人機交互型電子技術實驗實訓平臺研究

曹 文 ，瞿金山，張春燕 ，魏 彬

（1.西南科技大學信息工程學院，四川綿陽 621010；2.西南科技大學國防科技學院，四川綿陽 621010）

0 引言

在傳統的《電子技術實驗》教學環節中，一般先由教師簡要地講述實驗原理與操作步驟，然后學生按照剛才的聽課內容和實驗指導書上的操作步驟開始以線路連接、數據測量為主的實驗內容。只要接線正確，往往實驗也就基本完成，由于實驗板與真實電路板之間差別較大，學生完成實驗后的收獲并不多。如果實驗結果不正確，學生一般只會拆除原有連線，再次重復剛才的接線步驟。這類電子技術實驗平臺均只針對某些特定實驗內容開發，功能單一，通用性較差，學生們難以完成驗證性實驗內容后的擴展性設計方案，得不到有價值的訓練。

國內很多高校在提升辦學質量的過程中，升級、改進傳統實驗手段與內容的要求非常迫切。如何對原有電子技術實驗平臺進行大刀闊斧的改革，使之逐步適應新形勢下的人才培養模式，擺在了廣大實驗管理工作者、實驗指導教師面前。

1 智能型實驗平臺設計思路

近幾年來，隨著軟硬件技術的成熟，虛擬儀器技術發展迅猛，已經開始成為測試儀器的發展趨勢。如果將虛擬儀器技術引入傳統的實驗技術項目中，將通用型硬件實驗平臺與上位計算機、數據采集卡無縫對接；計算機的人機交互界面對實驗過程進行指導與提示；虛擬儀器保護硬件平臺對實驗數據進行全程實時監控；學生的操作仍然針對硬件實驗平臺，但是更貼近工程實踐，不再“為了實驗而實驗”，實現對現有粗放型實驗方案的升級，同時減輕實驗教師的輔導工作量。

智能型實驗平臺將嵌入式系統編程與調試、虛擬儀器技術、數據通信、FLASH動畫設計等全新內容融入到傳統的電子技術硬件實驗平臺中，涉及在線智能監測與診斷、計算機輔助教學（CAI）等先進教學技術。由于涉及技術面寬、技術難度大，其創意領先而深遠，在國外也僅僅被運用在昂貴的專業自診斷（OSD）設備中，在實驗教學系統中的應用寥寥可數。目前國內還沒有一所高校的電工電子實驗室采用這種智能型的實驗系統平臺，也沒有任何一家教學儀器公司推出類似產品。隨著相關技術壁壘的逐步克服，將這種先進的實驗手段應用到現有電子技術實驗平臺中，將會作為一種強大的技術手段提高實驗對學生的吸引力，改善實驗效果。如果將這種新型實驗平臺通過商業手段推廣，也必將產生巨大的經濟效益。

2 研究內容及關鍵性技術工作

將高性能嵌入式控制與測量單元植入實驗平臺的底層，對實驗過程中的操作順序、關鍵點實驗數據與波形進行實時、無損、有效的監測；依托全面優化的實驗指導專家系統，對學生的整個實驗操作過程進行科學、規范的交互式指導；對學生實驗中出現的錯誤進行報警提示及后臺保護，延長實驗平臺的使用年限；友好的人機交互界面，能夠實現無教師值守情況下全天候的實驗室開放教學，也避免了因教師能力的個體差異而造成學生實踐能力參差不齊的現象。更重要的是，該系統能夠引導學生朝著實驗項目的深度與廣度進行自由拓展。

項目首先重新設計了一套電子技術硬件實驗平臺，平臺外觀與傳統實驗平臺接近或類似，但在硬件配置上重點考慮了實驗內容的可擴展性與通用性。平臺內部（背面）除安排常規的電氣連線外，新增有自主研發的嵌入式控制、檢測及數據采集單元，對學生實驗過程中的關鍵點參數進行采集與實時監測，并將數據傳送給配套的計算機。為保證硬件實驗平臺的高度獨立性，嵌入式的控制及數據采集單元對基礎實驗操作的影響應該降至最小。

計算機層面是電子技術新型實驗平臺的亮點。通過Lab－View軟件開發出友好的人機交互界面，信號源、示波器、萬用表、邏輯分析儀等多種虛擬儀器被集成到交互界面下，由學生根據實驗選擇調用。學生操作中的實驗波形與數據、采用FLASH編寫的動態實驗指導動畫同時顯示在人機交互界面中。當偵測到關鍵點數據出現偏差或者學生的操作步驟發生紊亂時，完善的實驗專家指導系統通過提示窗口進行糾正，人機交互貫穿整個實驗流程。

項目中所涉及的技術門類較多，其中軟件的集成與融合是關鍵，與之相關的數據檢測與傳輸是在調試中需要特別關注。在歸一化的計算機軟件設計中，系統具備智能識別實驗者操作步驟的功能，以判斷操作流程是否正確、規范。為了使實驗平臺能夠承載種類繁多、技術層次更加豐富的實驗內容，需要對平臺的硬件架構進行全面的設計與規劃。

3 特色及創新點

在“人機交互友好、具備智能檢測功能的全新電子技術實驗實訓平臺”的全新實驗模式下，高性能嵌入式控制與數據采集單元被植入實驗平臺內部。學生在實驗時基本感覺不到它的存在，但系統卻能夠在后臺對實驗過程中的操作順序、關鍵點實驗數據與波形進行實時、無損的全方位監測；依托實驗指導專家系統，對學生的實驗操作進行規范、恰當的交互式指導，優化整個實驗進程。

當實驗錯誤發生時，系統會進行報警提示及主動的后臺保護，延長了實驗平臺的使用年限；計算機提供的人機交互界面與幫助系統，有助于提高學生實驗效率；同時減輕實驗教師的低水平重復工作量，降低其工作強度，為將來無教師值守情況下實驗教學全天候開放打下堅實的物質基礎。同時，新平臺避免了因教師個體能力差異而造成學生實驗能力參差不齊的現象。更重要的是，系統能夠裝載更多的外圍設備，實現實驗內容的難度分級，實驗內容進一步豐富，實驗深度進一步拓展，引導學生朝實驗項目的深度與廣度自由拓展。

新的實驗技術方案并非一蹴而就，而應按步驟進行科學規劃與設計，逐步聯合調整為一個有機整體：

（1）消化、吸收《電子技術實驗》課程大綱，研究傳統實驗方案中所使用的硬件平臺，設計并優化新硬件實驗平臺造型，考慮提高實驗設備堅固性與可靠性的措施。對電路PCB板布局進行工程化約束，使之符合實際電路產品規范，讓學生擺脫“實驗板不是電路板”的錯誤認識。

（2）根據計劃達到的實驗指標與效果，制定科學、合理的實驗需求，使之能夠全方位實現驗證性、綜合性、創新性的多種實驗內容。

（3）對硬件實驗平臺進行過壓、過流、短路等常見故障現象的保護方案設計；嵌入式控制與測量系統對實驗開發板的監控方案設計；實現電子技術實驗板、嵌入式系統的有機結合及單向影響。

（4）將虛擬儀器的檢測端布置到硬件實驗平臺的關鍵點，測試檢測數據與計算機之間的通訊接口；此外，學生也能夠自由調配虛擬儀器的剩余檢測端，用于自己的實驗操作。

（5）利用LabView軟件編制人機接口管理界面，控制平臺內部的虛擬信號源產生實驗所需的工作波形，監控硬件實驗平臺底層發送的數據并完成相應的數據圖形化處理。

（6）利用FLASH軟件的動畫處理技術，編寫計算機輔助教學界面，并將其無縫地連接到人機接口界面軟件中，以輔助學生的實驗操作。

4 結語

人機交互友好、具備智能檢測功能的全新電子技術實驗實訓平臺從傳統的實驗平臺演變而來，一改傳統電子技術實驗平臺下“教師指導、學生操作”簡單、粗糙的實驗指導與操作模式。依托虛擬儀器的輔助診斷與測試功能，將計算機系統植入枯燥的實驗平臺，強調實驗過程的互動。在激發學生實驗興趣、吸引學生參與實驗、提高學生動手能力、創新實驗項目及內容等方面進行了全方位改進與探索。

此外，新實驗平臺對傳統電子實驗儀器的依賴大大減少，通過主動的保護單元設計提高了設備完好率，降低了實驗教師的低水平重復指導工作量，為課后實驗、課程設計、寢室實驗室等多種實驗形式提供了技術上的可能性，推廣空間很大，并有可能逐步成為電子技術實驗室的新發展趨勢。

［1］曹文.電子設計基礎［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［2］郝國法.DZJS-1型電子技術實驗平臺的研制［J］.實驗室研究與探索，2006（2）.

［3］司慧玲.基于LabVIEW的虛擬電工與電子實驗的設計［D］.南京：南京理工大學，2012.