一种便携式电子实验教学平台的制作方法

本发明涉及实验教学平台。

背景技术：

在电路实验、信号与系统实验、数字电路实验、模拟电路实验等电子类课程的实验中，需要使用到信号发生器和信号采集和分析设备(如示波器、频谱仪，网络分析仪等)，还会用到万用表等测量设备。

这些设备价格并不便宜，学生无法单独购买，学校也不能给学生每人配备一套设备，往往是在实验室的每个实验台配备一套，而且都比较笨重，因此电子实验台上面这些设备都占据了很大一部分空间，不具便携性；

现有的实验都是安排了固定的时间让学生在实验室进行实验，而实验课时也是固定的，因此学生并不能安排自己的时间来进行实验，也缺少时间对实验进行拓展，十分不方便；

在学生需要用到实验室的设备进行创新创业项目或者比赛时，需要选择实验室的非实验时间才能使用实验设备，不利于学生的学习、创新创业项目的进行或比赛的进行；

实验室开放的时间都需要有老师进行看管，需要消耗一定的人力资源，如果学生能够利用设备自主实验的话，可以节省这部分人力资源；

现有的这些示波器、信号发生器、频谱仪、万用表、网络分析仪等设备都是单独的设备，并且有的不支持与电脑或手机连接传输采集到的数据，或者如果每个设备都要进行连接需要很多数据传输线缆才能完成，并不方便进行数据存储的工作，不方便对数据进行二次处理。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的电子实验教学平台设备贵重、不具便携性、不方便对采集的数据进行存储及二次处理的问题，从而提供一种便携式电子实验教学平台。

本发明所述的一种便携式电子实验教学平台，包括电源、数据处理及控制模块、数字io、万用表芯片、无线模块、usb接口、多个数模转换器、多个滤波及运算放大电路、多个模数转换器、多个捕捉电路和定制模块；

电源包括直流稳压电压源和电流源芯片；

多个数模转换器和多个滤波及运算放大电路一一对应，多个模数转换器和多个捕捉电路一一对应；

数据处理及控制模块的输出控制信号端与数模转换器的控制信号输入端连接，数模转换器的模拟信号输出端与滤波及运算放大电路的模拟信号输入端连接；

外部通过usb接口为电源和数据处理及控制模块供电，外部设备通过usb接口或无线模块与数据处理及控制模块通信，数据处理及控制模块的万用表控制信号端与万用表芯片的控制信号输入端连接，万用表芯片的万用表数据输出端与数据处理及控制模块的万用表数据输入端连接，数据处理及控制模块的捕捉控制信号输出端与模数转换器的捕捉控制信号输入端连接，捕捉电路采集输入信号，捕捉电路的采集信号输出端与模数转换器的采集信号输入端相连，模数转换器的数字信号输出端与数据处理及控制模块的数字信号输入端相连；

定制模块包括显示模块和输入模块；

数据处理及控制模块的显示信号输出端通过数字io与显示模块的显示信号输入端相连，输入模块用于输入控制信号，输入模块的控制信号输出端通过数字io与数据处理及控制模块的控制信号输入端相连。

显示模块和输入模块采用触摸显示屏模块实现。

优选的是，无线模块采用wi-fi模块、蓝牙模块或无线数传模块实现。

优选的是，数据处理及控制模块采用单片机、arm微处理器、dsp或fpga实现。

优选的是，数模转换器的通道数为1-4路，模数转换器的通道数为1-6路。

优选的是，连接所用的导线串联有隔离芯片。

优选的是，还包括dds芯片，数据处理及控制模块的波形输出控制信号端与dds芯片的波形输出控制信号输入端连接，dds芯片的输出端与滤波及运算放大电路的输入端连接。

优选的是，定制模块还包括按键、电机驱动模块、电机和逻辑电路；

按键与数字io连接，数据处理及控制模块的电机控制信号输出端通过数字io与电机驱动模块的电机控制信号输入端连接，电机驱动模块的驱动信号输出端与电机连接，电机驱动模块的电机反馈信号输出端通过数字io与数据处理及控制模块的电机反馈信号输入端连接，逻辑电路与数字io连接。

优选的是，外部设备采用电脑或手机实现，外部设备内嵌入应用程序，应用程序包括教师用户端和学生用户端，教师用户端能够查看学生用户端连接的实验教学平台的运行状况，并向学生用户端发送指导意见，学生用户端用于接收数据处理及控制模块发送的数据及向接收数据处理及控制模块发送控制信号，并用于接收教师用户端的指导意见。

有益效果：

1、本发明将电子实验中常用到信号发生器、脉冲发生器、直流电压源、直流电流源、万用表、示波器、频谱仪、网络分析仪的功能整合到一个硬件模块上，在满足实验要求的性能的同时大大简化了实验室的设备的数量和成本，具有便携性，发放给学生使用则可以让学生的实验时间更自由更充沛；

2、硬件部分使用wi-fi、蓝牙、无线数传或有线连接进行组网，在实验中心可以建立服务器对所有连接到局域网或广域网的实验设备进行管理，教师可以作为最高权限的用户获得所有实验设备的运行状况，并能通过网络发送相应的指导给学生；

3、安装了软件部分应用程序的手机或电脑可以通过无线模块或usb接口控制硬件部分并获得硬件部分的数据，并进行数据分析和显示，也可以使用单独的触摸显示屏模块与硬件部分连接，直接显示采集到的数据结果。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的一种便携式电子实验教学平台的结构示意图；

图2是具体实施方式一中教学平台执行任务的流程图；

图3是具体实施方式一中通过应用程序仿真得到的波形图；

图4是具体实施方式一中通过教学平台发送、接收后由触摸显示屏模块或外部设备的应用程序显示的波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的包括电源1、数据处理及控制模块2、数字io3、万用表芯片4、无线模块5、usb接口6、多个数模转换器7、多个滤波及运算放大电路8、多个模数转换器9、多个捕捉电路10和定制模块11；

电源1包括直流稳压电压源和电流源芯片；

多个数模转换器7和多个滤波及运算放大电路8一一对应，多个模数转换器9和多个捕捉电路10一一对应；

数据处理及控制模块2的输出控制信号端与数模转换器7的控制信号输入端连接，数模转换器7的模拟信号输出端与滤波及运算放大电路8的模拟信号输入端连接；

外部通过usb接口6为电源1和数据处理及控制模块2供电，外部设备通过usb接口6或无线模块5与数据处理及控制模块2通信，数据处理及控制模块2的万用表控制信号端与万用表芯片4的控制信号输入端连接，万用表芯片4的万用表数据输出端与数据处理及控制模块2的万用表数据输入端连接，数据处理及控制模块2的捕捉控制信号输出端与模数转换器9的捕捉控制信号输入端连接，捕捉电路10采集输入信号，捕捉电路10的采集信号输出端与模数转换器9的采集信号输入端相连，模数转换器9的数字信号输出端与数据处理及控制模块2的数字信号输入端相连；

定制模块11包括显示模块和输入模块；

数据处理及控制模块2的显示信号输出端通过数字io3与显示模块的显示信号输入端相连，输入模块用于输入控制信号，输入模块的控制信号输出端通过数字io3与数据处理及控制模块2的控制信号输入端相连。

本实施方式中，直流稳压电压源的输出范围为-24v～+24v，是可调节的，电流源芯片的输出范围为0～20ma。显示模块和输入模块采用触摸显示屏模块实现。

数字io是程控的数字输入输出接口，预留的数字io接口采用插针，可以通过数字io连接定制模块11来提供更多的功能，也可以由用户自定义进行输入输出，定制模块11与数字io的插针进行连接。

微处理器、dsp或fpga可以扫描数字io电平状态判断按键是否被按下，并将按键状态发送给外部设备是应用程序，从而进行按键测试教学。数据处理及控制模块2向电机驱动模块发送控制信号，用于控制电机的工作状态，还用于接收电机驱动模块反馈回的信号，从而实现闭环控制。数据处理及控制模块2根据用户设定的逻辑电路的引脚输出电平，检测逻辑电路的输入电平，实现逻辑电路模块的逻辑分析的功能，实现逻辑电路的教学。本实施方式的硬件部分集中在一块电路板上，并且支持与新的扩展功能电路板连接，具有便携性。

本发明的一种便携式实验教学平台。该实验教学平台包含了硬件部分和软件程序部分。硬件部分包含微处理器、dsp或fpga、数模转换器、模数转换器、万用表芯片、wi-fi或蓝牙等器件，能够实现信号源、脉冲信号发生器、可调节电压源和电流源、示波器、频谱分析仪、多功能数字io、万用表等功能；软件部分包含windows应用程序、android应用程序和ios应用程序。使用者能够在电脑和手机上通过软件程序设置硬件部分的工作状态和输出；使用者能通过软件程序接收并显示硬件部分的输入并进行相关的数据分析和显示；此外，使用者还能通过软件程序上的教程学习平台的使用方法。

不同的实验平台可以通过wi-fi模块、蓝牙或无线数传模块进行组网，然后接入网络的电脑和手机可以通过实验平台独有的id识别实验平台并与实验平台建立连接进行数据传输，教师端的应用程序可以查看组网内部的所有实验平台的运行状况，教师端可以通过应用程序发送指导给学生端。

万用表芯片通过rs232协议与数据处理及控制模块相连接，用户通过应用程序发送万用表测量命令给数据处理及控制模块，数据处理及控制模块通过io引脚控制万用表芯片的工作模式，并且数据处理及控制模块将万用表芯片的输出结果发送给用户的应用程序。

windows、android和ios平台下的应用程序提供万用表、信号源、示波器、频谱仪、网络分析仪、逻辑分析仪的操作界面和结果显示界面，提供软件仿真的功能，提供将仿真结果和硬件平台接收的结果进行对比分析的功能。

本发明使用微处理器(单片机或arm处理器)、dsp或fpga作为教学实验平台的硬件部分的控制和第一级信号处理器，外部设备为第二级信号处理器由电脑或手机应用程序实现，两级的信号处理可以实现信号频谱分析、网络分析和逻辑分析的功能；硬件部分的功能性电路有可调节直流稳压电压源、电流源，万用表芯片和万用表接口，高速adc，高速dac及运算放大器，dds(直接数字式频率合成器)芯片，可编程控制数字io等电子实验需要的功能模块，也包括可插拔触摸显示屏模块以及其他外接模块；硬件部分通过wi-fi网络、蓝牙、无线数传或usb接口与电脑或手机进行连接和传输数据；当数据量不大时采用数据处理及控制模块对数据进行处理及存储，如对数据进行傅里叶变换，当数据量大时采用外部设备嵌入的数据处理模块对数据进行处理，触摸显示屏模块对采集到的及处理后的数据进行显示；外部设备嵌入的数据处理模块能提供对应实验的软件仿真结果，并能将仿真结果和实验平台采集到的结果进行对比，判断实验结果是否正确，分析实验的误差；外部设备还嵌入提供超级用户给指导教师的模块，超级用户可以与通信网络内所有硬件设备和软件设备连接，并可以随时查看学生的实验情况，给出相应的指导；外部设备还嵌入用于提供整个电子实验教学平台的使用教程的模块。

硬件部分通过usb接口供电，外部设备在使用windows应用程序时，可以通过usb接口与硬件部分进行数据传输，也可以使用wi-fi、蓝牙、无线数传与硬件部分进行数据传输，android应用程序和ios应用程序只能通过wi-fi或蓝牙与硬件部分进行数据传输。使用wi-fi进行数据传输时，需要先将电脑或者手机连接到硬件部分的wi-fi模块，然后可以设置硬件部分连接用户自行创建的wi-fi，然后将电脑或手机连接到用户自行创建的wi-fi。使用蓝牙进行数据传输时，需要将电脑或手机与硬件部分的蓝牙进行配对连接，然后可以进行数据传输。

如图2所示，平台设备开机之后会初始化该平台的各个硬件部分，然后硬件部分能够自动检测用户的连接方式，当这些执行完成之后硬件部分开始等待用户应用程序的命令，当用户应用程序向硬件部分发送了操作指令之后，数据处理及控制模块将操作指令的内容解析并添加指令中的任务，这些任务包括：控制万用表芯片进行各种测量，控制数模转换器产生各种信号，控制模数转换器进行信号采集和控制数字io进行输入输出；当数据处理及控制模块收到指令之后会创建相应的任务并执行，数据处理及控制模块能够在执行任务的同时检测用户的新命令；这些指令的任务在用户没有发出停止或修改任务的指令时将会持续执行，在执行过程中数据处理及控制模块将执行状态和执行过程中产生的数据(如模数转换器进行信号采集接收到的数据，万用表芯片测量出来的数据)发送给用户程序，用户程序进行分析并显示这些数据。

硬件部分在初始化过程中能够检测到是否连接到了触摸显示屏模块，当用户将外接的触摸显示屏模块连接到硬件部分时，硬件部分能够通过数字io将接收到的数据和运行状况发送给触摸显示屏模块，触摸显示屏模块能够对这些数据和运行状况进行显示，同时触摸显示屏模块能够检测用户的操作，接收修改硬件部分工作状态的操作，使用户可以通过该模块控制其他硬件的工作状态，用来代替电脑和手机的应用程序的功能。

当用户的应用程序连接到广域网或教师端提供的局域网时，数据处理及控制模块2会自动检测教师端的应用程序是否运行，当教师端的应用程序正在运行时，会将硬件部分的运行状况和软件部分的运行状况进行记录和保存，当教师端的应用程序发出请求查看运行状况时，用户的应用程序将记录和保存的运行状态数据发送给教师端，教师端能够进行查看，当教师发现了问题时，可以提示用户实验中的出现了问题并向用户发送一些指导意见。

图3与图4相似，说明学生操作正确，如果通过应用程序得到的仿真波形图与教学平台发送、接收后由触摸显示屏模块显示的波形图不相似，则说明学生操作错误。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种便携式电子实验教学平台作进一步说明，本实施方式中，连接所用的导线串联有隔离芯片。

隔离芯片可以有效的保护电路中的各器件的工作不相互干扰，还能保护芯片不受大电流和大电压的影响而烧毁；除此之外，对输入部分(模数转换器和万用表)和输出部分(电压源、电流源、数模转换器)的供电采用隔离芯片时，可以使这些功能电路的输入输出可以任意并联或串联而不会造成短路的情况。