CN106023661A - 一种教学与科研综合实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种教学与科研综合实验平台，其特征在于：包括：通用数控电源：通用数控电源与外围实验装置连接；传感器：传感器设置于外围实验装置上，接收外围实验装置的电信号，传感器连接至显示与控制终端；显示与控制终端：接受传感器发送的信息，采集显示数据波形，存储、计算并处理数据，显示实验结果；同时控制通用数控电源的输出。本发明可以完成多种学科、多种实验过程，可以培养实验者动手能力，增进其对实验方法的理解。

Description

一种教学与科研综合实验平台

技术领域

本发明涉及一种用于高校实验与科研的跨学科综合性实验平台，属于教学实验设备技术领域。

背景技术

目前，国内高校开设实验课程所用的实验仪器种类繁多。同样的实验内容由于使用不同教仪厂家的产品使得实验方法与步骤各不相同，实验的结果与误差也有不同。由此导致教师与学生对实验过程及结果产生歧义，影响实验课的教学效果。历史原因导致教学实验仪器非标准化，这也限制了实验资源及实验结果在教学界的共享。所以开发一个能够跨学科的实验平台，用通用的软硬件，用相同的实验手段配合具有针对性、专业性的外围实验装置就能实现实验仪器的通用化与标准化，进而统一实验手段，统一实验数据的获取及处理方式以达到实验条件的统一，这将为实验数据的再现及共享提供保障。具有很大的社会效益。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种教学与科研综合实验平台，在此平台上能够进行多种学科、多种实验的工作，实现实验仪器的通用化。

为解决上述技术问题，本发明提供一种教学与科研综合实验平台，包括：

通用数控电源：通用数控电源与外围实验装置连接；

传感器：传感器设置于外围实验装置上，接收外围实验装置的电信号，传感器连接至显示与控制终端；

显示与控制终端：接受传感器发送的信息，采集显示数据波形，存储、计算并处理数据，显示实验结果；同时控制通用数控电源的输出。

本发明所达到的有益效果：本发明使用软件与硬件平台构建跨学科教学实验与科研实验系统。由实验者选用相关外围实验装置，传感器采集外围实验装置的实验数据，同时外围实验装置连接通用数控电源，再由显示与控制终端进行数据处理与显示，组成完整的实验环境，可以任意搭建不同的外围实验装置，并在显示与控制终端进行相应的数据处理功能设置，可以完成多种学科、多种实验过程，可以培养实验者动手能力，增进其对实验方法的理解。也可由平台使用者自己设计外围实验装置，自己设计传感器，使用数控电源及采集器获取实验数据，完成创新型实验。

附图说明

图1为本发明的教学与科研综合实验平台原理图；

图2为本发明中通用数控电源的工作原理图；

图3为本发明中通用数控电源中的AD9833模块的电路图；

图4为本发明中通用数控电源中两级运放电路的电路图；

图5为本发明中通用数控电源中的稳压源的电路图；

图6为本发明中通用数控电源中的稳压源与运放电路切换电路的电路图；

图7为本发明中通用数控电源中的LTC1590模块的电路图；

图8为本发明中通用数控电源中的LTC1590模块的双极性输出电路的电路图；

图9为本发明中通用数控电源中的乘法器LTC1590模块的输出电路二的电路图；

图10为本发明中通用数控电源中的功率放大模块LM1875模块前级的电路图；

图11为本发明中通用数控电源中的恒流模块电路图；

图12为本发明中通用数控电源中的功率放大模块LM1875模块的电路图；

图13为本发明中通用数控电源中的恒流模块与功率放大模块切换电路的电路图；

图14为本发明中通用数控电源中的可控电压输出电路的电路图；

图15为本发明中传感器的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本实验平台由硬件及软件两大部分构成。

硬件平台：

如图1所示，本发明的一种教学与科研综合实验平台，包括：

通用数控电源：通用数控电源与外围实验装置连接；

传感器：传感器设置于外围实验装置上，接收外围实验装置的电信号，传感器连接至显示与控制终端；

显示与控制终端：接受传感器发送的信息，采集显示数据波形，存储、计算并处理数据，显示实验结果；同时控制通用数控电源的输出。

外围实验装置。针对不同学科各种实验的具体要求配置不同的外围实验装置，包括各种实验材料、容器以及机械电子执行机构等。逐一优化设计以达到节能高效。

例1：夫兰克—赫兹实验装置，包含一安装夫兰克—赫兹管的封闭屏蔽盒，屏蔽盒的一面为透明有机玻璃方便实验者观察夫兰克—赫兹管，屏蔽盒后有引入栅极与阳极电压的接线插口及引出阳极电流的输出插口。

例2：普朗克常数实验装置，汞灯及配套电源一体化设计为一整体光源，另有一光电管安装暗盒，其进光口有可变光阑，暗盒后有引出光电管电流的插头。

例3：扭摆法转动惯量实验装置，包含安装在A型底座上的发条弹簧装置以及待测物体支撑结构以及集成在装置内的角度传感器。

通用数控电源：

如图2所示，本发明中通用数控电源包括AD9883模块，AD9883模块连接两级运放电路，两级运放电路输出端连接至数模转换器，数模转换器输出端连接至恒流模块；MCU同时连接至AD9883模块与数模转换器；功率放大模块连接至恒流模块与功率放大模块切换电路，同时恒流模块与功率放大模块切换电路连接至恒流模块；稳压源、两级运放电路同时连接至稳压源与运放电路切换电路；稳压源、恒流模块、数模转换器同时连接至可控电压输出电路。

如图3所示，AD9883模块的引脚8接收MCU串行指令，AD9883模块的引脚10连接至两级运放电路。

如图4所示，两级运放电路包括运放一和运放二，运放一的输入端来自AD9883模块的输出，运放二的输出连接至数模转换器，作为数模转换器的参考电压。

如图5所示，稳压源为LT1236-10芯片，LT1236-10芯片的输出连接至稳压源与运放电路切换电路。

如图6所示，稳压源与运放电路切换电路；切换电路包括光电耦合器一，光电耦合器一的引脚3连接三极管一的基极，三极管一的集电极连接继电器一，继电器一的引脚2和引脚7连接至稳压源LT1236-10芯片的引脚5；继电器一的引脚3和引脚6连接数模转换器LTC1590芯片的引脚9，继电器一的引脚4和引脚5连接至两级运放电路的运放二OP1A的输出脚1端。

图7中，数模转换器包括LTC1590芯片以及图8、图9中的双级性输出电路一和输出电路二，LTC1590芯片的引脚11接收MCU的串行指令，改变参考电压信号的幅度，此为广义上的数控增益调整。

在双级性输出电路一中，包括两级运放，LTC1590芯片的引脚RFBA、引脚OUT1A分别连接至运放三OP1B的引脚7和引脚6，LTC1590芯片的引脚VREFA串联连接第六电阻R6后连接至运放四OP3A的引脚2，第六电阻R6串联连接第七电阻R7后连接至运放四的引脚1，同时LTC1590芯片的引脚VREF B连接至运放四的引脚1；运放三的引脚7串联连接第八电阻R8后连接至运放四的引脚2。

在输出电路二中，运放五OP3B的引脚6连接到LTC1590芯片的引脚OUT1B，运放五的引脚7连接至LTC1590芯片的引脚RFBB，LTC1590芯片的引脚OUT1B与引脚RFBB之间连接第十五电容C15。

如图10，在功率放大模块LM1875模块前级的电路图中，包括运放六OP4A，运放六的引脚1连接至功率放大模块LM1875的输入端，运放六的引脚3连接至LTC1590芯片的引脚RFBB。

图11为本发明中通用数控电源中的恒流模块电路图；恒流模块选用KC24H电源模块。

图13为本发明中通用数控电源中的恒流模块与功率放大模块切换电路的电路图；切换电路包括光电耦合器二，光电耦合器二的引脚3连接三极管二的基极，三极管二的集电极连接继电器二，继电器二的引脚4和引脚5连接至恒流模块KC24H的输出端。继电器二的引脚3和引脚6连接至连接器的引脚1，继电器二的引脚7和引脚2连接至功率放大模块LM1875的输出端。

图14为本发明中通用数控电源中的可控电压输出电路的电路图；包括运放七OP4B，运放七引脚 6串联第二十一电阻R21后连接至数模转换器LTC1590 的引脚RFBB, 运放七引脚 5串联第二十四电阻R24后连接至稳压源LT1236-10的输出端， 运放七引脚 5串联电阻R23后连接至恒流模块。

图15为本发明中传感器的原理图。包括FPGA, FPGA与MCU连接，MCU通过USB接口连接数据采集器，FPGA同时与ADC、SDRAM存储器连接。

本发明中，通用数控电源不仅可以提供实验所需的各种电压电流源，而且可以自动根据实验内容改变电源参数无需人工设定。通过USB接口接受电压源、恒流源的频率、幅度信息，采用集成信号源产生实验所需的正弦波、三角波、方波信号并控制信号频率。通过数模转换电路构成输出信号的幅度调整电路最大可达到二十四位的分辨率。

通过功放器件的并联以实现较大的输出，空间允许的情况下理论上可以无限扩充输出。具有输出保护功能，防止短路及接错线路造成器件损坏。

AD9883模块接收MCU串行指令用来产生正弦波、三角波、方波信号，经两级放大，信号统一为正负10V峰值后作为LTC1590数模转换器的参考电压，数模转换器LTC1590接收MCU的串行指令，改变参考电压信号的幅度，此为广义上的数控增益调整。数模转换器输出也接到恒流模块，对电流输出进行调整。MCU通过光耦隔离后控制继电器以实现电压源与电流源输出的切换。MCU的控制信号是通过USB接口由数据采集器发出。

本发明中，利用传感器获取实验数据。传感器工作原理：电压采集采用50M八位ADC，其工作时钟及采样、传输时序由FPGA产生。FPGA通过串行接口从MCU得到各种工作命令，启动数据采集并完成采样数据到SDRAM的转储（实现SDRAM的访问时序）。FPGA也响应MCU读数据的请求，将SDRAM中的采样数据传输给MCU，MCU再通过USB接口将采样数据上传到数据采集器。传感器由USB端口供电，数据采集器能自动识别，即插既用。

本实验平台可以接入电子、物理、化学、生物、环境科学、医学等目前所有与电有关的传感器以此获取实验数据。开放传感器接口，方便自制的传感器接入实验平台。体积小巧，低功耗设计，USB供电。本发明集成化的传感器，集电源电路、信号调理电路、模数转换电路、USB通讯电路为一体。高速数据采集自带大容量缓存保证采集数据完整。量程自适应。完善的隔离电路，可隔离数千伏高压保障人身及器材的安全。

本发明中，采用通用的显示与控制终端。接受传感器发来的信息，能像示波器一样采集显示数据波形，更能存储、计算、处理数据，显示实验结果。还能控制数控电源的工作。是硬件的核心。该终端使用开放式通讯协议以方便第三方传感器及电源接入。由长寿命轻触按键、脉冲电位器及彩色液晶构成人机界面。通过高分辨率彩色液晶屏显示实验界面及各种实验图形。具备至少四路USB接口。通过USB接口连接数控电源并控制其工作，通过USB接口连接传感器给其供电并获取传感器采集到的数据；通用及专用的实验界面支持常规及专项实验；通用的数据处理界面可完成数据分析、处理、显示及存储实验结果。

具备以太网接口，可以组网并向网络馈送实验过程及实验数据。

具备WIFI接口，可以用移动设备控制此终端。

软件平台：多学科实验软件，支持网上虚拟实验室，支持广域网与局域网联机实验，支持实验内容网络共享，支持移动终端接入。开方式网络通信协议，支持添加协作单位的实验内容及其实验装置接入。

显示与控制终端包括以下功能模块：

通讯模块：通过USB接口与外部设备交互，下发外部设备的控制指令，同时也负责获取外部设备信息及上传实验数据，所述外部设备包括数据采集器、数控电源、传感器；

数据处理模块：将上传的实验数据依据实验要求进行预处理，提供给实验模块使用；预处理包括降噪、规格化等；

实验模块：依据所选实验内容，显示实验界面，并在实验界面中显示数据处理模块处理好的实验数据；由人机界面（键盘、鼠标）实现实验参数的调整，产生相关外部设备（数控电源、传感器等）的控制信息，控制信息再通过通讯模块下传；

数据分析与显示模块：依据实验内容显示各类曲线，通过EXECL控件处理表格信息，通过Word控件处理实验有关的文本及图形信息，生成实验报告电子档；

网络模块：通过以太网由其它网络终端控制实验进程，通过网络传送实验数据及各类图形信息，提供实验室网络管理功能。

充分利用互联网资源，构建网络实验室。虚拟实验内容与真实的实验环境相结合，虚实相间，以软促硬。提供实验室远程管理功能，可以网上实时监控实验过程，方便教师指导学生完成实验。提供移动终端直联功能，能用手机或平板电脑控制实验装置完成实验。开方式平台，能够整合各方资源以促进实验及科研手段的创新与发展。

以此平台为基础，依托互联网构建跨学科、跨地域的国际性网上实验平台，覆盖所有自然科学领域。吸纳世界范围内优秀的实验方法与科研手段，将先进的实验、科研仪器接入本平台以实现网络共享，会产生巨大的社会及经济效益，将对实验科学产生深远的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种教学与科研综合实验平台，其特征在于：包括：

通用数控电源：通用数控电源与外围实验装置连接；

传感器：传感器设置于外围实验装置上，接收外围实验装置的电信号，传感器连接至显示与控制终端；

显示与控制终端：接受传感器发送的信息，采集显示数据波形，存储、计算并处理数据，显示实验结果；同时控制通用数控电源的输出；同时控制传感器的工作参数;

外围实验装置:针对不同学科各种实验的具体要求配置不同的外围实验装置，包括实验材料、容器以及机械电子执行机构。

2.根据权利要求1所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：所述通用数控电源包括AD9883模块，AD9883模块连接两级运放电路，两级运放电路输出端连接至数模转换器，数模转换器输出端连接至恒流模块；MCU同时连接至AD9883模块与数模转换器；功率放大模块连接至恒流模块与功率放大模块切换电路，同时恒流模块与功率放大模块切换电路连接至恒流模块；稳压源、两级运放电路同时连接至稳压源与运放电路切换电路；稳压源、恒流模块、数模转换器同时连接至可控电压输出电路。

3.根据权利要求2所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：稳压源为LT1236-10芯片，LT1236-10芯片的输出连接至稳压源与运放电路切换电路。

4.根据权利要求2所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：稳压源与运放电路切换电路包括光电耦合器一，光电耦合器一的引脚3连接三极管一的基极，三极管一的集电极连接继电器一，继电器一的引脚2和引脚7连接至稳压源LT1236-10芯片的引脚5；继电器一的引脚3和引脚6连接数模转换器LTC1590芯片的引脚9，继电器一的引脚4和引脚5连接至两级运放电路的运放二OP1A的输出脚1端。

5.根据权利要求2所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：数模转换器包括LTC1590芯片以及双级性输出电路一、输出电路二，LTC1590芯片的引脚11接收MCU的串行指令，改变参考电压信号的幅度。

6.根据权利要求5所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：在双级性输出电路一中，包括两级运放，LTC1590芯片的引脚RFBA、引脚OUT1A分别连接至运放三的引脚7和引脚6，LTC1590芯片的引脚VREFA串联连接第六电阻R6后连接至运放四的引脚2，第六电阻R6串联连接第七电阻R7后连接至运放四的引脚1，同时LTC1590芯片的引脚VREF B连接至运放四的引脚1；运放三的引脚7串联连接第八电阻R8后连接至运放四的引脚2。

7.根据权利要求5所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：在输出电路二中，运放五的引脚6连接到LTC1590芯片的引脚OUT1B，运放五的引脚7连接至LTC1590芯片的引脚RFBB，LTC1590芯片的引脚OUT1B与引脚RFBB之间连接第十五电容C15。

8.根据权利要求2所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：功率放大模块包括LM1875模块和LM1875模块的前级电路，LM1875模块的前级电路包括运放六，运放六的引脚1连接至功率放大模块LM1875的输入端，运放六的引脚3连接至LTC1590芯片的引脚RFBB。

9.根据权利要求2所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：恒流模块为KC24H电源模块。

10.根据权利要求2所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：恒流模块与功率放大模块切换电路的电路图；切换电路包括光电耦合器二，光电耦合器二的引脚3连接三极管二的基极，三极管二的集电极连接继电器二，继电器二的引脚4和引脚5连接至恒流模块KC24H的输出端；继电器二的引脚3和引脚6连接至连接器的引脚1，继电器二的引脚7和引脚2连接至功率放大模块LM1875的输出端。

11.根据权利要求2所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：可控电压输出电路的电路图；包括运放七，运放七引脚 6串联第二十一电阻R21后连接至数模转换器LTC1590 的引脚RFBB, 运放七引脚 5串联第二十四电阻R24后连接至稳压源LT1236-10的输出端， 运放七引脚 5串联电阻R23后连接至恒流模块。

12.根据权利要求1所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：所述传感器包括FPGA，FPGA与MCU连接，MCU通过USB接口连接数据采集器，FPGA同时与ADC、SDRAM存储器连接。

13. 根据权利要求1所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：显示与控制终端包括以下功能模块：

通讯模块：通过USB接口与外部设备交互，下发外部设备的控制指令，同时也负责获取外部设备信息及上传实验数据，所述外部设备包括数据采集器、数控电源、传感器；

数据处理模块：将上传的实验数据依据实验要求进行预处理，提供给实验模块使用；预处理包括降噪、规格化等；

实验模块：依据所选实验内容，显示实验界面，并在实验界面中显示数据处理模块处理好的实验数据；由人机界面实现实验参数的调整，产生相关外部设备的控制信息，控制信息再通过通讯模块下传；

数据分析与显示模块：依据实验内容显示各类曲线，通过EXECL控件处理表格信息，通过Word控件处理实验有关的文本及图形信息，生成实验报告电子档。

14.根据权利要求13所述的教学与科研综合实验平台，其特征在于：还包括：

网络模块：通过以太网由其它网络终端控制实验进程，通过网络传送实验数据及各类图形信息，提供实验室网络管理功能。