CN107204133A - 一种自动教学及考核验收机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动教学及考核验收机器人，包括硬件模块、控制模块和上位机；其中，硬件模块包括电源模块、信号源模块和示波器模块；控制模块包括硬件驱动控制单元和主控制单元；上位机包括串口通信测试模块，用于测试串口通信，学生登录模块，用于录入学生信息，实验考题模块，用于编写及发布实验题目，实验数据处理模块，用于处理实验数据，学生分数计算模块，用于评判实验结果；上位机与主控制单元通信，下发命令，控制电源模块给待测作品提供电源电压，信号源模块提供测试信号，并控制示波器模块对信息测量点进行信息采集，采集数据通过主控制单元上发给上位机，上位机对数据进行处理分析后，采用统一标准对学生作品进行评判并打分。
Description
技术领域
本发明属于电子类实验教学设备技术领域，具体涉及一种自动教学及考核验收机器人。
背景技术
目前各大高校的电子技术实验课程都是学生使用面包板搭建实验电路，自行测试完成后，申请实验老师现场验收。根据所做实验项目，向实验老师演示所完成的实验的内容，老师根据完成情况、测试指标来现场打分。整个验收过程平均需要5至10分钟，每次到验收高峰期，学生都需要排队申请验收。这样既耽误学生的时间，又使得老师在整个实验教学过程中将大部分宝贵的教学时间花费在实验验收环节上。教师需要对个体学生的实验作品实施一对一的验收，工作量极大导致难以细致验收。这导致验收工作粗放，学生认可度不高。除此之外，老师验收的主观性较强，没有一个明确的评判标准，难以做到客观公正。而且现有的实验室设备也大大限制了很多实验的验收，导致实验教学过程中实验设计的比较单一，不够灵活多变。
所以为了解决上述问题，需要设计一个机器人，能够发出各种复杂的波形，能够自动检测多点信息，能够完成有效的模式识别，将教师智能表现出来，提高测试速度，将老师从繁重的实验验收工作中解放出来，使得老师可以将更多的课堂时间花费在对学生的教学与指导中，提高实验教学质量。
发明内容
本发明提供了一种自动教学及考核验收机器人，以解决在电子实验教学过程中，老师人工验收带来的问题。减少老师验收环节的工作量，做到客观公正的验收，同时减少现有实验室设备对部分实验验收的限制，提高实验教学过程中实验设计的灵活性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种自动教学及考核验收机器人，包括硬件模块、控制模块和上位机；其中，
硬件模块包括电源模块、信号源模块和示波器模块；控制模块包括硬件驱动控制单元和主控制单元；上位机包括串口通信测试模块，用于上位机与主控制单元之间的通信测试，学生登录模块，用于学生信息录入，实验考题模块，用于实验验收题目的编写以及发布，实验数据处理模块，用于对学生实验数据的收集及其处理分析，学生分数计算模块，用于对学生实验结果的评判以及分数计算；
上位机与主控制单元通信，下发命令，控制电源模块给学生完成的作品提供指定的电源电压，信号源模块源提供测试信号，并控制示波器模块对学生作品的信息测量点进行信息采集，将采集的数据通过主控制单元上发给上位机，上位机对数据进行处理分析后，采用统一合理的评判标准对学生作品进行评判并打分。
本发明进一步的改进在于，上位机与主控制单元通过串口通讯线通信，主控制单元与硬件模块中的电源模块、信号源模块和示波器模块通过CAN总线通信。
本发明进一步的改进在于，电源模块提供固定电压源，模拟可变电压源和可变数字电压源。
本发明进一步的改进在于，信号源模块包括复杂波形发生器和高质量正弦波信号源。
本发明进一步的改进在于，复杂波形发生器通过单片机程序控制DAC输出各种类型的信号波形，包括正弦波、方波、三角波和短时脉冲以及这几种信号组合的复杂信号，并能够通过修改程序代码改变信号频率；高质量正弦波信号源包括DDS、幅度控制部分和电阻衰减网络。
本发明进一步的改进在于，示波器模块包括低频高精度数据采集系统和高频数据采集系统。
本发明进一步的改进在于，还包括机壳，硬件模块和控制模块均设置在机壳内。
本发明具有如下的有益效果：
在对学生实验作品进行验收时，老师或者学生通过操作上位机，下达验收命令，得到开始命令后，整个教学机器人自主进行验收过程，由上位机给主控制单元下发命令，进而控制电源模块给待测作品提供指定的电源电压，信号源模块提供测试信号，并控制示波器模块对待测作品的信息测量点进行信息采集，下层各个子模块在收到命令后进行相应的操作，并把确认命令或者数据上发给上位机，上位机对数据进行处理分析后，给出验收结果，整个过程中不需要实验老师的全程干预，也不需要老师操作各种仪器设备进行验收测量，都是由教学机器人自动完成，验收时间由人工验收的5至10分钟缩短至20秒左右，大大减轻了老师实验验收环节的压力，能让老师把更多的时间和精力投入到更能体现教师价值的方法讲解、故障排查和实验指导工作中去，也节省了学生等候验收的大量时间。同时，由于教学机器人各类性能指标的稳定统一，例如，电源模块给每位学生待测作品提供的电源电压，其幅值、纹波、负载能力等各项参数的误差都是在已知的范围内，信号源模块给待测作品提供的测试信号，其幅值、频率、直流偏置电压等参数都在确定的误差范围内，示波器模块采集条件相同，保证其采集数据的一致性，这些使得每次的验收过程中为待测作品提供的电源电压、测试信号等都能在一定误差内保持相同，教学机器人再根据同等条件下测量得到的数据，通过统一合理的评判标准，对学生作品进行评判并打分，在这种情况下，没有任何老师的主观因素以及验收条件的不同影响评判结果，可以在一定程度上做到客观公正，并且教学机器人可以为学生提供详细的验收数据，帮助其对自身作品进行细致的分析，相比于传统的人工验收方法，这也是一个比较明显的优势。除此之外，目前大多数高校电子实验课程只能为学生提供基本的信号源，其大部分只能发出几种单一类型的信号，例如正弦波信号、三角波信号、方波信号、直流信号等，而本发明中的信号源包含复杂波形发生器和高质量的正弦波信号源，复杂波形发生器除了可以为学生提供各种类型的信号外，还可以提供各种类型信号混合的复杂信号，例如，正弦波信号与方波信号的混合信号，正弦波信号与脉冲信号的混合信号，数字量信号等，高质量的正弦波信号源可以输出频率最小达到10Hz，最大达到10MHz，步进精度达到0.1Hz的高质量的正弦波信号，其最小幅度达到100μV，最大幅度达到1.25V，丰富的信号波形使得学生实验设计变得更为灵活。
进一步，整个发明的实施过程划分为三个部分，共有两种通信方式。上位机与主控制单元通过串口通信线进行单点对单点的通信，使得上位机可以较简单的控制下层模块。硬件模块的各个子模块通过CAN总线与主控制单元通信，CAN总线系统结构简单，有极高的性价比，单条总线最多可接110个节点，并可方便的扩充节点数，而且多主结构和各节点的地位平等，使得区域组网变得更加方便，总线利用率较高。上面所述的CAN总线优点使得本发明拥有较高的可扩展性，在后续开发中可以通过增加挂载在CAN总线上的硬件子模块来继续丰富本发明的功能。
进一步，本发明为用户提供了多种电压源，包括固定电压源，模拟可变电压源和可变数字电压源，极大的方便了用户的使用，基本可以满足普通用户对电压源的需求。
进一步，本发明中信号源模块包括复杂波形发生器和高质量正弦波信号源。高质量正弦波信号源可以输出频率最小达到10Hz，最大达到10MHz，步进精度达到0.1Hz的高质量的正弦波信号，其最小幅度达到100μV，最大幅度达到1.25V；复杂波形发生器可以发出正弦波、方波、三角波和短时脉冲以及这几种信号组合的复杂信号。相对于大多数高校电子实验课程为学生提供的基本信号源，本发明中两种不同类型的信号源为用户提供了种类非常丰富的信号波形，使得学生实验设计变得更为灵活。
进一步，本发明中示波器模块为用户提供了低频高精度数据采集系统和高频数据采集系统，既可以对低频信号进行高精度的数据采集，又能对高频信号进行数据采集。
附图说明
图1是实验教学机器人的机械结构示意图；
图2是实验教学机器人总体框架结构示意图；
图3是本发明电源模块中模拟可调电压源和可变数字电压源电路功能框图；
图4是本发明中信号源模块中高质量正弦波信号源电路功能框图；
图5是本发明中电阻衰减网络电路板的屏蔽示意图；
图6是本发明中上位机的软件结构示意图。
图中标号说明：1、上位机；2、串口通信线；3、机壳；4、主控制单元；5、信号源模块；6、变压器；7、屏蔽盒；8、电源模块；9、铜柱；10、示波器模块。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明进行具体的描述。
如图2所示为本发明的总体框架结构示意图，整个发明由三层控制层组成，由上至下分别为上位机1，主控制单元4和三个子模块。上位机1和主控制单元4通过串口通信线2进行双向通信，由上位机1向主控制单元4下发执行命令，同时主控制单元4向上位机1发送确认命令以及由下层上传来的测量数据。主控制单元4与三个子模块通过CAN总线进行双向通信，主控制单元4将上层下发的命令进行解析并下发给相应的子模块，相应的子模块收到主控制单元4的命令后，根据命令执行相应的动作，而后将确认命令或测量数据上传回主控制单元4。本发明通过三层结构将整个实施过程划分为上中下三个大的部分，下层把整个硬件平台的功能分为三个子模块，每个子模块负责同一类功能，接受中间层主控制单元4的调用，中间层承上启下，负责上层和下层之间的通信，上层上位机1下发命令并对上传回来的数据进行处理分析，提供人机交互界面，将分析结果反馈给用户。
下面将对每个模块进行详细的描述。
电源模块8包括固定电压源，模拟可调电压源和可变数字电压源三个部分。固定电压源由220V交流电压通过变压器6进行降压转换，然后经过整流桥整流变成直流电压后再进行滤波，最后经过LDO线性稳压器得到固定正负电压，为学生实验提供正负18V电压源。
如图3所示为电源模块8中模拟可调电压源和可变数字电压源电路功能框图。模拟可调电压源由四个部分组成，分别为DAC，DC-DC开关式稳压器，过流保护和LDO线性稳压器。电源模块8单片机通过DAC输出调节电压，先调节DC-DC开关式稳压器使其输出合适的电压，作为LDO线性稳压器的输入电压，再通过DAC的调节电压调节LDO线性稳压器的输出电压，得到模拟可调的电压源，电压输出范围为正负2.5V至正负18V。在DC-DC开关式稳压器和LDO线性稳压器之间加上检流环节，防止电路电流过大。可变数字电压源由三个部分组成，分别为DAC，降压稳压器和过流保护。电源模块8单片机通过DAC输出调节电压，调节降压稳压器的输出电压，得到可调的数字电压源，电压输出范围为正1.8V至正5V。过流保护防止电路电流过大。
信号源模块5包括复杂波形发生器和高质量正弦波信号源两个部分。复杂波形发生器通过单片机程序控制DAC输出各种类型的信号波形，包括正弦波、方波、三角波、短时脉冲等类型，以及这几种信号组合的复杂信号，并可以通过修改程序代码改变信号频率。DAC输出的信号经过一个程控增益放大器的增益调节，其信号输出幅度可以发生改变，最后得到两路类型、频率、幅值均可设定的复杂波形，提供给学生实验考核用。
如图4所示为信号源模块5中高质量正弦波信号源电路功能框图。高质量正弦波信号源由三大部分组成，分别为Direct Digital Synthesizer(DDS)、幅度控制部分和电阻衰减网络。DDS控制正弦波的发生，其可以精细选择输出频率，实现从低到高的频率选择，可以快速跳频，且保证相位连续，输出频率最小达到10Hz，最大达到10MHz，步进精度达到0.1Hz，并且可以进行相位设置。
幅度控制部分由压控增益放大器、幅值检测、单片机、增益控制四个部分组成，形成闭环进行幅度控制。压控增益放大器的输出信号反馈给幅值检测模块，检测模块检测出信号幅度，然后根据检测出的幅度与期望幅度的差异调整信号增益，直到输出信号的幅度与期望幅度之间的误差满足要求。此时的误差只来源于幅值检测系统，从而消除了不可控误差，提高输出正弦波幅值的精度。幅值检测运用了蒙特卡洛算法，这种算法能够稳定且有效地检测正弦波的幅值，并能够抑制噪声对检测的影响。
电阻衰减网络总共三级，第一级衰减24dB，第二级衰减30dB，第三级衰减30dB。一共有四种衰减系数选择：不使用任何一级衰减网络的情况下，信号衰减0dB；在仅使用第一级衰减网络的情况下，信号衰减24dB；在仅使用第一级和第二级衰减网络的情况下，信号衰减54dB；在使用全部三级电阻衰减网络的情况下，信号衰减84dB。在系统要输出小信号时，使压控增益放大器的输出经过电阻衰减网络，形成最终的输出信号，最小输出正弦波的幅值达到100μV，而最大输出正弦波的幅值达到1.25V，同时波形的质量和信噪比都比较好。由于本发明中电阻衰减网络的PCB设计存在较大环路，容易引入空间电磁干扰，而系统的其他部分几乎不存在环路，所以将电阻衰减网络部分单独制作了一块PCB板，并将其密封于一个大小合适的金属壳内，引出输入接口与输出接口。电阻衰减网络电路板与屏蔽盒7的连接如图5所示，信号源板与电阻衰减网络板通过同轴线缆连接，电阻衰减网络板输出的地连接到屏蔽盒7上，输出端直接引出。
示波器模块10包括低频高精度数据采集系统和高频数据采集系统两个部分。采集系统前端可选直接耦合和电容耦合两种信号耦合方式，为了测量更宽的电压范围，ADC前端设计了1/30倍，1/3倍，1倍三种衰减网络。示波器模块10测量信号的若干周期长度的波形，可以选择将波形信息通过主控制单元4完全上传至上位机1后计算信号的各类参数并显示，或者选择在示波器模块10中计算出信号的幅度并上传。
主控制单元4承担上位机1与底层子模块通讯的功能。主控制单元4与底层各个子模块通过CAN总线连接在一起，组成一个多主控制的通讯网络，其中主控制单元4的优先级最高。主控制单元4与上位机1通过串口通信线2进行通讯，接收到上位机1下发的命令后，对命令进行解析并下发给对应的底层子模块。底层子模块在收到主控制单元4的命令后进行相应的执行动作，命令执行完后将数据或者确认命令上传回主控制单元4。主控制单元4在收到底层模块的上传数据或确认命令后，将其发送给上位机1，完成上位机1与底层子模块的通讯过程。
上位机1通过LabVIEW软件进行编程，具有优秀的人机交互设计，方便用户进行二次开发。如图6所示，上位机1软件结构由串口通信测试，学生登录，实验考题模块，实验数据处理和分数计算系统五部分组成。串口通信测试部分主要完成上位机1与下层主控制单元4串口通信的参数设置以及进行通信测试，保证上位机1与主控制单元4的通信正常。学生登录部分主要为学生信息录入以及显示，方便老师进行管理。实验数据处理部分主要是对下层主控制单元4上传的确认命令以及实验数据进行处理分析得到实验测量结果。分数计算系统将实验数据处理分析得到的实验结果与参考答案进行对比，计算最后得分，并将结果和答案细节通过界面进行显示。实验考题模块包括示波器使用考核，实验电路验收和电路故障排查三个部分，学生登录后通过选择，进行不同的考核验收。示波器考核部分是关于示波器使用的考核，上位机1下发命令控制信号源模块5发出不同类型的波形或者复杂波形，要求学生使用实验室示波器抓取波形，并测量波形的各类参数，最后将测量的结果填入上位机1答题卡界面，上位机1根据参考答案进行打分并显示得分情况。实验电路验收部分主要测量学生电路作品的各项参数，并通过统一的验收标准判断电路是否合格。上位机1下发命令控制电源模块8输出电源提供给学生的待测电路，并控制信号源模块5发出指定的测试信号作为待测电路的输入信号，让示波器模块10测量待测电路各个测量点的信号数据，并回传给上位机1进行处理分析，以评判电路是否符合要求，自动完成待测电路的整个验收过程。电路故障排查部分主要是考察学生故障排查能力。实验室为学生提供故障电路，学生完成故障排查，并交于教学机器人进行自动评测以确定是否将电路故障排除。
以上仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案都属于本发明的保护范围。通过上述具体实施方式的内容，本发明所属领域的相关技术人员能够根据该部分内容实现本发明。
Claims (7)
1.一种自动教学及考核验收机器人，其特征在于，包括硬件模块、控制模块和上位机(1)；其中，
硬件模块包括电源模块(8)、信号源模块(5)和示波器模块(10)；控制模块包括硬件驱动控制单元和主控制单元(4)；上位机(1)包括串口通信测试模块，用于上位机(1)与主控制单元(4)之间的通信测试，学生登录模块，用于学生信息录入，实验考题模块，用于实验验收题目的编写以及发布，实验数据处理模块，用于对学生实验数据的收集及其处理分析，学生分数计算模块，用于对学生实验结果的评判以及分数计算；
上位机(1)与主控制单元(4)通信，下发命令，控制电源模块(8)给学生完成的作品提供指定的电源电压，信号源模块(5)源提供测试信号，并控制示波器模块(10)对学生作品的信息测量点进行信息采集，将采集的数据通过主控制单元(4)上发给上位机(1)，上位机(1)对数据进行处理分析后，采用统一合理的评判标准对学生作品进行评判并打分。
2.根据权利要求1所述的一种自动教学及考核验收机器人，其特征在于，上位机(1)与主控制单元(4)通过串口通讯线(2)通信，主控制单元(4)与硬件模块中的电源模块(8)、信号源模块(5)和示波器模块(10)通过CAN总线通信。
3.根据权利要求1所述的一种自动教学及考核验收机器人，其特征在于，电源模块(8)提供固定电压源，模拟可变电压源和可变数字电压源。
4.根据权利要求1所述的一种自动教学及考核验收机器人，其特征在于，信号源模块(5)包括复杂波形发生器和高质量正弦波信号源。
5.根据权利要求4所述的一种自动教学及考核验收机器人，其特征在于，复杂波形发生器通过单片机程序控制DAC输出各种类型的信号波形，包括正弦波、方波、三角波和短时脉冲以及这几种信号组合的复杂信号，并能够通过修改程序代码改变信号频率；高质量正弦波信号源包括DDS、幅度控制部分和电阻衰减网络。
6.根据权利要求1所述的一种自动教学及考核验收机器人，其特征在于，示波器模块(10)包括低频高精度数据采集系统和高频数据采集系统。
7.根据权利要求1所述的一种自动教学及考核验收机器人，其特征在于，还包括机壳(3)，硬件模块和控制模块均设置在机壳(3)内。
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