CN106023753A - 一种智能评价模拟电路实验的装置及方法 - Google Patents

一种智能评价模拟电路实验的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种智能评价模拟电路实验的装置及方法，包括模拟实验电路和单片机系统；正负直流电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表为实验所需要的外部设备；所述正负直流电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表均支持SCPI；单片机系统通过SCPI协议与所述外部设备通讯；信号发生器通过高频继电器接入模拟实验电路；所述正负直流电源、示波器和交流毫伏表均与模拟实验电路连接；单片机系统还连接有模数转换器；模数转换器和模拟实验电路连接，用于测量电路直流电压；本发明详细说明单片机如何实现模拟电路实验智能评价的方法。本发明特色在于，所述详细说明如何利用单片机，实现对学生模拟电路实验的智能评价。

Description

一种智能评价模拟电路实验的装置及方法
技术领域
本发明属于电子领域，涉及一种智能评价模拟电路实验的装置及方法。
背景技术
模拟电路实验是电子类课程的主要实验课程。其课程的主要目的是，通过实验，使学生掌握模拟电路实验的基本知识和基本实验技能，培养学生的电子电路的动手能力，要求学生能根据实验结果，利用所学理论，通过分析找出内在联系，从而对电路参数进行调整，使之符合电路性能的要求。
目前的模拟电路实验箱，提供了模拟电路实验所需要的电源，各种单元电路、分立元件、指示灯等，配合电源，信号发生器，双踪示波器，交流毫伏表，万用表等设备，学生可以进行模拟电路实验。学生是否正确完成实验，需要由教师逐个检查。因实验人数较多，每次实验结果的检查、测试与成绩评定需占总上课时间的一半左右，真正用于指导学生实验的时间不足，同时给教师和实验室人员造成很大的工作量。
已有的与本发明最相近的实现方案，为“嵌入式智能数字电路实验仪(新型专利：CN200520101198.9)”。该专利为实用新型专利，仅仅提出了“自动评价”、“微处理器数据库”、“自我学习”、“嵌入式微处理器”、“联网”等概念，并未说明其具体的实现方法。本专业领域人员，无法根据该专利，实现其功能。可以说，该发明仅提供一种思路，没有提供实现的具体方案。
SCPI：可编程仪器标准命令(Standard Commands forProgrammable Instruments)定义了一套用于控制可编程测试测量仪器的标准语法和命令。SCPI标准定义了可用于控制一切仪器的语法，命令结构以及数据格式。比如，通用的命令，如配置仪器参数的命令CONFigure，测量命令MEASure等。这些命令可用于任一仪器，并且同一类的命令属于同一子系统里。SCPI同时也定义了若干仪器的种类。比如，任何可控制的电源都会实现DCPSUPPLY基本功能类型。本发明特色在于，详细说明基于SCPI，即可编程仪器标准命令集，利用单片机，实现对学生模拟电路实验的智能评价。
发明内容
为解决当前模拟电路实验中存在的问题，本发明提供了一种智能评价模拟电路实验的装置及方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种智能评价模拟电路实验的装置，所述智能评价模拟电路实验的装置包括模拟实验装置；模拟实验装置包括模拟实验电路和单片机系统；模拟实验装置外接有正负直流电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表；所述正负直流电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表均支持SCPI，并通过SCPI协议与单片机系统通讯；信号发生器通过高频继电器接入模拟实验电路；所述正负直流电源、示波器和交流毫伏表与模拟实验电路连接；单片机系统还连接有模数转换器；模数转换器和模拟实验电路连接，用于测量电路直流电压；
所述单片机系统包括单片机最小系统、单片机最小系统连接有实时时钟、发光二极管、按键和液晶显示屏。
进一步的改进，所述的模拟实验电路为在模拟电路实验的电路上增加高频继电器控制接口和信号处理后的接口得到。
进一步的改进，所述按键为五个，分别为“上移”、“下移”、“确定”、“取消”、“智能评价”；单片机根据按键，控制液晶显示，并进行智能评价；五个按键直接与单片机输入输出引脚相连。
进一步的改进，所述的液晶显示屏的型号为LCD 12864，驱动芯片为ST7920。
进一步的改进，所述实时时钟型号为DS1302，外接锂电池，直接与单片机相连。
进一步的改进，所述模数转换器采用单片机中内置的模数转换器。在实验过程中，可由模数转换器测量模拟电路中的直流电压。
一种智能评价模拟电路实验的方法，包括以下步骤：
学生在进行模拟电路实验时，高频继电器闭合，单片机系统不控制电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表；单片机系统通过液晶显示屏显示连接信息，并通过发光二极管指示连接位置，学生通过连接信息和连接位置，分别将信号发生器、示波器、交流毫伏表接入到指定位置；学生接好模拟实验并调试通过后，通过按键使装置进入“智能评价”状态；“智能评价”状态下，单片机通过IO口直接控制高频继电器、并通过SCPI协议控制电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表；依据单片机智能评价规则，单片机控制电源输入合适的电压，控制信号发生器输入合适的测试信号，通过控制IO口接通高频信号发生器，并通过SCPI命令读取示波器与交流毫伏表的测量数值，根据评价规则，判断学生是否正确完成实验。
进一步的改进，实验装置分为实验状态和智能评价状态两种状态，在实验状态时，可实现常规模拟电路实验箱的功能，在评价状态时，可根据智能评价规则，对实验电路进行智能评价；当实验系统处于智能评价状态时，单片机根据智能评价规则，控制信号发生器所输出测试信号的频率，幅值和相位。
进一步的改进，所述智能评价规则如下:
1)实验规则总数：1字节，输入规则条数不多于256条；
2)占用规则：10个字节，字节0至字节3表示具体实验所使用的输入信号端子，可支持4路输入信号端子；字节4-字节7表示具体实验所使用的输出信号端子；字节8表示所述信号波形的种类，0表示正弦波，1表示三角波，2表示锯齿波，3表示方波；字节9表示测试信号类型：0表示直流电压，1表示交流电压，2表示交直流电压，3表示直流电流，4表示交流电流，5表示交直流电流。
3)检查规则：只有每条检查规则均通过，整个模拟电路实验才评价通过。每条检查规则占用40个字节。分别表示输入信号的频率、输入信号的幅度、输入信号的相位、输入信号的有效值，输出信号的频率、输出信号的幅度、输出信号的相位、输出信号的有效值、输出信号有效值的允许最大值，输出信号有效值的允许最小值，各项均用浮点数表示，每项占用四个字节共计40个字节。所述输出信号的有效值在允许的最大值与最小值之间时，表示输出正常，通过该条检查规则。
进一步的改进，所述单片机系统与电脑连接，智能评价规则保存在电脑或单片机系统中。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、以单片机为核心，实现了模拟电路实验智能评价的主要功能，成本低。
2、详细说明单片机如何实现智能评价的方法。本发明特色在于，本发明所述方法，在于详细说明如何利用单片机，实现对学生模拟电路实验的智能评价。本领域的专业人员，可以根据本发明，实现具体功能。
3、本发明所述“智能评价”，是指系统可以根据所选的实验项目，智能判定学生是否正确完成实验电路的连接，并将智能评价的结果，学生的学号等信息，显示在液晶显示屏上。
附图说明
图1为实施例结构示意图。
图2为单片机连接示意图。
具体实施方式
如图1(图1中虚线表示SCPI协议连接)和图2所示的一种智能评价模拟电路实验的装置，包括模拟实验电路和单片机系统；单片机系统通过SCPI协议连接正负直流电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表；信号发生器通过高频继电器接入模拟实验电路；所述正负直流电源、高频继电器、示波器和交流毫伏表均与模拟实验电路连接；单片机系统还连接有模数转换器；模数转换器和模拟实验电路连接；所述单片机系统包括单片机最小系统、单片机最小系统连接有实时时钟、发光二极管、按键和液晶显示屏。所述单片机最小系统中的单片机为STC 12C5A60S2单片机。所述按键为五个，分别为“上移”、“下移”、“确定”、“取消”、“智能评价”；单片机根据按键，控制液晶显示，并进行智能评价；五个按键直接与单片机输入输出引脚相连。所述的液晶显示屏，可选的型号为LCD12864，驱动芯片为ST7920。所述实时时钟，型号为DS1302，外接锂电池，直接与单片机相连。所述模数转换器为单片机中内置的AD转换器。
本发明将模拟电路实验分为两个状态：“学生实验”状态与“智能评价”状态。
当处于“学生实验”状态时，所述实验箱中的高频继电器闭合，单片机不控制电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表等SCPI设备。学生可正常进行实验。
当处于“智能评价”状态时，高频继电器及SCPI设备由单片机控制，将由单片机根据智能评价的规则，控制电源输入合适的电压，控制信号发生器输入特定频率、特定幅度的测试信号，并通过SCPI命令读取示波器与交流毫伏表的测量数值，根据评价规则，判断学生是否正确完成实验。
为实现智能评价的功能，要求学生根据具体的模拟实验，将信号发生器的输入信号，接入到指定的输入点，将示波器的探头，接到指定的输入点，将直流电路输入，接到指定的输入点，需要的联接信息，由单片机显示在液晶显示屏上，并利用发光二极管，指示具体的位置。
当智能评价完成后，单片机在液晶显示屏上，显示出测试信号的输入值、经电路处理后的输出值等，以及评价结果。
基于PC机+实验箱的技术方案，同样可以完成本发明的目的。实验箱中的单片机通过RS232串行口或USB或wifi或蓝牙等短距离通讯方法，与PC机进行通讯。
本发明的液晶显示的功能，也可以由PC机实现。即在PC机软件中，选择所做的实验，在PC机上显示需要使用的输入和输出插座，并进行“学生实验”状态。
在“学生实验”状态，PC机不对实验系统进行操作。
在“智能评价”状态，智能评价规则可以PC机上创建和保存。PC机根据所选的实验项目，将对应的评价规则发送给单片机，由单片机模拟实验的整个过程，并将评价的结果发送给PC机，在PC机显示评价结果和实验的完成时间，作为教师评定成绩的参考。
选择PC机+实验箱的方案，可以更加方便地增加新的实验项目，但会增加系统成本和复杂度。如需要为每一台实验箱，配备一台PC机，或将所有的实验箱，采用联网的方法，与一台的PC机进行通讯。总的来讲，会增加系统的成本。对于一个实验，所需要完成的实验项目是有限的，当需要增加新的实验项目时，可对单片机进行重新编程。因此，本发明的方案具有成本更低、维护工作量更少的特点。
下文以一个两级模拟放大电路设计实验为例，具体说明本发明技术方案。该实验要求学生设计一个放大倍数为100的1KHz交流放大电路电路。其智能评价规则设定为：
实验规则总数：1条，即只需要1条检查规则；
占用规则：10个字节，字节0至字节3表示具体实验所使用的输入信号端子，设为“1，0，0，0”，即只使用“1”号输入端子；字节4-字节7表示具体实验所使用的输出信号端子，设定为“10，0，0，0”，即只使用“10”号输出端子；字节8表示所述信号波形的种类，设定为“0”，表示正弦波；字节9表示测试信号类型，设定为“1”，表示交流电压。
第1条检查规则设定为：1000，0.01414，0，0.01，1000，1.414，0，1，1.02，0.98。
分别表示输入信号的频率为1000Hz、输入信号的幅度为14.14mV、输入信号的相位为0、输入信号的有效值为10mV，输出信号的频率为1000Hz、输出信号的幅度为1.414V、输出信号的相位为0、输出信号的有效值为1V、输出信号有效值的允许最大值为1.02V，输出信号有效值的允许最小值为0.98V。
实现的步骤如下。
步骤1，实验箱开机后，在液晶显示屏上，输入学号，记录开始时间，并根据菜单，选择“模拟放大电路实验”。进入“学生实验”状态，接通高频继电器。
步骤2，在“模拟放大电路实验”页面中，要求学生将信号发生器接到“1”号输入端，示波器探头接到“10”号输出端，并利用发光二极管指示指定的位置。
步骤3，学生利用芯片和分立元件，用一片LM324，若干电阻和导线，搭接电路，并自行检查实验的输出是否正确。
步骤4，当学生认为实验电路已正确连接，可按下“智能评价”按钮，进行“智能评价”状态。
步骤5，单片机通过SCPI设定信号发生器，输出频率为1KHz，有效值为10mV的正弦波，并读取示波器的信号，如果输出信号的有效值为在0.98V到1.02V这个范围内,则该实验电路实现100倍的放大，说明学生所接的电路正确，智能评价通过，记录学号及完成时间，显示在液晶屏上。

Claims (10)

1.一种智能评价模拟电路实验的装置，其特征在于，所述智能评价模拟电路实验的装置包括模拟实验装置；模拟实验装置包括模拟实验电路和单片机系统；模拟实验装置外接有正负直流电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表；所述正负直流电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表均支持SCPI，并通过SCPI协议与单片机系统通讯；信号发生器通过高频继电器接入模拟实验电路；所述正负直流电源、示波器和交流毫伏表与模拟实验电路连接；单片机系统还连接有模数转换器；模数转换器和模拟实验电路连接，用于测量电路直流电压；
所述单片机系统包括单片机最小系统、单片机最小系统连接有实时时钟、发光二极管、按键和液晶显示屏。
2.如权利要求1所述的一种智能评价模拟电路实验的装置，其特征在于，所述的模拟实验电路为在模拟电路实验的电路上增加高频继电器控制接口和信号处理后的接口得到。
3.如权利要求1所述的一种智能评价模拟电路实验的装置，其特征在于，所述按键为五个，分别为“上移”、“下移”、“确定”、“取消”、“智能评价”；单片机根据按键，控制液晶显示，并进行智能评价；五个按键直接与单片机输入输出引脚相连。
4.如权利要求1所述的一种智能评价模拟电路实验的装置，其特征在于，所述的液晶显示屏的型号为LCD12864，驱动芯片为ST7920。
5.如权利要求1所述的一种智能评价模拟电路实验的装置，其特征在于，所述实时时钟型号为DS1302，外接锂电池，直接与单片机相连。
6.如权利要求1所述的一种智能评价模拟电路实验的装置，其特征在于，所述模数转换器采用单片机中内置的模数转换器；在实验过程中，可由模数转换器测量模拟电路中的直流电压。
7.一种智能评价模拟电路实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
学生在进行模拟电路实验时，高频继电器闭合，单片机系统不控制电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表；单片机系统通过液晶显示屏显示连接信息，并通过发光二极管指示连接位置，学生通过连接信息和连接位置，分别将信号发生器、示波器、交流毫伏表接入到指定位置；学生接好模拟实验并调试通过后，通过按键使装置进入“智能评价”状态；“智能评价”状态下，单片机通过IO口直接控制高频继电器、并通过SCPI协议控制电源、信号发生器、示波器和交流毫伏表；依据单片机智能评价规则，单片机控制电源输入合适的电压，控制信号发生器输入合适的测试信号，通过控制IO口接通高频信号发生器，并通过SCPI命令读取示波器与交流毫伏表的测量数值，根据评价规则，判断学生是否正确完成实验。
8.如权利要求7所述的一种智能评价模拟电路实验的方法，其特征在于，实验装置分为实验状态和智能评价状态两种状态，在实验状态时，可实现常规模拟电路实验箱的功能，在评价状态时，可根据智能评价规则，对实验电路进行智能评价；当实验系统处于智能评价状态时，单片机根据智能评价规则，控制信号发生器所输出测试信号的频率，幅值和相位。
9.如权利要求7所述的一种智能评价模拟电路实验的方法，其特征在于，所述智能评价规则如下:
1)实验规则总数：1字节，输入规则条数不多于256条；
2)占用规则：10个字节，字节0至字节3表示具体实验所使用的输入信号端子，可支持4路输入信号端子；字节4-字节7表示具体实验所使用的输出信号端子；字节8表示所述信号波形的种类，0表示正弦波，1表示三角波，2表示锯齿波，3表示方波；字节9表示测试信号类型：0表示直流电压，1表示交流电压，2表示交直流电压，3表示直流电流，4表示交流电流，5表示交直流电流。
3)检查规则：只有每条检查规则均通过，整个模拟电路实验才评价通过。每条检查规则占用40个字节。分别表示输入信号的频率、输入信号的幅度、输入信号的相位、输入信号的有效值，输出信号的频率、输出信号的幅度、输出信号的相位、输出信号的有效值、输出信号有效值的允许最大值，输出信号有效值的允许最小值，各项均用浮点数表示，每项占用四个字节共计40个字节。所述输出信号的有效值在允许的最大值与最小值之间时，表示输出正常，通过该条检查规则。
10.如权利要求7所述的一种智能评价模拟电路实验的方法，其特征在于，所述单片机系统与电脑连接，智能评价规则保存在电脑或单片机系统中。
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