計算機控制系統(tǒng)設計理論與實驗一體化同步教學系統(tǒng)研究

1、計算機控制系統(tǒng)設計理論與實驗一體化同步教學系統(tǒng)研究計算機控制系統(tǒng)設計理論與實驗一體化同步教學系統(tǒng)研究引言計算機控制系統(tǒng)設計是自動控制理論、計算機技術(shù)和現(xiàn)代檢測技術(shù)相結(jié)合的綜合應用技術(shù)，是一門理論性和理論性都很強的學科1，2。該課的教學目的是掌握將計算機應用于檢測、控制等工程實際領(lǐng)域的方法，其教學任務除了要使學生較系統(tǒng)地掌握理論知識外，還要求通過實驗教學環(huán)節(jié)，使學生受到必要的工程訓練和初步的科學研究方法的鍛練，從而到達穩(wěn)固、深化和擴大所學理論知識的目的，進而培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的才能3。1理論與實驗一體化同步教學系統(tǒng)的理論分析現(xiàn)代教育不僅是讓學生進步理論程度，更要讓學生具備應用理論知識解決

2、實際問題的才能，即培養(yǎng)學生獨立學習理論和實驗知識的才能、獨立應用理論知識解決工程問題的才能和應用理論經(jīng)歷進步理論創(chuàng)新的才能。這就需要理論教學和實驗教學嚴密聯(lián)絡，同步進展。1從才能培養(yǎng)角度考慮。一方面，在理論教學過程中通過及時實驗快速理解理論知識，進步理論學習效率；另一方面，在實驗教學中通過實驗發(fā)現(xiàn)問題并及時探求解決問題的理論知識，從而快速進步分析問題和解決問題的才能。2從教學內(nèi)容上考慮。理論與實驗一體化同步教學，其知識成份既具有更加廣泛的遷移性、更適宜于學生解決問題和創(chuàng)新的需要，也具有廣闊的綜合性，是理論與實驗知識的綜合集成，更適宜于學生從理論和實驗綜合的角度分析問題。其以圍繞解決將來職業(yè)相關(guān)

3、的實際問題的相貌出現(xiàn)，為課程賦予了新的活力，必然會激起學生的興趣與好奇，使其產(chǎn)生求知的欲望和學習的動機，使學生更樂于利用這些解決問題的知識進展新的嘗試與探究，引導學生自主學習，使學生從記憶知識中解放出來，從而成為探究知識、運用和創(chuàng)新知識的能工巧匠。3從教學情況考慮。更適宜于應用發(fā)現(xiàn)法教學，真正實現(xiàn)因材施教，使教師從繁重的講授中解脫出來進展教學指導，使學生在自主學習的根底上進展研究、探究與進步。4從整體功能上考慮。改變了師生之間的關(guān)系，即實現(xiàn)了師生角色的轉(zhuǎn)變，學生成了學習的主體，教師成了教學的主導；改進了教學的過程，使實驗與理論教學成為了一個有機的整體，加強了理論與實際的聯(lián)絡，表達了因材施教的教

4、學原那么，實現(xiàn)了學生知識、才能、素質(zhì)全面協(xié)調(diào)的開展。顯然這一體系是現(xiàn)代教育理論、教育學、認知心理學的產(chǎn)物，是提升教學質(zhì)量的推動力，是改進教學形式的促進劑，是促使學生自主學習的著迷藥，是提升教學效果的催化劑5。2理論與實驗一體化教學系統(tǒng)設計該教學系統(tǒng)分為4個維：學生維、教師維、實驗室效勞器維、實驗設備維。其中學生維由學生及其參與互動學習的終端機軟硬件組成；教師維由授課教師、講臺、計算機軟硬件、投影儀、投影屏幕組成；實驗室效勞器維由實驗室效勞器軟硬件、攝像機、裝載攝像機的挪動小車、采集系統(tǒng)、接口系統(tǒng)組成；實驗設備維由實驗室的儀器設備、實驗平臺、接口設備組成。其中實驗效勞器維和教師維是系統(tǒng)的兩個主體

5、維度。整個系統(tǒng)依附于校園網(wǎng)實現(xiàn)。這也意味著，該教學系統(tǒng)一旦建成，接入校園網(wǎng)的教室在安裝本系統(tǒng)軟件之后，獲取相關(guān)的權(quán)限，就可以遠程連接實驗室，進而控制實驗設備，從而實現(xiàn)理論與實驗互動形式教學。該教學系統(tǒng)的根本框架如圖1所示。2.1學生維的設計在學生維中，每組學生或每個學生擁有一個終端平板電腦或筆記本。這些終端機和教室內(nèi)的教師機組成無線局域網(wǎng)，通過這個網(wǎng)絡實現(xiàn)學生參與教學信息的傳輸。該維是該教學形式的主體之一，是學生全程參與互動式教學的必備條件，學生操作的終端機的軟件平臺是該維的核心。在每部分要講解的內(nèi)容中，教師將與該部分有關(guān)的學生操作軟件包通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到每個學生操作的終端機上，學生翻開該軟件

6、包，不僅可以完成與所授課程有關(guān)的實驗設備的參數(shù)設置、遠程控制、遠程數(shù)據(jù)的加載，而且可以根據(jù)實驗室設備維具備的條件進展創(chuàng)新性實驗內(nèi)容、方式設計。2.2教師維的設計在教師維中，教師使用的就是講臺上的計算機、教室的投影儀及投影屏幕等原有多媒體教學設備，也就是說，不需要增加任何設備即可構(gòu)成教師維的硬件設備，需要做的就是開發(fā)教師授課軟件。教師維與學生和實驗室效勞器兩維通過網(wǎng)絡連接而成，而與實驗室效勞器維相連的是校園網(wǎng)，如圖2所示。該維是該教學形式的主體之二，是實現(xiàn)該教學形式的關(guān)鍵，與學生維類似，其軟件也是該維的核心。該維提供以下幾種教學方式：1使用常規(guī)課件方式;2使用遠程攝像機的視頻。通過實驗室效勞器維

7、攝像機傳過來實驗設備維各設備運行的視頻。在教師課堂中需要演示實驗的時候，通過網(wǎng)絡遠程操縱攝像頭系統(tǒng)和實驗設備，經(jīng)相應程序處理之后顯示實驗室的實時畫面及設備運行聲音，學生如同親臨實驗室;3使用遠程檢測與控制方式。實驗室效勞器維中的效勞器傳過來其采集的實驗設備運行數(shù)據(jù)，以圖象或曲線的形式顯示在投影儀屏幕上，使教師授課具有了立體感，同時也增加了課堂理論教學和實驗教學的興趣性，增強了課程的吸引力，使學生可以在放松中學到知識;4使用與學生的創(chuàng)新性互動式方式;5上述四種方式的綜合運用。同時教師維可以單獨向?qū)嶒炇倚谄骶S發(fā)送操作指令來進展實驗，也可以接收到學生終端的指令后進展修改再轉(zhuǎn)發(fā)，這樣還可以解決班上同

8、學同時發(fā)送指令時的排隊問題。2.3實驗室效勞器維的設計實驗室效勞器維由兩部分組成：一部分是音視頻采集與控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過校園網(wǎng)將實驗室的音視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇淌业慕處熅S，同時教師維也可以進展遠程系統(tǒng)的控制，從而實現(xiàn)最正確的實驗室設備維的音視頻效果。此系統(tǒng)由高清攝像頭、云臺、拾音器、挪動平臺及控制裝置組成。該攝像頭內(nèi)部含有可供復用的RS485總線，這個總線通過接收不同的指令，分別控制云臺的轉(zhuǎn)動、攝像頭的調(diào)焦、挪動平臺的挪動等，如圖3所示。實現(xiàn)了攝像頭的遠程控制調(diào)焦、轉(zhuǎn)動，還實現(xiàn)了遠程挪動控制，即攝像頭可以根據(jù)需要在實驗室內(nèi)行走。攝像頭會將實驗室的畫面及時反響給教室端，另外實驗設備的運轉(zhuǎn)聲音也會通過

9、攝像頭的拾音器傳回到教室，這樣就構(gòu)建了遠程網(wǎng)絡實驗室。另一部分是實驗室效勞器維與實驗室設備維連接的采集和控制接口系統(tǒng)，為教師維提供實驗設備運行的各種信息。該維為該教學形式提供音視頻和數(shù)據(jù)，更是教師及學生控制實驗設備的中轉(zhuǎn)效勞站，是該教學形式的客體。該維的核心是硬件和軟件，其中與實驗室設備維相連的各種通信接口、A/D采集卡、D/A轉(zhuǎn)換卡等是硬件核心，主要用于完成下面功能：1承受操作指令并轉(zhuǎn)發(fā)給實驗設備。教室傳來的操作指令需要在這里經(jīng)過實驗教師的進一步校正之后轉(zhuǎn)發(fā)給實驗設備;2采集實驗數(shù)據(jù)并回傳。要想學生在教室內(nèi)看到實驗的數(shù)據(jù)和結(jié)果，就需要將實驗的數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)發(fā)回教室，如圖4所示。實現(xiàn)友好的人機接

10、口和實時處理是該維的軟件核心。2.4實驗室設備維的設計該維主要完成兩部分的功能，一部分是對現(xiàn)有實驗設備進展開發(fā)以便于實驗設備可以直接連接實驗室效勞器機，如通過開發(fā)RS485、有線網(wǎng)口、無線網(wǎng)口、紅外接口等，實現(xiàn)實驗設備與實驗機的通訊，同時滿足學生創(chuàng)新性實驗的需求;另一部分為所授課程需要新增加的實驗設備，這部分設備在設計時就需要考慮可以為該教學形式使用。3計算機控制系統(tǒng)設計中數(shù)據(jù)采集授課設計3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹數(shù)據(jù)采集與調(diào)理是計算機控制系統(tǒng)設計系統(tǒng)的重要組成部分。數(shù)據(jù)采集與調(diào)理就是將溫度、壓力、流量、位移等被控對象的模擬量采集并轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)字量。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也是計算機控制系統(tǒng)

11、設計這門課程所應該必須掌握的一個環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分一般包括傳感器、模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等6。這些硬件將組成一個電路，配合外圍設備以及相應的軟件系統(tǒng)共同完成數(shù)據(jù)采集處理的任務。3.2全新授課方式設計學生要學懂進而設計開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，就必需要清楚這些器件是如何工作的、整個系統(tǒng)是如何工作的、信號是如何轉(zhuǎn)化為計算機可承受信號的。然而如今的授課方式，或者將系統(tǒng)割裂開來，分別講解各個硬件，或者教師只是拿原理圖在那里空說，學生很難理解器件以及整個系統(tǒng)工作過程。因此，為了使授課過程變得易懂、形象、直觀，筆者提出一種新的授課方式，如圖5。該授課方式依托該教學系統(tǒng)，主要

12、分教和學兩個方面。1教師授課。教師在授課時利用該教學系統(tǒng)將實驗室正在運行的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實時的顯示在教室大屏幕上，并將系統(tǒng)的原理圖同屏顯示。這樣授課教師就可以根據(jù)原理圖和系統(tǒng)的真實畫面進展授課。還可以通過數(shù)據(jù)采集板卡將采集系統(tǒng)的關(guān)鍵點位的信號采集到實驗機。當教室內(nèi)教師需要講解系統(tǒng)某一部分的原理時，可以用鼠標在原理圖相應的點位點擊，遠程的實驗機承受到反響信號后，傳送該點位的信號，可以采用畫圖或者圖表的形式將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，通過比較經(jīng)過某個器件前后的數(shù)據(jù)或波形，理解器件的性能，進而理解該器件在整個系統(tǒng)中的作用。假設要比較某一類兩種不同型號器件的工作情況，也可以分別顯示含有這兩種不同型號器

13、件的系統(tǒng)的工作情況，通過比照直觀的理解器件的性能。2學生學習。這個環(huán)節(jié)主要是配合教師的授課，學生可以參與課堂，增加了學生學習的自主性，擺脫傳統(tǒng)課堂被動承受的狀態(tài)。對于需要編寫驅(qū)動程序的部分，學生可以通過自己的終端機編寫程序，并通過網(wǎng)絡上傳至實驗室效勞器，實驗室效勞器將程序下載到實驗設備的公控制計算機或者直接在實驗室效勞器上運行，系統(tǒng)運行的情況學生又可以通過教室大屏幕看到。針對需要學生自己動手設計的環(huán)節(jié)，本系統(tǒng)也提供了開放式的環(huán)境。可以將主要的芯片及其外圍設備封裝在一起作為模塊，學生可以在自己的學生終端上根據(jù)這些模塊設計相應的系統(tǒng)，假設出現(xiàn)原那么性的錯誤，系統(tǒng)會給出提示。假設沒有原那么性的錯誤，

14、在學生設計完畢保存時，終端時機發(fā)送相應的反響信號到教師維計算機和實驗室效勞器維計算機。教師維計算機可以動態(tài)顯示學生所選系統(tǒng)并顯示連線過程，這樣也可以供其他學生學習。實驗室效勞器維的計算時機通過輸出端口發(fā)送控制指令給電路板上的多路開關(guān)或者繼電器，通過改變多路開關(guān)或者繼電器的狀態(tài)，實現(xiàn)電路板的實際連接電路與學生設計的電路一樣。當學生選擇開始實驗之后，電路板開始在所在計算機控制系統(tǒng)中工作，又可以通過點擊相應的節(jié)點，查看相應點位的輸出信號。這樣就能使學生很直觀的看到自己設計的系統(tǒng)問題在哪里。通過比較某個模塊在前后設計的系統(tǒng)中的位置、參數(shù)大小以及有無，可以很直觀的理解該模塊在整個系統(tǒng)中的作用。這樣不僅可

15、以使課堂變得更加有趣，學生理解起來也更加方便，還將實驗課與理論課程有機結(jié)合，學生也可以全程參與課堂，上課的效果和效率將明顯改觀。4系統(tǒng)效果展示4.1授課效果展示圖6所示是一個簡單的實際數(shù)據(jù)采集電路7。主要是采用測傳感器時間常數(shù)的方法，間接到達高度跟蹤的目的。在該系統(tǒng)中，包含高度傳感器和芯片1403、4053、L725、L339、6N137、D4583A及三極管9013。要想明白整個電路的工作原理和過程，必須先明白各個芯片的工作原理。在新的教學方式中，筆者直接將數(shù)據(jù)采集電路接入系統(tǒng)。電路輸入控制端NTRL直接與單片機I/口相連，輸出端UTPUT與單片機時基模塊端口相連端口設置成輸入捕捉形式，下降

16、沿觸發(fā)計數(shù)完畢。在主要器件的輸入端和輸出端分別引出信號，如圖5中所示A、B、D等。用一個16路的數(shù)據(jù)采集板卡先不管數(shù)據(jù)采集板卡是如何工作的將這些信號分別采集到實驗室效勞器，實驗室效勞器每隔一段時間將這些端點的信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇處熅S計算機。教師在授課的過程中，當需要講解該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，可通過教師維計算機和實驗室效勞器的實時語音通訊功能告知實驗教師啟動該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。授課教師可以通過教師維計算機上的控制軟件控制攝像機等輔助設備的挪動和調(diào)焦轉(zhuǎn)動，將攝像機挪動到正在工作的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)旁邊，這樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時畫面就通過攝像機和網(wǎng)絡傳輸?shù)浇處熅S計算機，最終顯示在大屏幕上。同時也可以顯示電路圖的原理圖，

17、授課教師根據(jù)原理圖進展授課?？梢韵戎v解整個系統(tǒng)的工作流程，當需要講解每個芯片的工作原理時，可以先講解工作原理，再講解在本系統(tǒng)中的作用，還可以通過點擊芯片前后設置的端點，將實驗室效勞器發(fā)來的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)圖表或者波形的形式顯示，通過比照不同工作條件或狀態(tài)下芯片輸入輸出波形或數(shù)據(jù)的變化，就可以很輕松的理解芯片的作用和工作原理。例如，對于圖6所示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，芯片L725為高精度運算放大器。A端為放大器同相端輸入，其為能源基準電壓源1403輸出的基準電壓，反相端通過電阻后接地，由放大器的特性，根據(jù)公式，將端點B的電壓標定為5V。通過講解原理，并比較A、B兩點的電壓，即可很容易的理解該運算放大器的工作原

18、理。圖7所示為教師維計算機軟件的授課效果圖。明白了各個芯片的工作原理，也就明白了信號是如何在整個系統(tǒng)中傳遞和變化的，就能很好的理解整個系統(tǒng)的工作過程。4.2學生實驗效果展示在教師授課講解之后，學生對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有了一定的概念，對整個系統(tǒng)的工作過程進展了熟悉，也理解了各芯片的功能和整個系統(tǒng)的原理。但是，有些環(huán)節(jié)是否可以調(diào)整呢？比方，在信號的傳遞過程中是否必需要有放大器，放大器的放大倍數(shù)改變之后輸出會有怎么樣的變化，是否可以省去濾波電路，濾波電路的參數(shù)怎樣設置才算合理，才可以起到恰當?shù)淖饔?。這些或許照舊在困擾學生，這就需要學生通過實驗來自己驗證。圖8為本平臺數(shù)據(jù)采集實驗板中數(shù)據(jù)調(diào)理的部分。A端為信號輸入，為傳感器從設備采集到的信號，端為經(jīng)過調(diào)理之后的信號，可以送到A/D芯片進展處理。在該部分，學生做實驗時，可以通過終端機軟件的操作，選擇是否需要該環(huán)節(jié)，并可以更改該環(huán)節(jié)的參數(shù)。比方，學生需要驗證是否需要數(shù)據(jù)調(diào)理環(huán)節(jié)，可以選擇閉合開關(guān)K1、K4在實際電路中，使用繼電器或者多路開關(guān)通過實驗室效勞器計算機控制接