CN107067907A - 一种实时远程可重构在线实验室系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实时远程可重构在线实验室系统，包括网络服务终端、联网实验仪器模块以及实验箱模块；所述的网络服务终端用于控制实验箱模块，同时实现与仪器测量模块的信息交互以及提交和存储实验数据；所述的联网实验仪器模块根据网络服务终端的控制命令进行输入数据调节，并且调节示波器至最佳观测状态，对观测点进行数据和波形的测量与回传；所述实验箱模块，用于接收和处理网口通信数据，并通过IIC总线的方式进行实验内容选择与实验电路的构成，同时将反馈信息发回网络服务终端。本发明具备高度的灵活性，提升了实验教学的效率，满足了学生实践学习的需要。

Description

一种实时远程可重构在线实验室系统

技术领域

本发明涉及一种实验室教学系统，尤其是涉及一种实时远程可重构在线实验室系统。

背景技术

随着各大高校开设电子类专业，逐渐重视相关学生的实践动手能力，电工电子实验室应运而生。实验室作为实验教学的场所，配有相关的实验设备，可以满足学生的实验要求，提升学生的专业能力。而目前，许多实验室依旧沿用着早期购置的电工电子实验箱，其采用的导线连接直插式电子元器件的方式，普遍存在分立元件过多导致电路构建紊乱、错误频现的情况，再考虑到实验场所数量不足的情况，难以满足学生日益增长的创新性实验需求，缺乏时间与空间上的灵活性，造成了实验内容更新慢、实际利用率低的后果，很大程度上制约着学生专业能力的巩固和提高。

另外，近年来，随着“互联网+”概念的提出和物联网的兴起，诸如空气净化机、扫地机器人、运动手环等的一系列设备都与移动终端进行连接，并通过APP应用进行综合控制，实现物物相联，用户能够方便快捷地管理和使用这些设备。在这种背景下，传统设备的物联化成为一种必然趋势，在多个领域起到了革命性的作用。

实时远程可重构在线实验室系统凭借其网络服务终端，通过服务器进行信息通信和数据处理，依照物联网的构想，实现电工电子实验室的设备互联和信息共享。，突破传统授课模式，在保证实验真实性的基础上，打破了时间与空间的限制，使得实验环境更加灵活，可视化、网络化程度更高，提高了实验效率。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷本发明提供了一种基于服务器的、高效的、具备物联网特性且实时可重构的远程在线实验室系统。该实验室系统拥有独立的服务器，配备联网的测量仪器套件，采用基于IIC总线的模块化网络实验箱，将整个实验室接入网络，满足远程客户终端对实验设备的命令控制、参数调节、数据测量和结果存储。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种实时可重构远程在线实验室系统，包括网络服务终端、联网实验仪器模块和实验箱模块。网络服务终端包括客户终端和服务器，用于对实验箱模块的控制、与仪器测量模块的信息交互和实验数据的显示与存储；联网实验仪器模块包括路由器、信号发生器、学生直流电源和示波器、交流毫伏表等，用于数据传输、激励信号的输入、输出信号的测量与采集；实验箱模块由供电、通信、处理、电路四个部分组成，用于控制命令的处理和实验电路的构成，并将信息反馈给客户终端。

由联网的远程客户终端通过网页客户终端进行实验命令的发送和仪器参数的调节后，通过服务器和路由器分别发送给实验箱模块和联网实验仪器模块，然后以一个逆过程将反馈数据和测量数据发送给远程客户终端，实现实验电路的远程配置和参数的测量与存储。

整个系统的工作流程：

一、操作者进入客户终端，实验室设备正确连接，接通电源，确认网络接入。

二、操作者选择所使用的实验电路模块，确认电路连接方式，发送控制命令，客户终端界面显示相应命令。

三、通过服务器的数据交换，控制命令由操作终端发送，最终被实验箱通信模块接收。

四、实验箱通过通信模块接收相应数据后，由处理模块进行数据处理并将控制命令发送给总线控制模块，总线控制模块通过IIC协议进行主从应答判断，选择相应的实验模块，构成实验电路。

五、实验箱通过通信模块的网口端发送反馈信息，最终在客户终端操作界面显示端显示出来；

六、操作者设置输入信号参数，并通过服务器和路由器将命令发送给信号发生器和学生直流电源；

七、示波器和交流毫伏表采集数据并返回给客户终端，在操作界面显示端显示；

八、操作者更新示波器参数，获取最佳观测波形；

九、操作者在客户终端存储实验数据。

本发明有益效果如下：

利用客户终端和实验箱之间的对应关系，以基于IIC总线的模块化网络实验箱为核心，建立在服务器平台之上，采用网络服务终端与联网实验仪器模块和实验箱模块互联的方式，通过终端控制命令实现实验电路组成和实验仪器参数调节，改变了传统的导线直插和手动调节模式，实现实验平台的网络化和实验设备的物联化，提高了实验的效率，丰富了实验的内容，在保留真实实验环境的同时，降低了错误率，突破了时间与空间的限制，具有物联网的特性，具备高度的灵活性，提升了实验教学的效率，满足了学生实践学习的需要。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图，包括网络服务终端、联网实验仪器模块和实验箱模块。

图2是本发明的实验箱电路示意图；

图3是本发明的工作流程图。

图4是本发明的系统操作控制方法流程图；

图5是本发明的网络服务终端窗口布局示意图；

图中：

1-实验箱底板；2-供电系统；3-处理模块；4-通信模块；5-总线控制模块；6-电路单元；7-信号输入端；8-信号输出端；9-网络服务终端；10-联网实验仪器模块；11-实验箱模块。

具体实施方式

本发明涉及一种实时远程可重构在线实验室系统，包括网络服务终端9、联网实验仪器模块10以及实验箱模块11；所述的网络服务终端9用于控制实验箱模块11，同时实现与仪器测量模块10的信息交互以及提交和存储实验数据；所述的联网实验仪器模块10根据网络服务终端9的控制命令进行输入数据调节，并且调节示波器至最佳观测状态，对观测点进行数据和波形的测量与回传；所述实验箱模块11，用于接收和处理网口通信数据，并通过IIC总线的方式进行实验内容选择与实验电路的构成，同时将反馈信息发回网络服务终端9。

作为优选方案，所述的实验箱模块11由若干实验箱构成。

所述的网络服务终端9包括客户终端及服务器，所述的客户终端，用于控制命令的发送和实验数据的动态呈现，实现用户对仪器设备和实验箱的灵活控制调节；所述的服务器，用于客户终端、实验箱和测量设备的网络接入，作为网络信息交互的媒介，实现用户的远程控制，并且回传和存储实验数据；

所述的联网实验仪器模块10包括路由器单元和若干测量设备单元，所述的测量设备单元包括信号输入模块及信号检测模块，信号输入模块包括学生直流电源及信号发生器，信号检测模块设有示波器及交流毫伏表，每一台仪器均设有网口，客户终端通过网口发送命令实现仪器设备参数的网络配置，并且每一台仪器通过网口将测量数据和波形信息反馈给客户终端。

所述的路由器单元，用于单元实验套件的组合连接，设置为每一个实验台配备一个单元实验套件，每个单元实验套件对应1个测量设备单元及1个实验箱，进行设备单元模块化配置与管理。

所述的实验箱包括实验箱底板1、供电系统2、处理模块3、通信模块4、总线控制模块5、电路单元6、信号输入端7和信号输出端8，所述的供电系统2、处理模块3、通信模块4、总线控制模块5、电路单元6、信号输入端7和信号输出端8均与实验箱底板1连接，供电系统2上端与信号输入端7连接，供电系统2下端与处理模块3、通信模块4和总线控制模块5的电源输入端连接，处理模块3的左端与通信模块4的上端连接，处理模块3的右端与总线控制模块5的总线端口连接，通信模块4的网口端与路由器和服务器连接，串口端与计算机连接，总线控制模块5的接线端与电路单元6的接线端连接，电路单元6输入端与信号输入端7连接，电路单元6输出端与信号输出端8连接，信号输入端7与学生直流电源和信号发生器连接，信号输出端8与示波器、交流毫伏表连接。

所述的实验箱模块11通过通信模块4的网口端接收控制命令后，传输给处理模块3进行数据处理和命令发送，通过IIC总线选择实验电路子模块并与之进行信息交互，然后，通过控制命令实现实验电路的构成，最后将处理结果信息通过通信模块4反馈给客户终端。

作为优选方案，所述的实验箱底板1上可设有两个为一组，共6组信号输入排座以及6组信号输出排座，均与电路单元6连接，供电系统2、处理模块3、通信模块4、总线控制模块5、信号输入端7和信号输出端8均固定在实验箱底板1上。

作为优选方案，所述的供电系统2与信号输入端7之间放置一个1N5817肖特基二极管，起保护作用，供电系统2内部通过XL2576S降压型直流电源变换芯片以及AMS1117稳压芯片构成直流电压转换电路，输出1.2V、3.3V和5V电压。

作为优选方案，所述处理模块3内部，ARM处理单元控制FPGA单元；外部，ARM处理模块与通信模块4连接，与网口和串口进行信息交换与数据处理，FPGA单元与总线控制模块5连接。

作为优选方案，所述通信模块4通过ADM3202芯片构成隔离电路，实现网口和串口并行工作，从外部获取的数据传输给处理模块3内部的ARM处理单元，并将反馈信息由网口和串口输出。

作为优选方案，所述总线控制模块5构成一个不封闭方形通路，由5根线构成IIC总线，分别为VCC+、VCC-、GND、SCL和SDA，并且在总线上引出若干个接线端，与电路单元6的实验模块进行插拔连接。

所述的网络服务终端9首先在其客户终端上发送电路控制命令，通过服务器至路由器端，由路由器发送给实验箱模块11的通信模块4，在试验箱模块11内部进行输出处理、总线控制、模块选择和电路构成，再通过通信模块4将反馈信息发送给路由器和服务器，最后由客户终端获取并在反馈信息显示窗口显示相关信息。在实验电路构成之后，由客户终端的仪器参数调节窗口调节各输入信号参数，并通过服务器和路由器以命令的形式发送给联网实验仪器模块10，此时，接收联网实验仪器模块10中示波器返回的数据，并在测量数据显示窗口显示，如果数据或者波形的观测结果不符合要求，则在仪器参数调节窗口调节学生直流电源、信号发生器和示波器的各个参数，直至观测结果符合要求，最后将数据存储在服务器上。

在图1中，本发明一个具体实施方式的结构中包括网络服务终端9、联网实验仪器模块10和实验箱模块11。系统通过网络服务终端9发送电路控制命令，搭建实验电路，通过发送仪器参数的调节，实现激励信号的输入和测量数据的采集，通过测量仪器参数的调节，获取最佳观测波形，存储实验数据。

图2为本发明实验箱电路示意图。该实验箱包含实验箱底板1、供电系统2、处理模块3、通信模块4、总线控制模块5、电路单元6、信号输入端7和信号输出端8，所述的供电系统2、处理模块3、通信模块4、总线控制模块5、电路单元6、信号输入端7和信号输出端8均与实验箱底板1连接，供电系统2上端与信号输入端7连接，供电系统2下端与处理模块3、通信模块4和总线控制模块5的电源输入端连接，处理模块3的左端与通信模块4的上端连接，处理模块3的右端与总线控制模块5的总线端口连接，通信模块4的网口端与路由器和服务器连接，串口端与计算机连接，总线控制模块5的接线端与电路单元6的接线端连接，电路单元6输入端端与信号输入端7连接，电路单元6输出端与信号输出端8连接，信号输入端7连接与学生直流电源和信号发生器连接，信号输出端8连接与示波器连接。

图3是本发明的工作流程图，可见整个系统的工作过程如下：

一、操作者选择所使用的实验电路模块，确认电路连接方式，通过服务器进行数据交换然后发送控制命令；

二、实验箱通过通信模块接收相应数据后，由处理单元进行数据处理并将控制命令发送给总线控制模块，总线控制模块通过IIC协议进行主从应答判断，选择相应实验模块，构成实验电路；

三、实验箱通过网口发送反馈信息；

四、操作者设置输入信号参数，并通过服务器和路由器将命令发送给信号发生器和学生直流电源；

五、激励信号输入；

六、测量数据返回；

七、在客户终端显示测量数据并存储实验结果。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例一

本发明涉及一种实时远程可重构在线实验室系统及其操作控制方法，系统包括网络服务终端9、联网实验仪器模块10以及实验箱模块11，所述的网络服务终端9用于控制实验箱模块11，同时用于与仪器测量模块10信息交互，实现实验数据的获取和存储；所述的联网实验仪器模块10根据网络服务终端9的控制命令进行激励信号输入和参数调节，并实现观测点数据和波形的测量与回传；所述实验箱模块11，用于接收和处理网口通信数据，并通过IIC总线的方式进行实验内容选择与实验电路的构成，并将反馈信息发回网络服务终端9。

所述的实验箱模块11由若干实验箱构成。

所述的网络服务终端9包括客户终端及服务器，所述的客户终端，用于控制命令的发送和实验数据的动态呈现，实现用户对仪器设备和实验箱的灵活控制调节；

所述的服务器，用于客户终端、实验箱和测量设备的网络接入，作为网络信息交互的媒介，实现用户的远程控制，并且回传和存储实验数据；

所述的联网实验仪器模块10包括路由器单元和若干测量设备单元。

网络服务终端9包括多个操作窗口、用户操作和设备操作。

操作窗口包括窗口1、窗口2、窗口3和窗口4，4个窗口互相独立，实时获取信息，动态呈现实验进度。

窗口1显示设备使用状况，系统最大容量为50组设备，每组4台，用户可以同时选中一组设备中的4件，是输入窗口。

窗口2用于控制命令的编写和发送，是命令输入窗口，输入的命令通过服务器传输给实验箱，构成实验电路，是系统最为核心的部分。

窗口3用于实验结果的显示，是输出窗口，接收并显示实验箱反馈信息以及联网实验仪器模块的测量数据。

窗口4是参数调节窗口，用户在该窗口可以调节和上传仪器参数，远程控制联网实验仪器模块，获得最佳的数据波形。

所述的用户操作包括设备选用操作、命令编写与发送操作、参数调节操作和数据存储与上传操作。当用户启动网络服务终端9，所述窗口1用于显示实验设备使用情况和确定所需设备，以命令的形式实现终端与联网实验仪器模块10中实验仪器和实验箱的匹配。根据窗口1显示设备使用情况，所述设备选用操作选中所需实验仪器，再点击左侧设备选用。所述命令编写与发送操作用于实验箱模块11的电路构成控制，于所述窗口2中完成此步操作。所述窗口3用于显示实验箱模块11的反馈信息和联网实验仪器模块10的测量结果，其中反馈信息包括选用模块编号和连接情况，测量结果包括数据及波形。所述参数调节操作依据获得的数据波形，点击参数调节，并通过窗口4进行联网实验仪器模块10的参数设定。实现用户对仪器设备的灵活控制。所述数据存储与上传操作将实验结果保存至服务器中。

其中信息反馈操作由实验箱模块11完成，实验箱模块11通过通信模块4的网口端接收控制命令后，传输给处理模块3进行数据处理和命令发送，通过IIC总线选择实验电路子模块并与之进行信息交互，然后，通过控制命令实现实验电路的构成，最后将处理结果通过通信模块4反馈给网络服务终端9的客户终端，通过窗口3显示。

测量结果回传操作由联网实验仪器模块10完成，联网实验仪器模块10获取测量点数据及波形，并通过网口、路由器、服务器组成的数据传输线路将信息回传至网络服务终端9，通过窗口3显示实验数据及波形。

所述联网实验仪器模块10的路由器单元，用于单元实验套件的组合连接，设置为每一个实验台配备一个单元实验套件，每个单元实验套件对应1个测量设备单元及1个实验箱，进行设备单元模块化配置与管理。

所述联网实验仪器模块10的若干测量设备包括括信号发生器、学生直流电源、示波器和交流毫伏表，各设备均配备网络，通过路由器接入网络。

所述的实验箱模块(11)由若干实验模块构成，包括实验箱底板(1)、供电系统(2)、处理模块(3)、通信模块(4)、总线控制模块(5)、电路单元(6)、信号输入端(7)和信号输出端(8)，所述的供电系统(2)、处理模块(3)、通信模块(4)、总线控制模块(5)、电路单元(6)、信号输入端(7)和信号输出端(8)均与实验箱底板(1)连接，供电系统(2)上端与信号输入端(7)连接，供电系统(2)下端与处理模块(3)、通信模块(4)和总线控制模块(5)的电源输入端连接，处理模块(3)的左端与通信模块(4)的上端连接，处理模块(3)的右端与总线控制模块(5)的总线端口连接，通信模块(4)的网口端与路由器和服务器连接，串口端与计算机连接，总线控制模块(5)的接线端与电路单元(6)的接线端连接，电路单元(6)输入端与信号输入端(7)连接，电路单元(6)输出端与信号输出端(8)连接，信号输入端(7)与学生直流电源和信号发生器连接，信号输出端(8)与示波器、交流毫伏表连接。

图4是本发明的工作流程图，可见整个系统的工作过程如下：

一、操作者启动客户终端，正确连接实验设备，接通电源，确认网络接入；

二、操作者通过窗口1显示的信息，确认实验设备可用，并根据实验需要，选择实验仪器；

三、操作者根据实验需要，确定电路连接方式，通过客户终端窗口2进行控制命令的编写并发送；

四、通过服务器的数据交换，控制命令被实验箱通信模块接收；

五、实验箱通过通信模块接收相应数据后，由处理模块进行数据处理并将控制命令发送给总线控制模块，总线控制模块通过IIC协议进行主从应答判断，选择相应的实验模块，构成实验电路；

六、实验箱通过通信模块的网口端发送反馈信息，最终在客户终端的窗口3显示出来；

七、操作者在客户终端的窗口4设置激励信号参数，并通过服务器和路由器将命令发送给联网实验仪器模块的信号发生器和直流电源；

八、示波器采集数据并返回给客户终端，在窗口3显示数据和波形；

九、操作者通过窗口4更新示波器参数，获取最佳观测波形；

十、操作者在网络服务终端存储实验数据。

图5是网络服务终端的客户终端界面示意图，主要分为三栏。

顶部为菜单栏，主要功能为界面的最大最小化以及客户终端的开启和关闭。

左侧为应用栏，主要功能为设备选用、实验控制、参数调节、显示调节和数据保存与提交。

右侧为窗口栏，共分为4个子窗口。窗口1显示设备使用状况。窗口2用于控制命令的编写和发送，是命令输入窗口，输入的命令通过服务器连接用户和实验箱，构成实验电路。窗口3用于实验结果的显示，是输出窗口，接收并显示实验箱反馈信息以及联网实验仪器模块的测量数据。窗口4是参数调节窗口，用户在该窗口可以调节和上传仪器参数，远程控制联网实验仪器模块，获得最佳的数据波形。

Claims (10)

1.一种实时远程可重构在线实验室系统，其特征在于，包括网络服务终端(9)、联网实验仪器模块(10)以及实验箱模块(11)；所述的网络服务终端(9)用于控制实验箱模块(11)，同时实现与仪器测量模块(10)的信息交互以及提交和存储实验数据；所述的联网实验仪器模块(10)根据网络服务终端(9)的控制命令进行输入数据调节，并且调节示波器至最佳观测状态，对观测点进行数据和波形的测量与回传；所述实验箱模块(11)，用于接收和处理网口通信数据，并通过IIC总线的方式进行实验内容选择与实验电路的构成，同时将反馈信息发回网络服务终端(9)。

2.根据权利要求1所述的一种实时远程可重构在线实验室系统，其特征在于，所述的实验箱模块(11)由若干实验模块构成；

所述的网络服务终端(9)包括客户终端及服务器，所述的客户终端，用于控制命令的发送和实验数据的动态呈现，实现用户对仪器设备和实验箱的灵活控制调节；所述的服务器，用于客户终端、实验箱和测量设备的网络接入，作为网络信息交互的媒介，实现用户的远程控制，并且回传和存储实验数据；

所述的联网实验仪器模块(10)包括路由器单元和若干测量设备单元，所述的测量设备单元包括信号输入模块及信号检测模块，信号输入模块包括学生直流电源及信号发生器，信号检测模块设有示波器及交流毫伏表，每一台仪器均设有网口，客户终端通过网口发送命令实现仪器设备参数的网络配置，并且每一台仪器通过网口将测量数据和波形信息反馈给客户终端。

3.根据权利要求2所述的一种实时远程可重构在线实验室系统，其特征在于，所述的路由器单元，用于单元实验套件的组合连接，设置为每一个实验台配备一个单元实验套件，每个单元实验套件对应1个测量设备单元及1个实验箱，进行设备单元模块化配置与管理。

4.根据权利要求2所述的实时远程可重构在线实验室系统，其特征在于，所述的实验箱包括实验箱底板(1)、供电系统(2)、处理模块(3)、通信模块(4)、总线控制模块(5)、电路单元(6)、信号输入端(7)和信号输出端(8)，所述的供电系统(2)、处理模块(3)、通信模块(4)、总线控制模块(5)、电路单元(6)、信号输入端(7)和信号输出端(8)均与实验箱底板(1)连接，供电系统(2)上端与信号输入端(7)连接，供电系统(2)下端与处理模块(3)、通信模块(4)和总线控制模块(5)的电源输入端连接，处理模块(3)的左端与通信模块(4)的上端连接，处理模块(3)的右端与总线控制模块(5)的总线端口连接，通信模块(4)的网口端与路由器和服务器连接，串口端与计算机连接，总线控制模块(5)的接线端与电路单元(6)的接线端连接，电路单元(6)输入端与信号输入端(7)连接，电路单元(6)输出端与信号输出端(8)连接，信号输入端(7)与学生直流电源和信号发生器连接，信号输出端(8)与示波器、交流毫伏表连接。

5.根据权利要求4所述的实时远程可重构在线实验室系统，其特征在于，所述的实验箱模块(11)通过通信模块(4)的网口端接收控制命令后，传输给处理模块(3)进行数据处理和命令发送，通过IIC总线选择实验电路子模块并与之进行信息交互，然后，通过控制命令实现实验电路的构成，最后将处理结果通过通信模块(4)反馈给客户终端。

6.根据权利要求4所述的实时远程可重构在线实验室系统，其特征在于，所述的实验箱底板(1)上设有两个为一组，共6组信号输入排座以及6组信号输出排座，均与电路单元(6)连接，供电系统(2)、处理模块(3)、通信模块(4)、总线控制模块(5)、信号输入端(7)和信号输出端(8)均固定在实验箱底板(1)上。

7.根据权利要求4所述的实时远程可重构在线实验室系统，其特征在于，所述的供电系统(2)与信号输入端(7)之间放置一个1N5817肖特基二极管，供电系统(2)内部通过XL2576S降压型直流电源变换芯片以及AMS1117稳压芯片构成直流电压转换电路，输出1.2V、3.3V和5V电压。

8.根据权利要求4所述的实时远程可重构在线实验室系统，其特征在于，所述处理模块(3)内部，ARM处理单元控制FPGA单元；外部，ARM处理模块与通信模块(4)连接，与网口和串口进行信息交换与数据处理，FPGA单元与总线控制模块(5)连接。

9.根据权利要求4所述的实时远程可重构在线实验室系统，其特征在于，所述通信模块(4)通过ADM3202芯片构成隔离电路，实现网口和串口并行工作，从外部获取的数据传输给处理模块(3)内部的ARM处理单元，并将反馈信息由网口和串口输出。

10.根据权利要求4所述的实时远程可重构在线实验室系统，其特征在于，所述总线控制模块(5)构成一个不封闭方形通路，由5根线构成IIC总线，分别为VCC+、VCC-、GND、SCL和SDA，并且在总线上引出若干个接线端，与电路单元(6)的实验模块进行插拔连接。