電子技術(shù)綜合性實驗協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計

摘要：隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，實驗教學的協(xié)同性需求日益增長。設(shè)計并實現(xiàn)了一個電子技術(shù)綜合性實驗協(xié)同系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持實驗資源共享、遠程協(xié)作實驗、實時錯誤預(yù)警以及智能成績評估等功能。系統(tǒng)硬件設(shè)計包括傳感器模塊、微控制單元、通信模塊和電源模塊。通過功能測試和性能測試，該系統(tǒng)展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和實用性。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù)；實驗教學；協(xié)同系統(tǒng)；資源共享；智能評估

中圖分類號：TP391.9；TP311.52 文獻標識碼：A

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷進步，電子技術(shù)實驗教學正逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展。然而，現(xiàn)有實驗教學模式仍存在資源共享不足、遠程協(xié)作困難等問題，限制了教學效率和質(zhì)量的提升。因此，本文設(shè)計一個綜合性的協(xié)同系統(tǒng)，以支持高效的資源共享、遠程協(xié)作和智能評估，這對于推動電子技術(shù)實驗教學的現(xiàn)代化具有重要意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

電子技術(shù)綜合性實驗協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計旨在創(chuàng)建一個高效、互動性強的學習環(huán)境。系統(tǒng)架構(gòu)由功能設(shè)計和硬件設(shè)計兩個部分組成（圖1）。功能設(shè)計包括實驗資源共享、遠程協(xié)作實驗、實時錯誤預(yù)警和智能成績評估等4 個功能。系統(tǒng)硬件設(shè)計由傳感器模塊、微控制單元、通信模塊和電源模塊組成。傳感器模塊負責數(shù)據(jù)采集和信號處理；微控制單元作為處理核心，負責任務(wù)調(diào)度；通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)連接；電源模塊負責電源轉(zhuǎn)換和能源管理。整個系統(tǒng)基于硬件組件協(xié)同工作，為實驗教學提供一個穩(wěn)定、可靠的技術(shù)平臺。

2 電子技術(shù)綜合性實驗協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 功能設(shè)計

電子技術(shù)綜合性實驗協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計旨在提供一個集成化平臺，以支持實驗教學和學習過程中的資源共享、協(xié)作、錯誤預(yù)警和成績評估。

2.1.1 實驗資源共享功能

實驗資源共享功能包括資源目錄管理、訪問權(quán)限控制和數(shù)據(jù)同步。資源目錄管理允許教師和學生瀏覽可用的實驗資源；訪問權(quán)限控制確保只有授權(quán)用戶才能訪問受限資源[1]；數(shù)據(jù)同步確保所有用戶都能訪問最新的實驗數(shù)據(jù)和資源。該功能基于后端數(shù)據(jù)庫和前端用戶界面的支持，使用戶能夠輕松搜索、請求和下載所需資源。

2.1.2 遠程協(xié)作實驗功能

遠程協(xié)作實驗功能包括實時通信、協(xié)作會話管理和任務(wù)調(diào)度。實時通信允許用戶進行視頻和語音通話；協(xié)作會話管理允許用戶創(chuàng)建和管理小組會話；任務(wù)調(diào)度則幫助用戶規(guī)劃和分配實驗任務(wù)[2]。該功能集成即時消息服務(wù)、視頻會議軟件和項目管理工具，確保團隊成員之間能夠有效溝通和協(xié)作。

2.1.3 實時錯誤預(yù)警功能

實時錯誤預(yù)警功能包括錯誤檢測、預(yù)警通知和故障分析。錯誤檢測通過實時監(jiān)控實驗過程來識別潛在問題；預(yù)警通知采用系統(tǒng)消息的方式，及時通知用戶[3]；故障分析提供問題診斷和解決建議。該功能需要集成傳感器、監(jiān)控軟件和自動化工具，以確保能夠快速響應(yīng)并減少實驗中斷。

2.1.4 智能成績評估功能

智能成績評估功能以自動化方式提高成績評估的準確性和一致性。該功能包括成績記錄、評估標準和成績反饋。成績記錄可以自動跟蹤學生的實驗表現(xiàn)和結(jié)果；評估標準是允許教師定義評分規(guī)則和標準[4]；成績反饋負責將學生表現(xiàn)的詳細分析提供給他們。該功能集成評估算法、數(shù)據(jù)庫和用戶反饋機制來實現(xiàn)。

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 傳感器模塊

為了實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集和信號處理，采用了Analog Devices 公司的ADXL345 三軸加速度計作為振動傳感器，用于測量物體的線性加速度；使用Bosch Sensortec 公司的BMI160 作為陀螺儀和磁強計，用于測量角度和磁場強度。傳感器模塊具有高精度和低功耗的特點，適用于實驗環(huán)境。

2.2.2 微控制單元

微控制單元選用STM32F407VET6 微控制器，其擁有高速的ARM Cortex-M4 內(nèi)核、豐富的外設(shè)接口，以及大容量的隨機存取存儲器（randomaccess memory，RAM） 和Flash 空間， 以應(yīng)對復(fù)雜的實驗需求。其模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digitalconverter，ADC）和直接內(nèi)存訪問（direct memoryaccess，DMA）特性可直接讀取傳感器數(shù)據(jù)，無須額外的轉(zhuǎn)換器，降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。

2.2.3 通信模塊

通信模塊采用Nordic Semiconductor 公司的nRF52840 芯片，支持藍牙5.0 和Zigbee 協(xié)議，具備長距離通信、低功耗的優(yōu)勢。其通過串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）連接微控制單元，方便數(shù)據(jù)交互?？紤]到實驗室內(nèi)有設(shè)備同時工作，該模塊還配置了天線增強信號強度，確保網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)定性。同時，預(yù)留了Wi-Fi 和5G 模塊接口，以備使用。

2.2.4 電源模塊

電源模塊的設(shè)計主要考慮能源管理和電源轉(zhuǎn)換。使用得州儀器公司（TI）的TPS61088 升壓轉(zhuǎn)換器，將電池電壓提升至5 V，供應(yīng)給其他模塊。系統(tǒng)內(nèi)置了電量監(jiān)測和節(jié)電機制，當電池電量過低時自動進入休眠狀態(tài)，延長使用壽命。本系統(tǒng)設(shè)計了一個USB 充電口，方便用戶隨時補充電源。

2.3 運行測試2.3.1 功能測試

測試條件準備與過程：功能測試在模擬的實驗環(huán)境中進行，使用標準的電子實驗套件，包括Arduino 微控制器、多種傳感器和無線通信模塊。測試平臺為Windows 10 操作系統(tǒng)，配備Intel Core i7處理器，16 GB RAM，以及穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。測試詳細過程包括驗證實驗資源共享功能的可用性、遠程協(xié)作實驗功能的連通性、實時錯誤預(yù)警功能的準確性以及智能成績評估功能的一致性[5]。所有測試均基于預(yù)定義的實驗案例和腳本，以確保覆蓋所有預(yù)期的功能點。

評價標準：每個功能點都設(shè)定了明確的通過/ 失敗標準。例如，實驗資源共享功能必須能在5 s 內(nèi)響應(yīng)資源請求，遠程協(xié)作實驗功能需在500 ms 內(nèi)完成消息傳遞，實時錯誤預(yù)警功能的誤報率低于5%，智能成績評估功能的評分誤差小于3%。

如表1 所示，測試結(jié)果顯示，資源共享響應(yīng)時間為2.5 s，遠程協(xié)作延遲為380 ms，實時錯誤預(yù)警誤報率為2%，智能成績評估誤差為1.5%。所有功能點均通過測試，這表明系統(tǒng)能夠滿足設(shè)定的功能要求。

2.3.2 性能測試

測試條件準備與過程：性能測試在高負載條件下進行，模擬了30 名用戶同時進行實驗操作的場景。測試環(huán)境包括多臺服務(wù)器，分別承載數(shù)據(jù)存儲、通信和計算任務(wù)。測試詳細過程涵蓋了系統(tǒng)響應(yīng)時間、吞吐量、資源利用率和穩(wěn)定性評估。通過使用壓力測試工具逐步增加并發(fā)用戶數(shù)量，直到達到系統(tǒng)極限，以確定系統(tǒng)的最大承載能力。

評價標準：性能測試的目標是確保系統(tǒng)在高負載下仍能保持穩(wěn)定運行，具體指標包括系統(tǒng)響應(yīng)時間不超過2 s，吞吐量至少達到每分鐘處理100 次請求，中央處理器（central processing unit，CPU）和內(nèi)存利用率均在80% 以下，且無明顯數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

在實際性能測試中，系統(tǒng)在承受30 名用戶同時操作時，平均響應(yīng)時間為1.4 s，吞吐量為每分鐘160 次請求，CPU 和內(nèi)存利用率分別為55% 和47%。在整個測試期間，系統(tǒng)未出現(xiàn)任何故障，證明了該系統(tǒng)在高負載下的穩(wěn)定性和可靠性。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了電子技術(shù)綜合性實驗協(xié)同系統(tǒng)，集成了實驗資源共享、遠程協(xié)作實驗、實時錯誤預(yù)警與智能成績評估等功能，提升了電子技術(shù)實驗教學的效率。系統(tǒng)采用的模塊化硬件設(shè)計和智能化算法，保證了實驗過程的穩(wěn)定性和準確性，還為遠程學習者提供了便捷的實驗環(huán)境。未來，將進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，探索更多智能技術(shù)在實驗教學中的應(yīng)用，如虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等，以期實現(xiàn)更加沉浸式、個性化的實驗學習體驗，推動電子技術(shù)教育的持續(xù)創(chuàng)新與進步。

參考文獻

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基金項目：教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“數(shù)字電子技術(shù)課程教學方法改革與實踐”（230805211033547）。