基于Android的口袋儀器實(shí)驗(yàn)室開發(fā)

歐陽佳鵬 楊振南 劉億民 李文

摘要：針對(duì)應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)實(shí)踐中存在的理論與實(shí)踐融合不緊密，實(shí)驗(yàn)裝置靈活性差、電壓等級(jí)高及實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間受到局限等問題，構(gòu)建了一種以CPLD為控制核心，基于Android的便攜式電子技術(shù)口袋儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)了低成本、易攜帶的電路板，并與Android手機(jī)APP一起組成電子技術(shù)口袋儀器實(shí)驗(yàn)室。該口袋儀器實(shí)驗(yàn)室具有操作簡單、性能可靠、便于擴(kuò)展、功能豐富等優(yōu)點(diǎn)，可用于電子電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜設(shè)性實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)，能滿足電子電路移動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，有效提高了課程教學(xué)及實(shí)踐效果。

關(guān)鍵詞：口袋實(shí)驗(yàn)室;電子技術(shù);基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn);課外實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）10-0243-02

1概述

目前，大部分應(yīng)用型院校的工科專業(yè)學(xué)生在工程應(yīng)用能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)方面存在實(shí)驗(yàn)課時(shí)不夠、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練不足等問題。電子電路基礎(chǔ)系列課程是高校電子信息類專業(yè)必不可少的專業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)課，也是理論與實(shí)踐聯(lián)系緊密度高，課程實(shí)踐性強(qiáng)的系列課程，對(duì)學(xué)生專業(yè)技能掌握及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)尤其重要。依據(jù)新工科人才培養(yǎng)要求嘲，圍繞工科學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)目標(biāo)，通過加強(qiáng)理論課程及其實(shí)驗(yàn)的交融互促，既可以增進(jìn)學(xué)生對(duì)理論課程生硬概念及復(fù)雜原理的理解，又可以增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。但是，電子電路實(shí)驗(yàn)測量和調(diào)試都離不開測量儀器，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通常是規(guī)定時(shí)間內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室里完成，且高校配有的實(shí)驗(yàn)裝置體積大，電壓等級(jí)較高，擴(kuò)展性差，更不能應(yīng)用于學(xué)生的創(chuàng)新比賽。此實(shí)驗(yàn)手段使實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)和時(shí)間受到了極大的限制，此實(shí)驗(yàn)方式及實(shí)踐教學(xué)模式，已顯露出如時(shí)滯性、空間局限性、攜帶不便性等諸多弊端。

口袋儀器實(shí)驗(yàn)室是讓學(xué)生普遍能擁有自己的全天候開放式的硬軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，方便他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)嘲。結(jié)合團(tuán)隊(duì)多年來基礎(chǔ)課教學(xué)及學(xué)生課外科創(chuàng)競賽等活動(dòng)指導(dǎo)的實(shí)踐，提出設(shè)計(jì)一種基于Android的便攜式“電子電路基礎(chǔ)”口袋儀器實(shí)驗(yàn)室，并將其應(yīng)用于電子電路系列課程的課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)中。

2口袋儀器實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

2.1總體方案設(shè)計(jì)

口袋儀器實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)理念是滿足可隨需做實(shí)驗(yàn)的思路，將實(shí)驗(yàn)套件設(shè)計(jì)成便攜化?；诳诖鼉x器實(shí)驗(yàn)室理念，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案是利用CPCD作為數(shù)據(jù)采集卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，通過Android軟件APP對(duì)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示，來代替實(shí)驗(yàn)室中的萬用表、示波器等儀器設(shè)備。方便學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。

總體設(shè)計(jì)方案包括三部分：

（1）CPLD核心模塊。用于將前端電路和ADC采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。（2）手機(jī)APP模塊。用于將USB傳輸?shù)紸n-droid手機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示。（3）進(jìn)階實(shí)驗(yàn)?zāi)K。用于結(jié)合專業(yè)就業(yè)方向開發(fā)工程實(shí)踐項(xiàng)目。如尋跡/避障小車、機(jī)器人高爾夫、智能家居系統(tǒng)、無人飛行器等多個(gè)進(jìn)階功能模塊，用于綜設(shè)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、課程設(shè)計(jì)、課外科創(chuàng)競賽等。

2.2硬件模塊設(shè)計(jì)

口袋儀器實(shí)驗(yàn)室開發(fā)初衷：

（1）促進(jìn)理論與實(shí)踐的交叉融合和相互促進(jìn)。開發(fā)不僅能用于電子電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，而且能用于理論課堂中與學(xué)生的互動(dòng)和演示中，幫助學(xué)生加深對(duì)生硬概念及復(fù)雜原理的理解及實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的提高。（2）提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的進(jìn)階擴(kuò)展性。方便教師因材施教，以較小成本對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)或設(shè)計(jì)新項(xiàng)目，開展分類分層教學(xué)。（3）拓展實(shí)驗(yàn)時(shí)空域。讓學(xué)生全天候按需地進(jìn)行實(shí)踐，從而將理論與實(shí)踐、課內(nèi)與課外、知識(shí)與技能及創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力互通互促，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案是將前端電路和ADC采集的數(shù)據(jù)利用CPLD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，通過USB傳輸?shù)紸n-droid手機(jī)，通過Android軟件APP對(duì)數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行波形顯示，來代替實(shí)驗(yàn)室中的萬用表、示波器等儀器設(shè)備。各模塊硬件電路設(shè)計(jì)如下：

（1）模擬部分硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的模擬電路部分從示波器接口探頭開始到ADC的輸入端，主要對(duì)輸人的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，可利用運(yùn)算放大電路對(duì)輸入的被測信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，衰減以及濾波，以便能夠被ADC正確地采樣。采用的放大芯片是OPA2889，該芯片是增益穩(wěn)定電壓反饋運(yùn)算放大器，采用雙+5V電源，0PA2889可提供±4v輸出擺幅，驅(qū)動(dòng)電流超過40mA，帶寬為60MHz。460tzMch的低電源電流，使用可選的禁用控制引腳可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。使用MAX4522作為模擬開關(guān)，輸入端接入CPLD，由CPLD實(shí)現(xiàn)模擬開關(guān)的控制，從而控制0PA2889的放大倍數(shù)，滿足對(duì)不同的垂直靈敏度的要求。

（2）數(shù)字部分硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)字電路部分從ADC開始到USB接口的輸出，主要由ADC部分、CPLD和USB控制器組成。由于設(shè)計(jì)的示波器的帶寬在1Hz到20Mhz之間，我們采用的是實(shí)時(shí)采樣法，依據(jù)奈奎斯特采樣定理，并結(jié)合工程實(shí)際需求，為了避免產(chǎn)生混疊的現(xiàn)象，目前實(shí)時(shí)采樣一般規(guī)定是在帶寬的4-5倍，則采樣頻率大約為100MSPS左右。ADC08100芯片是低功耗，8位的高速AD轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速率在20MSPS到100MSPS之間，性能好。其中CPLD的功能分為三部分：采樣模塊，12C從機(jī)模塊和控制模塊。此外，設(shè)計(jì)采用Cypress公司的FX2 USB控制器作為硬件電路與手機(jī)通信的方案，通過FX2 USB控制器的12C主機(jī)傳送到CPLD。

（3）硬件電路器件參數(shù)

硬件電路使用的主要器件詳見表1器件選型參數(shù)表所示。

2.3手機(jī)APP設(shè)計(jì)

Android軟件類似于傳統(tǒng)的虛擬儀器的上位機(jī)。

3口袋儀器實(shí)驗(yàn)室的測試

3.1硬件模塊信號(hào)測試

硬件電路板測試步驟如下：

（1）連接電路。用USB線將手機(jī)與硬件電路板連接（電路板的LED燈亮表示連接正常），并將硬件電路板的示波器接口與信號(hào)發(fā)生器相連接，打開示波器開關(guān)。（2）打開OscPrimeAPP，設(shè)置USB連接。（3）點(diǎn)擊測試。（4）設(shè)置時(shí)間軸、電壓軸大小，將波形顯示進(jìn)行調(diào)整。

3.2手機(jī)APP軟件測試

Android手機(jī)APP測試步驟如下：

（1）啟動(dòng)Android OseiPrime應(yīng)用程序。（2）選擇輸入源。點(diǎn)擊輸人選擇圖標(biāo)，選擇OseiPfime USB作為輸入源。同時(shí)啟用“探頭補(bǔ)償U(kuò)SB OseiPrime”，點(diǎn)擊“自動(dòng)獲取OseiPrime校準(zhǔn)”。（3）點(diǎn)擊運(yùn)行/停止按鈕開始采樣。通過兩次訪問USB，第一次是將固件上傳到FX2微控制器，第二次是開始溝通。（4）將示波器探頭連接到左側(cè)BNC連接器（P1），并連接到標(biāo)有“PCOMP”的探頭補(bǔ)償輸出端。（5）啟動(dòng)探針補(bǔ)償。為了得到最好的效果，可調(diào)整設(shè)置，選擇1024點(diǎn)顯示。（6）補(bǔ)償調(diào)整，選擇適當(dāng)?shù)腣/div設(shè)置。（7）波形測量，探頭補(bǔ)償信號(hào)輸出波形。

4口袋儀器實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用與效果分析

4.1課堂教學(xué)互動(dòng)應(yīng)用

電子電路基礎(chǔ)類課程組專任教師在學(xué)期初會(huì)將口袋儀器實(shí)驗(yàn)室套件人手一套地發(fā)放給授課班級(jí)的學(xué)生。授課中，允許3-5名同學(xué)為一組進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)。課堂講解中，可將例題效果通過手機(jī)進(jìn)行展示，加強(qiáng)了理論與實(shí)踐的深入融合，學(xué)生參與感、獲得感明顯增強(qiáng)。同時(shí)還可以進(jìn)行課堂深入互動(dòng)，通過互動(dòng)學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握情況能得到及時(shí)反饋，且活躍了課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

4.2基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K用于輔助課堂教學(xué)和常規(guī)實(shí)驗(yàn)。如基本的電路實(shí)驗(yàn)、模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)等的信號(hào)測試都能滿足需求?？梢悦馊ピ诿總€(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)購置示波器等儀器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)、場地及維護(hù)開銷。

4.3進(jìn)階實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用

只需在手機(jī)中安裝APP軟件，再加上手機(jī)數(shù)據(jù)線一根，學(xué)生就可進(jìn)行各類電子電路實(shí)驗(yàn)及科創(chuàng)競賽作品的調(diào)試與設(shè)計(jì)。且隨時(shí)隨地都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。進(jìn)階實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用可用于綜設(shè)性實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、課外科技創(chuàng)新競賽等。目前，學(xué)生團(tuán)隊(duì)已開發(fā)的包括機(jī)器人尋跡/避障小車、跳舞/競技機(jī)器人、無人機(jī)、超聲波測聲速等多個(gè)進(jìn)階項(xiàng)目。

4.4效果分析

課程團(tuán)隊(duì)于2016-2018年對(duì)三屆電子信息類畢業(yè)生進(jìn)行了匿名問卷調(diào)查，針對(duì)學(xué)生使用口袋儀器實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐應(yīng)用效果，學(xué)生滿意度連續(xù)三年達(dá)100%。且近三年我校電子設(shè)計(jì)類競賽、機(jī)器人競賽等獲得國家一等獎(jiǎng)l項(xiàng)，湖南省一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，二等獎(jiǎng)6項(xiàng)，三等獎(jiǎng)10余項(xiàng)，由此可見口袋實(shí)驗(yàn)室獲得學(xué)生的認(rèn)可并取得了顯著效果。

5結(jié)束語

設(shè)計(jì)開發(fā)的基于Android的電子技術(shù)口袋儀器實(shí)驗(yàn)室套件是課程團(tuán)隊(duì)長期從事一線教學(xué)深耕精耘并實(shí)踐探索持續(xù)改進(jìn)基礎(chǔ)之上的教學(xué)應(yīng)用成果，其在課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和雙創(chuàng)應(yīng)用等環(huán)節(jié)中都有效地支撐了學(xué)校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，可為國內(nèi)各高校提供參考借鑒。