Arduino數據可視化在實驗教學中的應用

饒珺

[摘? ? ? ? ? ?要]? 為培養學生學科交叉創新與科技融合的能力，上海大學工程訓練國家級實驗教學示范中心不斷提升實驗教學水平，并組織學科競賽，倡導學生通過自主設計和制作完成項目作品。Arduino控制板因其操作簡單、功能豐富等優點，被廣泛應用于高校課題項目開發。在項目開發實施過程中，為更清晰直觀地觀察數據變化，可通過Arduino自帶串口繪圖器直接顯示。提出在Arduino實驗教學中引入數據可視化的實驗設計，由此強化學生對Arduino控制板的運用，提升學生的項目開發能力。

[關? ? 鍵? ?詞]? 工程訓練;實驗教學;Arduino;串口通信;示波器

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2018）35-0201-01

一、Arduino項目引入工程訓練中心的意義

上海大學工程訓練國家級實驗教學示范中心（后文簡稱“工程訓練中心”）是“學研產”一體化的綜合性人才培養基地，它不再是傳統意義上的金工、電工基礎技能培訓中心，而是以“傳統+現代”“基本+先進”、綜合性為重心的工程能力培養中心。為貫徹“拆除四堵墻”的教學理念[1]，工程訓練中心增加了多項學科競賽及實驗課程。基于工程訓練中心豐富的資源優勢，越來越多課程設計在此完成。課題項目的開發工具種類較多，Arduino因其價格低廉、操作簡單等特點，被廣泛應用于高校課題項目中。且Arduino堅持開源理念，有利于學生對源代碼進行二次開發。在實驗教學中，增加Arduino學習十分有必要。

課題的開發工具種類較多，如Eddison、Raspberry、Arduino等，其中Arduino有價格低廉、操作簡單、拓展性強等優點，高校中許多課題項目選擇采用Arduino控制板。Arduino平臺堅持開源理念，有利于學生對源代碼進行二次開發。在工程訓練中心實驗教學中，增加Arduino學習十分有必要。

二、Arduino串口繪圖器及實驗設計

Arduino與計算機通信最常用的方式是串口通信，使用USB線將Arduino與計算機連接，即可建立串口通信、互傳數據。在項目開發過程中，常通過串口監視器對數據流進行顯示、分析、測試。串口監控器是一個非常實用的工具，當數據量較龐大，圖形化的界面能顯示數據變化趨勢并有效提高調試效率。Arduino IDE自帶的串口繪圖器功能可直觀地對數據進行線性顯示。

以繪圖器顯示正弦波、余弦波為例，代碼如下：

double i = 0;

void setup（） {

Serial.begin（9600）;

}

void loop（） {

double temp = i*3.1415926/10.0;

Serial.print（sin（temp））;

Serial.print（'，'）;

Serial.println（cos（temp））;

i+=0.1;

delay（5）;

}

參照以上代碼，要實現串口與計算機通信，首先需使用Serial.begin（）函數對Arduino的串口通信功能進行初始化，即設定串口通信速率，串口通信的雙方須使用相同的波特率才能正常進行通信。常用的波特率為9600 bit/s，表示每秒傳送的二進制數據為9600位（bit）。

串口初始化完成后，通過串口輸出函數[2]向計算機發送數據，使用Arduino自帶的串口繪圖器即可實現數據可視化。如果要實現多組數據的顯示，則需使用‘，隔開，并在最后一組數據使用Serial.println（）函數換行。

基于Arduino的項目開發過程中，如需研究外部輸入電現象的變化過程時，可通過增加外部電路和顯示模塊制成數字示波器[3]，通過模數轉換器（Analog-to-Digital Converter）把被測電壓轉換為數字信息。由于儀器資源有限、不便攜帶，在課題項目中成品示波器難以普及使用，因此可在實驗教學中提出結合Arduino內部自帶的模數轉換器，連接顯示屏，制作數字示波器的設計要求。模擬信號輸入后先將連續信號數字化，即離散化采樣，采樣獲得的數據以數組形式存入單片機存儲器內，Arduino通過SPI總線與顯示屏通信，將處理后的數據輸出給液晶屏完成一幀波形的顯示，再重復以上過程。

三、結束語

基于Arduino的課題項目不僅能提高學生的創新思維，也有利于交叉學科的學習。在實驗教學中增加可視化數據的學習，能將數據以曲線形式直觀顯示，大大提高項目調試效率。此外，還提出在實驗教學中增加制作簡易示波器的進階實驗，加深學生對Arduino的應用。

參考文獻：

[1]李旭.教育要“拆四堵墻”[J].教育與職業，2010（28）：105.

[2]吳漢清.玩轉Arduino電子制作[M].北京：機械工業出版社，2016：77-78.

[3]張群群.基于Android的數字示波器操作界面及手勢設計[D].黑龍江：哈爾濱工業大學，2013：3-6.