远程硬件实验系统一直是众多院校急需的教学辅助系统,它比软件仿真实验真实直观,但又克服了传统本地硬件实验的占用场地、设备易坏、维护成本高等弊端。现在借助虚拟仪器技术与远程控制技术,这类系统已经成为现实,并已在国内外众多院校得到应用。远程硬件实验系统是现有本地硬件实验室的补充与拓展。
目前这套系统由“电路分析”“模拟电路”“数字电路”“模数系统综合设计”4个模块构成,可以覆盖电子技术基础课程中大部分实验。学校只要将实验模块与服务器连接,学生就可以用远程登录的方式操作实验对象,取得实验数据与结果;同时通过远程视频窗口观察实验模块状态的变化。
该系统可以作为理论教学辅助演示系统,即:教师不必携带实验设备到教室,就可以在课堂上给学生做硬件实验演示,增强学生的直观感受与体验;该系统也可以作为全天候开放的实验室,学生可以在任何时间登录进来完成实验预习等工作。
这套系统具有很强的扩展性,可以通过增加不同种类模块拓展实验领域,如:自控原理、传感器应用、单片机与嵌入式系统等等。另外,该系统可以与已有的网络教学系统、实验室管理系统融为一体,实现实验预约与登录管理、实验报告生成与上传、在线批改与打分等功能,从而构成一套完善的实验教学与管理平台,提供、全面的教学管理方案。
远程实验系统结构图
系统构成:
系统由服务器、实验平台、实验模块、配套软件等部分组成(参见上图),学生通过客户端联接服务器完成实验,由于服务器提供队列并行连接方式,一套设备同时允许多个用户使用,不仅节省了开支,而且有效地利用了设备资源。配合网络视频服务器使用,实验的可视性大大增强。用户不仅可以在线操控实验,还可以通过远程视频窗口观看实验过程。系统具有扩展能力:可以通过增加实验平台的数量应对实验人数的增多;可以通过增加实验模块的种类满足更多专业领域的远程硬件实验。
实验平台采用NI公司ELVIS II电子学实验平台,通过平台上的ELVIS标准接口,可以接入不同的实验模块,从而用于不同的实验教学领域。其中电子技术基础课程实验由“电路分析与模拟电路”“数字电路1”“数字电路2”“模数系统综合设计”4个实验模块构成(参见下图)。
实验平台与4个实验模块
实验项目:
借助上述实验平台与模块可以完成电子技术类26个经典实验项目,这些实验项目使用图形化编程语言LabVIEW编写,界面美观、开发简单、扩展性强,可以根据用户要求增加更多实验内容与功能。
模块1实验项目 | 模块3实验项目 |
l 基尔霍夫定理实验 l RLC串联谐振实验 l 晶体管单管共射极放大电路实验 l 运放反馈放大电路实验 l 运放基本运算电路实验 l 正弦波振荡器实验 | l 同步D触发器功能实验 l 触发器二分频实验 l 触发器四分频实验 l 触发器移位寄存器功能实验 l 移位寄存器型计数器功能实验 l JK触发器组成的同步计数器实验 l 中规模集成计数器74LS290应用实验 l 555构成的多谐振荡器实验 |
模块2实验项目 | 模块4实验项目 |
l 方波发生器实验 l 整流滤波电路实验 l 集成门电路功能测试实验 l TTL三态门逻辑功能实验 l 全加器功能实验 l 译码显示电路实验 l 四选一功能选择电路实验 l 基本RS触发器实验 | l 数字秒表设计实验 l 简易数字钟实验 l 流水灯设计实验 l 交通灯设计实验 |
实验例程:
l 译码显示电路实验:
学生可以控制服务器端实验板上HD74LS48P译码显示芯片的输入端信号,从而让数码管显示不同的BCD码。我们可以通过远程视频观察服务器端实验板上数码管的显示结果与软件仿真结果是否一致。
译码显示实验程序界面
简易数字钟实验:
通过软件仿真理解电路原理
部分用户:
目前这种远程硬件实验平台已经在国内外多所院校搭建并投入使用,已开展远程实验教学的国内高校主要有如下几所:
l 浙江广播电视大学:
浙江广播电视大学采用的就是上述系统。已经开设的远程实验课程有《电路》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电子技术综合设计》四门课程。
l 华南师范大学远程实验室:
该实验室主要开展应用物理学、电路分析方面的远程硬件实验。
l 大连理工大学iLab互动实验室
l 华中科技大学传感器远程实验
通过调整激励信号的各项参数及远程视频检验实验结果