CN210925145U - 一种嵌入于综合教学实验平台的虚拟仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种嵌入于综合教学实验平台的虚拟仪器。本实用新型包括高精度测量功能电路、高速测量功能电路和电源电路，高精度测量功能电路、高速测量功能电路、电源电路分别与综合教学实验平台连接。本实用新型在满足教学实验对功能、性能要求的基础上，能够显著降低学校的采购成本、减少实验工位的空间资源浪费，并实现仪器与教学设备的一体化、改善教学效果。

Description

一种嵌入于综合教学实验平台的虚拟仪器

技术领域

本实用新型涉及教学领域，尤其是一种嵌入于综合教学实验平台的虚拟仪器。

背景技术

在高等教育过程中，特别是工科和理科的教学过程中，为了让学生能够更好地理解书本上的理论知识，一般会开设相应的实验课程。一种方式是，由老师通过教学设备进行相关知识的演示；另一种方式是，由学生直接操作教学设备、进行动手实验，通过动手实验的过程，进一步加深对理论知识的理解。

目前，市面的教学实验设备以各种专用小型实验箱或大型实验台为主，这些试验箱或试验台只专注于某个具体的实验电路原理，而实验过程中需要的激励信号或观察信号，往往需要再配套独立的台式仪器配合使用，这样会带来较多问题，总结如下：

1)学校每采购一套实验箱或试验台，就得配套采购相应的台式仪器，增加了一定的采购成本；

2)传统台式仪器的体积重量普遍比较大，使得原本就比较紧张的实验工位面积无法缩小，浪费较多的空间资源；

3)传统台式仪器一般针对科研和生产设计，仪器的指标普遍比较好，而针对教学应用，传统台式仪器的指标往往过高，形成大马拉小车的局面，造成一定程度上的资源浪费；

4)传统台式仪器和实验箱之间通讯不便，不利于在实验过程中提高两者的相关度，进而不利于改善实验体验，如实验电路与仪器之间的同步性、实验电路数据与仪器数据的相关性以及实验报告的撰写等。

虚拟仪器不同传统仪器，软件即仪器是其核心思想，虚拟仪器没有传统仪器的显示屏幕和操作面板，所有这些都通过虚拟软件面板实现。虚拟仪器相比传统仪器具有三大显著优势：一是由于去掉了显示屏、操作面板，仪器的体积、重量显著降低；二是由于将更多的功能交给上位机软件实现，可能充分发挥软件的能力，使得虚拟的实时和后期分析处理功能显著提高；三是设计和生产工艺简化，成本显著降低。随着仪器技术和信息技术的不断发展，虚拟仪器技术日趋成熟，已经在工业领域得到大规模应用，但目前仍未发现在教学实验上的应用。

实用新型内容

本实用新型为解决背景技术中存在的技术问题，而提供一种具有多种仪器功能的虚拟仪器，该虚拟仪器能够嵌入到小型化的综合教学实验平台主机中，与教学实验平台构成一个有机整体，为高等教育的理工科教学提供先进的教学设备。

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型为一种嵌入于综合教学实验平台的虚拟仪器,其特殊之处在于：所述虚拟仪器包括高精度测量功能电路、高速测量功能电路和电源电路，高精度测量功能电路、高速测量功能电路、电源电路分别与综合教学实验平台连接。

优选的，高精度测量功能电路包括输入切换与保护电路，信号调理电路、高精度模数转换器和嵌入式处理器一，输入切换与保护电路接入信号调理电路，信号调理电路接入高精度模数转换器，高精度模数转换器接入嵌入式处理器一。

优选的，高速测量功能电路包括嵌入式处理器二、双路14位高速模数转换器、双路14位高速数模转换器、可编程门阵列、方向控制电路和静态存储器，可编程门阵列分别与嵌入式处理器二、双路14位高速模数转换器、双路14位高速数模转换器、方向控制电路和静态存储器连接。

优选的，高速测量功能电路还包括输入保护电路，输入信号调理电源和输出信号调理电源，输入保护电路接入输入信号调理电源，输入信号调理电源接入双路14位高速模数转换器，双路14位高速数模转换器接入输出信号调理电源。

优选的，电源电路包括嵌入式处理器三，数模转换器，降压转换器，DC/DC和输出监测与控制电路，嵌入式处理器三分别与数模转换器、DC/DC连接，与数模转换器、DC/DC分别通过降压转换器输出监测与控制电路连接。

本实用新型通过对高等教育部分课程的研究分析，虚拟仪器部分应该具有万用表、示波器、信号源、频谱仪、逻辑分析仪、码型发生器、多功能数字IO、阻抗分析仪、程控电源等九种常用仪器功能，部分课程还会使用到矢量网络分析仪、高阻计等仪器，但是，考虑到不是大部分课程都用、而且实现成本偏高，因此，虚拟仪器的方案确定为常用的九种仪器功能。由于九种仪器功能中，部分仪器功能的硬件实现原理是相同的，差异主要在虚拟软面板的实现，最终确定使用三类功能电路实现九种仪器：高精度测量功能电路、高速测量功能电路以及电源电路。高精度测量功能电路实现万用表的硬件功能。高速测量功能电路实现模拟高速采集与输出以及数字量的高速采集与输出，用于实现示波器、信号源、频谱仪、逻辑分析仪、码型发生器、多功能数字IO和阻抗分析仪七种仪器的硬件功能。电源电路实现程控电源的硬件功能。本实用新型可以应用于中学和大学的电子、信息、机械、通信、仪器、电力等机电相关类课程的实验教学平台中。本实用新型具有以下优点：

1)三种虚拟仪器硬件电路，实现九种仪器功能，性能指标满足教学要求，具有很高的性价比，能够显著降低学校采购成本；

2)体积小、重量轻，便于潜入到教学设备内部，降低了对实验工位空间资源的需求；

3)与教学设备集成为一个整体，实现控制与数据的同步，显著改善教学效果。

附图说明

图1为本实用新型应用的综合教学实验平台结构框图；

图2为本实用新型应用的综合教学实验平台结构布局图；

图3是本实用新型的高精度测量功能电路原理框图；

图4是本实用新型的高速测量功能电路原理框图；

图5是本实用新型的电源电路原理框图。

附图标记如下：

1、电源模块；2、多功能模块；3、虚拟仪器；4、主控模块；5、扩展接口；6、壳体；7、实验面包板；8、控制计算机；9、课程软件管理环境。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

参见图1、2,本实用新型虚拟仪器3应用的综合教学实验平台由电源模块1、多功能模块2、本实用新型虚拟仪器3、扩展接口5、主控模块4、壳体6和实验面包板7组成。主控模块4分别与电源模块1、多功能模块2、扩展接口5和本实用新型虚拟仪器3连接。电源模块1为多功能模块2和本实用新型虚拟仪器3的工作提供电源。多功能模块2主要与主机上扩展的实验电路配合，通过上位机软件、在主控模块4的控制下，实现实验的电路原理。本实用新型虚拟仪器3通过安装于上位机虚拟软面板、在主控模块4的控制下，为实验电路提供需要的各种源激励和信号测量。扩展接口5实现教学实验平台主机与实验电路之间的扩展连接。主控模块4接收上位机指令，实现对主机内部多功能电路和本实用新型虚拟仪器3的控制与数据交互。壳体6实现各模块的安装与防护。实验面包板7插拔在扩展接口5上，其中主控模块4主要实现USB数据交换功能，实现1路USB通讯与4路USB通讯之间的数据交换，基于常用的USB交换控制器进行实现，这里采用TUSB4041进行实现。多功能模块2采用32位单片机处理器STM32F446为核心，配套常规的模拟量采集电路、模拟量输出电路、数字量输入输出电路以及定时计数器电路进行整体功能实现。多功能模块通过USB接口与主控模块进行通讯，USB接口电路也是基于STM32F446的USB接口进行实现。

软件管理环境9加载在控制计算机8中，实验课程软件通过课程软件管理环境9调用本实用新型的主机硬件驱动，通过USB总线与主机中的主控模块4进行数据通讯，发送控制指令、读取采集的数据。控制计算机8采用普通的基于windows操作系统的商业计算机。主控模块4接收到控制计算机8的指令后，将其转换为内部局部总线数据，并实现与电源模块1、多功能模块2和本实用新型虚拟仪器3的通讯。各模块的功能在主控模块4的控制下，可以同时运行、互不影响，通过多条DMA通道实现与上位计算机之间的数据交互，模块的所有输入输出信号通过扩展接口5与实验面包板7进行交互。

本实用新型虚拟仪器3包括高精度测量功能电路、高速测量功能电路、和电源电路，高精度测量功能电路、高速测量功能电路、电源电路分别与综合教学实验平台中的主控模块4连接。

本实用新型虚拟仪器3具有万用表、双通道示波器、双通道信号源、单通道万用表、16通道逻辑分析仪、16通道码型发生器、16通道多功能数字IO、单通道阻抗分析仪以及双路程控电源等九种常用仪器功能，本实用新型虚拟仪器3的使用需要配合控制计算机8中安装的虚拟仪器软件一起使用，本实用新型虚拟仪器3的分析、显示、存储等功能均基于软件实现，为用户提供界面友好强大的虚拟面板。本实用新型虚拟仪器3的测试激励信号，一方面通过扩展接口5与实验面包板7交互，一方面直接引到壳体6面板上，方便用户直接使用。

参见图3，万用表功能能够实现直流电压、直流电流、交流电压、交流电流、电阻、导通、二极管等测试功能，万用表功能基于高精度测量功能电路实现，根据软件选择的测试功能，输入切换与保护电路首先实现测量通道的切换，同时为了防止过载信号对后端电路的损坏，这里还设计有过压和过流保护电路。信号切换至对应的信号调理电路输入端，信号调理电路对信号进行滤波、变换，将其变换至高精度模数转换器输入范围并由高精度模数转换器进行采集。高精度模数转换器采用24位高精度模数转换器，能够确保系统整体精度满足要求。高精度模数转换器采集输出经嵌入式处理器一处理后，通过局部总线与主控模块4之间进行指令与数据的交互。

参见图4，其余虚拟仪器功能由高速测量功能电路实现，高速测量功能电路能够实现双通道示波器、双通道信号源、单通道万用表、16通道逻辑分析仪、16通道码型发生器、16通道多功能数字IO和单通道阻抗分析仪。示波器的核心是采用双路14位高速模数转换器，双路14位高速模数转换器由可编程门阵列FPGA进行同步采样控制，双路14位高速模数转换器输出的数据通过SPI总线进入FPGA的FIFO进行缓冲，然后传输至嵌入式处理二。信号源的核心是采用双路14位高速数模转换器，需要输出的数据由嵌入式处理二下发至板载内存中，FPGA控制双路14位高速数模转换器将内存中的数据按顺序转换成模拟信号，经过平滑滤波后输出，两路输出之间可由FPGA进行相位控制。阻抗分析仪基于双通道示波器和信号源配合实现，硬件上借用这两种仪器的电路，其余由软件算法实现。逻辑分析仪、码型发生器和多功能数字IO在硬件上均基于FPGA的IO口实现，三者的差别在于协议波形和信号方向不同，协议波形由软件生成并下载至静态存储器(SRAM)，输入输出方向控制由电路的前端设计的方向控制电路实现。

参见图5，电源电路实现0-+15V、-15V-0V双路程控电源。双路程控电源作为虚拟仪器功能的一部分，采用宽输入电压的降压转换器(LDO)为核心实现，电路中的DC/DC为降压转换器提供输入电源，使用DA输出模拟信号控制降压转换器的输出电压，输出监测与控制电路能够监测输出电压与电流并反馈至控制端，嵌入式处理三接收局部总线过来的控制指令，实现输出电压、电流检测及反馈控制。

本实用新型提供了多仪器功能的虚拟仪器，可以嵌入到综合教学实验平台中使用，在满足教学实验对功能、性能要求的基础上，能够显著降低学校的采购成本、减少实验工位的空间资源浪费，并实现仪器与教学设备的一体化、改善教学效果。

以上，仅为本实用新型公开的具体实施方式，但本实用新型公开的保护范围并不局限于此，本实用新型公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种嵌入于综合教学实验平台的虚拟仪器,其特征在于：所述虚拟仪器包括高精度测量功能电路、高速测量功能电路和电源电路，所述高精度测量功能电路、高速测量功能电路、电源电路嵌入于综合教学实验平台，并分别与综合教学实验平台中的主控模块连接，所述高精度测量功能电路包括输入切换与保护电路、信号调理电路、高精度模数转换器和嵌入式处理器一，所述输入切换与保护电路接入信号调理电路，所述信号调理电路接入高精度模数转换器，所述高精度模数转换器接入嵌入式处理器一，所述高速测量功能电路包括嵌入式处理器二、双路14位高速模数转换器、双路14位高速数模转换器、可编程门阵列、方向控制电路和静态存储器，所述可编程门阵列分别与嵌入式处理器二、双路14位高速模数转换器、双路14位高速数模转换器、方向控制电路和静态存储器连接。

2.根据权利要求1所述的嵌入于综合教学实验平台的虚拟仪器，其特征在于：所述高速测量功能电路还包括输入保护电路，输入信号调理电源和输出信号调理电源，所述输入保护电路接入输入信号调理电源，所述输入信号调理电源接入双路14位高速模数转换器，所述双路14位高速数模转换器接入输出信号调理电源。

3.根据权利要求1或2所述的嵌入于综合教学实验平台的虚拟仪器，其特征在于：所述电源电路包括嵌入式处理器三，DA，降压转换器，DC/DC和输出监测与控制电路，所述嵌入式处理器三分别与DA、DC/DC连接，所述与DA、DC/DC分别通过降压转换器输出监测与控制电路连接。

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