基于口袋实验室的电子技术实验教学改革.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 5 期 2023 年 10 月Vol.26 No.5 Oct.2023 基于口袋实验室的电子技术实验教学改革张 涛,王鸿鹏,包秀娟,卢 彪(南开大学 人工智能学院,天津 300350)摘 要:针对当前自动化类专业电子技术实验教学受限于空间的限制和时间的约束难以拓展的主要问题,分析了传统实验教学的弊端,提出了基于口袋仪器的实验教学模式和建设内容。简要介绍了口袋仪器 myDAQ、myRIO、Analog Discovery 2 和 Digital Discovery 的结构与功能,并且以数电实验中的触发器电路为例,详细介绍了基于 Digital Discovery 开展数电实验的步骤,包括电路的设计、仿真、搭建和测试结果,并对仿真结果和实际结果进行对比。实践结果表明,口袋实验室有利于培养学生的自主学习能力和创新精神。关键词:口袋仪器;虚拟仿真技术;电子技术实验中图分类号:TN7 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.05.023Teaching reform of electronic technology experiment based on pocket laboratoryZHANG Tao,WANG Hongpeng,BAO Xiujuan,LU Biao(College of Artificial Intelligence,Nankai University,Tianjin 300350,China)Abstract:In view of the main problems that the current electronic technology experiment teaching of automation specialty is limited by space and time,this paper analyzes the disadvantages of traditional experimental teaching and puts forward the experimental teaching mode and construction content based on pocket instrument.It briefly introduces the structure and function of pocket instruments myDAQ,myRIO,Analog Discovery 2 and Digital Discovery.Taking the trigger circuit in the digital electrical experiment as an example,it introduces in detail the steps of digital electrical experiment based on Digital Discovery including circuit design,simulation,construction and test result.The simulation re-sult is compared with the actual result.The practice results show that pocket laboratory is conducive to cultivating students autonomous learning ability and innovative spirit.Key words:pocket instrument;virtual simulation technology;electronic technology experiment 收稿日期:2021-11-05 修改日期:2022-03-10作者简介:张涛,硕士,实验师,主要研究方向为模拟电路设计、数字电路设计。E-mail:zhangt 基金项目:2021 年教育部高等教育司第一批产学合作协同育人项目(项目编号:202101333023);2020 年天津市“项目+团队”重 点 培 养 专 项 入 选 团 队 项 目(项 目 编 号:XC202025);天津市教学成果奖重点培育项目(项目编号:PYGJ-023);南开大学 2021 年本科实验教学改革项目(项目编号:21NKSYSX10)。为了提高自动化类专业学生的实践能力和创新能力,需要加强实验教学环节。随着计算机技术的发展,虚拟仿真技术在实验教学中有了越来越广泛的应用。通过软件对电路进行仿真,可以更方便地对假设的情形进行探索,优化电路的结构和参数,减少了设计错误1。虽然仿真过程方便快捷,但是不能完全代替实际电路的测量,还必须使用实际元器件进行搭接,通过仪器测量记录实验结果,才能确认实际电路能否满足预期要求。通过实际电路与仿真电路的比较,找出差别存在的原因,才能避免理论设计转化成实际电路后出现的问题,最终成功实现电路的设计2。但是随着招生规模的扩大,实验空间日趋紧张,仪器设备数量不足,难以达到理想的教学效果。针对目前电子技术实验教学存在的困难和需求,采用高集成度的口袋仪器是一种有效的解决方案,既可以最大化地利用现有实验空间,增加仪器设备套数,提高实验课的教学质量,又可以将其放置于开放共享的设备图书馆,方便学生课下进行自主创新实验,提高了学生的学习兴趣,培养了学生的创新能力3。1 传统实验教学模式的弊端传统实验教学模式往往呈现“四固”的特点,即固定的时间段、固定的实验室、固定的实验装置和固定的实验内容。传统实验教学模式的弊端主要有以下几个方面:(1)实验设备落后实验设备是开展实验教学的基本条件,大多数院校都是以实验箱为主,由于实验室面积有限,装载实验箱的实验台占地面积太大,所以数量有限,且实验箱价格较贵,所以使用年限一般都在十年以上,更新周期长,设备老旧落后,影响了教学质量,不利于学生掌握新技术,同时也有一定的安全隐患4。(2)实验形式单一由于实验教学集中在固定的上课时间和固定的实验室进行,学生往往是分班轮流进行实验,仪器无法借给学生,实验任务也随着课堂结束而终止,难以在课后开展自主创新实验,不利于培养学生的创新能力和工程意识5。(3)实验内容落后由于实验箱配备的元器件数量种类有限,实验内容偏基础,创新性内容很少。学生只能被动地按照实验步骤接受实验技能的训练,发挥主观能动性的空间小,不利于培养学生自主探索的能力6。2 口袋实验室的建设口袋实验室(Pocket Laboratory)的概念由美国斯坦福大学 Clifton Roozeboom 博士最早提出,使用高密度系统集成工艺技术把实验箱的功能集成在小型电路板上,然后英国德蒙福特大学也按照此方法设计完成了基于 FPGA/ARM 的最小系统开发板,用于实验教学和创新项目。最近几年,美国德州仪器公司(TI)和赛灵思公司(Xilinx)开展中国大学计划项目,东南大学、哈尔滨工程大学等高校率先创建“全开放实验室”,实验设备类型丰富、体积小巧、集成度高、功能强大,学生不论课上课下都能自由灵活地开展实验,增强了学生自主探索欲望,发展学生自主学习能力7。南开大学人工智能学院(以下简称:学院)实验教学中心前身是计算机与控制工程学院实验教学中心,于 2015 年底第三批获批“国家级虚拟仿真实验教学中心”。同年,学院与美国国家仪器有限公司(以下简称:NI)签署了共建“虚拟仿真实验教学创新基地”合作协议,NI 公司是虚拟仪器技术的创始人与倡导者,其推出的产品不仅为工程界提供了集成式的软硬件平台,加速了原型系统的开发,而且在教育界提供了创新教学的平台,学生可以借助此平台深化理论知识的学习,丰富动手实践的体验,培养创新能力和设计技能8。学院采购了多台数据采集设备 myDAQ 和嵌入式设备 myRIO,初步构建口袋实验室。美国迪芝伦公司(以下简称:DIGILENT)是在全球FPGA、微处理器技术、便携式传感器模块及虚拟仪器领域具备顶尖设计、制造水平的公司,为多所科研机构及高等院校提供工程类科研与教学相关平台及解决方案。2019 年起学院采购了多台 Analog Discov-ery 2 和 Digital Discovery,进一步扩充口袋实验室。这四种口袋仪器体积小巧,功能强大,实用性强,覆盖面广,可以满足自动化类专业电子技术实验课程的需求,如模拟电子技术实验、数字电子技术实验、信号与系统实验和嵌入式系统实验等,为学生创造了随时随地开展课程实验和创新项目的硬件条件。借鉴上海交通大学学生创新中心设备图书馆的管理方式,将口袋仪器以图书式方法进行集中管理和资源共享,最大限度提高设备的利用率。3 口袋仪器介绍3.1 myDAQ 装置myDAQ 是一种低成本便携式数据采集装置,采用 TI 芯片,USB 供电,具有 2 个模拟输入(AI)通道,可被配置为通用高阻抗差分电压输入或音频输入;2个模拟输出(AO)通道,可被配置为通用电压输出或音频输出;8 个数字输入与数字输出(DIO)数据线,每条线都是一个可编程函数接口(PFI);3 个电源,其中+15V 和-15V 用于模拟电路,+5V 用于数字电路。myDAQ 可以搭配 PC 提供 8 种虚拟仪器功能,包括数字万用表(DMM)、示波器(Scope)、函数信号发生器(FGEN)、波特图仪(Bode)、动态信号分析仪(DSA)、任意信号发生器(ARB)、数字写入器(Di-gIn)和数字读取器(DigOut)。该装置与软件 Lab-VIEW、Multisim 结合应用方便于学生将理论付诸实践,牢固地掌握理论知识,有助于提升学生对于工程概念的理解和形成创新思维9。3.2 myRIO 芯片myRIO 核心芯片 Xilinx Zynq-7010 集成了667MHz 双核 ARM Cortex-A9,16 个 DMA 通道的FPGA,外围 I/O 接口包括 10 路模拟量输入 AI(8 个单端模拟输入+2 个差分模拟输入)、6 路模拟量输出 AO(4 个单端模拟输出+2 个对地参考模拟输出)、40 路数字输入与输出 DIO(支持 SPI、PWM 输出、正交编码器输入、UART 和 I2C)等,三个连接端601 张涛,等:基于口袋实验室的电子技术实验教学改革口(两个 MXP 端口和一个 MSP 端口),内置 512MB DDR3 内存、256MB 非易失存储器,配有板载 WiFi、一个三轴加速度计和多个可编程的 LED,采用直流供电,供电范围为 6V16V。架构图如图 1 所示。图 1 myRIO 架构图myRIO 体积紧凑,界面友好,易于操作,编程开发简单,可在 LabVIEW 和 C/C+环境中进行编程,方便学生学习工程理念,完成项目的设计。可免费下载课件,兼容所有 NI miniSystems,可搭配使用多种市面常见的激励器和传感器。学生经过较短时间的培训就可以独立开发一个基础的嵌入式工程项目,非常适合嵌入式系统实验教学或者支撑学生开展创新项目10。3.3 Analog Discovery 2 和 Digital DiscoveryAnalog Discovery 2 和 Digital Discovery 两种仪器均采用 Xilinx Spartan-6 FPGA 低功耗芯片,外观尺寸约为 8cm8cm2.5cm。Analog Discovery 2 集成了双通道函数信号发生器、100MPS 双通道数字示波器、16 通道数字逻辑分析仪、信号源、网络分析仪、频谱分析仪、可调电源等十种功能11;Digital Discovery 集成了 24 通道数字逻辑分析仪、16 通道数字模式生成器、16 通道虚拟数字 I/O 接口、2 路数字输入/输出触发信号通道、可编程电源等多种功能,参数强劲且性能稳定,用户可以方便地产生、测量、读取和处理多种电路信号。Analog Discovery 2 的引脚如图 2 所示;Digital Discovery 的底部、左侧、右侧的引脚分别如图 3图5 所示。图 2 Analog Discovery2 引脚图图 3 Digital Discovery 底部引脚图701图 4 Digital Discovery 左侧引脚图图 5 Digital Discovery 右侧引脚图两种仪器均可无缝对接功能强大的软件 Wave-Forms 2015,界面友好,易于操作,学生可以通过图形化界面来操作各种虚拟仪器,轻松实现各类模拟与数字电路设计。4 触发器实验实例4.1 实验流程图以数电实验中常规的触发器基本功能测试实验为例,基于 Multisim 和 Digital Discovery 的实验流程如图 6 所示。图 6 实验流程图首先设计电路原理图,用 Multisim 进行仿真,进行早期软件验证,仿真结果证明设计无误,在与 Dig-ital Discovery 配合使用的面包板上搭建实际电路,然后使用 WaveForms 软件进行输入信号配置,并使用虚拟仪器测量输出信号12。4.2 基于 Multisim 的仿真过程及结果按照上述流程进行相应的实验。使用 Multisim软件设计仿真的电路图如图 7 所示。图 7 Multisim 软件设计的触发器电路图使用的集成触发器型号为 74LS112,引脚图如图 8 所示。图 8 触发器 74LS112 引脚图图 8 中 74LS112 集成块包含两个互相独立的JK 触发器,当 J=K=“1”时,构成了下降沿有效的T触发器,特性方程为 Qn+1=Q-n,具有计数的功能。触发器 1 的触发脉冲为 CP(1KHz 方波),Q1在每个CP 脉冲的下降沿时刻状态变反;触发器 2 的时钟是触发器 1 的输出 Q-1,所以 Q2在 Q1上升沿(Q-1的下降沿)时刻状态变反。逻辑分析仪的测量结果如图 9 所示,可以看出CP、Q1与 Q2的输出波形(从上到下依次排列)。图 9 逻辑分析仪的测量结果由信号波形可见,在每个时钟脉冲下降沿后,Q2与 Q1的状态码按“00”“11”“10”“01”“00”的规律循环变化,循环周期为四个时钟脉冲周期。状801 张涛,等:基于口袋实验室的电子技术实验教学改革态变化是以两位二进制码递减方式累计输入时钟脉冲的个数,电路功能为两位异步二进制减计数器。4.3 基于 Digital Discovery 的实验过程及结果首先进行实物电路搭建,使用 Digital Discovery配套的 Analog Parts Kit 在面包板上搭建设计好的电路,最后连接信号输入、输出端,这部分的连接参照引脚图,供电端由 PowerBRICK 模块提供+5V 供电电压,如图 10 所示。图 10 实物电路搭建图通过 USB 连接 Digital Discovery 和 PC,打开WaveForms 软件,界面如图 11 所示。图 11 WaveForms 软件界面进行时钟脉冲和激励输入端“J”,“K”的设置,如图 12 所示。图 12 输入参数设置界面然后用逻辑分析仪采集输入信号和输出信号波形,显示结果如图 13 所示,可以验证两位异步二进制减计数器的基本功能,实际结果与 Multisim 仿真结果一致。图 13 逻辑分析仪采集输入信号和输出信号波形图5 结语口袋仪器结合了紧凑的高性能模块化硬件和简单实用的软件,不仅代替了函数信号发生器、示波器等多种传统仪器,解决了传统仪器价格高和体积大的问题,有效缓解了高校实验室空间不足的难题,而且将传统的硬件实验与虚拟仿真有机地结合起来,贯彻“虚实结合”的原则,极大地激发了学生的学习兴趣,获得了良好的教学效果。根据 Digital Discov-ery 在触发器实验实例中的应用,可以看出连线简单、调试方便、显示清晰,便于教、利于学,推广价值很高。参考文献(References):1 孙丹丹,张晓磊,赵同刚,等.基于虚拟仿真技术的电子电路实验教学探索J.高教学刊,2020(35):108-111.2 司娟宁,张晓青,郭阳宽.工程认证背景下虚拟仪器实训课程教学改革探索J.科技视界,2020(25):15-17.3 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