模块在实验者进行实验室时通过ID码的唯一性，使得数据采集平台、数据应用平台及云实验管理服务器三者统一对应一个实验者，即学生证号确定为对应的实验者。通过云实验管理服务器实现学生实验项目，实验数据的统一管理。

在上述的实验万用仪系统中，所述数据处理模块在针对示波器数据采集时采用双缓存模式进行存储并发送，所述双缓存模式为对示波器输出信号进行分段存储于两个缓存器上，两个缓存器发送信号和存储信息交替循环进行，即在运行过程中一个缓存器存储好一段波形信息后马上发送出去，而另一个缓存器在存储另一段相邻的波形信息，存储后发送出去，两个缓存器进行循环存储和发送，保证一个缓存器在存储，另一缓存器在发送。USB虚拟示波器最大缺点主要是不连续采样，造成显示失真。这里通过双缓存模式减少数据读取和采样时间，增强实验数据结果的真实性，防止失真。

在上述的实验万用仪系统中，所述数据校正控制模块包括示波器校正单元，示波器校正单元通过将函数信号发生器输出端接入外接示波器上，确认外部连线后进行校正。这里直接通过函数信号发生器实现示波器的全部校正，由万用仪内部数据相互之间实现校正。使得这些数据进行标准数据的调整，提高显示数据波形的真实性。

在上述的实验万用仪系统中，所述示波器校正单元还通过观察外接示波器上的VPP和中心偏移量并填入对应框中，确认后对某个参数进行校正。示波器校正单元第二种校正方式是部分校正，通过VPP和中心偏移量手动有针对性的进行参数调整。精细数据校正步骤及细节提高数据校正能力。从而进一步提高显示数据波形的真实性。

在上述的实验万用仪系统中，所述数据校正控制模块还包括函数信号发生器校正单元，所述函数信号发生器校正单元通过将示波器通道输入口连接到函数信号发生器接口，确认连接后进行校正。这里通过示波器通道的数据对函数信号发生器进行校正，由万用仪内部数据相互之间实现校正。使得这些数据进行标准数据的调整，提高显示数据波形的真实性。

在上述的实验万用仪系统中，所述示波器控制模块包括示波器数据处理单元，所述示波器数据处理单元对采集的数据根据不同时基档位，在时间轴上做采样、内插处理，在幅度上做缩放处理，并用测量函数计算函数数据的特征值。这里保证示波器从数据采集平台到数据应用平台按照要求进行显示，且最终显示的示波器图形的显示段落波形更真实。

在上述的实验万用仪系统中，所述示波器控制模块还包括图形显示单元、示波器控制面板，通过示波器控制面板控制图形显示单元显示波形采集时基大小、信号幅度和触发电平的高度控制。

在上述的实验万用仪系统中，所述图形显示单元包括分别显示双通道示波器波形的两个显示屏。这里每个显示屏都能同时显示两个通道的波形，同时也能分别在不同的显示屏中显示任意通道的波形。方便实验者对于示波器图形观察的各种需求。也方便教师对实验结果波形的检查。

在上述的实验万用仪系统中，所述示波器控制面板包括虚拟时基调整旋钮、图形幅度调整旋钮、通道选择按钮、波形移动旋钮、暂停按键和测量量按键组。这里完成对示波器进行波形的显示控制。

在上述的实验万用仪系统中，所述数据应用平台包括其他控制模块，用于对数据采集平台发送的电压表、电流表、USB供电电流的采集数据进行读取并显示。这里在USB虚拟示波器的基础上结合了电压表、电流表、USB供电电流等仪表功能的虚拟结合，使得教学过程中的基础仪表进行多方位多功能的虚拟一体式结合。减少了仪器设备的管理，同时也方便了实验教学成绩的管理及教学效率的提高。

与现有技术相比，本实验万用仪系统具有以下优点：

1、本发明在USB虚拟示波器的基础上结合了函数信号发生器、电压表、电流表、USB供电电流等仪表功能的虚拟结合，使得教学过程中的基础仪表进行多方位多功能的虚拟一体式结合。减少了仪器设备的管理，同时也方便了实验教学成绩的管理及教学效率的提高。

2、本发明具有服务器管理平台，方便成绩、学生实验数据的统一管理，根据实验过程中保存的波形图像、数据等，自动生成实验报告。

3、本发明通过数据采集平台中的ID编码具有全球唯一性的特点，使得ID编码与实验者进行相关联，从而使得万用仪实验结果具有唯一性和针对性。方便教学实验的管理。

4、本发明通过双缓存模式进行数据采集平台对示波器图形数据发送给数据应用平台的处理，减少数据读取和采样时间，真强实验数据结果的真实性，防止失真。

5、本发明分别通过函数信号发生器和示波器相互进行数据校正，使得这些数据进行标准数据的调整，提高显示数据波形的真实性。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是本发明的应用程序流程图；

图3是发明的USB中断处理流程图；

图4是发明的应用环境示意图。

图中，1、数据采集平台；11、数据采样模块；12、数据处理模块；13、ID编码管理模块；2、USB中断；3、数据应用平台；31、示波器控制模块；311、示波器数据处理单元；312、图形显示单元；313、示波器控制面板；32、函数信号发生器控制模块；33、数据校正控制模块；331、示波器校正单元；332、函数信号发生器校正单元；34、ID控制模块；35、其他控制模块；41、示波器；42、电压电流表；43、函数信号发生器；44、电源；45、单片机；46、USB接口；47、手机；5、云实验管理服务器；51、通过实验项目管理模块；52、实验报告管理模块；53、实验者管理模块。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1-4所示，本实验万用仪系统包括：数据采集平台1，用于根据需求采集实验数据并执行控制指令；数据应用平台3，用于对实验数据进行显示、分析及处理，数据采集平台1通过USB中断2间隔发送数据给数据应用平台3，还包括与数据应用平台无线通信的云实验管理服务器5，云实验管理服务器5用于学生实验项目和实验数据管理，

数据采集平台1包括：数据采样模块11，用于采集示波器41、电压电流表42、函数信号发生器43等仪表数据；根据数据应用平台3的控制指令，在接收到函数信号发生器43控制类命令，对函数信号发生器43进行开关控制，确定开关控制后采样输出信息。在接收到示波器41控制命令，对示波器41开关进行控制，执行触发控制、采样率控制、衰减控制等最终采样示波器41输出波形。执行可调电源控制命令。

数据处理模块12，用于实现对采集的仪表数据存储并通过双缓存模式间隔发送数据给数据应用平台3；数据处理模块12在针对示波器41数据采集时采用双缓存模式进行存储并发送，所述双缓存模式为对示波器41输出信号进行分段存储于两个缓存器上，两个缓存器发送信号和存储信息交替循环进行，即在运行过程中一个缓存器存储好一段波形信息后马上发送出去，而另一个缓存器在存储另一段相邻的波形信息，存储后发送出去，两个缓存器进行循环存储和发送，保证一个缓存器在存储，另一缓存器在发送。USB虚拟示波器最大缺点主要是不连续采样，造成显示失真。这里通过双缓存模式减少数据读取和采样时间，真强实验数据结果的真实性，防止失真。同时数据处理模块12也接收并执行数据应用平台3的数据校正命令。对应校正动作输出、读取校正后值进行相应的操作，校正数据的保存等。

ID编码管理模块13，用于对ID编码与实验个人相关联；数据采集平台1因控制芯片的ID编码具有全球唯一性，使得在接收ID设置命令时能够于实验者相关联后每个万用仪都具有对应实验者的唯一性。即通过数据采集平台1得到的实验数据就是该实验者的，实验数据不容易被篡改，且也防止了作弊。

数据应用平台3包括：函数信号发生器控制模块32，用控制函数信号发生器43的产生及输出数据值的改变，并显示输出波形信息；函数信号发生器控制模块32还在接收到函数信号发生器43数据时改变输出函数表中的数据。

示波器控制模块31，用于控制示波器41的采样频率、信号衰减、触发电平控制和显示；示波器控制模块31包括示波器数据处理单元311，示波器数据处理单元311对采集的数据根据不同时基档位，在时间轴上做采样、内插处理，在幅度上做缩放处理，并用测量函数计算函数数据的特征值。示波器41从数据采集平台1到数据应用平台3按照要求进行显示。示波器控制模块31还包括图形显示单元312、示波器控制面板313，通过示波器控制面板313控制图形显示单元312显示波形采集时基大小、信号幅度和触发电平的高度控制。时基档位用于控制时基大小，选择示波器时基的原则：在能观察到信号的完整周期的情况下选择最小档位，档位越小仪器测量精度越高。所以一般对于周期性信号要调节示波器41的时间档位观察信号的1.5到3个周期即可。对于非周期性信号，一般需要停止后观察，这个时候要考虑的是需要观察信号的总体长度，将需要观察的波形长度除以仪器显示时间轴的格数得到。同时酌情考虑采样率、存储深度等因素。图形显示单元312包括分别显示双通道示波器波形的两个显示屏。每个显示屏都能同时显示两个通道的波形，同时也能分别在不同的显示屏中显示任意通道的波形。示波器控制面板313包括虚拟时基调整旋钮、图形幅度调整旋钮、通道选择按钮、波形移动旋钮、暂停按键和测量量按键组。完成对示波器41进行波形的显示控制。

数据校正控制模块33，用于把前一次断电存储的数据和用户标准仪器进行对比较正参数，并把修整好的数据重新发送给数据采集平台1；数据校正控制模块33包括示波器校正单元331，示波器校正单元331通过将函数信号发生器43输出端接入外接示波器41上，确认外部连线后进行校正。示波器校正单元331还通过观察外接示波器41上的VPP和中心偏移量并填入对应框中，确认后对某个参数进行校正。Vpp是指交流或脉冲信号的最低值到最高值的电压，也称峰峰值。数据校正控制模块33还包括函数信号发生器校正单元332，所述函数信号发生器校正单元332通过将示波器41通道输入口连接到函数信号发生器43接口，确认连接后进行校正。由万用仪内部数据相互之间实现校正。使得这些数据进行标准数据的调整，提高显示数据波形的真实性。

ID控制模块34，用于比对和管理ID编号和实验者个人信息的匹配。ID控制模块34对ID编码管理模块13进行管理。ID控制模块34发送控制指令给ID编码管理模块13对ID编码与实验者信息进行匹配设定。

数据应用平台3包括其他控制模块35，用于对数据采集平台1发送的电压表、电流表、USB供电电流的采集数据进行读取并显示。这里在USB虚拟示波器的基础上结合了电压表、电流表、USB供电电流等仪表功能的虚拟结合，使得教学过程中的基础仪表进行多方位多功能的虚拟一体式结合。减少了仪器设备的管理，同时也方便了实验教学成绩的管理及教学效率的提高。

云实验管理服务器5包括：实验项目管理模块5·、实验报告管理模块52和实验者管理模块53；实验项目管理模块51设置有包含若干个不同实验项目的项目库，实验者点击进入对应的实验项目进行实验，每个实验项目包括项目名称、要求、指导老师等信息，点击开始实验进行实验过程监控；实验报告管理模块52采集实验过程监控数据进行实验报告的生成及管理；实验者管理模块53包括实验者编号与ID码一一对应的数据库，调用数据库确定实验者的信息并进行管理。使得实验者即学生对应本次实验者的信息。服务器管理平台方便成绩、学生实验数据的统一管理，根据实验过程中保存的波形图像、数据等，自动生成实验报告。

以下是本发明实验万用仪系统的工作原理：

如图4所示本系统的数据采集平台1安装于单片机内，单片机选用STM32系列具有全球唯一的ID编码。同时单片机连接示波器41、电压电流表42、函数信号发生器43和电源44电路组成万用仪的硬件检测电路。本系统在此基础上进行统一虚拟化，单片机45通过USB接口46连接手机47、平板等管理系统，数据应用平台3设置于手机47或平板内，在实验过程中或实验后打开数据应用平台3能够根据连接的数据采集平台1得到唯一的实验者对应的实验信息。现有USB虚拟示波器采集特点是不连续采样，因此全靠内存存储，而内存总是有限的。所以看到的屏幕图形，实际上是先前某段时间内的图形。这对于实验中贯用实体示波器的学生容易出现教学的不适应性。本发明集合多种基础实验仪表于USB虚拟示波器内，并通过数据采集平台1和数据应用平台3进行实现。数据采集平台1应用于万用仪控制器内，万用仪具有示波器41、函数信号发生器43、电压电流表42、可调电源集合于一体功能，根据实验需求，只需要一个万用仪就能完成电子类课程教学实验中的多个基础实验。数据采样模块11采集示波器41、电压电流表42、函数信号发生器43等仪表数据，并通过数据处理模块12存储并发送给数据应用平台3。数据应用平台3应用于手机、平板等。且万用仪中的数据采集平台1采集控制器内的ID编码于实验者特征相关联，因每个万用仪内控制器不同则所在的ID编码具有唯一性，当ID编码于实验者特征相关联时，一个实验者对应一个万用仪，这个万用仪做的实验在数据应用平台3输出时也会指定到对应的实验者的成绩中。在教学实验中一个学生一个万用仪，在任意一个相关的实验过程及结果直接对应了一个学生。因此减少了仪器设备的管理，同时也方便了实验教学成绩的管理及教学效率的提高。

同时建立有云实验管理服务器5，通过实验项目管理模块51、实验报告管理模块52和实验者管理模块53进行实现，实验者通过实验项目管理模块51选择自己要进行的实验项目开始实验，同时实验过程也受到对应项目要求的监视，方便了学生实验的管理；实验结束后的实验数据存储于云实验管理服务器内且由实验报告管理模块对本次的实验根据实验过程的监控数据和实验要求进行比对计算产生该次实验对应实验项目的实验报告，实验过程监控数据包括实验该项目对应的时间、操作点击的规范程度、实验衍生、扩展能力等进行评估实验成绩。教师通过分析实验报告指导实验问题和注意事项并管理实验者的实验成绩。且通过实验者管理模块在实验者进行实验室时通过ID码的唯一性，使得数据采集平台、数据应用平台及云实验管理服务器三者统一对应一个实验者，即学生证号确定为对应的实验者。通过云实验管理服务器实现学生实验项目，实验数据的统一管理。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种实验万用仪系统，包括：数据采集平台(1)，用于根据需求采集实验数据并执行控制指令；数据应用平台(3)，用于对实验数据进行显示、分析及处理，数据采集平台(1)通过USB中断(2)间隔发送数据给数据应用平台(3)，其特征在于，还包括与数据应用平台(3)无线通信的云实验管理服务器(5)，云实验管理服务器(5)用于学生实验项目和实验数据管理，所述数据采集平台(1)包括：

数据采样模块(11)，用于采集示波器(41)、电压电流表(42)、函数信号发生器(43)等仪表数据；

数据处理模块(12)，用于实现对采集的仪表数据存储并通过双缓存模式间隔发送数据给数据应用平台(3)；

ID编码管理模块(13)，用于对ID编码与实验个人相关联；

所述数据应用平台(3)包括：函数信号发生器控制模块(32)，用控制函数信号发生器(43)的产生及输出数据值的改变，并显示输出波形信息；

示波器控制模块(31)，用于控制示波器(41)的采样频率、信号衰减、触发电平控制和显示；

数据校正控制模块(33)，用于把前一次断电存储的数据和用户标准仪器进行对比较正参数，并把修整好的数据重新发送给数据采集平台(1)；

ID控制模块(34)，用于比对和管理ID编号和实验者个人信息的匹配；

所述云实验管理服务器(5)包括：实验项目管理模块(51)、实验报告管理模块(52)和实验者管理模块(53)；所述实验项目管理模块(51)设置有包含若干个不同实验项目的项目库，实验者点击进入对应的实验项目进行实验；所述实验报告管理模块(52)采集实验过程监控数据进行实验报告的生成及管理；所述实验者管理模块(53)包括实验者编号与ID码一一对应的数据库，调用数据库确定实验者的信息并进行管理。

2.根据权利要求1所述的实验万用仪系统，其特征在于，所述数据处理模块(12)在针对示波器(41)数据采集时采用双缓存模式进行存储并发送，所述双缓存模式为对示波器(41)输出信号进行分段存储于两个缓存器上，两个缓存器发送信号和存储信息交替循环进行，即在运行过程中一个缓存器存储好一段波形信息后马上发送出去，而另一个缓存器在存储另一段相邻的波形信息，存储后发送出去，两个缓存器进行循环存储和发送，保证一个缓存器在存储，另一缓存器在发送。

3.根据权利要求1或2所述的实验万用仪系统，其特征在于，所述数据校正控制模块(33)包括示波器校正单元(331)，示波器校正单元(331)通过将函数信号发生器(43)输出端接入外接示波器(41)上，确认外部连线后进行校正。

4.根据权利要求3所述的实验万用仪系统，其特征在于，所述示波器校正单元(331)还通过观察外接示波器(41)上的VPP和中心偏移量并填入对应框中，确认后对单个参数进行校正。

5.根据权利要求1或2所述的实验万用仪系统，其特征在于，所述数据校正控制模块(33)包括函数信号发生器校正单元(332)，所述函数信号发生器校正单元(332)通过将示波器(41)通道输入口连接到函数信号发生器(43)接口，确认连接后进行校正。

6.根据权利要求1或2所述的实验万用仪系统，其特征在于，所述示波器控制模块(31)包括示波器数据处理单元(311)，所述示波器数据处理单元(311)对采集的数据根据不同时基档位，在时间轴上做采样、内插处理，在幅度上做缩放处理，并用测量函数计算函数数据的特征值。

7.根据权利要求6所述的实验万用仪系统，其特征在于，所述示波器控制模块(31)还包括图形显示单元(312)、示波器控制面板(313)，通过示波器控制面板(313)控制图形显示单元(312)显示波形采集时基大小、信号幅度和触发电平的高度控制。

8.根据权利要求7所述的实验万用仪系统，其特征在于，所述图形显示单元(312)包括分别显示双通道示波器波形的两个显示屏。

9.根据权利要求7所述的实验万用仪系统，其特征在于，所述示波器控制面板(313)包括虚拟时基调整旋钮、图形幅度调整旋钮、通道选择按钮、波形移动旋钮、暂停按键和测量量按键组。

10.根据权利要求1或2所述的实验万用仪系统，其特征在于，所述数据应用平台(3)还包括其他控制模块(35)，用于对数据采集平台(1)发送的电压表、电流表、USB供电电流的采集数据进行读取并显示。