電子技術綜合性實驗協同系統設計

摘要：隨著電子技術的快速發展，實驗教學的協同性需求日益增長。設計并實現了一個電子技術綜合性實驗協同系統，該系統支持實驗資源共享、遠程協作實驗、實時錯誤預警以及智能成績評估等功能。系統硬件設計包括傳感器模塊、微控制單元、通信模塊和電源模塊。通過功能測試和性能測試，該系統展現出良好的穩定性和實用性。

關鍵詞：電子技術；實驗教學；協同系統；資源共享；智能評估

中圖分類號：TP391.9；TP311.52 文獻標識碼：A

0 引言

隨著信息技術的不斷進步，電子技術實驗教學正逐漸向網絡化、智能化發展。然而，現有實驗教學模式仍存在資源共享不足、遠程協作困難等問題，限制了教學效率和質量的提升。因此，本文設計一個綜合性的協同系統，以支持高效的資源共享、遠程協作和智能評估，這對于推動電子技術實驗教學的現代化具有重要意義。

1 系統架構設計

電子技術綜合性實驗協同系統的設計旨在創建一個高效、互動性強的學習環境。系統架構由功能設計和硬件設計兩個部分組成（圖1）。功能設計包括實驗資源共享、遠程協作實驗、實時錯誤預警和智能成績評估等4 個功能。系統硬件設計由傳感器模塊、微控制單元、通信模塊和電源模塊組成。傳感器模塊負責數據采集和信號處理；微控制單元作為處理核心，負責任務調度；通信模塊實現數據傳輸和網絡連接；電源模塊負責電源轉換和能源管理。整個系統基于硬件組件協同工作，為實驗教學提供一個穩定、可靠的技術平臺。

2 電子技術綜合性實驗協同系統的設計與實現

2.1 功能設計

電子技術綜合性實驗協同系統的設計旨在提供一個集成化平臺，以支持實驗教學和學習過程中的資源共享、協作、錯誤預警和成績評估。

2.1.1 實驗資源共享功能

實驗資源共享功能包括資源目錄管理、訪問權限控制和數據同步。資源目錄管理允許教師和學生瀏覽可用的實驗資源；訪問權限控制確保只有授權用戶才能訪問受限資源[1]；數據同步確保所有用戶都能訪問最新的實驗數據和資源。該功能基于后端數據庫和前端用戶界面的支持，使用戶能夠輕松搜索、請求和下載所需資源。

2.1.2 遠程協作實驗功能

遠程協作實驗功能包括實時通信、協作會話管理和任務調度。實時通信允許用戶進行視頻和語音通話；協作會話管理允許用戶創建和管理小組會話；任務調度則幫助用戶規劃和分配實驗任務[2]。該功能集成即時消息服務、視頻會議軟件和項目管理工具，確保團隊成員之間能夠有效溝通和協作。

2.1.3 實時錯誤預警功能

實時錯誤預警功能包括錯誤檢測、預警通知和故障分析。錯誤檢測通過實時監控實驗過程來識別潛在問題；預警通知采用系統消息的方式，及時通知用戶[3]；故障分析提供問題診斷和解決建議。該功能需要集成傳感器、監控軟件和自動化工具，以確保能夠快速響應并減少實驗中斷。

2.1.4 智能成績評估功能

智能成績評估功能以自動化方式提高成績評估的準確性和一致性。該功能包括成績記錄、評估標準和成績反饋。成績記錄可以自動跟蹤學生的實驗表現和結果；評估標準是允許教師定義評分規則和標準[4]；成績反饋負責將學生表現的詳細分析提供給他們。該功能集成評估算法、數據庫和用戶反饋機制來實現。

2.2 硬件設計

2.2.1 傳感器模塊

為了實現高效的數據采集和信號處理，采用了Analog Devices 公司的ADXL345 三軸加速度計作為振動傳感器，用于測量物體的線性加速度；使用Bosch Sensortec 公司的BMI160 作為陀螺儀和磁強計，用于測量角度和磁場強度。傳感器模塊具有高精度和低功耗的特點，適用于實驗環境。

2.2.2 微控制單元

微控制單元選用STM32F407VET6 微控制器，其擁有高速的ARM Cortex-M4 內核、豐富的外設接口，以及大容量的隨機存取存儲器（randomaccess memory，RAM） 和Flash 空間， 以應對復雜的實驗需求。其模數轉換器（analog to digitalconverter，ADC）和直接內存訪問（direct memoryaccess，DMA）特性可直接讀取傳感器數據，無須額外的轉換器，降低了系統成本和復雜度。

2.2.3 通信模塊

通信模塊采用Nordic Semiconductor 公司的nRF52840 芯片，支持藍牙5.0 和Zigbee 協議，具備長距離通信、低功耗的優勢。其通過串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）連接微控制單元，方便數據交互。考慮到實驗室內有設備同時工作，該模塊還配置了天線增強信號強度，確保網絡連接的穩定性。同時，預留了Wi-Fi 和5G 模塊接口，以備使用。

2.2.4 電源模塊

電源模塊的設計主要考慮能源管理和電源轉換。使用得州儀器公司（TI）的TPS61088 升壓轉換器，將電池電壓提升至5 V，供應給其他模塊。系統內置了電量監測和節電機制，當電池電量過低時自動進入休眠狀態，延長使用壽命。本系統設計了一個USB 充電口，方便用戶隨時補充電源。

2.3 運行測試2.3.1 功能測試

測試條件準備與過程：功能測試在模擬的實驗環境中進行，使用標準的電子實驗套件，包括Arduino 微控制器、多種傳感器和無線通信模塊。測試平臺為Windows 10 操作系統，配備Intel Core i7處理器，16 GB RAM，以及穩定的網絡連接。測試詳細過程包括驗證實驗資源共享功能的可用性、遠程協作實驗功能的連通性、實時錯誤預警功能的準確性以及智能成績評估功能的一致性[5]。所有測試均基于預定義的實驗案例和腳本，以確保覆蓋所有預期的功能點。

評價標準：每個功能點都設定了明確的通過/ 失敗標準。例如，實驗資源共享功能必須能在5 s 內響應資源請求，遠程協作實驗功能需在500 ms 內完成消息傳遞，實時錯誤預警功能的誤報率低于5%，智能成績評估功能的評分誤差小于3%。

如表1 所示，測試結果顯示，資源共享響應時間為2.5 s，遠程協作延遲為380 ms，實時錯誤預警誤報率為2%，智能成績評估誤差為1.5%。所有功能點均通過測試，這表明系統能夠滿足設定的功能要求。

2.3.2 性能測試

測試條件準備與過程：性能測試在高負載條件下進行，模擬了30 名用戶同時進行實驗操作的場景。測試環境包括多臺服務器，分別承載數據存儲、通信和計算任務。測試詳細過程涵蓋了系統響應時間、吞吐量、資源利用率和穩定性評估。通過使用壓力測試工具逐步增加并發用戶數量，直到達到系統極限，以確定系統的最大承載能力。

評價標準：性能測試的目標是確保系統在高負載下仍能保持穩定運行，具體指標包括系統響應時間不超過2 s，吞吐量至少達到每分鐘處理100 次請求，中央處理器（central processing unit，CPU）和內存利用率均在80% 以下，且無明顯數據丟失現象。

在實際性能測試中，系統在承受30 名用戶同時操作時，平均響應時間為1.4 s，吞吐量為每分鐘160 次請求，CPU 和內存利用率分別為55% 和47%。在整個測試期間，系統未出現任何故障，證明了該系統在高負載下的穩定性和可靠性。

3 結語

本文設計了電子技術綜合性實驗協同系統，集成了實驗資源共享、遠程協作實驗、實時錯誤預警與智能成績評估等功能，提升了電子技術實驗教學的效率。系統采用的模塊化硬件設計和智能化算法，保證了實驗過程的穩定性和準確性，還為遠程學習者提供了便捷的實驗環境。未來，將進一步優化系統性能，探索更多智能技術在實驗教學中的應用，如虛擬現實、增強現實等，以期實現更加沉浸式、個性化的實驗學習體驗，推動電子技術教育的持續創新與進步。

參考文獻

[1] 呂耀宇，顧營迎，高瞻宇，等. 空間協同位姿單目視覺測量系統設計與實驗[J]. 激光與光電子學進展，2017，54（12）：332-345.

[2] 孫美麗，曾佩楓，常勇. 基于IdeaVR 的虛擬仿真實驗系統設計與實現[J]. 西安文理學院學報（自然科學版），2021，24（1）：34-41.

[3] 倪穎，孫劍. 車路協同虛擬仿真實驗教學系統開發研究[J]. 中國現代教育裝備，2022（5）：33-34，45.

[4] 劉偉鋒，張連波. 基于Android 系統的多設備協同交互實驗系統設計[J]. 電腦知識與技術，2014，10（25）：5890-5894，5901.

[5] 張佳，辛斌，杜鑫，等. 協同任務規劃仿真實驗系統的設計與實現[J]. 電氣電子教學學報，2023，45（4）：202-207.

基金項目：教育部產學合作協同育人項目“數字電子技術課程教學方法改革與實踐”（230805211033547）。