多功能智能實驗系統設計

莫松穎　莫琦　邱旭華　徐綺晨

摘要：為了解決各大高校模擬電子技術實驗的實驗過程繁復，老師批改實驗報告時間較長的問題，我們提出了一個基于神經網絡的模擬電子技術智能實驗系統。該系統能夠簡化學生的實驗流程，也能節省老師幫同學們檢查錯誤的精力和批改實驗報告的時間。

關鍵詞：實驗室；神經網絡；自動評判

中圖分類號：TP391.4；TP183 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0137-02

1 引言

目前，我們學校的電工電子類實驗都是經過實驗預習→進行實驗→記錄實驗數據→老師檢查簽名→學生進行最后的數據處理→上交，這樣的流程。其中，這個流程有很多讓人很不滿意的地方。由于預習內容較少，很多同學不重視預習，結果到了上課的時候才把實驗指導書拿出來看，造成實驗效率低下。其次，在做實驗的過程中，老師只有一個，而學生有很多，老師無法每時每刻關注到每一個學生，告知他們哪里出錯。大家都是到了快下課才拿實驗數據交給老師，一旦實驗數據出錯，又要延長實驗時間重新進行實驗，或是重新找時間進行實驗，非常麻煩。老師精力有限，無法對每個同學的實驗報告進行很嚴謹的打分?；谝陨蠋c現在教學的不足，我們提出一種多功能智能實驗系統。

2 系統組成及功能

該系統由采集器，手機客戶端、服務器端組成。

（1）采集器：采集器主要由STM32核心板以及程控放大器，電壓檢測探頭以及電壓輸出端子組成，主要負責采集電路上的直流電壓和交流電壓波形以及對需要信號源的電路進行信號輸出，同時將直流電壓數據及波形電壓數據發送到手機客戶端和接收手機客戶端發來的控制命令。（2）手機客戶端：手機客戶端基于安卓7.0系統進行編寫，主要功能是顯示與轉發。客戶端將采集器采集到的直流電壓及波形電壓數據進行數據顯示和繪圖顯示，以及當學生點擊“檢測”或“提交數據”按鈕時將當前接收到的數據發送到服務器。手機客戶端還可以控制采集器信號的輸出。（3）服務器：服務器主要運用神經網絡，對手機客戶端上傳的數據經過離散余弦變換及歸一化處理后送入神經網絡中進行識別，即可判斷出該數據的正誤以及給出錯誤數據的錯誤原因。

系統功能框圖如圖1所示：

3 硬件設計方案

在硬件制作方面，我們采用STM32F103VET6這款芯片作為主控芯片，集成運放μA741、AD623還有數字電位器組成的程控放大器。這兩個程控放大器負責將大的信號進行降壓，小的信號進行放大，將采集回來的信號控制在STM32可采集的范圍之內。

如圖2所示，該采集器有一個電壓、波形采集端口，還有個信號輸出端口。采集端口通過程控放大器調整后接到STM32的AD轉換接口，STM32的DA轉換接口通過另一個程控放大器接到輸出端。使用者通過客戶端下達命令來控制采集端口采集的快慢。采集電壓數據時，為節省功耗，設定STM32 ADC掃描頻率為239.5個時鐘周期，采集50次后取平均值，作為一個數據。采集波形數據時，設定ADC掃描頻率為1.5個時鐘周期采樣一次，采集完1040個電壓數據后立即向手機客戶端發送數據。

4 軟件設計方案

4.1 手機客戶端

手機客戶端主要是用作波形、電壓的展示以及數據轉發功能。手機客戶端啟用兩組通訊，使用藍牙與采集器進行通信，將手機連接上WiFi，通過局域網與服務器進行通信。手機客戶端將采集器采集回來的電壓數據在屏幕上使用Canvas進行描點連線，使用SurfaceView對圖像進行展示，即可得到一幅完整的波形圖。學生在做實驗的過程中，若看到波形符合要求，點擊提交按鈕，客戶端就會將當前的圖像對應的電壓數據通過局域網發送到服務器，服務器通過神經網絡對數據進行判斷。

手機客戶端通信原理框架如圖3所示。

4.2 服務器端

服務器端主要是接收手機客戶端發來的數據，然后用神經網絡來對上傳的波形進行識別，判斷波形的正誤，以及給出錯誤波形的錯誤分析，然后生成實驗報告。

（1）波形評判。在制作該系統的時候，我們使用比較好的實驗設備，將每種可能的錯誤的電路分別測取300組波形數據，每一組測取1040個數據點，然后對每一組數據進行離散余弦變換，然后將每個波形變換后得到的矢量的前18項元素作為特征矢量，然后進行歸一化處理，送入神經網絡中進行訓練。

我們為每一個實驗內容都訓練了一個網絡，網絡中把每種可能的波形（無論錯誤還是正確）都分成一個類，當在做該實驗內容的時候，學生只要在手機端將波形數據提交，服務器端就會自動對上傳的數據進行離散余弦變換以及歸一化處理，然后放入神經網絡中進行識別，神經網絡就能分析出該提交的波形是正確的或是屬于哪種錯誤的波形。程序再根據識別的結果給手機端反饋分析結果。

波形評判流程如圖4所示。

（2）實驗評分。在對波形數據進行正誤驗證的同時，我們獲取實驗中的電壓，電流等相關實驗參數，與相應的經驗值進行對比，分析，再結合做實驗的時間，錯誤次數等多種參數進行評分，最后得出一個合理，公正的實驗分數。

評分流程如圖5所示。

（3）報告生成。該功能通過Python代碼，新建一個word文檔，然后使用輸出流向word文檔中寫入相應的題目說明，然后將評判結果寫進去，按照一定的模板形成一篇圖文并茂，符合格式要求的實驗報告，這樣，一篇實驗報告就完成了。

5 結語

該多功能實驗系統可以作為學生們的實驗助手，幫助學生熟悉實驗，指導學生進行實驗以及為學生的實驗進行錯誤分析，還能自動生成實驗報告供老師批閱，既節省了學生的實驗時間，提高了學生課堂上的實驗效率，也節省了老師逐個為學生進行實驗線路檢查的精力，同時節省了老師批改實驗報告的時間，是一個一舉多得的智能實驗系統。

參考文獻

[1]曾翔，姜本清，徐濤.測試系統中波形的神經網絡識別方法[J].艦船電子工程，2014，34（03）：141-145.

[2]孫帆，施學勤.基于MATLAB的BP神經網絡設計[J].計算機與數字工程，2007，（08）：124-126+202.