CN109637309A - 一种电路故障模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种电路故障模拟实验系统，包括：微控制器、多个故障执行模块及多种目标电路板；其中，所述多个故障执行模块之间通过串行数据端口相互串联，所述微控制器与串联后的所述多个故障执行模块通过串行数据端口开环或闭环连接，所述多个故障执行模块通过预定义的接插件与所述目标电路板连接；所述微控制器中存储有多种预设故障代码，用于控制所述多个故障执行模块中各继电器的动作，以在所述目标电路中实现随机故障模拟。该系统通过电路控制方法模拟故障，产生的故障稳定可靠，且故障设置灵活性高，同时该系统中目标电路中的元器件无法拔出，避免了操作者直接对单个元器件孤立进行检测以判断故障的实验思路，能获得更好的实验效果。

Description

一种电路故障模拟实验系统

技术领域

本发明实施例涉及电路技术领域，更具体地，涉及一种电路故障模拟实验系统。

背景技术

在物理基础教学中，有不少高校的教学仍未走出重理论轻实践的传统模式。基础物理教学的效果常常被其他学科教学人士质疑，不得不承认在基础物理教学过程中，实践技能的训练是一个明显的软肋。为了提高学生电学基础方面的实践能力，一些高校在普通物理实验中增设了“电路故障的检测与排除”实验。

最先的实验设计是用积木式的元件在九孔板上搭建出的实验电路，在某些元件上做上“手脚”(即破坏元件使电路产生故障)，再让学生去查找。实验要求学生用万用表或示波器对电路进行检查，找出故障元件。然后用新元件替换，最后实现电路功能。但在实验过程中发现，很多时候，学生不会按照对电路进行在线检查的实验思路去进行实验操作，而是将九孔板上的元件拔出来，对元件逐个进行检测，而找出其中的故障元件，在找到故障元件后用新元件替代，最后也完成了电路功能，同时上述实验系统中的故障点需人工课前预先设置，不适合多批次学生反复操作。

发明内容

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的电路故障模拟实验系统。

本发明实施例提供了一种电路故障模拟实验系统，包括：微控制器、多个故障执行模块及多种目标电路板；其中，

所述多个故障执行模块之间通过串行数据端口相互串联，所述微控制器与串联后的所述多个故障执行模块通过串行数据端口开环或闭环连接，所述多个故障执行模块通过预定义的接插件与所述目标电路板连接；

每个故障执行模块包括串入并出移位寄存器、驱动器及继电器组，所述继电器组包括多个继电器，每个继电器的输入端通过所述驱动器与所述串入并出移位寄存器连接；

每种目标电路板上设置有相应的用于检测的目标电路，每个继电器的输出端与所述目标电路中对应的元器件并联或串联；

所述微控制器中存储有多种预设故障代码，用于控制所述多个故障执行模块中各继电器的动作，以在所述目标电路中实现故障模拟。

进一步地，当所述目标电路中对应的元器件的模拟故障为短路时，对应的继电器的输出端的常开触点串联第一预设阻值的电阻后与所述对应的元器件并联；当所述目标电路中对应的元器件的模拟故障为断路时，对应的继电器的输出端的常闭触点并联第二预设阻值的电阻后与所述目标元器件串联；其中，所述第一预设电阻包含取零值，所述第二预设电阻包含取无穷大值。

进一步地，每个目标电路中各元器件两端分别设置有一个检测接点，用于供操作者对各元器件进行故障检测。

进一步地，所述系统还包括液晶显示LCD和状态指示LED，所述液晶显示LCD和所述状态指示LED分别与所述微控制器连接；其中，所述液晶显示LCD用于显示所述系统的各类参数；所述状态指示LED用于指示所述系统的状态。

进一步地，所述系统还包括输入控制按键，所述输入控制按键与所述微控制器连接，用于供所述操作者向所述微控制器输入相关参数。

进一步地，所述系统还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与所述微控制器连接，用于通过无线方式接收和发送数据。

进一步地，所述系统还包括目标电路板电源及保护电路，所述目标电路板电源及保护电路分别与所述微控制器和所述目标电路板连接，用于在所述微控制器的控制下为所述目标电路板供电。

本发明实施例提供的一种电路故障模拟系统，通过微控制器中的预设故障代码控制继电器组的动作，实现对目标电路的故障模拟。该系统通过电路控制方法模拟故障，故障设置一键完成，且故障点由系统随机自动配置，对实验操作者隐秘，同时该系统中目标电路中的元器件无法拔出，避免了操作者直接对单个元器件进行检测以判断故障的实验思路，能获得更好的实验效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电路故障模拟实验系统的原理示意图；

图2为本发明实施例中故障执行模块的串行环路控制原理示意图；

图3为本发明实施例中故障执行模块的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。

图1为本发明实施例提供的一种电路故障模拟实验系统的原理示意图，如图1所示，包括：微控制器1、多个故障执行模块2及多种目标电路板3。其中：

所述多个故障执行模块2之间通过串行数据端口相互串联，所述微控制器1与串联后的所述多个故障执行模块2通过串行数据端口开环或闭环连接，所述多个故障执行模块2通过预定义的接插件与所述目标电路板3连接。

其中，微控制器1可以采用单片机，其具体型号可根据实际需求进行选用。故障执行模块2是该系统的核心执行部件，其具体数量可根据要模拟的故障的数量来确定。目标电路板3的种类可以有多种，每种目标电路对应一种实现特定功能的目标电路，一次实验中选用一种目电路板3。微控制器1与故障执行模块2之间可以是开环连接，也可以是闭环连接，闭环连接如图2所示。

每个故障执行模块2包括串入并出移位寄存器21、驱动器22及继电器组23，所述继电器组23包括多个继电器，每个继电器的输入端通过所述驱动器22与所述串入并出移位寄存器21连接。

其中，如图3所示，在具体实现时，串入并出移位寄存器21采用8位串入并出移位寄存器，驱动器22采用8位驱动器，相应的每个故障执行模块2的继电器组中包括8个继电器。每个故障执行模块2中各继电器的动作由微控制器1控制。

每种目标电路板3上设置有相应的用于检测的目标电路，每个继电器的输出端与所述目标电路中对应的元器件并联或串联。

其中，对目标电路中元器件的故障模拟主要是通过继电器的接入，进而使对应的元器件短路或中断路。每种目标电路板3上预设有对应的目标电路以及连接电路，连接电路用于连接各继电器与对应的元器件。

所述微控制器1中存储有多种预设故障代码，用于控制所述多个故障执行模块2中各继电器的动作，以在所述目标电路中实现故障模拟。

其中，由于该系统中有多种可替换的目标电路板3，故多种预设故障代码分别对应多种目标电路板3，用于在采用不同种类电路板3时，选用对应的预设故障代码。

具体地，本发明实施例提供的电路故障模拟系统接电后，微控制器1首先对目标电路板3的种类进行识别，进而调用与识别出的目标电路板3的种类对应的预设故障代码。微控制器1再利用该预设故障代码分别向各故障执行模型2中的各继电器发送控制指令，进而通过所述继电器组中每个继电器的输入端控制对应的输出端的动作，改变目标电路中各元器件的通电状态，以在所述目标电路板3中实现故障模拟。

需要说明的是，系统每次通电时，对于同一目标电路板，其对应的故障元器件相较于上一次通电都会发生变化。这是由于微控制器中存储的各预设故障代码中都包含有随机函数，系统通电时，预设故障代码随机控制各故障执行模块中一个或多个继电器动作，实现故障模拟，同时保证每次故障元器件随机变化。这样即可防止操作者通过记忆故障元器件位置的方式来完成故障元器件的确定，而非通过电学方法检测得到，保证了更好的实验效果。

本发明实施例提供的一种电路故障模拟系统，通过微控制器中的预设故障代码控制故障执行模块中继电器的动作，实现对目标电路的故障模拟。该系统通过电路控制方法模拟故障，产生的故障稳定可靠，且故障设置灵活性高，同时该系统中目标电路中的元器件无法拔出，避免了操作者直接对单个元器件进行检测以判断故障的实验思路，能获得更好的实验效果。

在上述实施例中，当所述目标电路中对应的元器件的模拟故障为短路时，对应的继电器的输出端的常开触点串联第一预设阻值的电阻后与所述对应的元器件并联；当所述目标电路中对应的元器件的模拟故障为断路时，对应的继电器的输出端的常闭触点并联第二预设阻值的电阻后与所述目标元器件串联；其中，所述第一预设电阻包含取零值，所述第二预设电阻包含取无穷大值。

具体地，在电路故障模拟的应用中，采用继电器组做执行部件具有独特的性能优势：短路电阻小，开路电阻大，与控制电路隔离，各组输出相互隔离。在输出端串联或并联适合的电阻、电容或电感元件，可以模拟出各种电路故障表现。例如，某器件短路电阻是200欧姆，可以将200欧姆电阻串联到继电器常开输出端端进行模拟；某器件开路电阻是1兆欧姆，可以在继电器常闭输出端并联1兆欧姆电阻进行模拟。继电器输出端的隔离特性，允许它直接串接或并接到实际电路中的选定元件上，不会改变电路正常工作状态。

通过继电器的输出回路的接通或闭合来实现元器件的短路或断路，稳定可靠，且易于控制。

在上述实施例中，所述目标电路包括多个检测接点，用于供操作者对对应的元器件进行故障检测。

具体地，该系统可以设计成一个实验箱，打开箱盖后操作者可见的一个操作面板，该操作面板上绘制有目标电路的电路结构图，目标电路的多个检测接点设置在该操作面板上的电路结构图的相应位置。该操作面板背面的箱体内设置有目标电路的元器件、继电器组及微控制器。操作者在该系统运行时，只需使用相关的仪器，例如示波器，万用变，通过多个检测接点进行检测，并结合相关电路知识，判定出是哪些元器件短路或断路，即操作者对故障进行排查确认。

需要说明的是，当操作者在预设时间段内都没能排查出所有故障元器件时，微处理器通过向故障执行模块中对应的继电器发出控制指令，使得对应的继电器动作，从而解除对应的元器件上的模拟故障。

在上述实施例中，所述系统还包括液晶显示LCD4和状态指示LED5，所述液晶显示LCD4和所述状态指示LED5分别与所述微控制器1连接；其中，

所述液晶显示LCD4用于显示所述系统的各类参数；所述状态指示LED5用于指示所述系统的状态。

具体地，将该系统设计成一个实验箱时，液晶显示LCD4和状态指示LED5均设置在操作面板上，操作者可以通过液晶显示LCD4和状态指示LED5查看各类参数，获取系统的实时状态。

在上述实施例中，所述系统还包括输入控制按键6，所述输入控制按键6与所述微控制器1连接，用于供所述操作者向所述微控制器1输入相关参数。

具体地，将该系统设计成一个实验箱时，输入控制按键6设置在操作面板上，输入控制按键6与液晶显示LCD4配合，用于供操作者输入相关参数和查看相关参数。

当操作者需要设置系统的相关参数时，可以通过输入控制按键6将液晶显示LCD4调制对应页面，再通过输入控制按键6对系统的相关参数进行设置。

当操作者通过检测接点的检测，确定目标电路中模拟故障所在的元器件后，通过输入控制按键6选择故障所在的元器件标识符输入所述微控制器中。微控制器在接收到元器件标识符后，将其对应的故障代码与设定的故障代码相比对，若匹配则通过所述预设故障代码控制模拟故障所在的元器件对应的继电器动作，以解除该元器件的故障。

操作者完成一个故障的输入且与预设故障代码设定的故障相匹配，则完成一个故障的排除，在此过程中系统会对操作者从故障模拟开始到故障全部排除所用时间以及尝试次数进行自动记录，并综合后给出评分，以实现对操作者故障排除行为的自动评价，该评分可以通过液晶显示LCD查看。

在上述实施例中，所述系统还包括无线通讯模块7，所述无线通讯模块7与所述微控制器1连接，用于通过无线方式接收和发送数据。

具体地，电路故障模拟实验系统可通过无线通讯模块7与上位机进行无线连接，并进行数据传输。在同时有多个操作者分别通过多个包含所述故障模拟试验系统的实验箱进行实验时，个包含所述故障模拟试验系统的实验箱可以分别与实验管理员的上位机进行无线通讯。一方面实验管理员可以通过上位机对实验箱的参数进行设置，另一方面实验箱可以将实时状态和每个操作者的评分反馈至实验管理员的上位机。在得到多个操作者的评分后，实验管理员在上位机上对各评分进行分析排名，以得出整体的实验情况。

在上述实施例中，所述系统还包括目标电路板电源及保护电路8，所述目标电路板电源及保护电路8分别与所述微控制器1和所述目标电路板3连接，用于在所述微控制器的控制下为所述目标电路板3供电。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种电路故障模拟实验系统，其特征在于，包括：微控制器、多个故障执行模块及多种目标电路板；其中，

所述多个故障执行模块之间通过串行数据端口相互串联，所述微控制器与串联后的所述多个故障执行模块通过串行数据端口开环或闭环连接，所述多个故障执行模块通过预定义的接插件与所述目标电路板连接；

每个故障执行模块包括串入并出移位寄存器、驱动器及继电器组，所述继电器组包括多个继电器，每个继电器的输入端通过所述驱动器与所述串入并出移位寄存器连接；

每种目标电路板上设置有相应的用于检测的目标电路，每个继电器的输出端与所述目标电路中对应的元器件并联或串联；

所述微控制器中存储有多种预设故障代码，用于控制所述多个故障执行模块中各继电器的动作，以在所述目标电路中实现故障模拟。

2.根据权利要求1所述电路故障模拟实验系统，其特征在于，当所述目标电路中对应的元器件的模拟故障为短路时，对应的继电器的输出端的常开触点串联第一预设阻值的电阻后与所述对应的元器件并联；当所述目标电路中对应的元器件的模拟故障为断路时，对应的继电器的输出端的常闭触点并联第二预设阻值的电阻后与所述目标元器件串联；其中，所述第一预设电阻包含取零值，所述第二预设电阻包含取无穷大值。

3.根据权利要求2所述电路故障模拟实验系统，其特征在于，每个目标电路中各元器件两端分别设置有一个检测接点，用于供操作者对各元器件进行故障检测。

4.根据权利要求3所述电路故障模拟实验系统，其特征在于，所述系统还包括液晶显示LCD和状态指示LED，所述液晶显示LCD和所述状态指示LED分别与所述微控制器连接；其中，

所述液晶显示LCD用于显示所述系统的各类参数；所述状态指示LED用于指示所述系统的状态。

5.根据权利要求3所述电路故障模拟实验系统，其特征在于，所述系统还包括输入控制按键，所述输入控制按键与所述微控制器连接，用于供所述操作者向所述微控制器输入相关参数。

6.根据权利要求3所述电路故障模拟实验系统，其特征在于，所述系统还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与所述微控制器连接，用于通过无线方式接收和发送数据。

7.根据权利要求3所述电路故障模拟实验系统，其特征在于，所述系统还包括目标电路板电源及保护电路，所述目标电路板电源及保护电路分别与所述微控制器和所述目标电路板连接，用于在所述微控制器的控制下为所述目标电路板供电。