专利名称：一种实验教学辅助管理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种教学辅助管理系统，尤其是涉及一种实验教学辅助管理系统。
背景技术：
实验教学是高校理论教学的重要辅助手段，认真操作和高质量的完成实验对于学生掌握理论知识培养动手能力至关重要，在工科院校设置的许多实验课程教学中通常是安排1到2位学生操作一台实验箱，一个实验教室内设置几十台实验箱，学生根据不同实验内容更换实验箱的不同实验模块来进行实验，实验中要求学生用示波器来观察实验设备中各点输出的实验波形并作记录，通过实验报告上交给老师评判，由于师资力量有限，一个实验教室只能配备1-2名实验指导老师，而实验时间有限，学生做实验的速度也不一样，因此老师无法在课堂上详细了解每位学生实验的真实情况，对学生的实验评价也仅仅停留在实验报告的批改上，不能在实验过程中对每位学生实验中出现的问题给予及时纠正，也无法客观真实的评价每位学生的实验情况。针对上述不足，中国专利申请号为200610019437.5发明专利申请公开说明书中披露了由武汉理工大学发明的一种学生实验辅助学习机，它由微处理器MCU、液晶显示器、输入设备、移动存储卡接口及外接的存储卡设备、在MCU数据总线上所设的USB接口、网络通信芯片及网络接口、IIS接口芯片、标准串口接口构成，其工作原理是微处理器MCU通过数据通讯接口(串口或USB接口)与实验仪器数据输出接口相连，微处理器MCU通过网络接口与实验网络相连接，实验网络上还连接有教师终端服务器，它能够在上课做实验阶段各个教学环节得到全程实验指导、可将实验数据上传到服务器上供老师批改、可智能识别实验结果的对错、误差和精度。但是上述的这一发明也还存在一些缺陷，首先它的整机结构太复杂，成本较高，而且目前国内厂家生产的各种实验箱中并没有固定的实验数据输出接口，这是因为在实验过程中，不同的实验内容需要观察不同输出点的实验波形，这些实验波形的输出点在各个实验模块上的位置是不同的，因此也不可能有一个适合各个单元实验内容的公共数据输出接口，所以该发明的使用范围很小，无法适合任意厂家生产的实验设备；二是微处理器MCU、教师终端服务器都需要通过网络接口与实验网络相连接，属于有线方式连接，教室内有几十台实验设备就要设置有铺设几十条网线，它除了技术复杂成本高外还存在因实验室内连接线过多造成整体实验环境较杂乱的缺陷。因此非常有必要开发一个既能适合各种实验设备又不需要增加过多连线的低成本实验教学辅助管理系统，用于实时检测学生的实验操作情况和客观评价学生的实验结果并能及时发现错误指导学生进行正确的操作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种实验教学辅助管理系统，该系统能够实时采集管理各种实验教学箱中任意实验波形输出点的波形，而且成本低，结构简单，不影响实验室整体环境。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种实验教学辅助管理系统，包括多个实验信号处理模块、至少一个实验信号管理模块和与所述的实验信号管理模块连接的微型计算机，所述实验信号处理模块输入端连接有信号采集探头，所述的实验信号处理模块输出端设置有实验端无线收发电路，所述的实验信号管理模块输入端设置有与所述的实验端无线收发电路进行通信的管理端无线收发电路，所述的实验信号处理模块设置有频道序号发生装置。
所述的实验信号处理模块包括对所述的信号采集探头采集到的实验信号进行整形、驱动提升的实验信号预处理电路、对整形后的信号进行模数转换的高速A/D转换电路和对模数转换后的实验数据信号进行处理的实验端数据信号处理电路，所述的实验端数据信号处理电路的输出端与所述的实验端无线收发电路的输入端连接，所述的频道序号发生装置设置在所述的实验端数据信号处理电路上，所述的实验信号管理模块包括管理端数据信号处理电路和USB接口电路，所述的管理端无线收发电路的输出端与所述的管理端数据信号处理电路连接，所述的微型计算机设置有USB接口。
所述的实验端数据信号处理电路由单片机及外围电路组成，所述的频道序号发生装置为与所述的单片机连接的拨码开关。
所述的实验端数据信号处理电路包括可编程逻辑器件、高速静态RAM和单片机及外围电路，所述的频道序号发生装置为与所述的单片机连接的拨码开关。
所述的单片机型号为AT89C52，所述的实验端无线收发电路由型号为NRF2401的收发芯片及外围电路组成，所述的单片机与所述的实验端无线收发电路之间设置有型号为74LVC245的芯片构成的电平转换电路。
所述的可编程逻辑器件的型号为EPM240，所述的高速静态RAM的型号为K6R1008V1D-J10。
所述的信号采集探头包括接地端和信号采集端，分别为带塑料套把柄的金属鳄鱼夹或带塑料套的可伸缩的金属弯钩中的一种。
所述的管理端数据信号处理电路由型号为AT89C52的单片机及外围电路组成，所述的USB接口电路由型号为CH370的芯片及外围电路组成。
所述的实验端无线收发电路和所述的管理端无线收发电路均是无线收发器件PTR4000。
所述的高速A/D转换电路由型号为ADS930E的流线型高速A/D转换器芯片及外围电路组成。
与现有技术相比，本发明的优点在于在实验信号处理模块的输入端连接信号采集探头，实验信号处理模块输出端设置实验端无线收发电路，在实验信号管理模块输入端设置与实验端无线收发模块进行通信的管理端无线收发电路，针对各种不同的实验教学箱及不同的实验要求，只要改变信号采集探头的采样位置，就可以快速方便地实时采集管理各种实验教学箱中任意实验波形输出点的波形，然后通过实验端无线收发电路和管理端无线收发电路之间的通信，将数据传送到实验指导教师使用的与实验信号管理模块连接的微型计算机上，根据预先设置的实验结果数据库及相应的程序，就可以快速准确地判断实验的结果的对错，而在实验信号处理模块设置频道序号发生装置可以使与实验信号管理模块连接的微型计算机能够准确地识别发送数据信号的实验教学箱的位置；实验端数据信号处理电路由可编程逻辑器件、高速静态RAM和单片机及外围电路组成，较之单纯由单片机及外围电路组成的实验端数据信号处理电路，其处理的数据容量更大，适合于一些图像信号的实验；当使用的单片机型号为AT89C52，而无线收发电路由型号为NRF2401的收发芯片及外围电路组成时，则需要在单片机与无线收发电路之间设置电平转换电路，但对于有些型号的单片机，如89LS52芯片，则可以省略电平转换电路。
图1是本发明实验教学辅助管理系统的原理框图；图2是本发明实施例一的实验信号预处理电路和高速A/D转换电路的电路图；图3是本发明实施例一的实验端数据信号处理电路的电路图；图4是本发明实施例一的实验端无线收发电路的电路图；图5是本发明实施例一的电平转换电路的电路图；图6是本发明实施例一的实验信号管理模块的电路图；图7是本发明实施例二的实验端数据信号处理电路的电路图。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一一种实验教学辅助管理系统，包括多个实验信号处理模块1、一个实验信号管理模块2和与实验信号管理模块2连接的微型计算机3，实验信号处理模块1包括实验信号预处理电路11、高速A/D转换电路12和实验端数据信号处理电路13，实验信号预处理电路11输入端连接有信号采集探头4，实验端数据信号处理电路13的输出端连接有实验端无线收发电路5，信号采集探头4包括接地端41和信号采集端42，分别为带塑料套把柄的金属鳄鱼夹，实验信号预处理电路11由两个型号为338运算放大器及外围电路组成，对信号采集探头4采集到的实验信号进行整形和驱动提升，高速A/D转换电路由型号为ADS930E的流线型高速A/D转换器芯片及外围电路组成，对整形后的信号进行模数转换，实验端数据信号处理电路13由型号为AT89C52的单片机及外围电路组成，对模数转换后的实验数据信号进行处理，在单片机的P12~P17脚上连接有拨码开关6作为频道序号发生装置，实验端无线收发电路5由型号为NRF2401的收发芯片及外围电路组成，单片机与收发芯片之间设置有型号为74LVC245的芯片，在两者之间进行电平转换，实验信号管理模块2包括管理端数据信号处理电路21和USB接口电路22，管理端数据信号处理电路21的输入端设置有与实验端无线收发电路5进行通信的管理端无线收发电路7，管理端数据信号处理电路21由型号为AT89C52的单片机及外围电路组成，USB接口电路22由型号为CH370的芯片及外围电路组成，管理端无线收发电路7由型号为NRF2401的收发芯片及外围电路组成，单片机与收发芯片之间设置有型号为74LVC245的芯片，在两者之间进行电平转换，微型计算机3设置有USB接口。
实施例二其它结构与实施例一相同，不同之处在于实验端数据信号处理电路12还包括型号为EPM240可编程逻辑器件和型号为K6R1008V1D-J10高速静态RAM，信号采集探头4的接地端41和信号采集端42采用带塑料套的可伸缩的金属弯钩，实验端无线收发电路5和管理端无线收发电路7均是无线收发模块PTR4000。本结构的实验端数据信号处理电路13设置有能产生时钟控制电路、地址发生、切换电路和数据信号切换电路的可编程逻辑器件和用于使A/D转换工作在直接内存访问方式所需的高速静态RAM，在减轻CPU的工作量同时又确保A/D的采集速率，这样就将A/D转换设计成DMA方式(不用CPU介入)，即A/D转换的控制时序、数据的读取、数据存贮(存入静态RAM)均由CPLD(可编程逻辑器件)来完成。采样和数据发送是分时进行的，第一阶段为采样时段，在采样时段(大约50ms)内，高速A/D转换器连续进行转换，转换后的数据直接存入高速静态RAM中。在此期间需要由CPLD来产生地址，待高速静态RAM存满后由CPLD通知微处理器。第二阶段为数据传输时段，微处理器将高速静态RAM中数据全部逐次读出，经无线发射模块进行数据传输(发完大约50ms)。以后重复上述过程。
上述实施例中，实验信号处理模块1的数量可以与教室中实验设备的套数相同，即每套实验设备边上都放一个，它的外形可设计成长*宽*高为15*10*5厘米的盒子，实验信号处理模块1和实验端无线收发电路5均安装在盒内，盒外设置有通过导线与盒内实验信号处理模块1输入端连接的信号采集探头4，信号采集探头4可设计成与示波器探头相同结构，针对具有特定的输出波形的实验，本管理系统采用信号采集技术，分别通过信号采集探头4从不同的实验箱的各个图形输出点上采集学生操作过程中产生的各个实验波形进行模数转换后以无线传输的方式发送到实验指导老师处的与实验信号管理模块2连接的微型计算机3中，老师无需走到每个学生的实验箱旁就可以观察到学生操作实验所产生的波形，这样一位老师就可以同时实时地监控几十位同学的试验情况，信号采用的是无线传输形式，避免了几十台实验仪器与实验信号管理模块2之间的几十根信号线，从而使实验室的整体环境整齐，管理系统使用方便，灵活。微型计算机3通过软件编程完成对接收数据的后期处理，后期处理包括将实验数据在计算机显示屏上还原成实验波形并存档，微型计算机3内设置有正确的实验数据库，实验端传输来的数据与正确的实验数据进行比较判断对错给出提示，这样指导教师就可以根据微型计算机3的评判结果对每个学生实验情况作出客观评价，而且可以实时发现哪位学生的实验出错而给与实时指导。上述实施例中的拨码开关也可以通过设置EROM电路或用软件编程来代替，不过后两种方式操作不方便，缺少灵活性，单片机也可用AT89LS52替代，这时就不需要74LVC245电平转换电路，同样具有相似功能的其他型号单片机替代电路也属于本发明的保护范围。
系统中高速AD转换电路13选用TI公司的流水线型高速A/D转换器ADS930，其速率大于30M/S，无线收发电路采用短距离2.4GHz高速1Mbps无线收发模块PTR4000(nRF2401A)，它具有全球开放的2.4GHz频段，125个频道，可以用一台接收器同时接收125个发射器的信号，具有高数据吞吐量，速率为1Mbps，内置硬件CRC纠检错，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，1.9～3.6V低功耗，满足低功耗设计需要；它是通过软件设定地址，仅收到本机地址时才输出数据，特别方便点对多点无线通信。nRF2401收发器同时具备特有的DuoCeiver双信道接收模式，可以同时用于接收、发送或者是两路单独发送的数据。
权利要求
1.一种实验教学辅助管理系统，包括多个实验信号处理模块、至少一个实验信号管理模块和与所述的实验信号管理模块连接的微型计算机，其特征在于所述实验信号处理模块输入端连接有信号采集探头，所述的实验信号处理模块输出端设置有实验端无线收发电路，所述的实验信号管理模块输入端设置有与所述的实验端无线收发电路进行通信的管理端无线收发电路，所述的实验信号处理模块设置有频道序号发生装置。
2.根据权利要求1所述的一种实验教学辅助管理系统，其特征在于所述的实验信号处理模块包括对所述的信号采集探头采集到的实验信号进行整形、驱动提升的实验信号预处理电路、对整形后的信号进行模数转换的高速A/D转换电路和对模数转换后的实验数据信号进行处理的实验端数据信号处理电路，所述的实验端数据信号处理电路的输出端与所述的实验端无线收发电路的输入端连接，所述的频道序号发生装置设置在所述的实验端数据信号处理电路上，所述的实验信号管理模块包括管理端数据信号处理电路和USB接口电路，所述的管理端无线收发电路的输出端与所述的管理端数据信号处理电路连接，所述的微型计算机设置有USB接口。
3.根据权利要求2所述的一种实验教学辅助管理系统，其特征在于所述的实验端数据信号处理电路由单片机及外围电路组成，所述的频道序号发生装置为与所述的单片机连接的拨码开关。
4.根据权利要求2所述的一种实验教学辅助管理系统，其特征在于所述的实验端数据信号处理电路包括可编程逻辑器件、高速静态RAM和单片机及外围电路，所述的频道序号发生装置为与所述的单片机连接的拨码开关。
5.根据权利要求3或4所述的一种实验教学辅助管理系统，其特征在于所述的单片机型号为AT89C52，所述的实验端无线收发电路由型号为NRF2401的收发芯片及外围电路组成，所述的单片机与所述的实验端无线收发电路之间设置有型号为74LVC245的芯片构成的电平转换电路。
6.根据权利要求4所述的一种实验教学辅助管理系统，其特征在于所述的可编程逻辑器件的型号为EPM240，所述的高速静态RAM的型号为K6R1008V1D-J10。
7.根据权利要求1所述的一种实验教学辅助管理系统，其特征在于所述的信号采集探头包括接地端和信号采集端，分别为带塑料套把柄的金属鳄鱼夹或带塑料套的可伸缩的金属弯钩中的一种。
8.根据权利要求2所述的一种实验教学辅助管理系统，其特征在于所述的管理端数据信号处理电路由型号为AT89C52的单片机及外围电路组成，所述的USB接口电路由型号为CH370的芯片及外围电路组成。
9.根据权利要求1~4中任一项权利要求所述的一种实验教学辅助管理系统，其特征在于所述的实验端无线收发电路和所述的管理端无线收发电路均是无线收发模块PTR4000。
10.根据权利要求2所述的一种实验教学辅助管理系统，其特征在于所述的高速A/D转换电路由型号为ADS930E的流线型高速A/D转换器芯片及外围电路组成。
全文摘要
本发明公开了一种实验教学辅助管理系统，包括多个实验信号处理模块、至少一个实验信号管理模块和与实验信号管理模块连接的微型计算机，特点是实验信号处理模块输入端连接有信号采集探头，实验信号处理模块输出端设置有实验端无线收发电路，实验信号管理模块输入端设置有与实验端无线收发电路进行通信的管理端无线收发电路，实验信号处理模块设置有频道序号发生装置，优点在于针对各种不同的实验教学箱及不同的实验要求，只要改变信号采集探头的采样位置，就可以快速方便地实时采集管理各种实验教学箱中任意实验波形输出点的波形，将数据传送给实验指导教师，快速准确地判断实验的结果的对错，并能够准确地识别发送数据信号的实验教学箱的位置。
文档编号G09B5/00GK101067892SQ20071006914
公开日2007年11月7日 申请日期2007年5月31日 优先权日2007年5月31日
发明者徐铁峰, 杨燕, 李斌, 谢建军, 应祥岳, 赵飞, 郑久艳 申请人:宁波大学