電類創新實驗平臺的研究與開發

摘 要：本文在分析國內實驗室建設的發展狀態的基礎上，以電類典型的實驗課程體系為對象，結合現代技術的發展，整合設計開發了創新實驗平臺，以促進學生創新能力的提高，同時為基礎性、綜合性、設計性實驗平臺提供了思路。

關鍵詞：整合 創新 EDA擴展

前言

實驗是培養學生實踐能力的有效手段，特別是工科院校，其實驗的條件一定程度上決定了學生對知識的掌握和應用。上世紀80年代，各高校教師為了實施實驗教學，根據教學自己研制了各個實驗項目作為實驗。它的特點是結合教材性強，對知識的切入深，能鍛煉學生某個知識點的能力，但管理維護較難，更新率不高。90年代，隨著高校科學技術的產業化，許多廠家采用模塊設計的方法，各技術人員根據自己對教學大綱的掌握的含義，將各實驗模塊做成一個實驗箱，其特點是管理方便，基本知識點清晰，缺點是靈活性差，擴展性不夠，特別是90年代后期，部分實驗箱模塊化集成度的增加，只讓學生測試輸入、輸出及部分中間波形，不利于學生實踐能力、創新能力的培養。作為電類、機電類及相關專業的學生，掌握硬件電路的設計和調試是必不可少的一部分。針對實驗建設的實際情況，結合工科實驗模塊化、擴展性、融合性等特點，以我院電類實驗課程為研究對象，筆者整合設計了一個創新實驗平臺，促進了學生創新能力的培養。

一、實驗課程體系分析與方案的確定

我院電類實驗按電的性質可分為強電和弱電實驗，從專業角度可分為基礎實驗和專業實驗，我們設計的實驗平臺主要考慮弱電中的基礎實驗，同時兼顧部分專業實驗的擴展。具體主要考慮電子線路（低頻電路、高頻電路）數字電路、微機原理及通信原理等實驗課程，表1是我院相關課程的實踐的分配。

上表中，低頻電路實驗和數字電路實驗是我院基礎實驗中心的基礎課程，是電類其他課程的基礎，實驗學時為24學時，微機原理是我院培養學生實踐能力的重要環節，實驗學時為16學時，以上三門課程是我院電類、機械類和計算機類專業的必修課；所有課程設計均為1周，設計的內容隨著教學計劃的安排，越到高學期，內容均包含低學期課程的內容。例如，通信原理課程不僅含有數字電路的知識，還包含CPLD等。為此，我們根據知識點的關聯，將整個課程體系中的共性知識點提出，考慮各課程的具體特點，設計出一個綜合性的實驗平臺。

二、系統的設計

1.系統框架

在吸收現有實驗箱優點的基礎上，提出共性，突出開放，得出實驗平臺的基本結構。如圖1所示。

2.系統組成

電源的設計：由于實驗平臺不僅為創新平臺，同時考慮低頻電路實驗/課程設計、高頻電路實驗/課程設計、微機原理課程設計等的需求，設計時提供三類電源，分別是±12V、±5V和±48V，不同電源有保護電路和電源指示，并在實驗板上做明確的標注，留有開放電源接口。同時為了特殊電源接入，備有外接電源接口。

信號源及頻率計：信號源是所有實驗的基本組成部分，考慮所需信號的不一致，實驗平臺設計低頻、中頻和高頻三個波段的信號，各波段獨立，單獨引出，且幅度可調節，為了測試信號的方便，平臺提供了一個簡易的頻率計。

顯示部分/通用開放模塊：考慮單片機和數字電路，結合顯示部分特點，設計動態和靜態2種掃描方式；兼顧數字基礎實驗的要求，采用開放模塊，以便于使用和更換。同時為了保證可靠性，開放模塊區插針采用雙排插針。

現代技術部分：隨著現代技術的發展，進年來ＥＤＡ技術被廣泛引入電類教學中，特別是基于ＣＰＬＤ在電路教學中的廣泛應用。但ＣＰＬＤ廠家的下載電路的不一致，很難將其統一，對此我們采用通用的ＣＰＬＤ封裝，采用菊花鏈方式將各腳引出，將作為下載用的拐腳接標準接插件，并設計了不同公司的ＪＴＡＧ下載模塊，當使用某個公司芯片時，在標準接口上接上對應公司的下載模塊，按操作即可完成設計電路的下載。

三、系統特點

全開放式結構：各個電路、信號源和元器件（整體）均采用插孔形式或接線形式引出，學生根據自己的設計，采用接線方式完成自己的電路。

整體性（廣度）：各部分設計時不僅結合電類的各門實驗課程，而且考慮各門課程之間的關聯和綜合應用，從整體上統一考慮和設計。

整合度高：從電類實驗的課程體系出發，盡可能地將各門課程所需的平臺框架整合為一體，提出共性，在設計和分布時同意考慮，例如信號源的類型、集成塊插座的分布等。

可擴展性和先進技術的引進：為了適應科學技術的發展和各類設計的需求，在設計中留有通用接口，例如液晶顯示器、電話、鍵盤和JATG等，并單獨設有CPLD和核心板通用接口，為引進廠家設計的嵌入式技術和DSP技術核心板提供了可能。

結束語

該實驗平臺不僅為大學生提供基礎性實驗、課程設計和創新性實驗的平臺，而且為學生畢業設計、教師科研提供一定的硬件條件。隨著技術的發展，該實驗平臺的開放性為教師引進新技術提供了實驗平臺的基板。