計算機控制系統設計理論與實驗一體化同步教學系統研究

樊澤明+梁振濤+任靜

[摘 要] 針對計算機控制系統設計課程當前教學方式存在的不足，構建了該課程理論與實驗一體化同步教學系統。該教學系統以實驗設備為平臺，以校園網為紐帶，以教室教學設備為工具，將理論教學和實驗教學有機融為一體。針對該課程中的數據采集部分，展示了新教學方式的實現效果。新的教學方式實現了理論教學與實驗教學的有機結合，不僅使教學過程變得形象直觀、通俗易懂，而且學生能夠全程參與課程學習，增強了學生學習的積極性，提高了學生的學習效果。

[關鍵詞] 數據采集系統;教學方式;遠程實驗;教學系統

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A [文章編號] 1005-4634（2014）03-0061-06

0 引言

計算機控制系統設計是自動控制理論、計算機技術和現代檢測技術相結合的綜合應用技術，是一門理論性和實踐性都很強的學科[1，2]。該課的教學目的是掌握將計算機應用于檢測、控制等工程實際領域的方法，其教學任務除了要使學生較系統地掌握理論知識外，還要求通過實驗教學環節，使學生受到必要的工程訓練和初步的科學研究方法的鍛練，從而達到鞏固、深化和擴大所學理論知識的目的，進而培養學生分析問題、解決問題的能力[3]。

實踐環節是該課程學習的重要內容[4]，而實驗教學是實踐環節的重要組成部分，是學生進行實踐的重要指導。然而目前該課程教學存在諸多問題，主要表現在：（1）理論教學枯燥、理解困難，如在講電機的PID控制時，學生對這3個參數的理解比較困難，老師講完后也不明白它們的本質特征;（2）大型的實驗設備都比較昂貴，這類實驗設備較少，不僅很難實現每個學生一臺機器，而且因擔心學生損壞設備，一般不會讓學生親自動手，更不可能安排學生親自做實驗;（3）在做實驗時，老師都要進行實驗前培訓，目前的方法是學生到實驗室，老師在講解時，學生圍在老師和實驗設備周圍，這樣很難讓每個學生都能看到和聽到老師的講解和演示，實驗前的培訓效果并不好;（4）實驗課與理論課分割開來，授課老師與授課進度都不同，造成兩者相互脫節，使學生在學習理論課時無法直觀和深刻地理解所學的知識，而在實驗課中又不能很好的聯系自己以前所學的理論知識，使得實驗課無法達到很好的教學效果，甚至使得實驗課流于形式;（5）實驗課本身也有許多弊端，比如受到時間、空間的限制，學生在做實驗時往往不能全面了解和掌握實驗所提供的知識，不能實現與理論教學的有機結合。比如測控的過程不夠形象直觀，學生僅僅只是按照老師給定的原理圖焊接電路并給出既定的輸入信號，得到似懂非懂的輸出信號，并不能對整個系統有直觀的感覺，不能清晰了解整個系統的工作過程以及每個器件在系統中的作用，這就不能很好的起到教學的目的，很多時候會事倍功半。本文基于這種現狀，針對該課程的數據采集系統，設計一種全新的理論與實驗一體化的同步教學系統，能夠實現理論教學和實驗教學的有機結合，能夠使教學過程變得簡單、形象而通俗易懂，甚至能夠起到事半功倍的效果。

1 理論與實驗一體化同步教學系統的理論 分析

現代教育不僅是讓學生提高理論水平，更要讓學生具備應用理論知識解決實際問題的能力，即培養學生獨立學習理論和實驗知識的能力、獨立應用理論知識解決工程問題的能力和應用實踐經驗提高理論創新的能力。這就需要理論教學和實驗教學緊密聯系，同步進行。

1）從能力培養角度考慮。一方面，在理論教學過程中通過及時實驗快速理解理論知識，提高理論學習效率;另一方面，在實驗教學中通過實驗發現問題并及時探求解決問題的理論知識，從而快速提高分析問題和解決問題的能力。

2）從教學內容上考慮。理論與實驗一體化同步教學，其知識成份既具有更加廣泛的遷移性、更適合于學生解決問題和創新的需要，也具有廣闊的綜合性，是理論與實驗知識的綜合集成，更適合于學生從理論和實驗綜合的角度分析問題。其以圍繞解決未來職業相關的實際問題的面貌出現，為課程賦予了新的活力，必然會激起學生的興趣與好奇，使其產生求知的欲望和學習的動機，使學生更樂于利用這些解決問題的知識進行新的嘗試與探索，引導學生自主學習，使學生從記憶知識中解放出來，從而成為探索知識、運用和創新知識的能工巧匠。

3）從教學情況考慮。更適合于應用發現法教學，真正實現因材施教，使教師從繁重的講授中解脫出來進行教學指導，使學生在自主學習的基礎上進行研究、探索與提高。

4）從整體功能上考慮。改變了師生之間的關系，即實現了師生角色的轉變，學生成了學習的主體，教師成了教學的主導;改進了教學的過程，使實驗與理論教學成為了一個有機的整體，加強了理論與實際的聯系，體現了因材施教的教學原則，實現了學生知識、能力、素質全面協調的發展。

顯然這一體系是現代教育理論、教育學、認知心理學的產物，是提升教學質量的推動力，是改進教學形式的促進劑，是促使學生自主學習的著迷藥，是提升教學效果的催化劑[5]。

2 理論與實驗一體化教學系統設計

該教學系統分為4個維：學生維、教師維、實驗室服務器維、實驗設備維。其中學生維由學生及其參與互動學習的終端機軟硬件組成;教師維由授課教師、講臺、計算機軟硬件、投影儀、投影屏幕組成;實驗室服務器維由實驗室服務器軟硬件、攝像機、裝載攝像機的移動小車、采集系統、接口系統組成;實驗設備維由實驗室的儀器設備、實驗平臺、接口設備組成。其中實驗服務器維和教師維是系統的兩個主體維度。整個系統依附于校園網實現。這也意味著，該教學系統一旦建成，接入校園網的教室在安裝本系統軟件之后，獲取相關的權限，就可以遠程連接實驗室，進而控制實驗設備，從而實現理論與實驗互動模式教學。該教學系統的基本框架如圖1所示。

2.1 學生維的設計

在學生維中，每組學生或每個學生擁有一個終端（平板電腦或筆記本）。這些終端機和教室內的教師機組成無線局域網，通過這個網絡實現學生參與教學信息的傳輸。

該維是該教學模式的主體之一，是學生全程參與互動式教學的必備條件，學生操作的終端機的軟件平臺是該維的核心。在每部分要講解的內容中，教師將與該部分有關的學生操作軟件包通過無線網絡發送到每個學生操作的終端機上，學生打開該軟件包，不僅能夠完成與所授課程有關的實驗設備的參數設置、遠程控制、遠程數據的加載，而且能夠根據實驗室設備維具備的條件進行創新性實驗內容、方式設計。

2.2 教師維的設計

在教師維中，教師使用的就是講臺上的計算機、教室的投影儀及投影屏幕等原有多媒體教學設備，也就是說，不需要增加任何設備即可構成教師維的硬件設備，需要做的就是開發教師授課軟件。教師維與學生和實驗室服務器兩維通過網絡連接而成，而與實驗室服務器維相連的是校園網，如圖2所示。

該維是該教學模式的主體之二，是實現該教學模式的關鍵，與學生維類似，其軟件也是該維的核心。該維提供以下幾種教學方式：（1）使用常規課件方式;（2）使用遠程攝像機的視頻。通過實驗室服務器維攝像機傳過來實驗設備維各設備運行的視頻。在老師課堂中需要演示實驗的時候，通過網絡遠程操縱攝像頭系統和實驗設備，經相應程序處理之后顯示實驗室的實時畫面及設備運行聲音，學生如同親臨實驗室;（3）使用遠程檢測與控制方式。實驗室服務器維中的服務器傳過來其采集的實驗設備運行數據，以圖象或曲線的形式顯示在投影儀屏幕上，使教師授課具有了立體感，同時也增加了課堂理論教學和實驗教學的趣味性，增強了課程的吸引力，使學生能夠在放松中學到知識;（4）使用與學生的創新性互動式方式;（5）上述四種方式的綜合運用。

同時教師維可以單獨向實驗室服務器維發送操作指令來進行實驗，也可以接收到學生終端的指令后進行修改再轉發，這樣還可以解決班上同學同時發送指令時的排隊問題。

2.3 實驗室服務器維的設計

實驗室服務器維由兩部分組成：一部分是音視頻采集與控制系統，該系統通過校園網將實驗室的音視頻數據傳輸到教室的教師維，同時教師維也可以進行遠程系統的控制，從而實現最佳的實驗室設備維的音視頻效果。此系統由高清攝像頭、云臺、拾音器、移動平臺及控制裝置組成。該攝像頭內部含有可供復用的RS485總線，這個總線通過接收不同的指令，分別控制云臺的轉動、攝像頭的調焦、移動平臺的移動等，如圖3所示。實現了攝像頭的遠程控制調焦、轉動，還實現了遠程移動控制，即攝像頭可以根據需要在實驗室內行走。攝像頭會將實驗室的畫面及時反饋給教室端，另外實驗設備的運轉聲音也會通過攝像頭的拾音器傳回到教室，這樣就構建了遠程網絡實驗室。

另一部分是實驗室服務器維與實驗室設備維連接的采集和控制接口系統，為教師維提供實驗設備運行的各種信息。該維為該教學模式提供音視頻和數據，更是教師及學生控制實驗設備的中轉服務站，是該教學模式的客體。

該維的核心是硬件和軟件，其中與實驗室設備維相連的各種通信接口、A/D采集卡、D/A轉換卡等是硬件核心，主要用于完成下面功能：（1）接受操作指令并轉發給實驗設備。教室傳來的操作指令需要在這里經過實驗教師的進一步校正之后轉發給實驗設備;（2）采集實驗數據并回傳。要想學生在教室內看到實驗的數據和結果，就需要將實驗的數據采集并轉發回教室，如圖4所示。實現友好的人機接口和實時處理是該維的軟件核心。

2.4 實驗室設備維的設計

該維主要完成兩部分的功能，一部分是對現有實驗設備進行開發以便于實驗設備能夠直接連接實驗室服務器機，如通過開發RS485、有線網口、無線網口、紅外接口等，實現實驗設備與實驗機的通訊，同時滿足學生創新性實驗的需求;另一部分為所授課程需要新增加的實驗設備，這部分設備在設計時就需要考慮能夠為該教學模式使用。

3 計算機控制系統設計中數據采集授課設計

3.1 數據采集系統介紹

數據采集與調理是計算機控制系統設計系統的重要組成部分。數據采集與調理就是將溫度、壓力、流量、位移等被控對象的模擬量采集并轉換成計算機能夠識別的數字量。因此，數據采集系統也是計算機控制系統設計這門課程所應該必須掌握的一個環節。

數據采集系統的硬件部分一般包括傳感器、模擬多路開關、程控放大器、采樣/保持器、A/D轉換器等[6]。這些硬件將組成一個電路，配合外圍設備以及相應的軟件系統共同完成數據采集處理的任務。

3.2 全新授課方式設計

學生要學懂進而設計開發數據采集系統，就必須要清楚這些器件是如何工作的、整個系統是如何工作的、信號是如何轉化為計算機可接受信號的。然而現在的授課方式，或者將系統割裂開來，分別講解各個硬件，或者教師只是拿原理圖在那里空說，學生很難理解器件以及整個系統工作過程。 因此，為了使授課過程變得易懂、形象、直觀，筆者提出一種新的授課方式，如圖5。該授課方式依托該教學系統，主要分教和學兩個方面。

1）教師授課。教師在授課時利用該教學系統將實驗室正在運行的數據采集系統采集的數據實時的顯示在教室大屏幕上，并將系統的原理圖同屏顯示。這樣授課教師就能夠根據原理圖和系統的真實畫面進行授課。還可以通過數據采集板卡將采集系統的關鍵點位的信號采集到實驗機。當教室內教師需要講解系統某一部分的原理時，可以用鼠標在原理圖相應的點位點擊，遠程的實驗機接受到反饋信號后，傳送該點位的信號，可以采用畫圖或者圖表的形式將數據顯示在屏幕上，通過比較經過某個器件前后的數據或波形，理解器件的性能，進而理解該器件在整個系統中的作用。如果要比較某一類兩種不同型號器件的工作情況，也可以分別顯示含有這兩種不同型號器件的系統的工作情況，通過對比直觀的了解器件的性能。

2）學生學習。這個環節主要是配合教師的授課，學生能夠參與課堂，增加了學生學習的自主性，擺脫傳統課堂被動接受的狀態。對于需要編寫驅動程序的部分，學生可以通過自己的終端機編寫程序，并通過網絡上傳至實驗室服務器，實驗室服務器將程序下載到實驗設備的公控制計算機或者直接在實驗室服務器上運行，系統運行的情況學生又可以通過教室大屏幕看到。針對需要學生自己動手設計的環節，本系統也提供了開放式的環境。可以將主要的芯片及其外圍設備封裝在一起作為模塊，學生可以在自己的學生終端上依據這些模塊設計相應的系統，如果出現原則性的錯誤，系統會給出提示。如果沒有原則性的錯誤，在學生設計完畢保存時，終端機會發送相應的反饋信號到教師維計算機和實驗室服務器維計算機。教師維計算機可以動態顯示學生所選系統并顯示連線過程，這樣也可以供其他學生學習。實驗室服務器維的計算機會通過輸出端口發送控制指令給電路板上的多路開關或者繼電器，通過改變多路開關或者繼電器的狀態，實現電路板的實際連接電路與學生設計的電路相同。當學生選擇開始實驗之后，電路板開始在所在計算機控制系統中工作，又可以通過點擊相應的節點，查看相應點位的輸出信號。這樣就能使學生很直觀的看到自己設計的系統問題在哪里。通過比較某個模塊在前后設計的系統中的位置、參數大小以及有無，可以很直觀的了解該模塊在整個系統中的作用。這樣不僅能夠使課堂變得更加有趣，學生理解起來也更加方便，還將實驗課與理論課程有機結合，學生也能夠全程參與課堂，上課的效果和效率將明顯改觀。

4 系統效果展示

4.1 授課效果展示

圖6所示是一個簡單的實際數據采集電路[7]。主要是采用測傳感器時間常數的方法，間接達到高度跟蹤的目的。

在該系統中，包含高度傳感器和芯片MC1403、MC4053、LM725、LM339、6N137、 CD4583A及三極管9013。要想明白整個電路的工作原理和過程，必須先明白各個芯片的工作原理。

在新的教學方式中，筆者直接將數據采集電路接入系統。電路輸入控制端 （CONTROL）直接與單片機 I/O 口相連， 輸出端（OUTPUT）與單片機時基模塊端口相連端口設置成輸入捕捉模式，下降沿觸發計數結束。在主要器件的輸入端和輸出端分別引出信號，如圖5中所示A、B、C、D……等。用一個16路的數據采集板卡（先不管數據采集板卡是如何工作的）將這些信號分別采集到實驗室服務器，實驗室服務器每隔一段時間將這些端點的信號數據傳輸到教師維計算機。教師在授課的過程中，當需要講解該數據采集系統時，可通過教師維計算機和實驗室服務器的實時語音通訊功能告知實驗教師啟動該數據采集系統。授課教師可以通過教師維計算機上的控制軟件控制攝像機等輔助設備的移動和調焦轉動，將攝像機移動到正在工作的數據采集系統旁邊，這樣數據采集系統的實時畫面就通過攝像機和網絡傳輸到教師維計算機，最終顯示在大屏幕上。同時也能夠顯示電路圖的原理圖，授課教師根據原理圖進行授課。可以先講解整個系統的工作流程，當需要講解每個芯片的工作原理時，可以先講解工作原理，再講解在本系統中的作用，還可以通過點擊芯片前后設置的端點，將實驗室服務器發來的數據以數據圖表或者波形的形式顯示，通過對比不同工作條件或狀態下芯片輸入輸出波形或數據的變化，就能夠很輕松的理解芯片的作用和工作原理。例如，對于圖6所示的數據采集系統，芯片LM725為高精度運算放大器。A端為放大器同相端輸入，其為能源基準電壓源MC1403輸出的基準電壓，反相端通過電阻后接地，由放大器的特性，根據公式，將端點B的電壓標定為5V。通過講解原理，并比較A、B兩點的電壓，即可很容易的理解該運算放大器的工作原理。圖7所示為教師維計算機軟件的授課效果圖。明白了各個芯片的工作原理，也就明白了信號是如何在整個系統中傳遞和變化的，就能很好的理解整個系統的工作過程。

4.2 學生實驗效果展示

在教師授課講解之后，學生對于數據采集系統有了一定的概念，對整個系統的工作過程進行了熟悉，也了解了各芯片的功能和整個系統的原理。但是，有些環節是否可以調整呢？比如，在信號的傳遞過程中是否必須要有放大器，放大器的放大倍數改變之后輸出會有怎么樣的變化，是否可以省去濾波電路，濾波電路的參數怎樣設置才算合理，才能夠起到恰當的作用。這些或許依舊在困擾學生，這就需要學生通過實驗來自己驗證。

圖8為本平臺數據采集實驗板中數據調理的部分。A端為信號輸入，為傳感器從設備采集到的信號，C端為經過調理之后的信號，可以送到A/D芯片進行處理。在該部分，學生做實驗時，可以通過終端機軟件的操作，選擇是否需要該環節，并可以更改該環節的參數。比如，學生需要驗證是否需要數據調理環節，可以選擇閉合開關K1、K4（在實際電路中，使用繼電器或者多路開關通過實驗室服務器計算機控制接通與否），然后觀察系統輸出信號與采用調理環節時的變化，即可很明了的知道該環節的作用。對于是否需要濾波、是否需要放大器，均可以采用這種方法實現，通過比較即可了解該環節的作用以及在系統中的必要性和重要性。還可以通過按鍵閉合的組合方式，選擇不同的放大器，比較不同放大器的差別;對于同一個放大器，選擇不同的電阻，比較電阻值對放大倍數的影響。

學生還可根據觀察到的傳感器傳遞的信號，計算合適的濾波頻率，并選擇低通、高通濾波器進行濾波，還可以根據自己的計算，選擇不同的電阻、電容值組合，以便達到最佳的濾波效果。通過這種遠程實驗，經過自己的驗證，再結合授課教師的及時講解，學生能很容易的理解所學知識，并知道如何設計數據采集系統、哪些部分是必不可少的。學生能及時消化所學，節約了時間，提高了效率。

4 結束語

本文在分析當前授課方式存在的不足的基礎上，介紹了筆者提出的理論與實驗一體化同步教學系統，然后依托該系統提出了一種針對《計算機控制系統設計》中數據采集系統的全新的授課方式，詳細表述了該授課方式的思想，并就數據采集系統中的部分環節舉例說明，最后給出了該授課方式的實現效果以及學生的實驗方法和效果。

這樣以系統為對象的學習會比傳統上先學習芯片的資料、再根據授課教師的理論講解學習原理圖、最后進行實驗的教學方式更形象、更通俗易懂、更有效，整個授課學習過程中不僅實現了理論和實驗教學的有機結合，也能使學生充分參與課堂，提高學生學習的積極性，使授課效果事半功倍。

參考文獻

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