本發(fā)明涉及實驗教學(xué)平臺。

背景技術(shù)：

在電路實驗、信號與系統(tǒng)實驗、數(shù)字電路實驗、模擬電路實驗等電子類課程的實驗中，需要使用到信號發(fā)生器和信號采集和分析設(shè)備(如示波器、頻譜儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀等)，還會用到萬用表等測量設(shè)備。

這些設(shè)備價格并不便宜，學(xué)生無法單獨購買，學(xué)校也不能給學(xué)生每人配備一套設(shè)備，往往是在實驗室的每個實驗臺配備一套，而且都比較笨重，因此電子實驗臺上面這些設(shè)備都占據(jù)了很大一部分空間，不具便攜性；

現(xiàn)有的實驗都是安排了固定的時間讓學(xué)生在實驗室進行實驗，而實驗課時也是固定的，因此學(xué)生并不能安排自己的時間來進行實驗，也缺少時間對實驗進行拓展，十分不方便；

在學(xué)生需要用到實驗室的設(shè)備進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目或者比賽時，需要選擇實驗室的非實驗時間才能使用實驗設(shè)備，不利于學(xué)生的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的進行或比賽的進行；

實驗室開放的時間都需要有老師進行看管，需要消耗一定的人力資源，如果學(xué)生能夠利用設(shè)備自主實驗的話，可以節(jié)省這部分人力資源；

現(xiàn)有的這些示波器、信號發(fā)生器、頻譜儀、萬用表、網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備都是單獨的設(shè)備，并且有的不支持與電腦或手機連接傳輸采集到的數(shù)據(jù)，或者如果每個設(shè)備都要進行連接需要很多數(shù)據(jù)傳輸線纜才能完成，并不方便進行數(shù)據(jù)存儲的工作，不方便對數(shù)據(jù)進行二次處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的電子實驗教學(xué)平臺設(shè)備貴重、不具便攜性、不方便對采集的數(shù)據(jù)進行存儲及二次處理的問題，從而提供一種便攜式電子實驗教學(xué)平臺。

本發(fā)明所述的一種便攜式電子實驗教學(xué)平臺，包括電源、數(shù)據(jù)處理及控制模塊、數(shù)字io、萬用表芯片、無線模塊、usb接口、多個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多個濾波及運算放大電路、多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多個捕捉電路和定制模塊；

電源包括直流穩(wěn)壓電壓源和電流源芯片；

多個數(shù)模轉(zhuǎn)換器和多個濾波及運算放大電路一一對應(yīng)，多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多個捕捉電路一一對應(yīng)；

數(shù)據(jù)處理及控制模塊的輸出控制信號端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的控制信號輸入端連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸出端與濾波及運算放大電路的模擬信號輸入端連接；

外部通過usb接口為電源和數(shù)據(jù)處理及控制模塊供電，外部設(shè)備通過usb接口或無線模塊與數(shù)據(jù)處理及控制模塊通信，數(shù)據(jù)處理及控制模塊的萬用表控制信號端與萬用表芯片的控制信號輸入端連接，萬用表芯片的萬用表數(shù)據(jù)輸出端與數(shù)據(jù)處理及控制模塊的萬用表數(shù)據(jù)輸入端連接，數(shù)據(jù)處理及控制模塊的捕捉控制信號輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的捕捉控制信號輸入端連接，捕捉電路采集輸入信號，捕捉電路的采集信號輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采集信號輸入端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號輸出端與數(shù)據(jù)處理及控制模塊的數(shù)字信號輸入端相連；

定制模塊包括顯示模塊和輸入模塊；

數(shù)據(jù)處理及控制模塊的顯示信號輸出端通過數(shù)字io與顯示模塊的顯示信號輸入端相連，輸入模塊用于輸入控制信號，輸入模塊的控制信號輸出端通過數(shù)字io與數(shù)據(jù)處理及控制模塊的控制信號輸入端相連。

顯示模塊和輸入模塊采用觸摸顯示屏模塊實現(xiàn)。

優(yōu)選的是，無線模塊采用wi-fi模塊、藍(lán)牙模塊或無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)。

優(yōu)選的是，數(shù)據(jù)處理及控制模塊采用單片機、arm微處理器、dsp或fpga實現(xiàn)。

優(yōu)選的是，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的通道數(shù)為1-4路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的通道數(shù)為1-6路。

優(yōu)選的是，連接所用的導(dǎo)線串聯(lián)有隔離芯片。

優(yōu)選的是，還包括dds芯片，數(shù)據(jù)處理及控制模塊的波形輸出控制信號端與dds芯片的波形輸出控制信號輸入端連接，dds芯片的輸出端與濾波及運算放大電路的輸入端連接。

優(yōu)選的是，定制模塊還包括按鍵、電機驅(qū)動模塊、電機和邏輯電路；

按鍵與數(shù)字io連接，數(shù)據(jù)處理及控制模塊的電機控制信號輸出端通過數(shù)字io與電機驅(qū)動模塊的電機控制信號輸入端連接，電機驅(qū)動模塊的驅(qū)動信號輸出端與電機連接，電機驅(qū)動模塊的電機反饋信號輸出端通過數(shù)字io與數(shù)據(jù)處理及控制模塊的電機反饋信號輸入端連接，邏輯電路與數(shù)字io連接。

優(yōu)選的是，外部設(shè)備采用電腦或手機實現(xiàn)，外部設(shè)備內(nèi)嵌入應(yīng)用程序，應(yīng)用程序包括教師用戶端和學(xué)生用戶端，教師用戶端能夠查看學(xué)生用戶端連接的實驗教學(xué)平臺的運行狀況，并向?qū)W生用戶端發(fā)送指導(dǎo)意見，學(xué)生用戶端用于接收數(shù)據(jù)處理及控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)及向接收數(shù)據(jù)處理及控制模塊發(fā)送控制信號，并用于接收教師用戶端的指導(dǎo)意見。

有益效果：

1、本發(fā)明將電子實驗中常用到信號發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、直流電壓源、直流電流源、萬用表、示波器、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀的功能整合到一個硬件模塊上，在滿足實驗要求的性能的同時大大簡化了實驗室的設(shè)備的數(shù)量和成本，具有便攜性，發(fā)放給學(xué)生使用則可以讓學(xué)生的實驗時間更自由更充沛；

2、硬件部分使用wi-fi、藍(lán)牙、無線數(shù)傳或有線連接進行組網(wǎng)，在實驗中心可以建立服務(wù)器對所有連接到局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)的實驗設(shè)備進行管理，教師可以作為最高權(quán)限的用戶獲得所有實驗設(shè)備的運行狀況，并能通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相應(yīng)的指導(dǎo)給學(xué)生；

3、安裝了軟件部分應(yīng)用程序的手機或電腦可以通過無線模塊或usb接口控制硬件部分并獲得硬件部分的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析和顯示，也可以使用單獨的觸摸顯示屏模塊與硬件部分連接，直接顯示采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果。

附圖說明

圖1是具體實施方式一所述的一種便攜式電子實驗教學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是具體實施方式一中教學(xué)平臺執(zhí)行任務(wù)的流程圖；

圖3是具體實施方式一中通過應(yīng)用程序仿真得到的波形圖；

圖4是具體實施方式一中通過教學(xué)平臺發(fā)送、接收后由觸摸顯示屏模塊或外部設(shè)備的應(yīng)用程序顯示的波形圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1至圖4具體說明本實施方式，本實施方式所述的包括電源1、數(shù)據(jù)處理及控制模塊2、數(shù)字io3、萬用表芯片4、無線模塊5、usb接口6、多個數(shù)模轉(zhuǎn)換器7、多個濾波及運算放大電路8、多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器9、多個捕捉電路10和定制模塊11；

電源1包括直流穩(wěn)壓電壓源和電流源芯片；

多個數(shù)模轉(zhuǎn)換器7和多個濾波及運算放大電路8一一對應(yīng)，多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器9和多個捕捉電路10一一對應(yīng)；

數(shù)據(jù)處理及控制模塊2的輸出控制信號端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器7的控制信號輸入端連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器7的模擬信號輸出端與濾波及運算放大電路8的模擬信號輸入端連接；

外部通過usb接口6為電源1和數(shù)據(jù)處理及控制模塊2供電，外部設(shè)備通過usb接口6或無線模塊5與數(shù)據(jù)處理及控制模塊2通信，數(shù)據(jù)處理及控制模塊2的萬用表控制信號端與萬用表芯片4的控制信號輸入端連接，萬用表芯片4的萬用表數(shù)據(jù)輸出端與數(shù)據(jù)處理及控制模塊2的萬用表數(shù)據(jù)輸入端連接，數(shù)據(jù)處理及控制模塊2的捕捉控制信號輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器9的捕捉控制信號輸入端連接，捕捉電路10采集輸入信號，捕捉電路10的采集信號輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器9的采集信號輸入端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換器9的數(shù)字信號輸出端與數(shù)據(jù)處理及控制模塊2的數(shù)字信號輸入端相連；

定制模塊11包括顯示模塊和輸入模塊；

數(shù)據(jù)處理及控制模塊2的顯示信號輸出端通過數(shù)字io3與顯示模塊的顯示信號輸入端相連，輸入模塊用于輸入控制信號，輸入模塊的控制信號輸出端通過數(shù)字io3與數(shù)據(jù)處理及控制模塊2的控制信號輸入端相連。

本實施方式中，直流穩(wěn)壓電壓源的輸出范圍為-24v～+24v，是可調(diào)節(jié)的，電流源芯片的輸出范圍為0～20ma。顯示模塊和輸入模塊采用觸摸顯示屏模塊實現(xiàn)。

數(shù)字io是程控的數(shù)字輸入輸出接口，預(yù)留的數(shù)字io接口采用插針，可以通過數(shù)字io連接定制模塊11來提供更多的功能，也可以由用戶自定義進行輸入輸出，定制模塊11與數(shù)字io的插針進行連接。

微處理器、dsp或fpga可以掃描數(shù)字io電平狀態(tài)判斷按鍵是否被按下，并將按鍵狀態(tài)發(fā)送給外部設(shè)備是應(yīng)用程序，從而進行按鍵測試教學(xué)。數(shù)據(jù)處理及控制模塊2向電機驅(qū)動模塊發(fā)送控制信號，用于控制電機的工作狀態(tài)，還用于接收電機驅(qū)動模塊反饋回的信號，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)處理及控制模塊2根據(jù)用戶設(shè)定的邏輯電路的引腳輸出電平，檢測邏輯電路的輸入電平，實現(xiàn)邏輯電路模塊的邏輯分析的功能，實現(xiàn)邏輯電路的教學(xué)。本實施方式的硬件部分集中在一塊電路板上，并且支持與新的擴展功能電路板連接，具有便攜性。

本發(fā)明的一種便攜式實驗教學(xué)平臺。該實驗教學(xué)平臺包含了硬件部分和軟件程序部分。硬件部分包含微處理器、dsp或fpga、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、萬用表芯片、wi-fi或藍(lán)牙等器件，能夠?qū)崿F(xiàn)信號源、脈沖信號發(fā)生器、可調(diào)節(jié)電壓源和電流源、示波器、頻譜分析儀、多功能數(shù)字io、萬用表等功能；軟件部分包含windows應(yīng)用程序、android應(yīng)用程序和ios應(yīng)用程序。使用者能夠在電腦和手機上通過軟件程序設(shè)置硬件部分的工作狀態(tài)和輸出；使用者能通過軟件程序接收并顯示硬件部分的輸入并進行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和顯示；此外，使用者還能通過軟件程序上的教程學(xué)習(xí)平臺的使用方法。

不同的實驗平臺可以通過wi-fi模塊、藍(lán)牙或無線數(shù)傳模塊進行組網(wǎng)，然后接入網(wǎng)絡(luò)的電腦和手機可以通過實驗平臺獨有的id識別實驗平臺并與實驗平臺建立連接進行數(shù)據(jù)傳輸，教師端的應(yīng)用程序可以查看組網(wǎng)內(nèi)部的所有實驗平臺的運行狀況，教師端可以通過應(yīng)用程序發(fā)送指導(dǎo)給學(xué)生端。

萬用表芯片通過rs232協(xié)議與數(shù)據(jù)處理及控制模塊相連接，用戶通過應(yīng)用程序發(fā)送萬用表測量命令給數(shù)據(jù)處理及控制模塊，數(shù)據(jù)處理及控制模塊通過io引腳控制萬用表芯片的工作模式，并且數(shù)據(jù)處理及控制模塊將萬用表芯片的輸出結(jié)果發(fā)送給用戶的應(yīng)用程序。

windows、android和ios平臺下的應(yīng)用程序提供萬用表、信號源、示波器、頻譜儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、邏輯分析儀的操作界面和結(jié)果顯示界面，提供軟件仿真的功能，提供將仿真結(jié)果和硬件平臺接收的結(jié)果進行對比分析的功能。

本發(fā)明使用微處理器(單片機或arm處理器)、dsp或fpga作為教學(xué)實驗平臺的硬件部分的控制和第一級信號處理器，外部設(shè)備為第二級信號處理器由電腦或手機應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，兩級的信號處理可以實現(xiàn)信號頻譜分析、網(wǎng)絡(luò)分析和邏輯分析的功能；硬件部分的功能性電路有可調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電壓源、電流源，萬用表芯片和萬用表接口，高速adc，高速dac及運算放大器，dds(直接數(shù)字式頻率合成器)芯片，可編程控制數(shù)字io等電子實驗需要的功能模塊，也包括可插拔觸摸顯示屏模塊以及其他外接模塊；硬件部分通過wi-fi網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、無線數(shù)傳或usb接口與電腦或手機進行連接和傳輸數(shù)據(jù)；當(dāng)數(shù)據(jù)量不大時采用數(shù)據(jù)處理及控制模塊對數(shù)據(jù)進行處理及存儲，如對數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時采用外部設(shè)備嵌入的數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進行處理，觸摸顯示屏模塊對采集到的及處理后的數(shù)據(jù)進行顯示；外部設(shè)備嵌入的數(shù)據(jù)處理模塊能提供對應(yīng)實驗的軟件仿真結(jié)果，并能將仿真結(jié)果和實驗平臺采集到的結(jié)果進行對比，判斷實驗結(jié)果是否正確，分析實驗的誤差；外部設(shè)備還嵌入提供超級用戶給指導(dǎo)教師的模塊，超級用戶可以與通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有硬件設(shè)備和軟件設(shè)備連接，并可以隨時查看學(xué)生的實驗情況，給出相應(yīng)的指導(dǎo)；外部設(shè)備還嵌入用于提供整個電子實驗教學(xué)平臺的使用教程的模塊。

硬件部分通過usb接口供電，外部設(shè)備在使用windows應(yīng)用程序時，可以通過usb接口與硬件部分進行數(shù)據(jù)傳輸，也可以使用wi-fi、藍(lán)牙、無線數(shù)傳與硬件部分進行數(shù)據(jù)傳輸，android應(yīng)用程序和ios應(yīng)用程序只能通過wi-fi或藍(lán)牙與硬件部分進行數(shù)據(jù)傳輸。使用wi-fi進行數(shù)據(jù)傳輸時，需要先將電腦或者手機連接到硬件部分的wi-fi模塊，然后可以設(shè)置硬件部分連接用戶自行創(chuàng)建的wi-fi，然后將電腦或手機連接到用戶自行創(chuàng)建的wi-fi。使用藍(lán)牙進行數(shù)據(jù)傳輸時，需要將電腦或手機與硬件部分的藍(lán)牙進行配對連接，然后可以進行數(shù)據(jù)傳輸。

如圖2所示，平臺設(shè)備開機之后會初始化該平臺的各個硬件部分，然后硬件部分能夠自動檢測用戶的連接方式，當(dāng)這些執(zhí)行完成之后硬件部分開始等待用戶應(yīng)用程序的命令，當(dāng)用戶應(yīng)用程序向硬件部分發(fā)送了操作指令之后，數(shù)據(jù)處理及控制模塊將操作指令的內(nèi)容解析并添加指令中的任務(wù)，這些任務(wù)包括：控制萬用表芯片進行各種測量，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生各種信號，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行信號采集和控制數(shù)字io進行輸入輸出；當(dāng)數(shù)據(jù)處理及控制模塊收到指令之后會創(chuàng)建相應(yīng)的任務(wù)并執(zhí)行，數(shù)據(jù)處理及控制模塊能夠在執(zhí)行任務(wù)的同時檢測用戶的新命令；這些指令的任務(wù)在用戶沒有發(fā)出停止或修改任務(wù)的指令時將會持續(xù)執(zhí)行，在執(zhí)行過程中數(shù)據(jù)處理及控制模塊將執(zhí)行狀態(tài)和執(zhí)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(如模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行信號采集接收到的數(shù)據(jù)，萬用表芯片測量出來的數(shù)據(jù))發(fā)送給用戶程序，用戶程序進行分析并顯示這些數(shù)據(jù)。

硬件部分在初始化過程中能夠檢測到是否連接到了觸摸顯示屏模塊，當(dāng)用戶將外接的觸摸顯示屏模塊連接到硬件部分時，硬件部分能夠通過數(shù)字io將接收到的數(shù)據(jù)和運行狀況發(fā)送給觸摸顯示屏模塊，觸摸顯示屏模塊能夠?qū)@些數(shù)據(jù)和運行狀況進行顯示，同時觸摸顯示屏模塊能夠檢測用戶的操作，接收修改硬件部分工作狀態(tài)的操作，使用戶可以通過該模塊控制其他硬件的工作狀態(tài)，用來代替電腦和手機的應(yīng)用程序的功能。

當(dāng)用戶的應(yīng)用程序連接到廣域網(wǎng)或教師端提供的局域網(wǎng)時，數(shù)據(jù)處理及控制模塊2會自動檢測教師端的應(yīng)用程序是否運行，當(dāng)教師端的應(yīng)用程序正在運行時，會將硬件部分的運行狀況和軟件部分的運行狀況進行記錄和保存，當(dāng)教師端的應(yīng)用程序發(fā)出請求查看運行狀況時，用戶的應(yīng)用程序?qū)⒂涗浐捅４娴倪\行狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給教師端，教師端能夠進行查看，當(dāng)教師發(fā)現(xiàn)了問題時，可以提示用戶實驗中的出現(xiàn)了問題并向用戶發(fā)送一些指導(dǎo)意見。

圖3與圖4相似，說明學(xué)生操作正確，如果通過應(yīng)用程序得到的仿真波形圖與教學(xué)平臺發(fā)送、接收后由觸摸顯示屏模塊顯示的波形圖不相似，則說明學(xué)生操作錯誤。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種便攜式電子實驗教學(xué)平臺作進一步說明，本實施方式中，連接所用的導(dǎo)線串聯(lián)有隔離芯片。

隔離芯片可以有效的保護電路中的各器件的工作不相互干擾，還能保護芯片不受大電流和大電壓的影響而燒毀；除此之外，對輸入部分(模數(shù)轉(zhuǎn)換器和萬用表)和輸出部分(電壓源、電流源、數(shù)模轉(zhuǎn)換器)的供電采用隔離芯片時，可以使這些功能電路的輸入輸出可以任意并聯(lián)或串聯(lián)而不會造成短路的情況。