一種智能評價模擬電路實驗的裝置及方法
【專利摘要】本發明提供了一種智能評價模擬電路實驗的裝置及方法，包括模擬實驗電路和單片機系統；正負直流電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表為實驗所需要的外部設備；所述正負直流電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表均支持SCPI；單片機系統通過SCPI協議與所述外部設備通訊；信號發生器通過高頻繼電器接入模擬實驗電路；所述正負直流電源、示波器和交流毫伏表均與模擬實驗電路連接；單片機系統還連接有模數轉換器；模數轉換器和模擬實驗電路連接，用于測量電路直流電壓；本發明詳細說明單片機如何實現模擬電路實驗智能評價的方法。本發明特色在于，所述詳細說明如何利用單片機，實現對學生模擬電路實驗的智能評價。
【專利說明】
一種智能評價模擬電路實驗的裝置及方法
技術領域
[0001]本發明屬于電子領域，涉及一種智能評價模擬電路實驗的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]模擬電路實驗是電子類課程的主要實驗課程。其課程的主要目的是，通過實驗，使學生掌握模擬電路實驗的基本知識和基本實驗技能，培養學生的電子電路的動手能力，要求學生能根據實驗結果，利用所學理論，通過分析找出內在聯系，從而對電路參數進行調整，使之符合電路性能的要求。
[0003]目前的模擬電路實驗箱，提供了模擬電路實驗所需要的電源，各種單元電路、分立元件、指示燈等，配合電源，信號發生器，雙蹤示波器，交流毫伏表，萬用表等設備，學生可以進行模擬電路實驗。學生是否正確完成實驗，需要由教師逐個檢查。因實驗人數較多，每次實驗結果的檢查、測試與成績評定需占總上課時間的一半左右，真正用于指導學生實驗的時間不足，同時給教師和實驗室人員造成很大的工作量。
[0004]已有的與本發明最相近的實現方案，為“嵌入式智能數字電路實驗儀(新型專利:CN200520101198.9)”。該專利為實用新型專利，僅僅提出了 “自動評價”、“微處理器數據庫”、“自我學習”、“嵌入式微處理器”、“聯網”等概念，并未說明其具體的實現方法。本專業領域人員，無法根據該專利，實現其功能。可以說，該發明僅提供一種思路，沒有提供實現的具體方案。
[0005]SCP1:可編程儀器標準命令(Standard Commands for ProgrammableInstruments)定義了一套用于控制可編程測試測量儀器的標準語法和命令。SCPI標準定義了可用于控制一切儀器的語法，命令結構以及數據格式。比如，通用的命令，如配置儀器參數的命令CONFigure，測量命令MEASure等。這些命令可用于任一儀器，并且同一類的命令屬于同一子系統里。SCPI同時也定義了若干儀器的種類。比如，任何可控制的電源都會實現DCPSUPPLY基本功能類型。本發明特色在于，詳細說明基于SCPI，即可編程儀器標準命令集，利用單片機，實現對學生模擬電路實驗的智能評價。
【發明內容】
[0006]為解決當前模擬電路實驗中存在的問題，本發明提供了一種智能評價模擬電路實驗的裝置及方法。
[0007]本發明是采用如下技術方案實現的:
[0008]—種智能評價模擬電路實驗的裝置，所述智能評價模擬電路實驗的裝置包括模擬實驗裝置;模擬實驗裝置包括模擬實驗電路和單片機系統;模擬實驗裝置外接有正負直流電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表;所述正負直流電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表均支持SCPI，并通過SCPI協議與單片機系統通訊;信號發生器通過高頻繼電器接入模擬實驗電路;所述正負直流電源、示波器和交流毫伏表與模擬實驗電路連接;單片機系統還連接有模數轉換器;模數轉換器和模擬實驗電路連接，用于測量電路直流電壓；
[0009]所述單片機系統包括單片機最小系統、單片機最小系統連接有實時時鐘、發光二極管、按鍵和液晶顯示屏。
[0010]進一步的改進，所述的模擬實驗電路為在模擬電路實驗的電路上增加高頻繼電器控制接口和信號處理后的接口得到。
[0011 ]進一步的改進，所述按鍵為五個，分別為“上移”、“下移”、“確定”、“取消”、“智能評價”；單片機根據按鍵，控制液晶顯示，并進行智能評價;五個按鍵直接與單片機輸入輸出引腳相連。
[0012]進一步的改進，所述的液晶顯示屏的型號為IXD 12864，驅動芯片為ST7920。
[0013]進一步的改進，所述實時時鐘型號為DS1302，外接鋰電池，直接與單片機相連。
[0014]進一步的改進，所述模數轉換器采用單片機中內置的模數轉換器。在實驗過程中，可由模數轉換器測量模擬電路中的直流電壓。
[0015]—種智能評價模擬電路實驗的方法，包括以下步驟:
[0016]學生在進行模擬電路實驗時，高頻繼電器閉合，單片機系統不控制電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表;單片機系統通過液晶顯示屏顯示連接信息，并通過發光二極管指示連接位置，學生通過連接信息和連接位置，分別將信號發生器、示波器、交流毫伏表接入到指定位置;學生接好模擬實驗并調試通過后，通過按鍵使裝置進入“智能評價”狀態；“智能評價”狀態下，單片機通過1口直接控制高頻繼電器、并通過SCPI協議控制電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表;依據單片機智能評價規則，單片機控制電源輸入合適的電壓，控制信號發生器輸入合適的測試信號，通過控制1口接通高頻信號發生器，并通過SCPI命令讀取示波器與交流毫伏表的測量數值，根據評價規則，判斷學生是否正確完成實驗。
[0017]進一步的改進，實驗裝置分為實驗狀態和智能評價狀態兩種狀態，在實驗狀態時，可實現常規模擬電路實驗箱的功能，在評價狀態時，可根據智能評價規則，對實驗電路進行智能評價;當實驗系統處于智能評價狀態時，單片機根據智能評價規則，控制信號發生器所輸出測試信號的頻率，幅值和相位。
[0018]進一步的改進，所述智能評價規則如下:
[0019]I)實驗規則總數:1字節，輸入規則條數不多于256條；
[0020]2)占用規則:10個字節，字節O至字節3表示具體實驗所使用的輸入信號端子，可支持4路輸入信號端子;字節4-字節7表示具體實驗所使用的輸出信號端子;字節8表示所述信號波形的種類，O表不正弦波，I表不三角波，2表不鋸齒波，3表不方波；字節9表不測試信號類型:O表示直流電壓，I表示交流電壓，2表示交直流電壓，3表示直流電流，4表示交流電流，5表示交直流電流。
[0021 ] 3)檢查規則:只有每條檢查規則均通過，整個模擬電路實驗才評價通過。每條檢查規則占用40個字節。分別表示輸入信號的頻率、輸入信號的幅度、輸入信號的相位、輸入信號的有效值，輸出信號的頻率、輸出信號的幅度、輸出信號的相位、輸出信號的有效值、輸出信號有效值的允許最大值，輸出信號有效值的允許最小值，各項均用浮點數表示，每項占用四個字節共計40個字節。所述輸出信號的有效值在允許的最大值與最小值之間時，表示輸出正常，通過該條檢查規則。
[0022]進一步的改進，所述單片機系統與電腦連接，智能評價規則保存在電腦或單片機系統中。
[0023]與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0024]1、以單片機為核心，實現了模擬電路實驗智能評價的主要功能，成本低。
[0025]2、詳細說明單片機如何實現智能評價的方法。本發明特色在于，本發明所述方法，在于詳細說明如何利用單片機，實現對學生模擬電路實驗的智能評價。本領域的專業人員，可以根據本發明，實現具體功能。
[0026]3、本發明所述“智能評價”，是指系統可以根據所選的實驗項目，智能判定學生是否正確完成實驗電路的連接，并將智能評價的結果，學生的學號等信息，顯示在液晶顯示屏上。
【附圖說明】
[0027]圖1為實施例結構示意圖。
[0028]圖2為單片機連接示意圖。
【具體實施方式】
[0029]如圖1(圖1中虛線表示SCPI協議連接)和圖2所示的一種智能評價模擬電路實驗的裝置，包括模擬實驗電路和單片機系統;單片機系統通過SCPI協議連接正負直流電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表;信號發生器通過高頻繼電器接入模擬實驗電路;所述正負直流電源、高頻繼電器、示波器和交流毫伏表均與模擬實驗電路連接;單片機系統還連接有模數轉換器;模數轉換器和模擬實驗電路連接;所述單片機系統包括單片機最小系統、單片機最小系統連接有實時時鐘、發光二極管、按鍵和液晶顯示屏。所述單片機最小系統中的單片機為STC 12C5A60S2單片機。所述按鍵為五個，分別為“上移”、“下移”、“確定”、“取消”、“智能評價”；單片機根據按鍵，控制液晶顯示，并進行智能評價;五個按鍵直接與單片機輸入輸出引腳相連。所述的液晶顯示屏，可選的型號為LCD12864，驅動芯片為ST7920。所述實時時鐘，型號為DS1302，外接鋰電池，直接與單片機相連。所述模數轉換器為單片機中內置的AD轉換器。
[0030]本發明將模擬電路實驗分為兩個狀態:“學生實驗”狀態與“智能評價”狀態。
[0031]當處于“學生實驗”狀態時，所述實驗箱中的高頻繼電器閉合，單片機不控制電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表等SCPI設備。學生可正常進行實驗。
[0032]當處于“智能評價”狀態時，高頻繼電器及SCPI設備由單片機控制，將由單片機根據智能評價的規則，控制電源輸入合適的電壓，控制信號發生器輸入特定頻率、特定幅度的測試信號，并通過SCPI命令讀取示波器與交流毫伏表的測量數值，根據評價規則，判斷學生是否正確完成實驗。
[0033]為實現智能評價的功能，要求學生根據具體的模擬實驗，將信號發生器的輸入信號，接入到指定的輸入點，將示波器的探頭，接到指定的輸入點，將直流電路輸入，接到指定的輸入點，需要的聯接信息，由單片機顯示在液晶顯示屏上，并利用發光二極管，指示具體的位置。
[0034]當智能評價完成后，單片機在液晶顯示屏上，顯示出測試信號的輸入值、經電路處理后的輸出值等，以及評價結果。
[0035]基于PC機+實驗箱的技術方案，同樣可以完成本發明的目的。實驗箱中的單片機通過RS232串行口或USB或wif i或藍牙等短距離通訊方法，與PC機進行通訊。
[0036]本發明的液晶顯示的功能，也可以由PC機實現。即在PC機軟件中，選擇所做的實驗，在PC機上顯示需要使用的輸入和輸出插座，并進行“學生實驗”狀態。
[0037]在“學生實驗”狀態，PC機不對實驗系統進行操作。
[0038]在“智能評價”狀態，智能評價規則可以PC機上創建和保存。PC機根據所選的實驗項目，將對應的評價規則發送給單片機，由單片機模擬實驗的整個過程，并將評價的結果發送給PC機，在PC機顯示評價結果和實驗的完成時間，作為教師評定成績的參考。
[0039]選擇PC機+實驗箱的方案，可以更加方便地增加新的實驗項目，但會增加系統成本和復雜度。如需要為每一臺實驗箱，配備一臺PC機，或將所有的實驗箱，采用聯網的方法，與一臺的PC機進行通訊。總的來講，會增加系統的成本。對于一個實驗，所需要完成的實驗項目是有限的，當需要增加新的實驗項目時，可對單片機進行重新編程。因此，本發明的方案具有成本更低、維護工作量更少的特點。
[0040]下文以一個兩級模擬放大電路設計實驗為例，具體說明本發明技術方案。該實驗要求學生設計一個放大倍數為100的IKHz交流放大電路電路。其智能評價規則設定為:
[0041 ]實驗規則總數:1條，即只需要I條檢查規則；
[0042]占用規則:10個字節，字節O至字節3表示具體實驗所使用的輸入信號端子，設為“I，0，0，0”，即只使用“I”號輸入端子;字節4-字節7表示具體實驗所使用的輸出信號端子，設定為“10，0，0，0”，即只使用“10”號輸出端子；字節8表示所述信號波形的種類，設定為“O”，表示正弦波;字節9表示測試信號類型，設定為“I”，表示交流電壓。
[0043]第I 條檢查規則設定為:1000，0.01414，0，0.01，1000，1.414，0，1，1.02，0.98。
[0044]分別表不輸入信號的頻率為1000Hz、輸入信號的幅度為14.14mV、輸入信號的相位為O、輸入信號的有效值為10mV，輸出信號的頻率為1000Hz、輸出信號的幅度為1.414V、輸出信號的相位為0、輸出信號的有效值為IV、輸出信號有效值的允許最大值為1.02V，輸出信號有效值的允許最小值為0.98V。
[0045]實現的步驟如下。
[0046]步驟I，實驗箱開機后，在液晶顯示屏上，輸入學號，記錄開始時間，并根據菜單，選擇“模擬放大電路實驗” ο進入“學生實驗”狀態，接通高頻繼電器。
[0047]步驟2，在“模擬放大電路實驗”頁面中，要求學生將信號發生器接到“I”號輸入端，示波器探頭接到“10”號輸出端，并利用發光二極管指示指定的位置。
[0048]步驟3，學生利用芯片和分立元件，用一片LM324，若干電阻和導線，搭接電路，并自行檢查實驗的輸出是否正確。
[0049]步驟4，當學生認為實驗電路已正確連接，可按下“智能評價”按鈕，進行“智能評價”狀態。
[0050]步驟5，單片機通過SCPI設定信號發生器，輸出頻率為IKHz，有效值為1mV的正弦波，并讀取示波器的信號，如果輸出信號的有效值為在0.98V到1.02V這個范圍內，則該實驗電路實現100倍的放大，說明學生所接的電路正確，智能評價通過，記錄學號及完成時間，顯示在液晶屏上。
【主權項】
1.一種智能評價模擬電路實驗的裝置，其特征在于，所述智能評價模擬電路實驗的裝置包括模擬實驗裝置;模擬實驗裝置包括模擬實驗電路和單片機系統;模擬實驗裝置外接有正負直流電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表;所述正負直流電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表均支持SCPI，并通過SCPI協議與單片機系統通訊;信號發生器通過高頻繼電器接入模擬實驗電路;所述正負直流電源、示波器和交流毫伏表與模擬實驗電路連接;單片機系統還連接有模數轉換器;模數轉換器和模擬實驗電路連接，用于測量電路直流電壓； 所述單片機系統包括單片機最小系統、單片機最小系統連接有實時時鐘、發光二極管、按鍵和液晶顯不屏。2.如權利要求1所述的一種智能評價模擬電路實驗的裝置，其特征在于，所述的模擬實驗電路為在模擬電路實驗的電路上增加高頻繼電器控制接口和信號處理后的接口得到。3.如權利要求1所述的一種智能評價模擬電路實驗的裝置，其特征在于，所述按鍵為五個，分別為“上移”、“下移”、“確定”、“取消”、“智能評價”；單片機根據按鍵，控制液晶顯示，并進行智能評價;五個按鍵直接與單片機輸入輸出引腳相連。4.如權利要求1所述的一種智能評價模擬電路實驗的裝置，其特征在于，所述的液晶顯示屏的型號為LCD12864，驅動芯片為ST7920。5.如權利要求1所述的一種智能評價模擬電路實驗的裝置，其特征在于，所述實時時鐘型號為DS1302，外接鋰電池，直接與單片機相連。6.如權利要求1所述的一種智能評價模擬電路實驗的裝置，其特征在于，所述模數轉換器采用單片機中內置的模數轉換器;在實驗過程中，可由模數轉換器測量模擬電路中的直流電壓。7.—種智能評價模擬電路實驗的方法，其特征在于，包括以下步驟: 學生在進行模擬電路實驗時，高頻繼電器閉合，單片機系統不控制電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表;單片機系統通過液晶顯示屏顯示連接信息，并通過發光二極管指示連接位置，學生通過連接信息和連接位置，分別將信號發生器、示波器、交流毫伏表接入到指定位置;學生接好模擬實驗并調試通過后，通過按鍵使裝置進入“智能評價”狀態；“智能評價”狀態下，單片機通過1口直接控制高頻繼電器、并通過SCPI協議控制電源、信號發生器、示波器和交流毫伏表;依據單片機智能評價規則，單片機控制電源輸入合適的電壓，控制信號發生器輸入合適的測試信號，通過控制1口接通高頻信號發生器，并通過SCPI命令讀取示波器與交流毫伏表的測量數值，根據評價規則，判斷學生是否正確完成實驗。8.如權利要求7所述的一種智能評價模擬電路實驗的方法，其特征在于，實驗裝置分為實驗狀態和智能評價狀態兩種狀態，在實驗狀態時，可實現常規模擬電路實驗箱的功能，在評價狀態時，可根據智能評價規則，對實驗電路進行智能評價;當實驗系統處于智能評價狀態時，單片機根據智能評價規則，控制信號發生器所輸出測試信號的頻率，幅值和相位。9.如權利要求7所述的一種智能評價模擬電路實驗的方法，其特征在于，所述智能評價規則如下: 1)實驗規則總數:1字節，輸入規則條數不多于256條； 2)占用規則:10個字節，字節O至字節3表示具體實驗所使用的輸入信號端子，可支持4路輸入信號端子;字節4-字節7表示具體實驗所使用的輸出信號端子;字節8表示所述信號波形的種類，O表示正弦波，I表示三角波，2表示鋸齒波，3表示方波;字節9表示測試信號類型:O表示直流電壓，I表示交流電壓，2表示交直流電壓，3表示直流電流，4表示交流電流，5表示交直流電流。 3)檢查規則:只有每條檢查規則均通過，整個模擬電路實驗才評價通過。每條檢查規則占用40個字節。分別表示輸入信號的頻率、輸入信號的幅度、輸入信號的相位、輸入信號的有效值，輸出信號的頻率、輸出信號的幅度、輸出信號的相位、輸出信號的有效值、輸出信號有效值的允許最大值，輸出信號有效值的允許最小值，各項均用浮點數表示，每項占用四個字節共計40個字節。所述輸出信號的有效值在允許的最大值與最小值之間時，表示輸出正常，通過該條檢查規則。10.如權利要求7所述的一種智能評價模擬電路實驗的方法，其特征在于，所述單片機系統與電腦連接，智能評價規則保存在電腦或單片機系統中。
【文檔編號】G09B23/18GK106023753SQ201610649900
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月10日
【發明人】陳松嶺, 劉星華
【申請人】福建工程學院