CN107633720B - 一种用于电子电路实验教学的云端智能平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电子电路实验教学的云端智能平台以及电子电路实验智能终端。本平台通过将虚拟仪器技术、云技术、即时移动通信相结合，以集成了电子电路搭建、教学模块组配和虚拟仪器功能的电子电路实验智能终端为前端，建立实验任务发布和实验结果提交的云端平台，开发共享交互功能，实现电子电路实验课程的任务部署、过程监督、实验数据采集、实验报告上交等环节全部支持远程化操作和云端管理，并且实现有效的交互共享。

Description

一种用于电子电路实验教学的云端智能平台

技术领域

本发明涉及在理工科实验教育当中应用的智能终端和云端平台，具体为一种用于电子电路实验教学的云端智能平台。

背景技术

实验操作是理工科教学当中不可获取的重要一环。对于数字电路、模拟电路、通信原理、信号采集与处理等很多科目来说，均必需开展以构建电子电路为基础的实验教学环节，该环节具体又包括电路设计与仿真、电子电路搭建、实验数据采集与验证、填写实验报告等步骤。

传统的电子电路实验要在实验室展开，学生在实验台上搭建电路并操作各种仪器仪表进行数据采集，教师现场给予指导、监督实验过程并检验实验数据。近年来，电子电路实验开始采用集成了虚拟仪器的实验平台来取代常规的仪器仪表。例如，中国专利文献CN204330849U公开了一种多功能实验用虚拟仪器，将示波器、万用表和频谱分析仪结合为一体，具有体积小、便于携带的功能。但是，现有的虚拟仪器平台缺少网络功能，或者只支持简单的数据上传功能，没有真正在云上建设一套完善的系统和平台，未能形成支持实验教学各个环节的云端。

在“互联网+教育”的理念引导下，人们希望将网络互联与信息共享的技术手段融入到实验课程的教学实践当中，通过互联网的优势，将学生和老师从传统的实验室中解放出来，突破实验课程现场教学的固有模式，实现远程教学，并且在实验各个环节达到互动式的体验。对于电子电路实验来说，我们希望将从电路设计仿真到实际电路搭建再到实验数据测量和实验报告填写的这一完整实验过程与云端平台结合起来，从而可以实现电子电路实验课程的远程教学、智能管理、共享交流和全程互动。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的以上需求，本发明提供了一种用于电子电路实验教学的云端智能平台。本平台通过将虚拟仪器技术、云技术、即时移动通信相结合，以集成了电子电路搭建、教学模块组配和虚拟仪器功能的电子电路实验智能终端为前端，建立实验任务发布和实验结果提交的云端平台，开发共享交互功能，实现电子电路实验课程的任务部署、过程监督、实验数据采集、实验报告上交等环节全部支持远程化操作和云端管理，并且实现有效的交互共享，从而构建一种电子电路实验教学的云端智能平台。

(二)技术方案

本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种电子电路实验教学的云端智能平台，其特征在于，包括：教师端计算机、学生端计算机、电子电路实验智能终端、云端平台以及学生侧移动终端；其中

所述教师端计算机用于接入所述云端平台，并且在所述云端平台创建和发布实验课程任务；在云端平台查询实验课程任务的进度以及学生提交的搭建实验电路照片、结果数据和实验报告；

所述电子电路实验智能终端包括主机和扩展模块，所述扩展模块用于在其上面搭建实验电路；所述主机用于安装所述扩展模块，向扩展模块上的实验电路供电和输出电信号，以及从扩展模块上的实验电路采集电信号，并且利用主机内置的虚拟仪器模块测量分析从扩展模块上的实验电路所采集的电信号，将虚拟仪器模块的测量分析结果数据传输给学生端计算机；

所述学生侧移动终端用于从云端平台接收关于实验课程任务的推送消息，以及拍摄搭建实验电路照片并上传至所述云端平台；

所述学生端计算机用于接入所述云端平台并且连接所述电子电路实验智能终端；从所述云端平台接收所述实验课程任务；从所述电子电路实验智能终端获得对实验电路的测量分析结果数据；以及汇总所述测量分析结果数据，生成实验报告并上传给所述云端平台；

所述云端平台用于从所述教师端计算机接收所述实验课程任务，并且根据所发布的实验课程任务向学生侧移动终端推送消息；接收所述学生侧移动终端上传的搭建实验电路照片，以及接收所述学生端计算机上传的结果数据和实验报告；向教师端计算机提供实验课程任务的进度以及学生提交的搭建实验电路照片、结果数据和实验报告的查询。

优选的是，所述学生端计算机还提供电路仿真功能，用于根据所述实验课程任务执行实验电路仿真。

优选的是，所述云端平台和学生侧移动终端均具有连接第三方即时通信系统的接口；云端平台通过第三方即时通信系统向所述学生侧移动终端推送发布实验课程任务的消息，并且接收学生侧移动终端通过第三方即时通信系统上传的实验电路照片。

优选的是，所述教师端计算机创建和发布的实验课程任务包括：实验名称、实验目标、实验要求、实验人数上限、实验课程截止时间以及教师留言。

优选的是，所述电子电路实验智能终端的主机包括：扩展模块安装区域、输入输出接口、虚拟仪器模块、计算机接口；其中，所述扩展模块安装区域用于将所述扩展模块安装在主机上；所述输入输出接口用于向扩展模块上的实验电路供电和输出电信号，和/或从扩展模块上的实验电路采集电信号；所述虚拟仪器模块用于生成供电和电信号并通过所述输入输出接口提供给所述扩展模块上的实验电路，和/或测量分析由所述输入输出接口从扩展模块上的实验电路所采集的电信号；所述计算机接口用于将电子电路实验智能终端连接至学生端计算机，将虚拟仪器模块的测量分析结果数据传输给学生端计算机；所述电子电路实验智能终端的扩展模块为面包板模块或电路实验教学模块，在面包板模块或电路实验教学模块之上搭建实验电路。

本发明还提供了一种电子电路实验智能终端，其特征在于，包括主机和扩展模块；其中

所述主机包括：扩展模块安装区域、输入输出接口、虚拟仪器模块、计算机接口；其中，所述扩展模块安装区域用于将所述扩展模块安装在主机上；所述输入输出接口用于向扩展模块上的实验电路供电和输出电信号，和/或从扩展模块上的实验电路采集电信号；所述虚拟仪器模块用于生成供电和电信号并通过所述输入输出接口提供给所述扩展模块上的实验电路，和/或测量分析由所述输入输出接口从扩展模块上的实验电路所采集的电信号；所述计算机接口用于将电子电路实验智能终端连接至计算机，将虚拟仪器模块的测量分析结果数据传输给计算机；

所述扩展模块为面包板模块或电路实验教学模块，在面包板模块或电路实验教学模块之上搭建实验电路。

优选的是，所述扩展模块安装区域包括固定孔，并且所述固定孔内具有磁吸，所述扩展模块安装时其插脚插入固定孔并被所述磁吸吸住；所述扩展模块安装区域还具有插拔扣手。

优选的是，所述虚拟仪器模块包括以下虚拟仪器的一种或多种：信号源模块、程控可调电源模块、数字模版信号生成器、示波器模块、逻辑分析仪模块、电压表模块、静态数字I/O模块、网络分析仪模块、频谱分析仪模块、数字化万用表模块。

优选的是，所述输入输出接口包括以下接口中的一种或多种：数字信号输入输出接口、PMOD接口、固定电压电源输出接口、可调节电压电源输出接口、示波器通道接口、示波器触发通道接口、信号发生器通道接口。

优选的是，所述电路实验教学模块包括：FPGA芯片、随机存储器、时钟管理单元、片内模数转换器、拨码开关、LED指示灯、7段显示器、3-8译码电路、VGA输出接口、PMOD连接器、USB-JTAG端口。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种用于电子电路实验教学的云端智能平台，具备以下有益效果：

教师可以向云端平台远程发布记载有详细实验要求的实验任务，学生通过移动终端上的微信等即时通信软件接收关于实验任务的推送消息，然后利用计算机登录云端平台，获得实验任务的详细要求，进而仿真实验电路，在电子电路实验智能终端搭建实际的实验电路并拍摄照片，以及获取实际实验电路的测量分析结果，将照片、结果数据以及实验报告上传云端平台。本发明将虚拟仪器技术、云技术、即时移动通信相结合，实现了实验课程的任务部署、过程监督、实验数据采集、实验报告上交等环节的远程操作和云端管理，能够在师生之间进行交互共享，具有教学效果好、效率高的优点，将互联共享的教学实践理念融入电类专业课程，可以应用于数字电路、模拟电路、电路原理、信号与系统、嵌入式系统、物联网、单片机、传感器原理等课程的实验环节。

附图说明

图1为本发明用于电子电路实验教学的云端智能平台系统架构示意图；

图2为本发明所述电子电路实验智能终端主机的正面结构视图；

图3为本发明所述电子电路实验智能终端主机的侧面结构视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种用于电子电路实验教学的云端智能平台。本平台通过将虚拟仪器技术、云技术、即时移动通信相结合，以集成了电子电路搭建、教学模块组配和虚拟仪器功能的电子电路实验智能终端为前端，建立实验任务发布和实验结果提交的云端平台，开发共享交互功能，实现电子电路实验课程的任务部署、过程监督、实验数据采集、实验报告上交等环节全部支持远程化操作和云端管理，并且实现有效的交互共享，从而构建一种电子电路实验教学的云端智能平台。

请参阅图1，本发明的用于电子电路实验教学的云端智能平台包括：教师端计算机1、学生端计算机2、电子电路实验智能终端3、云端平台4以及学生侧移动终端5。其中教师端计算机1、学生端计算机2均可以通过互联网连接并登陆所述云端平台4，访问云端平台4的图形化用户界面，实现与教学实验相关的功能。电子电路实验智能终端3本地连接至所述学生端计算机2。所述云端平台4和学生侧移动终端5均具有连接第三方即时通信系统6的接口，从而可以利用第三方即时通信软件实现消息收发。例如，该第三方即时通信系统6可以是微信系统学生侧移动终端5用本机上的微信号关注云端平台4的公众号，并且通过与该公众号的交互实现云端平台4和学生侧移动终端5之间的信息收发。

所述教师端计算机1连接并登陆所述云端平台4后，在所述云端平台4上创建和发布实验课程任务。教师可以通过点击云端平台4图形化用户界面，创建一实验课程任务，在交互窗口录入该实验课程的实验名称、实验目标、实验要求、实验人数上限、实验课程截止时间以及教师留言等信息，然后发布该实验课程任务，从而将该任务的信息上传给云端平台4。教师还可以对云端平台4上已经发布的实验课程任务进行查看、管理、修改和删除。

所述云端平台4用于从所述教师端计算机1接收所述实验课程任务，并且根据所发布的实验课程任务，向学生侧移动终端5推送消息。如前文所述，云端平台4通过微信等第三方即时通信系统6向所述学生侧移动终端5推送发布实验课程任务的消息，提示学生登录本平台完成实验课程。

学生按照所述学生侧移动终端5用于从云端平台4接收的关于实验课程任务的推送消息的提示，将学生端计算机2连接所述电子电路实验智能终端3，并且操作所述学生端计算机2通过互联网登录所述云端平台4，从云端平台4接收所述实验课程任务。按照实验课程任务的要求，学生可以在学生端计算机2调用电路仿真软件，执行实验电路仿真。所述电子电路实验智能终端3包括主机和扩展模块，学生可以在所述扩展模块上面搭建实验电路；所述主机安装所述扩展模块，向扩展模块上的实验电路供电和输出电信号，以及从扩展模块上的实验电路采集电信号，并且利用主机内置的虚拟仪器模块测量分析从扩展模块上的实验电路所采集的电信号，将虚拟仪器模块的测量分析结果数据传输给学生端计算机2。学生端计算机2从所述电子电路实验智能终端3获得对实验电路的测量分析结果数据，学生通过学生端计算机2汇总所述测量分析结果数据并填写生成实验报告，由学生端计算机2上传给所述云端平台。对于搭建的实验电路，学生还利用学生侧移动终端5拍摄搭建实验电路照片，并通过第三方即时通信软件上传至所述云端平台4。

所述云端平台4接收所述学生侧移动终端5通过第三方即时通信系统6上传的搭建实验电路照片，以及接收所述学生端计算机2上传的结果数据和实验报告，在云端进行存储。从而，教师端计算机1可以登录云端平台4，查询实验课程任务的进度，以及对学生提交的搭建实验电路照片、结果数据和实验报告进行查询、审阅和评分。

本发明研发的电子电路实验智能终端3集成了电子电路搭建、教学模块组配和虚拟仪器功能。该电子电路实验智能终端3包括主机和扩展模块。图2示出了电子电路实验智能终端3的主机的正面外部结构，包括扩展模块安装区域301和输入输出接口。所述扩展模块安装区域301用于将所述扩展模块安装在主机上，所述扩展模块安装区域301的四个角上各具有一个固定孔301A，并且所述固定孔301A内具有磁吸，所述扩展模块安装时，其金属插脚插入固定孔301A并被所述磁吸吸住，以使得该扩展模块可拆卸固定于主机之上，所述扩展模块安装区域301还具有插拔扣手301B，以方便扩展模块的装卸。扩展模块安装之后，学生可在所述扩展模块上搭建实验电路，主机的输入输出接口用于向扩展模块上的实验电路供电和输出电信号，和/或从扩展模块上的实验电路采集电信号。如图2，所述输入输出接口包括以下接口：数字信号输入输出接口302A、PMOD接口302B、固定电压电源输出接口302C、可调节电压电源输出接口302D、示波器通道接口302E、示波器触发通道接口302F、信号发生器通道接口302G。数字信号输入输出接口302A用于向实验电路输出数字信号或者采集实验电路的数字信号；PMOD接口302B实现与实验电路之间符合PMOD规范的信号传输；固定电压电源输出接口302C、可调节电压电源输出接口302D用于向实验电路提供固定电压和可调电压的供电；示波器通道接口302E、示波器触发通道接口302F用于从实验电路采集信号，提供给主机内置示波器模块；信号发生器通道接口302G用于向实验电路提供主机内置信号生成器的信号。主机内置多种类型的虚拟仪器模块，所述虚拟仪器模块用于生成供电和电信号并通过所述输入输出接口提供给所述扩展模块上的实验电路，和/或测量分析由所述输入输出接口从扩展模块上的实验电路所采集的电信号，生成测量分析数据。具体来说，主机内置的所述虚拟仪器模块包括：信号源模块、程控可调电源模块、数字模版信号生成器、示波器模块、逻辑分析仪模块、电压表模块、静态数字I/O模块、网络分析仪模块、频谱分析仪模块、数字化万用表模块。信号源模块、数字模版信号生成器可以向实验电路输出模拟或者数字形式的信号激励；程控可调电源模块实现对实验电路的供电；示波器模块用于根据从实验电路采集的信号生成示波图像；逻辑分析仪模块、网络分析仪模块、频谱分析仪模块用于对实验电路采集的信号进行分析，获得分析结果数据；电压表模块和数字化万用表模块用于实现对实验电路的数值测量。图3示出了电子电路实验智能终端3的主机的侧面外部结构，包括：计算机接口303，用于将电子电路实验智能终端3连接至学生端计算机2，从而将虚拟仪器模块的测量分析结果数据传输给学生端计算机2，从而学生端计算机2可以利用虚拟仪器模块提供的数据进行实验结果和波形的显示，并且将测量分析结果数据上传至云端平台4。主机的侧面还包括外设接口304、扩展电源口305以及设备开关306。

所述扩展模块为面包板模块或电路实验教学模块，学生可以利用电子器件在面包板模块上搭建实验电路，或者利用电路实验教学模块的电路功能组件搭建实验电路。例如，对于数字电路实验课程，可采用的电路实验教学模块包括以下电路功能组件：FPGA芯片、随机存储器、时钟管理单元、片内模数转换器、拨码开关、LED指示灯、7段显示器、3-8译码电路、VGA输出接口、PMOD连接器、USB-JTAG端口。

通过本发明，教师可以向云端平台远程发布记载有详细实验要求的实验任务，学生通过移动终端上的微信等即时通信软件接收关于实验任务的推送消息，然后利用计算机登录云端平台，获得实验任务的详细要求，进而仿真实验电路，在电子电路实验智能终端搭建实际的实验电路并拍摄照片，以及获取实际实验电路的测量分析结果，将照片、结果数据以及实验报告上传云端平台。

本发明将虚拟仪器技术、云技术、即时移动通信相结合，实现了实验课程的任务部署、过程监督、实验数据采集、实验报告上交等环节的远程操作和云端管理，能够在师生之间进行交互共享，具有教学效果好、效率高的优点，将互联共享的教学实践理念融入电类专业课程，可以应用于数字电路、模拟电路、电路原理、信号与系统、嵌入式系统、物联网、单片机、传感器原理等课程的实验环节。

本系统中涉及到的相关模块均为硬件系统模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本系统的改进之处；本系统的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对系统的整体的构造进行改进，以解决本系统所要解决的相应技术问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种电子电路实验教学的云端智能平台，其特征在于，包括：教师端计算机、学生端计算机、电子电路实验智能终端、云端平台以及学生侧移动终端；其中

所述教师端计算机用于接入所述云端平台，并且在所述云端平台创建和发布实验课程任务；在云端平台查询实验课程任务的进度以及学生提交的搭建实验电路照片、结果数据和实验报告；

所述电子电路实验智能终端包括主机和扩展模块，所述扩展模块用于在其上面搭建实验电路；所述主机用于安装所述扩展模块，向扩展模块上的实验电路供电和输出电信号，以及从扩展模块上的实验电路采集电信号，并且利用主机内置的虚拟仪器模块测量分析从扩展模块上的实验电路所采集的电信号，将虚拟仪器模块的测量分析结果数据传输给学生端计算机；

所述学生侧移动终端用于从云端平台接收关于实验课程任务的推送消息，以及拍摄搭建实验电路照片并上传至所述云端平台；

所述学生端计算机用于接入所述云端平台并且连接所述电子电路实验智能终端；从所述云端平台接收所述实验课程任务；从所述电子电路实验智能终端获得对实验电路的测量分析结果数据；以及汇总所述测量分析结果数据，生成实验报告并上传给所述云端平台；

所述云端平台用于从所述教师端计算机接收所述实验课程任务，并且根据所发布的实验课程任务向学生侧移动终端推送消息；接收所述学生侧移动终端上传的搭建实验电路照片，以及接收所述学生端计算机上传的结果数据和实验报告；向教师端计算机提供实验课程任务的进度以及学生提交的搭建实验电路照片、结果数据和实验报告的查询。

2.根据权利要求1所述的电子电路实验教学的云端智能平台，其特征在于：所述学生端计算机还提供电路仿真功能，用于根据所述实验课程任务执行实验电路仿真。

3.根据权利要求1所述的电子电路实验教学的云端智能平台，其特征在于：所述云端平台和学生侧移动终端均具有连接第三方即时通信系统的接口；云端平台通过第三方即时通信系统向所述学生侧移动终端推送发布实验课程任务的消息，并且接收学生侧移动终端通过第三方即时通信系统上传的实验电路照片。

4.根据权利要求1所述的电子电路实验教学的云端智能平台，其特征在于：所述教师端计算机创建和发布的实验课程任务包括：实验名称、实验目标、实验要求、实验人数上限、实验课程截止时间以及教师留言。

5.根据权利要求1所述的电子电路实验教学的云端智能平台，其特征在于：

所述电子电路实验智能终端的主机包括：扩展模块安装区域、输入输出接口、虚拟仪器模块、计算机接口；其中，所述扩展模块安装区域用于将所述扩展模块安装在主机上；所述输入输出接口用于向扩展模块上的实验电路供电和输出电信号，和/或从扩展模块上的实验电路采集电信号；所述虚拟仪器模块用于生成供电和电信号并通过所述输入输出接口提供给所述扩展模块上的实验电路，和/或测量分析由所述输入输出接口从扩展模块上的实验电路所采集的电信号；所述计算机接口用于将电子电路实验智能终端连接至学生端计算机，将虚拟仪器模块的测量分析结果数据传输给学生端计算机；

所述电子电路实验智能终端的扩展模块为面包板模块或电路实验教学模块，在面包板模块或电路实验教学模块之上搭建实验电路。