CN106448389B - 一种可视互动电磁波实验教学系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视互动电磁波实验教学系统，由实验平台子系统、微波收发子系统、上/下位机操作控制子系统组成；所述实验平台子系统用于收集电磁波的变化；微波收发子系统发送电磁波和收集电磁波变化并传入上/下位机操作控制子系统；上/下位机操作控制子系统处理接收到的电磁波变化并形成图像，还用于控制微波收发子系统发送电磁波。还公开了基于该系统的控制方法，包括检查传感系统的数据；显示人机交互界面；选择实验项目、功能和参数；微波收发子系统发送电磁波；接收天线接收信号；将电磁波成像。本发明缓解电磁波教学中电磁波理论难于消化，理论难以联系实际的困难；可支撑的实验设计类形广泛，种类多样，表现形式生动，激发学习的自主性和自觉性，利于知识学习与创新能力培养。

Description

一种可视互动电磁波实验教学系统及控制方法

技术领域

本发明涉及教学实验仪器领域，特别涉及一种可视互动电磁波实验教学系统，还涉及一种基于本系统的控制方法。

背景技术

“电磁场与电磁波”是高等学校电子信息类和电器信息类专业本科必修的一门技术基础课。当前传统的演示性、验证性实验教学方式，强调教学过程的统一性和教师的主导性，忽视学生的主体性和学生的个性，使实验教学过程压抑学生的自主性和创造性，不利于培养学生的创新精神和创造性实践能量的培养。目前高校传统的演示系、验证性不能满足教学改革，对于高校“电磁场与波”课程，集验证性、设计性、综合性的实验教学资源十分匮乏。

目前国内有部分高校采用微波分光仪开展电磁场与电磁波实验教学，该类装置主要是围绕电磁波光学特性，开展相关电磁波光学特征的演示性和验证性实验。另外该装置体积大，辅助设施多，实验过程繁琐，难以开展创新性和设计性实验，可视化效果不明显，学习者处于验证理论的被动认知过程，难以在高校普及推广。

近年来有少部分高校尝试利用计算机仿真技术，采用matlab、HFSS等仿真软件开展“电磁场与波”可视化虚拟实验教学，这类方法虽能实现“电磁波与电磁波”虚拟图像仿真，但要求使用者有熟练运用计算机仿真软件的能力，同时仿真使用者在建模过程，需有相当程度电磁波理论和制图功底，相对提高了电磁场与电磁波课程教与学的门槛，在高校课时资源有限的环境下，无形增加了“电磁场与波”授课老师和学生的额外负担，难以在高校普及。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种可视互动电磁波实验教学系统及控制方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

一种可视互动电磁波实验教学系统，由教学实验平台子系统、微波收发子系统、上位机/下位机操作控制子系统组成；

所述教学实验平台子系统包括：架轨机构、发射天线杆架、接收天线杆架、电磁波反射/透射杆架、测角传感电子系统、测距传感电子系统、云台机构；

架轨机构上设置三个滑块，滑块与架轨机构配合滑动，以滑动副方式相互连接；

发射天线杆架、接收天线杆架和电磁波反射/透射杆架分别安装于不同的滑块上，安装接收天线杆架的滑块在其余两个滑块之间；

所述发射天线杆架上设置发射天线安装位；发射天线杆架通过转动机构沿方位面转动，转动机构上安装测角传感电子系统；

所述接收天线杆架上设置接收天线安装位，下方设置让其转动的云台机构，测角传感电子系统安装于云台机构上，测距传感电子系统安装于接收天线杆架上；接收天线安装位可根据实验教学内容的设计，更换不同的接收天线或电磁波传感器；二维云台可在方位面和俯仰面在360度的范围内对接收天线或自制电磁波传感器进行角度调节；

所述电磁波反射/透射杆架由安装杆和金属反射板组成；金属反射板安装于安装杆上；金属反射板通过转动机构在安装杆上沿方位面转动，转动机构上安装测角传感电子系统；

所述测角传感电子系统包括测角传感器和传输控制电路板，可根据方位和俯仰姿态，采集角度信息，并传输相应信息；

所述测距传感电子系统包括测距传感器和传输控制电路板，根据不同滑块在架轨上的位置，采集滑块之间的相对位置信息，并传输相应信息；

所述微波收发子系统包括射频信号产生器、功率放大器、多极化发射天线、可视化电磁波接收装置、检波器；

所述射频信号产生器由晶振、频率范围在1Mhz以上可至8Ghz的压控振荡器、变频器、信号放大器组成，产生用于教学实验所用频率可调的电磁波信号；

所述功率放大器由2W至10W的放大模块及控制处理电路构成，对信号产生器输出的弱小电磁波信号在300Mhz至3Ghz频段范围内进行全频段功率放大或选频放大，使电磁波信号达到足够强度后，输送给多极化发射天线；

所述多极化天线安装在发射天线安装位上，由一付多点馈电的微带天线和多极化选择开关组构成；微带天线将来自于功率放大器传送来的电磁波向架轨方向单向辐射电磁波；多极化选择开关组，通过开关组合选择控制辐射电磁波的极化方式包括垂直极化、水平极化、圆极化；

所述可视化电磁波接收装置由接收天线和无源感应发光电子元件组成；接收天线安装于接收天线安装位，无源感应发光电子元件安装于接收天线的信号接收端口，并以不同的亮度显示强弱不同的电磁波接收信号；

所述检波器安装于电磁波接收通道，对来自于接收天线的电磁波信号进行检波，并将检波信号后的信号送至上位机/下位机操作控制子系统中处理；

所述上位机/下位机操作控制子系统由主控计算机、单片机、电磁波实验可视互动控制应用软件组成，主要用于操作控制电磁波的可视化互动实验过程，设置电磁波教学实验参数，检测与控制电磁波信号的收发状态，自动实时分析测距和测角采集信息，完成电磁波特性图示化图形化处理，达到可视化电磁波的实验教学目的；

所述上位机用于接受并存贮来自测距传感器和测角传感器传送的数据，并根据实验教学的内容设计，执行电磁波实验可视互动控制应用软件、向下位机下达操作指令、可视化互动显示电磁波特性、播放示范性教学实验视频、演示实验教学培训素材；

所述下位机用于接受和执行来自上位机的操作指令、控制信号产生器输出信号频率及信号强度、采集和处理来自检波器的电信号、并上传处理后的数据和信息至上位机；

所述电磁波实验可视互动控制应用软件，包含人机交互界面、上位机/下位机通信和操作指令模块、电磁波实验可视互动操作控制和形象化显示模块、电磁波实验项目选择模块、电磁波实验功能模块、电磁场与电磁波实验教学视频播放模块、电磁场与电磁波教学培训素材库等。

所述人机交互界面以触摸屏或电子软键盘，通过参数设置、功能选择、互动式操作等方式表现并实施；

所述上位机/下位机通信和操作指令模块，由定制的上位机/下位机通信协议与操作指令控制系统组成；

所述电磁波实验可视互动操作控制和形象化显示模块，由以满足不同电磁波实验项目的实验目的为要求，所设置的功能互动操作按钮、电磁波特性实验结果的图形化图象化处理单元与显示单元组成；

所述电磁波实验项目选择模块，是以课程教学大纲的要求为基础，多种教学实验项目库组成；

所述电磁波实验功能模块，是由电磁波课程中逐个具体的知识重点与难点问题，开发设计的具有数据自动采集与处理以及实验过程互动可视功能的软件模块组成；

所述电磁场与电磁波实验教学视频播放模块，是由诸多个包含具体实验过程的教学视频组成；

所述电磁场与电磁波教学培训素材库，是由包含电磁场与电磁波实验指导书、标准实验报告、实验大纲、实验教案等组成的教学素材库组成。

作为优选，滑块在架轨上的行程为1500mm；

作为优选，测距传感电子系统有效作用距离在0mm～1500mm。

作为优选，放大器的输出功率在0W至4W之间进行控制和调节；

一种基于可视互动电磁波实验教学系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：单片机系统初始化；

S2：检查是否采集到测距传感电子系统和测角传感子系统的数据，微波收发子系统工作是否正常；如果有数据并且工作正常则执行S3，否则执行S1；

S3：主控计算机显示人机交互界面；

S4：选择实验项目、实验功能和实验参数；

S5：微波收发子系统将主控计算机设置的参数，通过发射天线发送电磁波；

S6：接收天线接收来自发射天线的信号；

S7：微波收发子系统将接受天线接受到的数据接收，并通过电磁波实验可视互动操作控制和形象化显示模块成像在人机交互界面。

与现有技术相比本发明的优点在于：可广泛支持围绕“电磁场与电磁波”、“微波技术与天线”、“电磁兼容原理”、“天线测量”等课程大纲要求开发的设计性、综合性、演示性教学实验；可开放性支撑围绕电磁波知识重点、难点问题的创新教学实验设计，可支撑的实验项目类形广泛，种类多样，知识点覆盖广，实验表现形式生动、直观，学习参与度高、学习互动性强，并通过化抽象于形象，化模糊为具体的手段，有效缓解电磁波教学中普遍存在由于电磁波看不见、摸不着造成的理论难于消化，概念难于理解，理论难以联系实际的诸多困难，从而可有效激发学习的自主性和自觉性，利于知识学习与创新能力培养。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意框图；

图2为本发明上位机/下位机操作控制流程图；

图3为本发明实施例电磁波可视互动控制应用软件结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种可视互动电磁波实验教学系统，由教学实验平台子系统、微波收发子系统、上位机/下位机操作控制子系统组成；

所述教学实验平台子系统包括：架轨机构101、发射天线杆架102、接收天线杆架105、电磁波反射/透射杆架106、测角传感电子系统108、测距传感电子系统104、云台机构109。

架轨机构101上设置三个滑块107，滑块107与架轨机构101配合滑动，以滑动副方式相互连接；滑块107在架轨101上的行程为1500mm。

发射天线杆架102、接收天线杆架105和电磁波反射/透射杆架106分别安装于不同的滑块107上，安装接收天线杆架105的滑块107在其余两个滑块107之间。

所述发射天线杆架102上设置发射天线安装位；发射天线杆架102通过转动机构沿方位面转动，转动机构上安装测角传感电子系统108。

所述接收天线杆架105上设置接收天线安装位，下方设置让其转动的云台机构109，测角传感电子系统108安装于云台机构109上，测距传感电子系统104安装于接收天线杆架105上；接收天线安装位可根据实验教学内容的设计，更换不同的接收天线或电磁波传感器；二维云台可在方位面和俯仰面在360度的范围内对接收天线或自制电磁波传感器进行角度调节。

所述电磁波反射/透射杆架106由安装杆和金属反射板组成；金属反射板安装于安装杆上；金属反射板通过转动机构在安装杆上沿方位面转动，转动机构上安装测角传感电子系统108。

所述测角传感电子系统108包括测角传感器和传输控制电路板，可根据方位和俯仰姿态，采集角度信息，并传输相应信息。

所述测距传感电子系统104包括测距传感器和传输控制电路板，可根据不同滑块107在架轨上的位置，采集滑块之间的相对位置信息，并传输相应信息；测距有效作用距离在0mm～1500mm。

所述微波收发子系统111包括射频信号产生器、功率放大器、多极化发射天线、可视化电磁波接收装置、检波器，；

所述射频信号产生器由晶振、频率范围在1Mhz以上可至8Ghz的压控振荡器、变频器、信号放大器组成，产生用于教学实验所用频率可调的电磁波信号；

所述功率放大器由2W至10W的放大模块及控制处理电路构成，对信号产生器输出的弱小电磁波信号在300Mhz至3Ghz频段范围内进行全频段功率放大或选频放大，使电磁波信号达到足够强度后，输送给多极化发射天线；放大器的输出功率可在0W至4W之间进行控制和调节；

所述多极化天线安装在发射天线安装位上，由一付多点馈电的微带天线和多极化选择开关组构成；微带天线将来自于功率放大器传送来的电磁波向架轨方向单向辐射电磁波；多极化选择开关组，通过开关组合选择控制辐射电磁波的极化方式包括垂直极化、水平极化、圆极化。

所述可视化电磁波接收装置由接收天线和无源感应发光电子元件组成；接收天线安装于接收天线安装位，无源感应发光电子元件安装于接收天线的信号接收端口，并以不同的亮度显示强弱不同的电磁波接收信号；

所述检波器安装于电磁波接收通道，对来自于接收天线的电磁波信号进行检波，并将检波信号后的信号送至上位机/下位机操作控制子系统110中处理；

所述上位机/下位机操作控制子系统110由主控计算机(上位机)、单片机(下位机)、电磁波实验可视互动控制应用软件组成，主要用于操作控制电磁波的可视化互动实验过程，设置电磁波教学实验参数，检测与控制电磁波信号的收发状态，自动实时分析测距和测角采集信息，完成电磁波特性图示化图形化处理，达到可视化电磁波的实验教学目的。

所述上位机用于接受并存贮来自测距传感器和测角传感器传送的数据，并根据实验教学的内容设计，执行电磁波实验可视互动控制应用软件、向下位机下达操作指令、可视化互动显示电磁波特性、播放示范性教学实验视频、演示实验教学培训素材；

所述下位机用于接受和执行来自上位机的操作指令、控制信号产生器输出信号频率及信号强度、采集和处理来自检波器的电信号、并上传处理后的数据和信息至上位机；

所述电磁波实验可视互动控制应用软件，包含人机交互界面、上位机/下位机通信和操作指令模块、电磁波实验可视互动操作控制和形象化显示模块、电磁波实验项目选择模块、电磁波实验功能模块、电磁场与电磁波实验教学视频播放模块、电磁场与电磁波教学培训素材库等。

所述人机交互界面以触摸屏或电子软键盘，通过参数设置、功能选择、互动式操作等方式表现并实施；

所述上位机/下位机通信和操作指令模块，由定制的上位机/下位机通信协议与操作指令控制系统组成；

所述电磁波实验可视互动操作控制和形象化显示模块，由以满足不同电磁波实验项目的实验目的为要求，所设置的功能互动操作按钮、电磁波特性实验结果的图形化图象化处理单元与显示单元等组成；

所述电磁波实验项目选择模块，是由以“电磁场与电磁波”、“微波技术与天线”、“电磁兼容原理”、“天线测量”等课程教学大纲的要求为基础，开发的针对性性强、互动可视的含设计性、综合性、演示性实验的多种教学实验项目库组成；

所述电磁波实验功能模块，是由以“电磁场与电磁波”课程中逐个具体的知识重点与难点问题，开发设计的具有数据自动采集与处理以及实验过程互动可视功能的软件模块组成；

所述电磁场与电磁波实验教学视频播放模块，是由诸多个包含具体实验过程的教学视频组成；

所述电磁场与电磁波教学培训素材库，是由包含电磁场与电磁波实验指导书、标准实验报告、实验大纲、实验教案等组成的教学素材库组成。

如图2和3所示，一种基于可视互动电磁波实验教学系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：单片机系统初始化；

S2：检查是否采集到测距传感电子系统和测角传感子系统的数据，微波收发子系统工作是否正常；如果有数据并且工作正常则执行S3，否则执行S1；

S3：主控计算机显示人机交互界面；

S4：选择实验项目、实验功能和实验参数；

S5：微波收发子系统将主控计算机设置的参数，通过发射天线发送电磁波；

S6：接收天线接收来自发射天线的信号；

S7：微波收发子系统将接受天线接受到的数据接收，并通过电磁波实验可视互动操作控制和形象化显示模块成像在人机交互界面。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种可视互动电磁波实验教学系统，由教学实验平台子系统、微波收发子系统、上位机/下位机操作控制子系统组成；

所述教学实验平台子系统包括：架轨机构、发射天线杆架、接收天线杆架、电磁波反射/透射杆架、测角传感电子系统、测距传感电子系统、云台机构；

架轨机构上设置三个滑块，滑块与架轨机构配合滑动，以滑动副方式相互连接；

发射天线杆架、接收天线杆架和电磁波反射/透射杆架分别安装于不同的滑块上，安装接收天线杆架的滑块在其余两个滑块之间；

所述发射天线杆架上设置发射天线安装位；发射天线杆架通过转动机构沿方位面转动，转动机构上安装测角传感电子系统；

所述接收天线杆架上设置接收天线安装位，下方设置让其转动的云台机构，测角传感电子系统安装于云台机构上，测距传感电子系统安装于接收天线杆架上；接收天线安装位可根据实验教学内容的设计，更换不同的接收天线或电磁波传感器；二维云台可在方位面和俯仰面在360度的范围内对接收天线或自制电磁波传感器进行角度调节；

所述电磁波反射/透射杆架由安装杆和金属反射板组成；金属反射板安装于安装杆上；金属反射板通过转动机构在安装杆上沿方位面转动，转动机构上安装测角传感电子系统；

所述测角传感电子系统包括测角传感器和传输控制电路板，可根据方位和俯仰姿态，采集角度信息，并传输相应信息；

所述测距传感电子系统包括测距传感器和传输控制电路板，根据不同滑块在架轨上的位置，采集滑块之间的相对位置信息，并传输相应信息；

所述微波收发子系统包括射频信号产生器、功率放大器、多极化发射天线、可视化电磁波接收装置、检波器；

所述射频信号产生器由晶振、压控振荡器、变频器、信号放大器组成，产生用于教学实验所用频率可调的电磁波信号；

所述功率放大器由2W至10W的放大模块及控制处理电路构成，对信号产生器输出的弱小电磁波信号在300Mhz至3Ghz频段范围内进行全频段功率放大或选频放大，使电磁波信号达到足够强度后，输送给多极化发射天线；

所述多极化发射天线安装在发射天线安装位上，由一付多点馈电的微带天线和多极化选择开关组构成；微带天线将来自于功率放大器传送来的电磁波向架轨方向单向辐射电磁波；多极化选择开关组，通过开关组合选择控制辐射电磁波的极化方式包括垂直极化、水平极化、圆极化；所述可视化电磁波接收装置由接收天线和无源感应发光电子元件组成；接收天线安装于接收天线安装位，无源感应发光电子元件安装于接收天线的信号接收端口，并以不同的亮度显示强弱不同的电磁波接收信号；

所述检波器安装于电磁波接收通道，对来自于接收天线的电磁波信号进行检波，并将检波信号后的信号送至上位机/下位机操作控制子系统中处理；

所述上位机/下位机操作控制子系统由主控计算机、单片机、电磁波实验可视互动控制应用软件组成，主要用于操作控制电磁波的可视化互动实验过程，设置电磁波教学实验参数，检测与控制电磁波信号的收发状态，自动实时分析测距和测角采集信息，完成电磁波特性图示化图形化处理，达到可视化电磁波的实验教学目的；

所述上位机用于接受并存贮来自测距传感器和测角传感器传送的数据，并根据实验教学的内容设计，执行电磁波实验可视互动控制应用软件、向下位机下达操作指令、可视化互动显示电磁波特性、播放示范性教学实验视频、演示实验教学培训素材；

所述下位机用于接受和执行来自上位机的操作指令、控制信号产生器输出信号频率及信号强度、采集和处理来自检波器的电信号、并上传处理后的数据和信息至上位机；

所述电磁波实验可视互动控制应用软件包括：人机交互界面、上位机/下位机通信和操作指令模块、电磁波实验可视互动操作控制和形象化显示模块、电磁波实验项目选择模块、电磁波实验功能模块、电磁场与电磁波实验教学视频播放模块、电磁场与电磁波教学培训素材库；

所述人机交互界面以触摸屏或电子软键盘，通过参数设置、功能选择、互动式操作等方式表现并实施；

所述上位机/下位机通信和操作指令模块，由定制的上位机/下位机通信协议与操作指令控制系统组成；

所述电磁波实验可视互动操作控制和形象化显示模块，由以满足不同电磁波实验项目的实验目的为要求，所设置的功能互动操作按钮、电磁波特性实验结果的图形化图像化处理单元与显示单元组成；

所述电磁波实验项目选择模块，是以课程教学大纲的要求为基础，多种教学实验项目库组成；

所述电磁波实验功能模块，是由电磁波课程中逐个具体的知识重点与难点问题，开发设计的具有数据自动采集与处理以及实验过程互动可视功能的软件模块组成；

所述电磁场与电磁波实验教学视频播放模块，是由诸多个包含具体实验过程的教学视频组成；

所述电磁场与电磁波教学培训素材库，是由包含电磁场与电磁波实验指导书、标准实验报告、实验大纲、实验教案等组成的教学素材库组成。

2.根据权利要求1所述的一种可视互动电磁波实验教学系统，其特征在于：滑块在架轨上的行程为1500mm。

3.根据权利要求2所述的一种可视互动电磁波实验教学系统，其特征在于：测距传感电子系统有效作用距离在0mm～1500mm。

4.根据权利要求3所述的一种可视互动电磁波实验教学系统，其特征在于：放大器的输出功率在0W至4W之间进行控制和调节。

5.根据权利要求4所述的一种可视互动电磁波实验教学系统，其特征在于：压控振荡器的频率范围在1Mhz至8Ghz。

6.一种基于权利要求1所述的可视互动电磁波实验教学系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：单片机系统初始化；

S2：检查是否采集到测距传感电子系统和测角传感子系统的数据，微波收发子系统工作是否正常；如果有数据并且工作正常则执行S3，否则执行S1；

S3：主控计算机显示人机交互界面；

S4：选择实验项目、实验功能和实验参数；

S5：微波收发子系统将主控计算机设置的参数，通过发射天线发送电磁波；

S6：接收天线接收来自发射天线的信号；

S7：微波收发子系统将接受天线接受到的数据接收，并通过电磁波实验可视互动操作控制和形象化显示模块成像在人机交互界面。

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