專利名稱：一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種教學輔助管理系統(tǒng)，尤其是涉及一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
實驗教學是高校理論教學的重要輔助手段，認真操作和高質(zhì)量的完成實驗對于學生掌握理論知識培養(yǎng)動手能力至關(guān)重要，在工科院校設(shè)置的許多實驗課程教學中通常是安排1到2位學生操作一臺實驗箱，一個實驗教室內(nèi)設(shè)置幾十臺實驗箱，學生根據(jù)不同實驗內(nèi)容更換實驗箱的不同實驗?zāi)K來進行實驗，實驗中要求學生用示波器來觀察實驗設(shè)備中各點輸出的實驗波形并作記錄，通過實驗報告上交給老師評判，由于師資力量有限，一個實驗教室只能配備1-2名實驗指導老師，而實驗時間有限，學生做實驗的速度也不一樣，因此老師無法在課堂上詳細了解每位學生實驗的真實情況，對學生的實驗評價也僅僅停留在實驗報告的批改上，不能在實驗過程中對每位學生實驗中出現(xiàn)的問題給予及時糾正，也無法客觀真實的評價每位學生的實驗情況。針對上述不足，中國專利申請?zhí)枮?00610019437.5發(fā)明專利申請公開說明書中披露了由武漢理工大學發(fā)明的一種學生實驗輔助學習機，它由微處理器MCU、液晶顯示器、輸入設(shè)備、移動存儲卡接口及外接的存儲卡設(shè)備、在MCU數(shù)據(jù)總線上所設(shè)的USB接口、網(wǎng)絡(luò)通信芯片及網(wǎng)絡(luò)接口、IIS接口芯片、標準串口接口構(gòu)成，其工作原理是微處理器MCU通過數(shù)據(jù)通訊接口(串口或USB接口)與實驗儀器數(shù)據(jù)輸出接口相連，微處理器MCU通過網(wǎng)絡(luò)接口與實驗網(wǎng)絡(luò)相連接，實驗網(wǎng)絡(luò)上還連接有教師終端服務(wù)器，它能夠在上課做實驗階段各個教學環(huán)節(jié)得到全程實驗指導、可將實驗數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器上供老師批改、可智能識別實驗結(jié)果的對錯、誤差和精度。但是上述的這一發(fā)明也還存在一些缺陷，首先它的整機結(jié)構(gòu)太復雜，成本較高，而且目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的各種實驗箱中并沒有固定的實驗數(shù)據(jù)輸出接口，這是因為在實驗過程中，不同的實驗內(nèi)容需要觀察不同輸出點的實驗波形，這些實驗波形的輸出點在各個實驗?zāi)K上的位置是不同的，因此也不可能有一個適合各個單元實驗內(nèi)容的公共數(shù)據(jù)輸出接口，所以該發(fā)明的使用范圍很小，無法適合任意廠家生產(chǎn)的實驗設(shè)備；二是微處理器MCU、教師終端服務(wù)器都需要通過網(wǎng)絡(luò)接口與實驗網(wǎng)絡(luò)相連接，屬于有線方式連接，教室內(nèi)有幾十臺實驗設(shè)備就要設(shè)置有鋪設(shè)幾十條網(wǎng)線，它除了技術(shù)復雜成本高外還存在因?qū)嶒炇覂?nèi)連接線過多造成整體實驗環(huán)境較雜亂的缺陷。因此非常有必要開發(fā)一個既能適合各種實驗設(shè)備又不需要增加過多連線的低成本實驗教學輔助管理系統(tǒng)，用于實時檢測學生的實驗操作情況和客觀評價學生的實驗結(jié)果并能及時發(fā)現(xiàn)錯誤指導學生進行正確的操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集管理各種實驗教學箱中任意實驗波形輸出點的波形，而且成本低，結(jié)構(gòu)簡單，不影響實驗室整體環(huán)境。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，包括多個實驗信號處理模塊、至少一個實驗信號管理模塊和與所述的實驗信號管理模塊連接的微型計算機，所述實驗信號處理模塊輸入端連接有信號采集探頭，所述的實驗信號處理模塊輸出端設(shè)置有實驗端無線收發(fā)電路，所述的實驗信號管理模塊輸入端設(shè)置有與所述的實驗端無線收發(fā)電路進行通信的管理端無線收發(fā)電路，所述的實驗信號處理模塊設(shè)置有頻道序號發(fā)生裝置。
所述的實驗信號處理模塊包括對所述的信號采集探頭采集到的實驗信號進行整形、驅(qū)動提升的實驗信號預(yù)處理電路、對整形后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的高速A/D轉(zhuǎn)換電路和對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的實驗數(shù)據(jù)信號進行處理的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路，所述的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路的輸出端與所述的實驗端無線收發(fā)電路的輸入端連接，所述的頻道序號發(fā)生裝置設(shè)置在所述的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路上，所述的實驗信號管理模塊包括管理端數(shù)據(jù)信號處理電路和USB接口電路，所述的管理端無線收發(fā)電路的輸出端與所述的管理端數(shù)據(jù)信號處理電路連接，所述的微型計算機設(shè)置有USB接口。
所述的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路由單片機及外圍電路組成，所述的頻道序號發(fā)生裝置為與所述的單片機連接的撥碼開關(guān)。
所述的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路包括可編程邏輯器件、高速靜態(tài)RAM和單片機及外圍電路，所述的頻道序號發(fā)生裝置為與所述的單片機連接的撥碼開關(guān)。
所述的單片機型號為AT89C52，所述的實驗端無線收發(fā)電路由型號為NRF2401的收發(fā)芯片及外圍電路組成，所述的單片機與所述的實驗端無線收發(fā)電路之間設(shè)置有型號為74LVC245的芯片構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路。
所述的可編程邏輯器件的型號為EPM240，所述的高速靜態(tài)RAM的型號為K6R1008V1D-J10。
所述的信號采集探頭包括接地端和信號采集端，分別為帶塑料套把柄的金屬鱷魚夾或帶塑料套的可伸縮的金屬彎鉤中的一種。
所述的管理端數(shù)據(jù)信號處理電路由型號為AT89C52的單片機及外圍電路組成，所述的USB接口電路由型號為CH370的芯片及外圍電路組成。
所述的實驗端無線收發(fā)電路和所述的管理端無線收發(fā)電路均是無線收發(fā)器件PTR4000。
所述的高速A/D轉(zhuǎn)換電路由型號為ADS930E的流線型高速A/D轉(zhuǎn)換器芯片及外圍電路組成。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于在實驗信號處理模塊的輸入端連接信號采集探頭，實驗信號處理模塊輸出端設(shè)置實驗端無線收發(fā)電路，在實驗信號管理模塊輸入端設(shè)置與實驗端無線收發(fā)模塊進行通信的管理端無線收發(fā)電路，針對各種不同的實驗教學箱及不同的實驗要求，只要改變信號采集探頭的采樣位置，就可以快速方便地實時采集管理各種實驗教學箱中任意實驗波形輸出點的波形，然后通過實驗端無線收發(fā)電路和管理端無線收發(fā)電路之間的通信，將數(shù)據(jù)傳送到實驗指導教師使用的與實驗信號管理模塊連接的微型計算機上，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)庫及相應(yīng)的程序，就可以快速準確地判斷實驗的結(jié)果的對錯，而在實驗信號處理模塊設(shè)置頻道序號發(fā)生裝置可以使與實驗信號管理模塊連接的微型計算機能夠準確地識別發(fā)送數(shù)據(jù)信號的實驗教學箱的位置；實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路由可編程邏輯器件、高速靜態(tài)RAM和單片機及外圍電路組成，較之單純由單片機及外圍電路組成的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路，其處理的數(shù)據(jù)容量更大，適合于一些圖像信號的實驗；當使用的單片機型號為AT89C52，而無線收發(fā)電路由型號為NRF2401的收發(fā)芯片及外圍電路組成時，則需要在單片機與無線收發(fā)電路之間設(shè)置電平轉(zhuǎn)換電路，但對于有些型號的單片機，如89LS52芯片，則可以省略電平轉(zhuǎn)換電路。


圖1是本發(fā)明實驗教學輔助管理系統(tǒng)的原理框圖；圖2是本發(fā)明實施例一的實驗信號預(yù)處理電路和高速A/D轉(zhuǎn)換電路的電路圖；圖3是本發(fā)明實施例一的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路的電路圖；圖4是本發(fā)明實施例一的實驗端無線收發(fā)電路的電路圖；圖5是本發(fā)明實施例一的電平轉(zhuǎn)換電路的電路圖；圖6是本發(fā)明實施例一的實驗信號管理模塊的電路圖；圖7是本發(fā)明實施例二的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路的電路圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
實施例一一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，包括多個實驗信號處理模塊1、一個實驗信號管理模塊2和與實驗信號管理模塊2連接的微型計算機3，實驗信號處理模塊1包括實驗信號預(yù)處理電路11、高速A/D轉(zhuǎn)換電路12和實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路13，實驗信號預(yù)處理電路11輸入端連接有信號采集探頭4，實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路13的輸出端連接有實驗端無線收發(fā)電路5，信號采集探頭4包括接地端41和信號采集端42，分別為帶塑料套把柄的金屬鱷魚夾，實驗信號預(yù)處理電路11由兩個型號為338運算放大器及外圍電路組成，對信號采集探頭4采集到的實驗信號進行整形和驅(qū)動提升，高速A/D轉(zhuǎn)換電路由型號為ADS930E的流線型高速A/D轉(zhuǎn)換器芯片及外圍電路組成，對整形后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路13由型號為AT89C52的單片機及外圍電路組成，對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的實驗數(shù)據(jù)信號進行處理，在單片機的P12~P17腳上連接有撥碼開關(guān)6作為頻道序號發(fā)生裝置，實驗端無線收發(fā)電路5由型號為NRF2401的收發(fā)芯片及外圍電路組成，單片機與收發(fā)芯片之間設(shè)置有型號為74LVC245的芯片，在兩者之間進行電平轉(zhuǎn)換，實驗信號管理模塊2包括管理端數(shù)據(jù)信號處理電路21和USB接口電路22，管理端數(shù)據(jù)信號處理電路21的輸入端設(shè)置有與實驗端無線收發(fā)電路5進行通信的管理端無線收發(fā)電路7，管理端數(shù)據(jù)信號處理電路21由型號為AT89C52的單片機及外圍電路組成，USB接口電路22由型號為CH370的芯片及外圍電路組成，管理端無線收發(fā)電路7由型號為NRF2401的收發(fā)芯片及外圍電路組成，單片機與收發(fā)芯片之間設(shè)置有型號為74LVC245的芯片，在兩者之間進行電平轉(zhuǎn)換，微型計算機3設(shè)置有USB接口。
實施例二其它結(jié)構(gòu)與實施例一相同，不同之處在于實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路12還包括型號為EPM240可編程邏輯器件和型號為K6R1008V1D-J10高速靜態(tài)RAM，信號采集探頭4的接地端41和信號采集端42采用帶塑料套的可伸縮的金屬彎鉤，實驗端無線收發(fā)電路5和管理端無線收發(fā)電路7均是無線收發(fā)模塊PTR4000。本結(jié)構(gòu)的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路13設(shè)置有能產(chǎn)生時鐘控制電路、地址發(fā)生、切換電路和數(shù)據(jù)信號切換電路的可編程邏輯器件和用于使A/D轉(zhuǎn)換工作在直接內(nèi)存訪問方式所需的高速靜態(tài)RAM，在減輕CPU的工作量同時又確保A/D的采集速率，這樣就將A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計成DMA方式(不用CPU介入)，即A/D轉(zhuǎn)換的控制時序、數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)存貯(存入靜態(tài)RAM)均由CPLD(可編程邏輯器件)來完成。采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送是分時進行的，第一階段為采樣時段，在采樣時段(大約50ms)內(nèi)，高速A/D轉(zhuǎn)換器連續(xù)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接存入高速靜態(tài)RAM中。在此期間需要由CPLD來產(chǎn)生地址，待高速靜態(tài)RAM存滿后由CPLD通知微處理器。第二階段為數(shù)據(jù)傳輸時段，微處理器將高速靜態(tài)RAM中數(shù)據(jù)全部逐次讀出，經(jīng)無線發(fā)射模塊進行數(shù)據(jù)傳輸(發(fā)完大約50ms)。以后重復上述過程。
上述實施例中，實驗信號處理模塊1的數(shù)量可以與教室中實驗設(shè)備的套數(shù)相同，即每套實驗設(shè)備邊上都放一個，它的外形可設(shè)計成長*寬*高為15*10*5厘米的盒子，實驗信號處理模塊1和實驗端無線收發(fā)電路5均安裝在盒內(nèi)，盒外設(shè)置有通過導線與盒內(nèi)實驗信號處理模塊1輸入端連接的信號采集探頭4，信號采集探頭4可設(shè)計成與示波器探頭相同結(jié)構(gòu)，針對具有特定的輸出波形的實驗，本管理系統(tǒng)采用信號采集技術(shù)，分別通過信號采集探頭4從不同的實驗箱的各個圖形輸出點上采集學生操作過程中產(chǎn)生的各個實驗波形進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到實驗指導老師處的與實驗信號管理模塊2連接的微型計算機3中，老師無需走到每個學生的實驗箱旁就可以觀察到學生操作實驗所產(chǎn)生的波形，這樣一位老師就可以同時實時地監(jiān)控幾十位同學的試驗情況，信號采用的是無線傳輸形式，避免了幾十臺實驗儀器與實驗信號管理模塊2之間的幾十根信號線，從而使實驗室的整體環(huán)境整齊，管理系統(tǒng)使用方便，靈活。微型計算機3通過軟件編程完成對接收數(shù)據(jù)的后期處理，后期處理包括將實驗數(shù)據(jù)在計算機顯示屏上還原成實驗波形并存檔，微型計算機3內(nèi)設(shè)置有正確的實驗數(shù)據(jù)庫，實驗端傳輸來的數(shù)據(jù)與正確的實驗數(shù)據(jù)進行比較判斷對錯給出提示，這樣指導教師就可以根據(jù)微型計算機3的評判結(jié)果對每個學生實驗情況作出客觀評價，而且可以實時發(fā)現(xiàn)哪位學生的實驗出錯而給與實時指導。上述實施例中的撥碼開關(guān)也可以通過設(shè)置EROM電路或用軟件編程來代替，不過后兩種方式操作不方便，缺少靈活性，單片機也可用AT89LS52替代，這時就不需要74LVC245電平轉(zhuǎn)換電路，同樣具有相似功能的其他型號單片機替代電路也屬于本發(fā)明的保護范圍。
系統(tǒng)中高速AD轉(zhuǎn)換電路13選用TI公司的流水線型高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS930，其速率大于30M/S，無線收發(fā)電路采用短距離2.4GHz高速1Mbps無線收發(fā)模塊PTR4000(nRF2401A)，它具有全球開放的2.4GHz頻段，125個頻道，可以用一臺接收器同時接收125個發(fā)射器的信號，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，速率為1Mbps，內(nèi)置硬件CRC糾檢錯，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成，1.9～3.6V低功耗，滿足低功耗設(shè)計需要；它是通過軟件設(shè)定地址，僅收到本機地址時才輸出數(shù)據(jù)，特別方便點對多點無線通信。nRF2401收發(fā)器同時具備特有的DuoCeiver雙信道接收模式，可以同時用于接收、發(fā)送或者是兩路單獨發(fā)送的數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，包括多個實驗信號處理模塊、至少一個實驗信號管理模塊和與所述的實驗信號管理模塊連接的微型計算機，其特征在于所述實驗信號處理模塊輸入端連接有信號采集探頭，所述的實驗信號處理模塊輸出端設(shè)置有實驗端無線收發(fā)電路，所述的實驗信號管理模塊輸入端設(shè)置有與所述的實驗端無線收發(fā)電路進行通信的管理端無線收發(fā)電路，所述的實驗信號處理模塊設(shè)置有頻道序號發(fā)生裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，其特征在于所述的實驗信號處理模塊包括對所述的信號采集探頭采集到的實驗信號進行整形、驅(qū)動提升的實驗信號預(yù)處理電路、對整形后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的高速A/D轉(zhuǎn)換電路和對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的實驗數(shù)據(jù)信號進行處理的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路，所述的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路的輸出端與所述的實驗端無線收發(fā)電路的輸入端連接，所述的頻道序號發(fā)生裝置設(shè)置在所述的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路上，所述的實驗信號管理模塊包括管理端數(shù)據(jù)信號處理電路和USB接口電路，所述的管理端無線收發(fā)電路的輸出端與所述的管理端數(shù)據(jù)信號處理電路連接，所述的微型計算機設(shè)置有USB接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，其特征在于所述的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路由單片機及外圍電路組成，所述的頻道序號發(fā)生裝置為與所述的單片機連接的撥碼開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，其特征在于所述的實驗端數(shù)據(jù)信號處理電路包括可編程邏輯器件、高速靜態(tài)RAM和單片機及外圍電路，所述的頻道序號發(fā)生裝置為與所述的單片機連接的撥碼開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，其特征在于所述的單片機型號為AT89C52，所述的實驗端無線收發(fā)電路由型號為NRF2401的收發(fā)芯片及外圍電路組成，所述的單片機與所述的實驗端無線收發(fā)電路之間設(shè)置有型號為74LVC245的芯片構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，其特征在于所述的可編程邏輯器件的型號為EPM240，所述的高速靜態(tài)RAM的型號為K6R1008V1D-J10。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，其特征在于所述的信號采集探頭包括接地端和信號采集端，分別為帶塑料套把柄的金屬鱷魚夾或帶塑料套的可伸縮的金屬彎鉤中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，其特征在于所述的管理端數(shù)據(jù)信號處理電路由型號為AT89C52的單片機及外圍電路組成，所述的USB接口電路由型號為CH370的芯片及外圍電路組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~4中任一項權(quán)利要求所述的一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，其特征在于所述的實驗端無線收發(fā)電路和所述的管理端無線收發(fā)電路均是無線收發(fā)模塊PTR4000。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，其特征在于所述的高速A/D轉(zhuǎn)換電路由型號為ADS930E的流線型高速A/D轉(zhuǎn)換器芯片及外圍電路組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實驗教學輔助管理系統(tǒng)，包括多個實驗信號處理模塊、至少一個實驗信號管理模塊和與實驗信號管理模塊連接的微型計算機，特點是實驗信號處理模塊輸入端連接有信號采集探頭，實驗信號處理模塊輸出端設(shè)置有實驗端無線收發(fā)電路，實驗信號管理模塊輸入端設(shè)置有與實驗端無線收發(fā)電路進行通信的管理端無線收發(fā)電路，實驗信號處理模塊設(shè)置有頻道序號發(fā)生裝置，優(yōu)點在于針對各種不同的實驗教學箱及不同的實驗要求，只要改變信號采集探頭的采樣位置，就可以快速方便地實時采集管理各種實驗教學箱中任意實驗波形輸出點的波形，將數(shù)據(jù)傳送給實驗指導教師，快速準確地判斷實驗的結(jié)果的對錯，并能夠準確地識別發(fā)送數(shù)據(jù)信號的實驗教學箱的位置。
文檔編號G09B5/00GK101067892SQ20071006914
公開日2007年11月7日 申請日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者徐鐵峰, 楊燕, 李斌, 謝建軍, 應(yīng)祥岳, 趙飛, 鄭久艷 申請人:寧波大學