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摘要：以LabVIEW为软件平台，以SOC单片机加信号调理电路为硬件，开发了便携式多功能测量仪器系统。利用便携式测量仪器，通过课堂现场演示进行了理论与实践高度结合的课堂教学方法尝试；通过开设综合性、自主性实验内容进行了新型自主实验探索；针对学生科技创新需求，通过课外借用法实现了全天候实验环境。
关键词：教学改革；便携式仪器；LabVIEW；SOC单片机
作者简介：周文委（1978-），男，浙江天台人，浙江工业大学信息工程学院，讲师；贾立新（1966-），男，浙江东阳人，浙江工业大学信息工程学院，讲师。（浙江?杭州?310032）
基金项目：本文系浙江工业大学教学改革项目（项目编号：JG1112）的研究成果。
中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0099-02
受办学经费、场地、人员等因素的限制，当前高校工科专业学生的实验资源普遍紧张，自主实验课程十分有限，实践动手能力的培养急需加强。针对高校实验教学现状，文献[1-3]引入虚拟仪器概念，开发了基于IN数据采集卡的双踪示波器等测量仪器并进行了教学应用。NI数据采集卡技术成熟但是价格昂贵，受教学资源限制，不适于大规模应用。文献[1]开发的仿真实验软件无需硬件成本，但只局限于理论仿真。
文献[4]指出，要提高学生的创新意识和动手能力，必须要建立全开放的自主实验室，开设自主性创新实验。本文设计的便携式测量仪器是一种兼具便携性、通用性和低成本的虚拟仪器。硬件上由通用PC加简易电路组成，由软件控制电路实现各种测试测量功能。仪器成本低，便于实验室大量配备，同时用户可更新软件，自行定义功能，非常适合学生反复实践、深入探索。
一、基于便携式测量仪器的实验教学改革
1.理论与实践高度结合的课堂教学
在“模拟电子技术”、“数字电路”与“数字逻辑”等课程中，我们利用便携式测量仪器，设计了一些新颖的教学内容，在课堂教学现场实时穿插实验演示或者验证，给学生带来一种如临现场的亲身感受，既能吸引学生注意力，加强感性认识，又能使理论与实践最大程度地紧密结合，提高理论教学说服力。
比如在一阶有源滤波电路教学过程中，首先在面包板上现场搭建由运放和RC电路构成的一阶低通滤波电路，通过便携式测量仪器输出带噪信号，并同时采集滤波前、后信号到PC机中，实时对比显示两路信号的时、频域波形。通过这一环节首先让学生对滤波器有一个非常真实、形象的初步认识，然后在此基础上逐步介绍滤波器的概念、分类、用途和电路原理等内容。虽然现场演示环节占用了部分教学时间，但是在这个环节的铺垫下，后续内容的教学实施完全可以更加简洁、快捷。
2.新型自主实验教学探索
目前国内高校电子技术相关教学以操作型、验证型实验为主，比较缺乏自主创新型、综合提高型实验内容。由于便携式测量仪器以软件为核心，通过提供底层信号数据接口，可以方便地根据需要进行功能扩展或者自定义仪器功能。
以便携式测量仪器硬件为平台，通过提供数据接口的方式，开发了“简易频谱分析仪设计”的自主型实验内容作为数字信号处理课程的教学实验。学生自主编写软件程序，计算测量信号的频率响应数据，通过用户界面进行显示。实验采用课内与课后相结合的新型组织方式，实验任务和验收在课内进行，实验过程课外自主完成。这种利用便携式测量仪器开设的设计性、综合性、研究性的实验项目，可以打破课堂内外的障碍，突破了教学时间的限制，使学生在课外也可以开展相关实验，营造了良好的自主学习环境。
3.创造全天候实验环境
近年来，越来越多的学生参与到挑战杯、大学生电子设计竞赛、飞思卡尔智能车竞赛等科技竞赛中。而众多高校现有的实验设备、人员配置和管理模式难以满足科技竞赛对电子设备数量和使用时间的需求。
考虑到大多数情况下学生科技创新实验对仪器的要求比較低，只需提供较低频率和精度的测量仪器即可满足需要。便携式测量仪器能够满足科技创新实验的基本要求，且其多功能、低成本的特点适合大量配置。通过便携式测量仪器和传统仪器相结合的方式，可以满足学生科技创新对于设备数量、场地和时间的要求。常规测量由便携式测量仪器完成，高速或者高精度测量往往是小范围应用，可以由传统实验仪器完成。我们初步配置了50套便携式测量仪器，通过课外借用等方式，使得相关实验的开展突破了时间、场地等的限制，创造了全天候实验环境，在充分满足实践能力培养需求的同时，又激发了学生参与科技创新的兴趣，真正做到了开放性实践教学。
二、便携式测量仪器硬件设计
便携式测量仪器系统具备信号发生、数据采集、电平测量等基本功能，由PC机软件和硬件电路构成。PC机运行多功能测量软件和USB驱动程序，通过USB接口与硬件电路连接。仪器硬件包括控制电路、信号调理电路、带面包板和接线端子的仪器外壳。
1.控制电路设计
便携式测量仪器以内置USB控制器、10位ADC和IDAC的SOC单片机C8051F320为核心控制器，控制器电路框图如图1所示。USB控制器一方面负责将10位ADC获取的模拟输出波形数据传送给PC机，一方面接收PC机的下行指令，由单片机根据指令生成波形数据并控制10位IDAC输出波形。JTAG接口与单片机内置的调试电路用于程序下载和调试。数字电源为单片机提供+3.3V工作电压。单片机系统时钟由可编程内部振荡器产生，实际设定为12MHz。全速USB通信所需时钟为48MHz，由系统时钟经4倍速时钟乘法器提供。
2.信号调理电路设计
为实现双踪示波器和函数发生器功能，设计模拟输入和模拟输出信号调理电路如图2所示。
模拟输入部分包括程控增益放大电路和滤波电路。多路模拟开关CD4051用于两通道输入信号切换，通过AD526实现程控增益放大，双运放MAX4016实现固定增益放大和电平平移，R1、C1实现对模拟输入信号的低通滤波。 模拟输出部分包括滤波电路、程控增益放大电路和功率放大电路。MAX4016将单片机输出的电流信号转换为电压信号，并进行电平平移，双路模拟开关CD4052用于接通或者断开R2、C2构成的低通滤波器，AD526实现程控增益放大，集成功放LM1875用于提高输出信号功率。输出正弦波时CD4052闭合，输出三角波或者方波时CD4052关断。
三、便携式测量仪器软件设计
便携式测量仪器软件运行在通用PC上，采用图形化编程语言LabVIEW8.5开发，包括用户界面、数据通讯、数据处理几个模块。用户界面通过选项卡实现功能切换，如图3所示。图3显示了在12MSPS采样率，8位垂直分辨率下幅值均为2V的1kHz正弦波和10kHz三角波，通过示波器获取并显示的效果。
利用LabVIEW的自动多线程技术，软件在初始化后同时进入两个任务，如图4所示。图4中数据通讯与处理、用户事件响应两个任务并行执行。数据通讯与处理任务需要实时进行，占用较多CPU资源。用户界面输入的控制信息分别转换为相应的用户事件。比如用户触发运行按钮后产生运行按钮值改变事件，用户调整采样率后产生采样率值改变事件。为提高程序执行效率，用户事件响应任务采用LabVIEW的事件结构设计。无用户事件时不占用CPU资源，每产生一个用户事件，任务即刻响应处理。两个任务间通过注册用户事件实现通信。
数据通讯与处理任务通过调用Silab公司USB驱动函数库USBXpress中的SI_GetNumDevices、SI_GetProductString、SI_Open、SI_Read、SI_Write与SI_Close函数实现与单片机的数据交换。
四、结论
将便携式测量仪器引进课堂进行辅助教学，有利于使理论教学与实践紧密结合，使教学更生动、更形象、更直观；便携式测量仪器软件设计功能多样，便于开展自主型、综合性实验教学；便携式测量仪器系统具有通用、灵活和廉价的特点，可以为学生创造全天候实验环境，打破课堂障碍，突破时间、场地的限制，真正实现开放性实践教学。
参考文献：
[1]周文委,王涌,金燕.虚拟仪器技术及其教学应用[J].浙江工业大学学报,2007,35(1):69-72.
[2]闫晓梅,高文华.虚拟仪器在电子技术实验中的应用[J].电气电子教学学报,2011,33(1):81-82.
[3]周文委,王涌.一种DDS信号发生方法与频谱研究[J].电子器件,
2009,32(3):620-622.
[4]周學君,赵亮方.大学生创新性实验计划教育体系的探讨[J].中国电力教育,2011,(1):111-112.
（责任编辑：刘辉）
关键词：教学改革；便携式仪器；LabVIEW；SOC单片机
作者简介：周文委（1978-），男，浙江天台人，浙江工业大学信息工程学院，讲师；贾立新（1966-），男，浙江东阳人，浙江工业大学信息工程学院，讲师。（浙江?杭州?310032）
基金项目：本文系浙江工业大学教学改革项目（项目编号：JG1112）的研究成果。
中图分类号：G642.423?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0099-02
受办学经费、场地、人员等因素的限制，当前高校工科专业学生的实验资源普遍紧张，自主实验课程十分有限，实践动手能力的培养急需加强。针对高校实验教学现状，文献[1-3]引入虚拟仪器概念，开发了基于IN数据采集卡的双踪示波器等测量仪器并进行了教学应用。NI数据采集卡技术成熟但是价格昂贵，受教学资源限制，不适于大规模应用。文献[1]开发的仿真实验软件无需硬件成本，但只局限于理论仿真。
文献[4]指出，要提高学生的创新意识和动手能力，必须要建立全开放的自主实验室，开设自主性创新实验。本文设计的便携式测量仪器是一种兼具便携性、通用性和低成本的虚拟仪器。硬件上由通用PC加简易电路组成，由软件控制电路实现各种测试测量功能。仪器成本低，便于实验室大量配备，同时用户可更新软件，自行定义功能，非常适合学生反复实践、深入探索。
一、基于便携式测量仪器的实验教学改革
1.理论与实践高度结合的课堂教学
在“模拟电子技术”、“数字电路”与“数字逻辑”等课程中，我们利用便携式测量仪器，设计了一些新颖的教学内容，在课堂教学现场实时穿插实验演示或者验证，给学生带来一种如临现场的亲身感受，既能吸引学生注意力，加强感性认识，又能使理论与实践最大程度地紧密结合，提高理论教学说服力。
比如在一阶有源滤波电路教学过程中，首先在面包板上现场搭建由运放和RC电路构成的一阶低通滤波电路，通过便携式测量仪器输出带噪信号，并同时采集滤波前、后信号到PC机中，实时对比显示两路信号的时、频域波形。通过这一环节首先让学生对滤波器有一个非常真实、形象的初步认识，然后在此基础上逐步介绍滤波器的概念、分类、用途和电路原理等内容。虽然现场演示环节占用了部分教学时间，但是在这个环节的铺垫下，后续内容的教学实施完全可以更加简洁、快捷。
2.新型自主实验教学探索
目前国内高校电子技术相关教学以操作型、验证型实验为主，比较缺乏自主创新型、综合提高型实验内容。由于便携式测量仪器以软件为核心，通过提供底层信号数据接口，可以方便地根据需要进行功能扩展或者自定义仪器功能。
以便携式测量仪器硬件为平台，通过提供数据接口的方式，开发了“简易频谱分析仪设计”的自主型实验内容作为数字信号处理课程的教学实验。学生自主编写软件程序，计算测量信号的频率响应数据，通过用户界面进行显示。实验采用课内与课后相结合的新型组织方式，实验任务和验收在课内进行，实验过程课外自主完成。这种利用便携式测量仪器开设的设计性、综合性、研究性的实验项目，可以打破课堂内外的障碍，突破了教学时间的限制，使学生在课外也可以开展相关实验，营造了良好的自主学习环境。
3.创造全天候实验环境
近年来，越来越多的学生参与到挑战杯、大学生电子设计竞赛、飞思卡尔智能车竞赛等科技竞赛中。而众多高校现有的实验设备、人员配置和管理模式难以满足科技竞赛对电子设备数量和使用时间的需求。
考虑到大多数情况下学生科技创新实验对仪器的要求比較低，只需提供较低频率和精度的测量仪器即可满足需要。便携式测量仪器能够满足科技创新实验的基本要求，且其多功能、低成本的特点适合大量配置。通过便携式测量仪器和传统仪器相结合的方式，可以满足学生科技创新对于设备数量、场地和时间的要求。常规测量由便携式测量仪器完成，高速或者高精度测量往往是小范围应用，可以由传统实验仪器完成。我们初步配置了50套便携式测量仪器，通过课外借用等方式，使得相关实验的开展突破了时间、场地等的限制，创造了全天候实验环境，在充分满足实践能力培养需求的同时，又激发了学生参与科技创新的兴趣，真正做到了开放性实践教学。
二、便携式测量仪器硬件设计
便携式测量仪器系统具备信号发生、数据采集、电平测量等基本功能，由PC机软件和硬件电路构成。PC机运行多功能测量软件和USB驱动程序，通过USB接口与硬件电路连接。仪器硬件包括控制电路、信号调理电路、带面包板和接线端子的仪器外壳。
1.控制电路设计
便携式测量仪器以内置USB控制器、10位ADC和IDAC的SOC单片机C8051F320为核心控制器，控制器电路框图如图1所示。USB控制器一方面负责将10位ADC获取的模拟输出波形数据传送给PC机，一方面接收PC机的下行指令，由单片机根据指令生成波形数据并控制10位IDAC输出波形。JTAG接口与单片机内置的调试电路用于程序下载和调试。数字电源为单片机提供+3.3V工作电压。单片机系统时钟由可编程内部振荡器产生，实际设定为12MHz。全速USB通信所需时钟为48MHz，由系统时钟经4倍速时钟乘法器提供。
2.信号调理电路设计
为实现双踪示波器和函数发生器功能，设计模拟输入和模拟输出信号调理电路如图2所示。
模拟输入部分包括程控增益放大电路和滤波电路。多路模拟开关CD4051用于两通道输入信号切换，通过AD526实现程控增益放大，双运放MAX4016实现固定增益放大和电平平移，R1、C1实现对模拟输入信号的低通滤波。 模拟输出部分包括滤波电路、程控增益放大电路和功率放大电路。MAX4016将单片机输出的电流信号转换为电压信号，并进行电平平移，双路模拟开关CD4052用于接通或者断开R2、C2构成的低通滤波器，AD526实现程控增益放大，集成功放LM1875用于提高输出信号功率。输出正弦波时CD4052闭合，输出三角波或者方波时CD4052关断。
三、便携式测量仪器软件设计
便携式测量仪器软件运行在通用PC上，采用图形化编程语言LabVIEW8.5开发，包括用户界面、数据通讯、数据处理几个模块。用户界面通过选项卡实现功能切换，如图3所示。图3显示了在12MSPS采样率，8位垂直分辨率下幅值均为2V的1kHz正弦波和10kHz三角波，通过示波器获取并显示的效果。
利用LabVIEW的自动多线程技术，软件在初始化后同时进入两个任务，如图4所示。图4中数据通讯与处理、用户事件响应两个任务并行执行。数据通讯与处理任务需要实时进行，占用较多CPU资源。用户界面输入的控制信息分别转换为相应的用户事件。比如用户触发运行按钮后产生运行按钮值改变事件，用户调整采样率后产生采样率值改变事件。为提高程序执行效率，用户事件响应任务采用LabVIEW的事件结构设计。无用户事件时不占用CPU资源，每产生一个用户事件，任务即刻响应处理。两个任务间通过注册用户事件实现通信。
数据通讯与处理任务通过调用Silab公司USB驱动函数库USBXpress中的SI_GetNumDevices、SI_GetProductString、SI_Open、SI_Read、SI_Write与SI_Close函数实现与单片机的数据交换。
四、结论
将便携式测量仪器引进课堂进行辅助教学，有利于使理论教学与实践紧密结合，使教学更生动、更形象、更直观；便携式测量仪器软件设计功能多样，便于开展自主型、综合性实验教学；便携式测量仪器系统具有通用、灵活和廉价的特点，可以为学生创造全天候实验环境，打破课堂障碍，突破时间、场地的限制，真正实现开放性实践教学。
参考文献：
[1]周文委,王涌,金燕.虚拟仪器技术及其教学应用[J].浙江工业大学学报,2007,35(1):69-72.
[2]闫晓梅,高文华.虚拟仪器在电子技术实验中的应用[J].电气电子教学学报,2011,33(1):81-82.
[3]周文委,王涌.一种DDS信号发生方法与频谱研究[J].电子器件,
2009,32(3):620-622.
[4]周學君,赵亮方.大学生创新性实验计划教育体系的探讨[J].中国电力教育,2011,(1):111-112.
（责任编辑：刘辉）