一種教學與科研綜合實驗平臺的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于：包括：通用數控電源：通用數控電源與外圍實驗裝置連接；傳感器：傳感器設置于外圍實驗裝置上，接收外圍實驗裝置的電信號，傳感器連接至顯示與控制終端；顯示與控制終端：接受傳感器發送的信息，采集顯示數據波形，存儲、計算并處理數據，顯示實驗結果；同時控制通用數控電源的輸出。本發明可以完成多種學科、多種實驗過程，可以培養實驗者動手能力，增進其對實驗方法的理解。
【專利說明】
一種教學與科研綜合實驗平臺
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于高校實驗與科研的跨學科綜合性實驗平臺，屬于教學實驗設備技術領域。
【背景技術】
[0002]目前，國內高校開設實驗課程所用的實驗儀器種類繁多。同樣的實驗內容由于使用不同教儀廠家的產品使得實驗方法與步驟各不相同，實驗的結果與誤差也有不同。由此導致教師與學生對實驗過程及結果產生歧義，影響實驗課的教學效果。歷史原因導致教學實驗儀器非標準化，這也限制了實驗資源及實驗結果在教學界的共享。所以開發一個能夠跨學科的實驗平臺，用通用的軟硬件，用相同的實驗手段配合具有針對性、專業性的外圍實驗裝置就能實現實驗儀器的通用化與標準化，進而統一實驗手段，統一實驗數據的獲取及處理方式以達到實驗條件的統一，這將為實驗數據的再現及共享提供保障。具有很大的社會效益。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是提供一種教學與科研綜合實驗平臺，在此平臺上能夠進行多種學科、多種實驗的工作，實現實驗儀器的通用化。
[0004]為解決上述技術問題，本發明提供一種教學與科研綜合實驗平臺，包括:
通用數控電源:通用數控電源與外圍實驗裝置連接；
傳感器:傳感器設置于外圍實驗裝置上，接收外圍實驗裝置的電信號，傳感器連接至顯示與控制終端；
顯示與控制終端:接受傳感器發送的信息，采集顯示數據波形，存儲、計算并處理數據，顯示實驗結果;同時控制通用數控電源的輸出。
[0005]本發明所達到的有益效果:本發明使用軟件與硬件平臺構建跨學科教學實驗與科研實驗系統。由實驗者選用相關外圍實驗裝置，傳感器采集外圍實驗裝置的實驗數據，同時外圍實驗裝置連接通用數控電源，再由顯示與控制終端進行數據處理與顯示，組成完整的實驗環境，可以任意搭建不同的外圍實驗裝置，并在顯示與控制終端進行相應的數據處理功能設置，可以完成多種學科、多種實驗過程，可以培養實驗者動手能力，增進其對實驗方法的理解。也可由平臺使用者自己設計外圍實驗裝置，自己設計傳感器，使用數控電源及采集器獲取實驗數據，完成創新型實驗。
【附圖說明】
[0006]圖1為本發明的教學與科研綜合實驗平臺原理圖；
圖2為本發明中通用數控電源的工作原理圖；
圖3為本發明中通用數控電源中的AD9833模塊的電路圖；
圖4為本發明中通用數控電源中兩級運放電路的電路圖； 圖5為本發明中通用數控電源中的穩壓源的電路圖；
圖6為本發明中通用數控電源中的穩壓源與運放電路切換電路的電路圖；
圖7為本發明中通用數控電源中的LTC1590模塊的電路圖；
圖8為本發明中通用數控電源中的LTC1590模塊的雙極性輸出電路的電路圖；
圖9為本發明中通用數控電源中的乘法器LTC1590模塊的輸出電路二的電路圖；
圖10為本發明中通用數控電源中的功率放大模塊LM1875模塊前級的電路圖；
圖11為本發明中通用數控電源中的恒流模塊電路圖；
圖12為本發明中通用數控電源中的功率放大模塊LM1875模塊的電路圖；
圖13為本發明中通用數控電源中的恒流模塊與功率放大模塊切換電路的電路圖；
圖14為本發明中通用數控電源中的可控電壓輸出電路的電路圖；
圖15為本發明中傳感器的原理圖。
【具體實施方式】
[0007]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0008]本實驗平臺由硬件及軟件兩大部分構成。
[0009]硬件平臺:
如圖1所示，本發明的一種教學與科研綜合實驗平臺，包括:
通用數控電源:通用數控電源與外圍實驗裝置連接；
傳感器:傳感器設置于外圍實驗裝置上，接收外圍實驗裝置的電信號，傳感器連接至顯示與控制終端；
顯示與控制終端:接受傳感器發送的信息，采集顯示數據波形，存儲、計算并處理數據，顯示實驗結果;同時控制通用數控電源的輸出。
[0010]外圍實驗裝置。針對不同學科各種實驗的具體要求配置不同的外圍實驗裝置，包括各種實驗材料、容器以及機械電子執行機構等。逐一優化設計以達到節能高效。
[0011 ]例1:夫蘭克一赫茲實驗裝置，包含一安裝夫蘭克一赫茲管的封閉屏蔽盒，屏蔽盒的一面為透明有機玻璃方便實驗者觀察夫蘭克一赫茲管，屏蔽盒后有引入柵極與陽極電壓的接線插口及引出陽極電流的輸出插口。
[0012]例2:普朗克常數實驗裝置，汞燈及配套電源一體化設計為一整體光源，另有一光電管安裝暗盒，其進光口有可變光闌，暗盒后有引出光電管電流的插頭。
[0013]例3:扭擺法轉動慣量實驗裝置，包含安裝在A型底座上的發條彈簧裝置以及待測物體支撐結構以及集成在裝置內的角度傳感器。
[0014]通用數控電源:
如圖2所示，本發明中通用數控電源包括AD9883模塊，AD9883模塊連接兩級運放電路，兩級運放電路輸出端連接至數模轉換器，數模轉換器輸出端連接至恒流模塊;MCU同時連接至AD9883模塊與數模轉換器;功率放大模塊連接至恒流模塊與功率放大模塊切換電路，同時恒流模塊與功率放大模塊切換電路連接至恒流模塊;穩壓源、兩級運放電路同時連接至穩壓源與運放電路切換電路;穩壓源、恒流模塊、數模轉換器同時連接至可控電壓輸出電路。
[0015]如圖3所示，AD9883模塊的引腳8接收MCU串行指令，AD9883模塊的引腳10連接至兩級運放電路。
[0016]如圖4所示，兩級運放電路包括運放一和運放二，運放一的輸入端來自AD9883模塊的輸出，運放二的輸出連接至數模轉換器，作為數模轉換器的參考電壓。
[0017]如圖5所示，穩壓源為LT1236-10芯片，LT1236-10芯片的輸出連接至穩壓源與運放電路切換電路。
[0018]如圖6所不，穩壓源與運放電路切換電路;切換電路包括光電親合器一，光電親合器一的引腳3連接三極管一的基極，三極管一的集電極連接繼電器一，繼電器一的引腳2和引腳7連接至穩壓源LT1236-10芯片的引腳5;繼電器一的引腳3和引腳6連接數模轉換器LTC1590芯片的引腳9，繼電器一的引腳4和引腳5連接至兩級運放電路的運放二 OPlA的輸出腳I端。
[0019]圖7中，數模轉換器包括LTC1590芯片以及圖8、圖9中的雙級性輸出電路一和輸出電路二，LTC1590芯片的引腳11接收MCU的串行指令，改變參考電壓信號的幅度，此為廣義上的數控增益調整。
[0020]在雙級性輸出電路一中，包括兩級運放，LTC1590芯片的引腳RFBA、引腳OUTlA分別連接至運放三OPlB的引腳7和引腳6，LTC1590芯片的引腳VREFA串聯連接第六電阻R6后連接至運放四0P3A的引腳2，第六電阻R6串聯連接第七電阻R7后連接至運放四的引腳I，同時LTC1590芯片的引腳VREF B連接至運放四的引腳I;運放三的引腳7串聯連接第八電阻R8后連接至運放四的引腳2。
[0021]在輸出電路二中，運放五0P3B的引腳6連接到LTC1590芯片的引腳0UT1B，運放五的引腳7連接至LTC1590芯片的引腳RFBB，LTC1590芯片的引腳OUTlB與引腳RFBB之間連接第十五電容C15。
[0022]如圖10，在功率放大模塊LMl875模塊前級的電路圖中，包括運放六0P4A，運放六的引腳I連接至功率放大模塊LM1875的輸入端，運放六的引腳3連接至LTC1590芯片的引腳RFBB0
[0023]圖11為本發明中通用數控電源中的恒流模塊電路圖；恒流模塊選用KC24H電源模塊。
[0024]圖13為本發明中通用數控電源中的恒流模塊與功率放大模塊切換電路的電路圖；切換電路包括光電耦合器二，光電耦合器二的弓I腳3連接三極管二的基極，三極管二的集電極連接繼電器二，繼電器二的引腳4和引腳5連接至恒流模塊KC24H的輸出端。繼電器二的引腳3和引腳6連接至連接器的引腳I，繼電器二的引腳7和引腳2連接至功率放大模塊LM1875的輸出端。
[0025]圖14為本發明中通用數控電源中的可控電壓輸出電路的電路圖；包括運放七0P4B，運放七引腳6串聯第二^^一電阻R21后連接至數模轉換器LTC1590的引腳RFBB，運放七引腳5串聯第二十四電阻R24后連接至穩壓源LT1236-10的輸出端，運放七引腳5串聯電阻R23后連接至恒流模塊。
[0026]圖15為本發明中傳感器的原理圖。包括FPGA，FPGA與MCU連接，MCU通過USB接口連接數據采集器，FPGA同時與ADC、SDRAM存儲器連接。
[0027]本發明中，通用數控電源不僅可以提供實驗所需的各種電壓電流源，而且可以自動根據實驗內容改變電源參數無需人工設定。通過USB接口接受電壓源、恒流源的頻率、幅度信息，采用集成信號源產生實驗所需的正弦波、三角波、方波信號并控制信號頻率。通過數模轉換電路構成輸出信號的幅度調整電路最大可達到二十四位的分辨率。
[0028]通過功放器件的并聯以實現較大的輸出，空間允許的情況下理論上可以無限擴充輸出。具有輸出保護功能，防止短路及接錯線路造成器件損壞。
[0029]AD9883模塊接收M⑶串行指令用來產生正弦波、三角波、方波信號，經兩級放大，信號統一為正負1V峰值后作為LTC1590數模轉換器的參考電壓，數模轉換器LTC1590接收M⑶的串行指令，改變參考電壓信號的幅度，此為廣義上的數控增益調整。數模轉換器輸出也接到恒流模塊，對電流輸出進行調整。MCU通過光耦隔離后控制繼電器以實現電壓源與電流源輸出的切換。MCU的控制信號是通過USB接口由數據采集器發出。
[0030]本發明中，利用傳感器獲取實驗數據。傳感器工作原理:電壓采集采用50M八位ADC，其工作時鐘及采樣、傳輸時序由FPGA產生。FPGA通過串行接口從M⑶得到各種工作命令，啟動數據采集并完成采樣數據到SDRAM的轉儲(實現SDRAM的訪問時序)JPGA也響應MCU讀數據的請求，將SDRAM中的采樣數據傳輸給MCU，MCU再通過USB接口將采樣數據上傳到數據采集器。傳感器由USB端口供電，數據采集器能自動識別，即插既用。
[0031]本實驗平臺可以接入電子、物理、化學、生物、環境科學、醫學等目前所有與電有關的傳感器以此獲取實驗數據。開放傳感器接口，方便自制的傳感器接入實驗平臺。體積小巧，低功耗設計，USB供電。本發明集成化的傳感器，集電源電路、信號調理電路、模數轉換電路、USB通訊電路為一體。高速數據采集自帶大容量緩存保證采集數據完整。量程自適應。完善的隔離電路，可隔離數千伏高壓保障人身及器材的安全。
[0032]本發明中，采用通用的顯示與控制終端。接受傳感器發來的信息，能像示波器一樣采集顯示數據波形，更能存儲、計算、處理數據，顯示實驗結果。還能控制數控電源的工作。是硬件的核心。該終端使用開放式通訊協議以方便第三方傳感器及電源接入。由長壽命輕觸按鍵、脈沖電位器及彩色液晶構成人機界面。通過高分辨率彩色液晶屏顯示實驗界面及各種實驗圖形。具備至少四路USB接口。通過USB接口連接數控電源并控制其工作，通過USB接口連接傳感器給其供電并獲取傳感器采集到的數據;通用及專用的實驗界面支持常規及專項實驗;通用的數據處理界面可完成數據分析、處理、顯示及存儲實驗結果。
[0033]具備以太網接口，可以組網并向網絡饋送實驗過程及實驗數據。
[0034]具備WIFI接口，可以用移動設備控制此終端。
[0035]軟件平臺:多學科實驗軟件，支持網上虛擬實驗室，支持廣域網與局域網聯機實驗，支持實驗內容網絡共享，支持移動終端接入。開方式網絡通信協議，支持添加協作單位的實驗內容及其實驗裝置接入。
[0036]顯示與控制終端包括以下功能模塊:
通訊模塊:通過USB接口與外部設備交互，下發外部設備的控制指令，同時也負責獲取外部設備信息及上傳實驗數據，所述外部設備包括數據采集器、數控電源、傳感器；
數據處理模塊:將上傳的實驗數據依據實驗要求進行預處理，提供給實驗模塊使用;預處理包括降噪、規格化等；
實驗模塊:依據所選實驗內容，顯示實驗界面，并在實驗界面中顯示數據處理模塊處理好的實驗數據；由人機界面(鍵盤、鼠標)實現實驗參數的調整，產生相關外部設備(數控電源、傳感器等)的控制信息，控制信息再通過通訊模塊下傳； 數據分析與顯示模塊:依據實驗內容顯示各類曲線，通過EXECL控件處理表格信息，通過Word控件處理實驗有關的文本及圖形信息，生成實驗報告電子檔；
網絡模塊:通過以太網由其它網絡終端控制實驗進程，通過網絡傳送實驗數據及各類圖形信息，提供實驗室網絡管理功能。
[0037]充分利用互聯網資源，構建網絡實驗室。虛擬實驗內容與真實的實驗環境相結合，虛實相間，以軟促硬。提供實驗室遠程管理功能，可以網上實時監控實驗過程，方便教師指導學生完成實驗。提供移動終端直聯功能，能用手機或平板電腦控制實驗裝置完成實驗。開方式平臺，能夠整合各方資源以促進實驗及科研手段的創新與發展。
以此平臺為基礎，依托互聯網構建跨學科、跨地域的國際性網上實驗平臺，覆蓋所有自然科學領域。吸納世界范圍內優秀的實驗方法與科研手段，將先進的實驗、科研儀器接入本平臺以實現網絡共享，會產生巨大的社會及經濟效益，將對實驗科學產生深遠的影響。
[0038]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:包括: 通用數控電源:通用數控電源與外圍實驗裝置連接； 傳感器:傳感器設置于外圍實驗裝置上，接收外圍實驗裝置的電信號，傳感器連接至顯示與控制終端； 顯示與控制終端:接受傳感器發送的信息，采集顯示數據波形，存儲、計算并處理數據，顯示實驗結果;同時控制通用數控電源的輸出；同時控制傳感器的工作參數； 外圍實驗裝置:針對不同學科各種實驗的具體要求配置不同的外圍實驗裝置，包括實驗材料、容器以及機械電子執行機構。2.根據權利要求1所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:所述通用數控電源包括AD9883模塊，AD9883模塊連接兩級運放電路，兩級運放電路輸出端連接至數模轉換器，數模轉換器輸出端連接至恒流模塊;MCU同時連接至AD9883模塊與數模轉換器;功率放大模塊連接至恒流模塊與功率放大模塊切換電路，同時恒流模塊與功率放大模塊切換電路連接至恒流模塊;穩壓源、兩級運放電路同時連接至穩壓源與運放電路切換電路;穩壓源、恒流模塊、數模轉換器同時連接至可控電壓輸出電路。3.根據權利要求2所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:穩壓源為LT1236-10芯片，LT1236-10芯片的輸出連接至穩壓源與運放電路切換電路。4.根據權利要求2所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:穩壓源與運放電路切換電路包括光電親合器一，光電親合器一的引腳3連接三極管一的基極，三極管一的集電極連接繼電器一，繼電器一的引腳2和引腳7連接至穩壓源LT1236-10芯片的引腳5;繼電器一的引腳3和引腳6連接數模轉換器LTC1590芯片的引腳9，繼電器一的引腳4和引腳5連接至兩級運放電路的運放二 OPlA的輸出腳I端。5.根據權利要求2所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:數模轉換器包括LTC1590芯片以及雙級性輸出電路一、輸出電路二，LTC1590芯片的引腳11接收M⑶的串行指令，改變參考電壓信號的幅度。6.根據權利要求5所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:在雙級性輸出電路一中，包括兩級運放，LTC1590芯片的引腳RFBA、引腳OUTlA分別連接至運放三的引腳7和引腳6，LTC1590芯片的引腳VREFA串聯連接第六電阻R6后連接至運放四的引腳2，第六電阻R6串聯連接第七電阻R7后連接至運放四的引腳1，同時LTC1590芯片的引腳VREF B連接至運放四的引腳I;運放三的引腳7串聯連接第八電阻R8后連接至運放四的引腳2。7.根據權利要求5所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:在輸出電路二中，運放五的引腳6連接到LTC1590芯片的引腳0UT1B，運放五的引腳7連接至LTC1590芯片的引腳RFBB，LTCl 590芯片的引腳OUTIB與引腳RFBB之間連接第十五電容Cl 5。8.根據權利要求2所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:功率放大模塊包括LM1875模塊和LM1875模塊的前級電路，LM1875模塊的前級電路包括運放六，運放六的引腳I連接至功率放大模塊LM1875的輸入端，運放六的引腳3連接至LTC1590芯片的引腳RFBB。9.根據權利要求2所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:恒流模塊為KC24H電源豐吳塊。10.根據權利要求2所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:恒流模塊與功率放大模塊切換電路的電路圖；切換電路包括光電耦合器二，光電耦合器二的引腳3連接三極管二的基極，三極管二的集電極連接繼電器二，繼電器二的引腳4和引腳5連接至恒流模塊KC24H的輸出端;繼電器二的引腳3和引腳6連接至連接器的引腳I，繼電器二的引腳7和引腳2連接至功率放大模塊LMl 875的輸出端。11.根據權利要求2所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:可控電壓輸出電路的電路圖；包括運放七，運放七引腳6串聯第二十一電阻R21后連接至數模轉換器LTC1590的引腳RFBB，運放七引腳5串聯第二十四電阻R24后連接至穩壓源LT1236-10的輸出端，運放七引腳5串聯電阻R23后連接至恒流模塊。12.根據權利要求1所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:所述傳感器包括FPGA，FPGA與MCU連接，MCU通過USB接口連接數據采集器，FPGA同時與ADC、SDRAM存儲器連接。13.根據權利要求1所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:顯示與控制終端包括以下功能t吳塊: 通訊模塊:通過USB接口與外部設備交互，下發外部設備的控制指令，同時也負責獲取外部設備信息及上傳實驗數據，所述外部設備包括數據采集器、數控電源、傳感器； 數據處理模塊:將上傳的實驗數據依據實驗要求進行預處理，提供給實驗模塊使用;預處理包括降噪、規格化等； 實驗模塊:依據所選實驗內容，顯示實驗界面，并在實驗界面中顯示數據處理模塊處理好的實驗數據；由人機界面實現實驗參數的調整，產生相關外部設備的控制信息，控制信息再通過通訊模塊下傳； 數據分析與顯示模塊:依據實驗內容顯示各類曲線，通過EXECL控件處理表格信息，通過Word控件處理實驗有關的文本及圖形信息，生成實驗報告電子檔。14.根據權利要求13所述的教學與科研綜合實驗平臺，其特征在于:還包括: 網絡模塊:通過以太網由其它網絡終端控制實驗進程，通過網絡傳送實驗數據及各類圖形信息，提供實驗室網絡管理功能。
【文檔編號】G09B5/02GK106023661SQ201610473439
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】盧帥, 周紅兵, 顧晨光
【申請人】南京恒立達光電有限公司