CN210925146U - 一种课程可扩展的综合教学实验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种课程可扩展的综合教学实验平台，本实用新型包括控制计算机和教学实验平台主机，教学实验平台主机包括电源模块、多功能模块、虚拟仪器和主控模块，主控模块分别与电源模块、多功能模块和虚拟仪器连接，控制计算机与主控模块连接。本实用新型可显著提高教学实验平台的通用性和扩展性。

Description

一种课程可扩展的综合教学实验平台

技术领域

本实用新型涉及教学领域，尤其是一种课程可扩展的综合教学实验平台。

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，虽然为大多数课程提供了动手实验的手段和方法，但是，存在的问题也比较多，总结如下：

1)通用化程度差、导致教学难度增大、学习精力分散。针对同一课程，不同厂商的技术体系和实现方式差异较大，针对不同课程，同一厂商都存在技术体系和实现方式完全不同的情况。这样就导致，老师和学生会花费较多不必要的精力去熟悉教学设备本身，而不能全身心投入到实验课程当中；

2)扩展性差、导致采购成本增加、管理难度增加。很多实验设备的核心部件的基本原理及功能一致，但是由于不能提取共用，当需要增加实验内容时，无法在原有设备上进行扩展实现、不得不重新采购全新设备，导致大量重复性采购，一方面造成采购维护费用的不必要增加，另一方面实验室不断增加的大量的专用设备，为实验室的管理带来困难；

3)实现方式陈旧、与技术发展脱节。很多实验设备采用的技术过于陈旧、低端，不能很好地和当前工业信息技术发展潮流结合。一方面，“古董式”的教学设备导致学生失去学习、研究的兴趣，限制了实验教学作用的发挥；另一方面，使得学生不能在学习书本知识时，同步接触最近的工业信息技术。

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，而提供一种课程可扩展的综合教学实验平台,显著提高教学实验平台的通用性和扩展性。

本实用新型的技术解决方案如下：本实用新型为一种课程可扩展的综合教学实验平台，其特殊之处在于：所述综合教学实验平台包括控制计算机和教学实验平台主机，教学实验平台主机包括电源模块、多功能模块、虚拟仪器和主控模块，主控模块分别与电源模块、多功能模块和虚拟仪器连接，控制计算机与主控模块连接。

优选的，教学实验平台主机还包括扩展接口，扩展接口分别与电源模块、多功能模块和虚拟仪器连接。

优选的，教学实验平台主机还包括实验面包板，实验面包板插拔在扩展接口上。

优选的，扩展接口采用PCI高密接口，PCI金手指直接加工至各种扩展的课程功能板实验面包板之上，PCI插槽安装于教学实验平台主机上。

优选的，虚拟仪器包括万用表、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、单通道阻抗分析仪和双路程控电源。

优选的，主控模块采用TUSB4041进行实现。

优选的，多功能模采用32位单片机处理器STM32F446为核心，配套模拟量采集电路、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。

优选的，教学实验平台主机还包括壳体，壳体实现教学实验平台主机各模块的安装与防护。

优选的，控制计算机内加载有课程软件管理环境。

教学实验平台主机是本实用新型的核心，为了使用教学实验平台具备一定的通用性和扩展性，通过对大专院校电子、信息、机械、通信、仪器、电力等专业几十门课程的研究分析，将实验设备的硬件资源划分为通用资源、扩展接口和专用资源，通用资源是绝不大部分实验均需要使用的资源、并做标准化处理，扩展接口是实现通用资源与专用资源连接的接口，专用资源是只一门具体的实验课程需要的资源。通用资源作为构成教学实验平台主机的核心资源，由电源模块、多功能模块、虚拟仪器、主控模块构成；扩展接口作为可扩展性实现的关键，这里创造性的采用PCI高密接口实现，PCI金手指直接加工至各种扩展的实验面包板之上，PCI插槽安装于教学实验平台主机壳体之上并露出，便于课程功能板的插拔互换，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。专用资源为实现实验原理的各种电路和机械装置，作为主机的扩展配置。本实用新型将大部分实验所需要的资源进行提取、标准化，形成通用性很强的平台，通过高密的扩展接口与专用的实验资源连接，在上位机软件的配合下开展各种实验。其具有以下优点：

1)通用性、扩展性强，解决了当前专用教学设备带来的一系列问题，如学习难度问题、采购问题、管理问题等前述问题；

2)基于软件即仪器的思想构建整体方案，进行合理的软件、硬件功能切分，符合当前工业技术发展潮流，利于学生在实验的过程中，接触理解最新的工业信息技术。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；

图2为本实用新型的结构布局图；

图3是本实用新型的虚拟仪器的高精度测量功能电路原理框图；

图4是本实用新型的虚拟仪器的高速测量功能电路原理框图；

图5是本实用新型的虚拟仪器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、本实用新型的具体实施例结构包括控制计算机8、教学实验平台主机以及课程软件管理环境9三部分构成。控制计算机8用于安装课程软件管理环境9以及各种课程软件，并按照实验流程、通过USB接口实现对教学实验平台主机的控制。课程软件管理环境具有两种功能，一是实验平台主机的硬件资源识别与管理，二是用于加载具体的实验课程软件，通过实验课程软件控制教学实验平台主机进行各种实验。控制计算机采用普通的基于windows操作系统的商业计算机即可，在实验室应用时，可以采用台式计算机，在课堂或移动场所应用时，采用笔记本电脑或平板电脑即可。采用普通商业计算机的优势是可以进一步降低成本，提高学校常用设备的利用率。

教学实验平台主机是本实用新型(实用新型)的硬件核心，教学实验平台主机由电源模块1、多功能模块2、虚拟仪器3、主控模块4、扩展接口5、壳体6以及实验面包板7等部分构成。主控模块4分别与电源模块1、多功能模块2、和虚拟仪器3连接，扩展接口5分别与电源模块1、多功能模块2和虚拟仪器3连接。壳体6实现教学实验平台主机各模块的安装与防护。实验面包板7插拔在扩展接口5上，将实验面包板7换成其他课程的硬件电路板，该主机即转换成相应的实验设备。如将实验面包板7替换成模拟电路实验板，即可开展模拟电路实验，如替换成数字电路实验板，即可开展数字电路实验。

电源模块1一方面为主机内部各种电路工作提供+5V固定电源，一方面通过扩展接口5为插接的实验面包板7提供+5V、+12V、-12V三种固定电源和0-+15V、-15V-0V两种程控电源。

多功能模块2是教学实验平台主机的核心硬件，通过对各种实验课程所需共性资源进行提炼、归纳，形成该模块。多功能模块2可以实现16路模拟量的采集、4路模拟量输出、24路方向可设置的数字IO以及6路定时计数器，这些功能在多功能模块2控制器的控制下，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，多功能模块2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。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。

虚拟仪器3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、双通道程控电源以及单通道阻抗分析仪，虚拟仪器3的使用需要配合控制计算机中安装的虚拟仪器软件一起使用，虚拟仪器的分析、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。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。

主控模块4用于实现对电源模块1、多功能模块2、虚拟仪器3的控制，并实现与控制计算机8之间的USB通讯连接。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。

扩展接口5是实现课程可扩展的关键，由于转接信号涉及功率信号、模拟信号和数字信号，而且信号数量比较多。若采用普通的信号连接器，单个连接器无法实现，导致扩展连接器数量增多，增加了转接接口设计的难度；若采用密度较高的航空连接器或欧卡连接器，要不是插拔不方便、要不就是整体造型设计不变。为了解决这些问题，经过不断的试验验证，创造性地将用于计算机内部进行高速数据局部总线互联的PCI接口应用到这里，通过信号的合理分配与布局走线，不但解决了混合信号的EMC串扰问题，而且课程实验板连接可靠、插拔方便，系统结构和造型设计更是得到了简化。

实验面包板7(或课程实验板)设计为一块带有金手指的电路板，需要做哪一门课的实验时，将相应的实验板安装到实验平台主机上，从而在不需要更换平台主机的前提下，可以不断增加和扩展新的实验课程，降低学校采购成本的同时简化了实验设备管理。实验面包板7上设计有各种实验电路，学生按照课程软件中的提示，在实验面包板7上完成接线，通过课程软件的操作实现激励产生、信号采集、分析，达到理论知识实际验证和创新想法验证的学习目的。针对不同的实验课，主机的使用和操作没有变化，变化的是和课程密切相关的电路接线和软件操作，学生的精力可以完全集中到课程本身，提高了学习效率。

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。

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，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，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。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(高精度AD)输入范围并由高精度模数转换器(高精度AD)进行采集。高精度模数转换器(高精度AD)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(高精度AD)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(高速AD)，双路14位高速模数转换器(高速AD)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(高速AD)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(高速DA)，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(高速DA)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。

本实用新型提供了一种课程可以扩展的综合教学实验平台，基于一种教学实验平台，通过扩展不同实验课程的软件和硬件，就可以用于不同课程的教学演示和动手实验，将显著提高教学实验平台的通用性和扩展性。本实用新型采用软件即仪器的思想，符合当前工业信息技术发展潮流。

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 (9)

1.一种课程可扩展的综合教学实验平台，其特征在于：所述综合教学实验平台包括控制计算机和教学实验平台主机，所述教学实验平台主机包括电源模块、多功能模块、虚拟仪器和主控模块，所述主控模块分别与电源模块、多功能模块和虚拟仪器连接，所述控制计算机与主控模块连接，所述多功能模采用用32位单片机处理器为核心，配套模拟量采集电路、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。

2.根据权利要求1所述的课程可扩展的综合教学实验平台，其特征在于：所述教学实验平台主机还包括扩展接口，所述扩展接口分别与电源模块、多功能模块和虚拟仪器连接。

3.根据权利要求2所述的课程可扩展的综合教学实验平台，其特征在于：所述教学实验平台主机还包括实验面包板，所述实验面包板插拔在扩展接口上。

4.根据权利要求3所述的课程可扩展的综合教学实验平台，其特征在于：所述扩展接口采用PCI高密接口，PCI金手指直接加工至各种扩展的课程功能板实验面包板之上，PCI插槽安装于教学实验平台主机上。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的课程可扩展的综合教学实验平台，其特征在于：所述虚拟仪器包括万用表、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、单通道阻抗分析仪和双路程控电源。

6.根据权利要求5所述的课程可扩展的综合教学实验平台，其特征在于：所述主控模块采用TUSB4041进行实现。

7.根据权利要求6所述的课程可扩展的综合教学实验平台，其特征在于：所述32位单片机处理器采用STM32F446。

8.根据权利要求7所述的课程可扩展的综合教学实验平台，其特征在于：所述教学实验平台主机还包括壳体，所述壳体实现教学实验平台主机各模块的安装与防护。

9.根据权利要求8所述的课程可扩展的综合教学实验平台，其特征在于：所述控制计算机内加载有课程软件管理环境。

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