基于Android的口袋儀器實驗室開發

歐陽佳鵬 楊振南 劉億民 李文

摘要：針對應用型高校人才培養實踐中存在的理論與實踐融合不緊密，實驗裝置靈活性差、電壓等級高及實驗時間和空間受到局限等問題，構建了一種以CPLD為控制核心，基于Android的便攜式電子技術口袋儀器實驗平臺，開發了低成本、易攜帶的電路板，并與Android手機APP一起組成電子技術口袋儀器實驗室。該口袋儀器實驗室具有操作簡單、性能可靠、便于擴展、功能豐富等優點，可用于電子電路基礎實驗、綜設性實驗或課程設計，能滿足電子電路移動實驗教學需要，有效提高了課程教學及實踐效果。

關鍵詞：口袋實驗室;電子技術;基礎實驗;課外實踐

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）10-0243-02

1概述

目前，大部分應用型院校的工科專業學生在工程應用能力、創新創業能力培養方面存在實驗課時不夠、創新創業訓練不足等問題。電子電路基礎系列課程是高校電子信息類專業必不可少的專業基礎技術課，也是理論與實踐聯系緊密度高，課程實踐性強的系列課程，對學生專業技能掌握及創新創業能力培養尤其重要。依據新工科人才培養要求嘲，圍繞工科學生工程實踐能力、創新創業能力培養目標，通過加強理論課程及其實驗的交融互促，既可以增進學生對理論課程生硬概念及復雜原理的理解，又可以增強學生實踐應用和創新能力，提高學生分析和解決問題的能力。但是，電子電路實驗測量和調試都離不開測量儀器，傳統實驗通常是規定時間內在實驗室里完成，且高校配有的實驗裝置體積大，電壓等級較高，擴展性差，更不能應用于學生的創新比賽。此實驗手段使實驗地點和時間受到了極大的限制，此實驗方式及實踐教學模式，已顯露出如時滯性、空間局限性、攜帶不便性等諸多弊端。

口袋儀器實驗室是讓學生普遍能擁有自己的全天候開放式的硬軟件實驗平臺，方便他們進行實驗學習嘲。結合團隊多年來基礎課教學及學生課外科創競賽等活動指導的實踐，提出設計一種基于Android的便攜式“電子電路基礎”口袋儀器實驗室，并將其應用于電子電路系列課程的課堂教學、實驗教學及創新實踐環節中。

2口袋儀器實驗室的設計

2.1總體方案設計

口袋儀器實驗室設計理念是滿足可隨需做實驗的思路，將實驗套件設計成便攜化。基于口袋儀器實驗室理念，該實驗平臺的總體設計方案是利用CPCD作為數據采集卡對數據進行處理和存儲，通過Android軟件APP對處理數據進行波形顯示，來代替實驗室中的萬用表、示波器等儀器設備。方便學生隨時隨地進行實驗學習。

總體設計方案包括三部分：

（1）CPLD核心模塊。用于將前端電路和ADC采集的數據進行處理和存儲。（2）手機APP模塊。用于將USB傳輸到An-droid手機的數據進行波形顯示。（3）進階實驗模塊。用于結合專業就業方向開發工程實踐項目。如尋跡/避障小車、機器人高爾夫、智能家居系統、無人飛行器等多個進階功能模塊，用于綜設性實驗項目、課程設計、課外科創競賽等。

2.2硬件模塊設計

口袋儀器實驗室開發初衷：

（1）促進理論與實踐的交叉融合和相互促進。開發不僅能用于電子電路基礎實驗，而且能用于理論課堂中與學生的互動和演示中，幫助學生加深對生硬概念及復雜原理的理解及實驗動手能力的提高。（2）提高實驗項目的進階擴展性。方便教師因材施教，以較小成本對實驗項目進行改進或設計新項目，開展分類分層教學。（3）拓展實驗時空域。讓學生全天候按需地進行實踐，從而將理論與實踐、課內與課外、知識與技能及創新意識與創新能力互通互促，進而培養學生解決復雜工程問題的能力。

該實驗平臺的總體設計方案是將前端電路和ADC采集的數據利用CPLD對數據進行處理和存儲，通過USB傳輸到An-droid手機，通過Android軟件APP對數據處理并進行波形顯示，來代替實驗室中的萬用表、示波器等儀器設備。各模塊硬件電路設計如下：

（1）模擬部分硬件電路設計

設計的模擬電路部分從示波器接口探頭開始到ADC的輸入端，主要對輸人的信號進行預處理，可利用運算放大電路對輸入的被測信號進行調理，對信號進行放大，衰減以及濾波，以便能夠被ADC正確地采樣。采用的放大芯片是OPA2889，該芯片是增益穩定電壓反饋運算放大器，采用雙+5V電源，0PA2889可提供±4v輸出擺幅，驅動電流超過40mA，帶寬為60MHz。460tzMch的低電源電流，使用可選的禁用控制引腳可以進一步降低系統功耗。使用MAX4522作為模擬開關，輸入端接入CPLD，由CPLD實現模擬開關的控制，從而控制0PA2889的放大倍數，滿足對不同的垂直靈敏度的要求。

（2）數字部分硬件電路設計

數字電路部分從ADC開始到USB接口的輸出，主要由ADC部分、CPLD和USB控制器組成。由于設計的示波器的帶寬在1Hz到20Mhz之間，我們采用的是實時采樣法，依據奈奎斯特采樣定理，并結合工程實際需求，為了避免產生混疊的現象，目前實時采樣一般規定是在帶寬的4-5倍，則采樣頻率大約為100MSPS左右。ADC08100芯片是低功耗，8位的高速AD轉換芯片，轉換速率在20MSPS到100MSPS之間，性能好。其中CPLD的功能分為三部分：采樣模塊，12C從機模塊和控制模塊。此外，設計采用Cypress公司的FX2 USB控制器作為硬件電路與手機通信的方案，通過FX2 USB控制器的12C主機傳送到CPLD。

（3）硬件電路器件參數

硬件電路使用的主要器件詳見表1器件選型參數表所示。

2.3手機APP設計

Android軟件類似于傳統的虛擬儀器的上位機。

3口袋儀器實驗室的測試

3.1硬件模塊信號測試

硬件電路板測試步驟如下：

（1）連接電路。用USB線將手機與硬件電路板連接（電路板的LED燈亮表示連接正常），并將硬件電路板的示波器接口與信號發生器相連接，打開示波器開關。（2）打開OscPrimeAPP，設置USB連接。（3）點擊測試。（4）設置時間軸、電壓軸大小，將波形顯示進行調整。

3.2手機APP軟件測試

Android手機APP測試步驟如下：

（1）啟動Android OseiPrime應用程序。（2）選擇輸入源。點擊輸人選擇圖標，選擇OseiPfime USB作為輸入源。同時啟用“探頭補償USB OseiPrime”，點擊“自動獲取OseiPrime校準”。（3）點擊運行/停止按鈕開始采樣。通過兩次訪問USB，第一次是將固件上傳到FX2微控制器，第二次是開始溝通。（4）將示波器探頭連接到左側BNC連接器（P1），并連接到標有“PCOMP”的探頭補償輸出端。（5）啟動探針補償。為了得到最好的效果，可調整設置，選擇1024點顯示。（6）補償調整，選擇適當的V/div設置。（7）波形測量，探頭補償信號輸出波形。

4口袋儀器實驗室應用與效果分析

4.1課堂教學互動應用

電子電路基礎類課程組專任教師在學期初會將口袋儀器實驗室套件人手一套地發放給授課班級的學生。授課中，允許3-5名同學為一組進行小組合作學習。課堂講解中，可將例題效果通過手機進行展示，加強了理論與實踐的深入融合，學生參與感、獲得感明顯增強。同時還可以進行課堂深入互動，通過互動學生對知識掌握情況能得到及時反饋，且活躍了課堂氛圍，激發學生學習興趣。

4.2基礎實驗項目應用

基礎實驗模塊用于輔助課堂教學和常規實驗。如基本的電路實驗、模擬電子技術實驗、數字電路實驗、單片機實驗等的信號測試都能滿足需求?？梢悦馊ピ诿總€實驗室內購置示波器等儀器設備的經費、場地及維護開銷。

4.3進階實驗項目應用

只需在手機中安裝APP軟件，再加上手機數據線一根，學生就可進行各類電子電路實驗及科創競賽作品的調試與設計。且隨時隨地都可以進行實驗。進階實驗項目應用可用于綜設性實驗、課程設計、課外科技創新競賽等。目前，學生團隊已開發的包括機器人尋跡/避障小車、跳舞/競技機器人、無人機、超聲波測聲速等多個進階項目。

4.4效果分析

課程團隊于2016-2018年對三屆電子信息類畢業生進行了匿名問卷調查，針對學生使用口袋儀器實驗室的實踐應用效果，學生滿意度連續三年達100%。且近三年我校電子設計類競賽、機器人競賽等獲得國家一等獎l項，湖南省一等獎4項，二等獎6項，三等獎10余項，由此可見口袋實驗室獲得學生的認可并取得了顯著效果。

5結束語

設計開發的基于Android的電子技術口袋儀器實驗室套件是課程團隊長期從事一線教學深耕精耘并實踐探索持續改進基礎之上的教學應用成果，其在課堂教學、實驗教學和雙創應用等環節中都有效地支撐了學校應用型人才的培養目標，可為國內各高校提供參考借鑒。