基于Android的口袋仪器实验室开发

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　　摘要：针对应用型高校人才培养实践中存在的理论与实践融合不紧密，实验装置灵活性差、电压等级高及实验时间和空间受到局限等问题，构建了一种以CPLD为控制核心，基于Android的便携式电子技术口袋仪器实验平台，开发了低成本、易携带的电路板，并与Android手机APP一起组成电子技术口袋仪器实验室。该口袋仪器实验室具有操作简单、性能可靠、便于扩展、功能丰富等优点，可用于电子电路基础实验、综设性实验或课程设计，能满足电子电路移动实验教学需要，有效提高了课程教学及实践效果。
　　关键词：口袋实验室;电子技术;基础实验;课外实践
　　中图分类号：TP391 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）10-0243-02
　　1概述
　　目前，大部分应用型院校的工科专业学生在工程应用能力、创新创业能力培养方面存在实验课时不够、创新创业训练不足等问题。电子电路基础系列课程是高校电子信息类专业必不可少的专业基础技术课，也是理论与实践联系紧密度高，课程实践性强的系列课程，对学生专业技能掌握及创新创业能力培养尤其重要。依据新工科人才培养要求嘲，围绕工科学生工程实践能力、创新创业能力培养目标，通过加强理论课程及其实验的交融互促，既可以增进学生对理论课程生硬概念及复杂原理的理解，又可以增强学生实践应用和创新能力，提高学生分析和解决问题的能力。但是，电子电路实验测量和调试都离不开测量仪器，传统实验通常是规定时间内在实验室里完成，且高校配有的实验装置体积大，电压等级较高，扩展性差，更不能应用于学生的创新比赛。此实验手段使实验地点和时间受到了极大的限制，此实验方式及实践教学模式，已显露出如时滞性、空间局限性、携带不便性等诸多弊端。
　　口袋仪器实验室是让学生普遍能拥有自己的全天候开放式的硬软件实验平台，方便他们进行实验学习嘲。结合团队多年来基础课教学及学生课外科创竞赛等活动指导的实践，提出设计一种基于Android的便携式“电子电路基础”口袋仪器实验室，并将其应用于电子电路系列课程的课堂教学、实验教学及创新实践环节中。
　　2口袋仪器实验室的设计
　　2.1总体方案设计
　　口袋仪器实验室设计理念是满足可随需做实验的思路，将实验套件设计成便携化。基于口袋仪器实验室理念，该实验平台的总体设计方案是利用CPCD作为数据采集卡对数据进行处理和存储，通过Android软件APP对处理数据进行波形显示，来代替实验室中的万用表、示波器等仪器设备。方便学生随时随地进行实验学习。
　　总体设计方案包括三部分：
　　（1）CPLD核心模块。用于将前端电路和ADC采集的数据进行处理和存储。（2）手机APP模块。用于将USB传输到An-droid手机的数据进行波形显示。（3）进阶实验模块。用于结合专业就业方向开发工程实践项目。如寻迹/避障小车、机器人高尔夫、智能家居系统、无人飞行器等多个进阶功能模块，用于综设性实验项目、课程设计、课外科创竞赛等。
　　2.2硬件模块设计
　　口袋仪器实验室开发初衷：
　　（1）促进理论与实践的交叉融合和相互促进。开发不仅能用于电子电路基础实验，而且能用于理论课堂中与学生的互动和演示中，帮助学生加深对生硬概念及复杂原理的理解及实验动手能力的提高。（2）提高实验项目的进阶扩展性。方便教师因材施教，以较小成本对实验项目进行改进或设计新项目，开展分类分层教学。（3）拓展实验时空域。让学生全天候按需地进行实践，从而将理论与实践、课内与课外、知识与技能及创新意识与创新能力互通互促，进而培养学生解决复杂工程问题的能力。
　　该实验平台的总体设计方案是将前端电路和ADC采集的数据利用CPLD对数据进行处理和存储，通过USB传输到An-droid手机，通过Android软件APP对数据处理并进行波形显示，来代替实验室中的万用表、示波器等仪器设备。各模块硬件电路设计如下：
　　（1）模拟部分硬件电路设计
　　设计的模拟电路部分从示波器接口探头开始到ADC的输入端，主要对输人的信号进行预处理，可利用运算放大电路对输入的被测信号进行调理，对信号进行放大，衰减以及滤波，以便能够被ADC正确地采样。采用的放大芯片是OPA2889，该芯片是增益稳定电压反馈运算放大器，采用双+5V电源，0PA2889可提供±4v输出摆幅，驱动电流超过40mA，带宽为60MHz。460tzMch的低电源电流，使用可选的禁用控制引脚可以进一步降低系统功耗。使用MAX4522作为模拟开关，输入端接入CPLD，由CPLD实现模拟开关的控制，从而控制0PA2889的放大倍数，满足对不同的垂直灵敏度的要求。
　　（2）数字部分硬件电路设计
　　数字电路部分从ADC开始到USB接口的输出，主要由ADC部分、CPLD和USB控制器组成。由于设计的示波器的带宽在1Hz到20Mhz之间，我们采用的是实时采样法，依据奈奎斯特采样定理，并结合工程实际需求，为了避免产生混叠的现象，目前实时采样一般规定是在带宽的4-5倍，则采样频率大约为100MSPS左右。ADC08100芯片是低功耗，8位的高速AD转换芯片，转换速率在20MSPS到100MSPS之间，性能好。其中CPLD的功能分为三部分：采样模块，12C从机模块和控制模块。此外，设计采用Cypress公司的FX2 USB控制器作為硬件电路与手机通信的方案，通过FX2 USB控制器的12C主机传送到CPLD。
　　（3）硬件电路器件参数
　　硬件电路使用的主要器件详见表1器件选型参数表所示。
　　2.3手机APP设计
　　Android软件类似于传统的虚拟仪器的上位机。
　　3口袋仪器实验室的测试
　　3.1硬件模块信号测试 　　硬件电路板测试步骤如下：
　　（1）连接电路。用USB线将手机与硬件电路板连接（电路板的LED灯亮表示连接正常），并将硬件电路板的示波器接口与信号发生器相连接，打开示波器开关。（2）打开OscPrimeAPP，设置USB连接。（3）点击测试。（4）设置时间轴、电压轴大小，将波形显示进行调整。
　　3.2手机APP软件测试
　　Android手机APP测试步骤如下：
　　（1）启动Android OseiPrime應用程序。（2）选择输入源。点击输人选择图标，选择OseiPfime USB作为输入源。同时启用“探头补偿USB OseiPrime”，点击“自动获取OseiPrime校准”。（3）点击运行/停止按钮开始采样。通过两次访问USB，第一次是将固件上传到FX2微控制器，第二次是开始沟通。（4）将示波器探头连接到左侧BNC连接器（P1），并连接到标有“PCOMP”的探头补偿输出端。（5）启动探针补偿。为了得到最好的效果，可调整设置，选择1024点显示。（6）补偿调整，选择适当的V/div设置。（7）波形测量，探头补偿信号输出波形。
　　4口袋仪器实验室应用与效果分析
　　4.1课堂教学互动应用
　　电子电路基础类课程组专任教师在学期初会将口袋仪器实验室套件人手一套地发放给授课班级的学生。授课中，允许3-5名同学为一组进行小组合作学习。课堂讲解中，可将例题效果通过手机进行展示，加强了理论与实践的深入融合，学生参与感、获得感明显增强。同时还可以进行课堂深入互动，通过互动学生对知识掌握情况能得到及时反馈，且活跃了课堂氛围，激发学生学习兴趣。
　　4.2基础实验项目应用
　　基础实验模块用于辅助课堂教学和常规实验。如基本的电路实验、模拟电子技术实验、数字电路实验、单片机实验等的信号测试都能满足需求。可以免去在每个实验室内购置示波器等仪器设备的经费、场地及维护开销。
　　4.3进阶实验项目应用
　　只需在手机中安装APP软件，再加上手机数据线一根，学生就可进行各类电子电路实验及科创竞赛作品的调试与设计。且随时随地都可以进行实验。进阶实验项目应用可用于综设性实验、课程设计、课外科技创新竞赛等。目前，学生团队已开发的包括机器人寻迹/避障小车、跳舞/竞技机器人、无人机、超声波测声速等多个进阶项目。
　　4.4效果分析
　　课程团队于2016-2018年对三届电子信息类毕业生进行了匿名问卷调查，针对学生使用口袋仪器实验室的实践应用效果，学生满意度连续三年达100%。且近三年我校电子设计类竞赛、机器人竞赛等获得国家一等奖l项，湖南省一等奖4项，二等奖6项，三等奖10余项，由此可见口袋实验室获得学生的认可并取得了显著效果。
　　5结束语
　　设计开发的基于Android的电子技术口袋仪器实验室套件是课程团队长期从事一线教学深耕精耘并实践探索持续改进基础之上的教学应用成果，其在课堂教学、实验教学和双创应用等环节中都有效地支撑了学校应用型人才的培养目标，可为国内各高校提供参考借鉴。
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