一種在線電子元器件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方法

陳應(yīng)華 張曉霞

（廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 511442）

在當(dāng)前疫情情況下，大部分高職院校均采用線上遠(yuǎn)程教學(xué)的模式，但是大部分基于視頻、直播等模式，與傳統(tǒng)的線下教學(xué)相比，線上難以開展實(shí)踐教學(xué)[1]。該文介紹的在線電子元器件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于互聯(lián)網(wǎng)+電子技術(shù)的在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也契合教育部當(dāng)前 “線上”+“線下”混合式教學(xué)模式，學(xué)生可以在手機(jī)客戶端完成所有硬件實(shí)驗(yàn)或者實(shí)訓(xùn)，可以通過(guò)手機(jī)客戶端連接硬件電路，硬件連接過(guò)程和實(shí)驗(yàn)反饋的結(jié)果通過(guò)在線的網(wǎng)絡(luò)視頻回送給學(xué)生。

1 電路仿真軟件在教學(xué)中的優(yōu)缺點(diǎn)

目前高職院校電子技術(shù)類課程教學(xué)通常會(huì)使用Proteus[2]、Multisim等電子仿真軟件輔助進(jìn)行，學(xué)生可以在電腦上快速搭建電路進(jìn)行仿真演示，相比之前只能使用PPT等多媒體手段進(jìn)行枯燥的原理講解，仿真軟件體現(xiàn)了所見即所得的效果，有一定程度的動(dòng)手操作，使學(xué)生增加了學(xué)習(xí)的興趣，加深了對(duì)電路原理的理解，教學(xué)過(guò)程更加方便、快捷和有效。

但是仿真和實(shí)物電路還是有較大的區(qū)別，學(xué)生還需要盡可能多接觸實(shí)際的電子元器件和應(yīng)用電路，才能更好地掌握硬件電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程。

2 在線電子元器件應(yīng)用的逐步實(shí)現(xiàn)方法

2.1 增加繼電器開關(guān)和若干測(cè)試點(diǎn)

將傳統(tǒng)的仿真電路加上繼電器開關(guān)并做成實(shí)物電路板，如圖1所示為某三極管增加測(cè)試開關(guān)和測(cè)試點(diǎn)的仿真電路。圖中設(shè)置了SW1-SW7的7個(gè)開關(guān)，通過(guò)不同的開關(guān)組合可以實(shí)現(xiàn)3種典型的三極管應(yīng)用電路的多種測(cè)試實(shí)驗(yàn)。這里強(qiáng)調(diào)使用繼電器開關(guān)是為了后續(xù)增加網(wǎng)絡(luò)控制。

圖1 增加測(cè)試開關(guān)和測(cè)試點(diǎn)的仿真電路

2.1.1 開關(guān)電路測(cè)試

條件：SW5閉合（其他開關(guān)斷開）。

可做的實(shí)驗(yàn)： 1）3個(gè)電位參數(shù)VE、VB、VC的測(cè)量； 2）三極管飽和導(dǎo)通壓降；3）三極管截至漏電流。

2.1.2 共發(fā)射極電路測(cè)試

條件：開關(guān)SW2 、SW4 和SW5閉合（其他開關(guān)斷開）。

可做的實(shí)驗(yàn)：1） 3個(gè)電位參數(shù)VE、VB、VC的測(cè)量； 2）放大倍數(shù)β測(cè)量； 3）交流電壓放大倍數(shù)測(cè)量。

2.1.3 射極跟隨器電路測(cè)試

條件：SW3和SW7閉合（其他開關(guān)斷開）。

可做的實(shí)驗(yàn)：1）3個(gè)電位參數(shù)VE、VB、VC的測(cè)量； 2）放大倍數(shù)β測(cè)量； 3）交流電壓放大倍數(shù)測(cè)量。

2.2 采用Wi-Fi、藍(lán)牙等無(wú)線方式對(duì)繼電器開關(guān)進(jìn)行控制

為了脫離機(jī)械按鍵操作，采用Wi-Fi、藍(lán)牙等無(wú)線方式對(duì)繼電器開關(guān)進(jìn)行控制，可以完成無(wú)接觸實(shí)驗(yàn)，所以需要具備Wi-Fi功能和藍(lán)牙功能的模塊或者芯片，如ESP32[3]。

圖2是使用了ESP32無(wú)線模塊來(lái)進(jìn)行繼電器驅(qū)動(dòng)的例子，可以使用手機(jī)APP通過(guò)Wi-Fi或者藍(lán)牙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)接觸控制，無(wú)須網(wǎng)絡(luò)支持，延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的壽命。手機(jī)App的基本界面包括8個(gè)按鍵，對(duì)應(yīng)電路中的8個(gè)實(shí)物繼電器開關(guān)，可以單獨(dú)控制某個(gè)開關(guān)，也可以通過(guò)App一次性控制其中某幾個(gè)開關(guān)的狀態(tài)，缺點(diǎn)是學(xué)生必須在現(xiàn)場(chǎng)，距離必須為Wi-Fi和藍(lán)牙的傳輸范圍以內(nèi)，不能在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)，通常是肉眼觀察控制過(guò)程和實(shí)驗(yàn)反饋結(jié)果。

圖2 使用無(wú)線模塊進(jìn)行開關(guān)控制的電路

2.3 對(duì)若干測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)

為了達(dá)到無(wú)接觸測(cè)量的目的，使用了多選一電子切換電路，配合板載的電壓表可以完成多點(diǎn)循環(huán)測(cè)量。圖3為通過(guò)手機(jī)App利用Wi-Fi或者藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)8個(gè)觸點(diǎn)測(cè)量的例子。由于硬件使用了八選一的電子切換電路，因此，在 App上按一個(gè)按鍵，就可以循環(huán)測(cè)量8個(gè)點(diǎn)的電位，為了分辨出來(lái)是哪個(gè)點(diǎn)，增加語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。

圖3 八選一電子切換電路

語(yǔ)音播報(bào)模塊如圖4所示，主要由語(yǔ)音控制IC、存儲(chǔ)器、D類功放組成，其中語(yǔ)音控制IC所起的作用如下：1） 連接FLASH存儲(chǔ)，可通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接電腦更新音頻文件； 2） 音頻解碼DAC輸出；3） 支持I/O觸發(fā)播放功能，8個(gè)IO口組合可觸發(fā)255個(gè)音頻文件，圖中使用了3個(gè)I/O口組合觸發(fā)8個(gè)音頻文件。

圖4 語(yǔ)音播報(bào)模塊示意圖

2.4 使用云平臺(tái)服務(wù)搭建在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

筆者采用以上的遞進(jìn)方案，只是完成了現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)接觸測(cè)試，在當(dāng)前疫情環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)更加需要基于網(wǎng)絡(luò)的可遠(yuǎn)程操作的實(shí)驗(yàn)[4]。圖5示意了使用手機(jī)App和ESP32無(wú)線模塊均通過(guò)Wi-Fi登錄云平臺(tái)，在云平臺(tái)的支持下，對(duì)板載繼電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)而完成在線實(shí)驗(yàn)。為了觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果，采用網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。

圖5 基于云平臺(tái)搭建的在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

ESP-32S Wi-Fi 模塊內(nèi)部主要由Wi-Fi和藍(lán)牙系統(tǒng)級(jí)芯片ESP32和極少數(shù)外圍元件構(gòu)成，包括了天線開關(guān)、RF balun、發(fā)送端功率放大、接收端低噪聲放大器、濾波器、電源管理等功能，具有強(qiáng)大的處理性能、可靠的安全性能和Wi-Fi藍(lán)牙等功能。ESP32同時(shí)提供了開放平臺(tái)，可以由用戶自定義相應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

ESP-32S Wi-Fi模塊增加了三極管集電極開路（OC）形式，當(dāng)手機(jī)App控制軟件的開關(guān)經(jīng)過(guò)觸摸打開時(shí)，芯片ESP32輸出高電平1時(shí)，模塊輸出低電平，驅(qū)動(dòng)繼電器的線圈上電，繼電器動(dòng)作，反之，當(dāng)App控制軟件的開關(guān)經(jīng)過(guò)觸摸關(guān)閉時(shí)，芯片ESP32輸出低電平0時(shí)，模塊輸出高阻狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)繼電器的線圈無(wú)電，繼電器不動(dòng)作。

該軟件設(shè)置了全開和全關(guān)2個(gè)功能，當(dāng)某個(gè)開關(guān)點(diǎn)開后，就會(huì)通過(guò)云端對(duì)遠(yuǎn)程的ESP32進(jìn)行控制，導(dǎo)致其對(duì)應(yīng)的I/O口輸出低電平，對(duì)應(yīng)的繼電器的線圈就會(huì)上電，導(dǎo)致開關(guān)動(dòng)作。

2.5 利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭對(duì)實(shí)物電路板進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控

采用網(wǎng)絡(luò)攝像頭有如下的技術(shù)特點(diǎn)：1） 使用螢石的專業(yè)攝像頭，清晰度為1080P，高清晰的傳輸實(shí)驗(yàn)情況；2） 攝像頭采用H.265編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效視頻傳輸，在特定環(huán)境下，相比H.264編碼節(jié)省50%的存儲(chǔ)空間；3） 語(yǔ)音播報(bào)功能，為了追求更高的話音清晰度，可以將語(yǔ)音播報(bào)模塊的音頻輸出接攝像頭的音頻輸入；4） 為了節(jié)省攝像頭電源，可以在手機(jī)App里邊設(shè)置一個(gè)開關(guān)作為攝像頭的電源控制開關(guān)，當(dāng)開始實(shí)驗(yàn)時(shí)接通攝像頭電源，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉攝像頭電源。

但是網(wǎng)絡(luò)攝像頭通常作為監(jiān)控使用，清晰度一般會(huì)比手機(jī)攝像頭差一些，而且對(duì)近距離拍攝比較勉強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生桶形失真。桶形失真是由于鏡頭原因引起的圖像畫面像木桶一樣膨脹的失真現(xiàn)象，會(huì)把一個(gè)正方形的物品，拍攝成木桶狀物品，在使用廣角鏡頭或變焦鏡頭的最廣角端時(shí)，容易出現(xiàn)桶形失真現(xiàn)象。

2.6 利用手機(jī)攝像頭對(duì)實(shí)物電路板進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控

為了避免網(wǎng)絡(luò)攝像頭的桶形失真，可以使用手機(jī)攝像頭進(jìn)行替代，通常可以得到更加真實(shí)和清晰的視頻效果，并且有如下優(yōu)點(diǎn)：1） 可以使用網(wǎng)絡(luò)直播軟件、視頻會(huì)議軟件等通用軟件進(jìn)行視頻傳輸；2） 可以實(shí)現(xiàn)廣播，做到一人做實(shí)驗(yàn)，多人觀看；3） 基本無(wú)桶形失真，畫面更加真實(shí)。

當(dāng)然手機(jī)攝像頭與網(wǎng)絡(luò)攝像頭相比，也有弊端，網(wǎng)絡(luò)攝像頭安裝好后，只需要通過(guò)加電來(lái)控制。手機(jī)攝像頭則較難通過(guò)控制繼電器開關(guān)的手機(jī)App進(jìn)行加電控制，通常需要人為開機(jī)并打開相應(yīng)軟件，設(shè)置好后，軟件一直打開，保證視頻實(shí)時(shí)傳輸。

3 結(jié)語(yǔ)

在線電子元器件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、集成電路應(yīng)用、元器件應(yīng)用等電子類專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)提供了比較方便的途徑，是仿真軟件調(diào)試電路之后過(guò)度到焊接實(shí)物測(cè)試的銜接過(guò)程，可以通過(guò)攝像頭遠(yuǎn)程觀察到自己配置電路過(guò)程和電路的工作狀態(tài)，有助于學(xué)生理解工作原理，是基于真實(shí)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5]。由于看到的是真實(shí)的電路，可以作為理論教學(xué)和仿真教學(xué)的有效補(bǔ)充。

在線電子元器件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以利用現(xiàn)在的信息技術(shù)打造成為真正的在線開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以供任何網(wǎng)絡(luò)使用者進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)。

但是，盡管在當(dāng)前疫情環(huán)境下該方案有效地實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)驗(yàn)，但是學(xué)生不能親手接觸電路元件，要讓學(xué)生真正學(xué)習(xí)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)、調(diào)試和維修方面的技能，不能完全使用在線實(shí)驗(yàn)或者虛擬的仿真來(lái)替代實(shí)際的實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)。