一種自動教學及考核驗收機器人的製作方法
2023-09-21 03:11:50 2
本發明屬於電子類實驗教學設備技術領域，具體涉及一種自動教學及考核驗收機器人。
背景技術：
目前各大高校的電子技術實驗課程都是學生使用麵包板搭建實驗電路，自行測試完成後，申請實驗老師現場驗收。根據所做實驗項目，向實驗老師演示所完成的實驗的內容，老師根據完成情況、測試指標來現場打分。整個驗收過程平均需要5至10分鐘，每次到驗收高峰期，學生都需要排隊申請驗收。這樣既耽誤學生的時間，又使得老師在整個實驗教學過程中將大部分寶貴的教學時間花費在實驗驗收環節上。教師需要對個體學生的實驗作品實施一對一的驗收，工作量極大導致難以細緻驗收。這導致驗收工作粗放，學生認可度不高。除此之外，老師驗收的主觀性較強，沒有一個明確的評判標準，難以做到客觀公正。而且現有的實驗室設備也大大限制了很多實驗的驗收，導致實驗教學過程中實驗設計的比較單一，不夠靈活多變。
所以為了解決上述問題，需要設計一個機器人，能夠發出各種複雜的波形，能夠自動檢測多點信息，能夠完成有效的模式識別，將教師智能表現出來，提高測試速度，將老師從繁重的實驗驗收工作中解放出來，使得老師可以將更多的課堂時間花費在對學生的教學與指導中，提高實驗教學質量。
技術實現要素：
本發明提供了一種自動教學及考核驗收機器人，以解決在電子實驗教學過程中，老師人工驗收帶來的問題。減少老師驗收環節的工作量，做到客觀公正的驗收，同時減少現有實驗室設備對部分實驗驗收的限制，提高實驗教學過程中實驗設計的靈活性。
為達到上述目的，本發明採用如下技術方案予以實現：
一種自動教學及考核驗收機器人，包括硬體模塊、控制模塊和上位機；其中，
硬體模塊包括電源模塊、信號源模塊和示波器模塊；控制模塊包括硬體驅動控制單元和主控制單元；上位機包括串口通信測試模塊，用於上位機與主控制單元之間的通信測試，學生登錄模塊，用於學生信息錄入，實驗考題模塊，用於實驗驗收題目的編寫以及發布，實驗數據處理模塊，用於對學生實驗數據的收集及其處理分析，學生分數計算模塊，用於對學生實驗結果的評判以及分數計算；
上位機與主控制單元通信，下發命令，控制電源模塊給學生完成的作品提供指定的電源電壓，信號源模塊源提供測試信號，並控制示波器模塊對學生作品的信息測量點進行信息採集，將採集的數據通過主控制單元上發給上位機，上位機對數據進行處理分析後，採用統一合理的評判標準對學生作品進行評判並打分。
本發明進一步的改進在於，上位機與主控制單元通過串口通訊線通信，主控制單元與硬體模塊中的電源模塊、信號源模塊和示波器模塊通過can總線通信。
本發明進一步的改進在於，電源模塊提供固定電壓源，模擬可變電壓源和可變數字電壓源。
本發明進一步的改進在於，信號源模塊包括複雜波形發生器和高質量正弦波信號源。
本發明進一步的改進在於，複雜波形發生器通過單片機程序控制dac輸出各種類型的信號波形，包括正弦波、方波、三角波和短時脈衝以及這幾種信號組合的複雜信號，並能夠通過修改程序代碼改變信號頻率；高質量正弦波信號源包括dds、幅度控制部分和電阻衰減網絡。
本發明進一步的改進在於，示波器模塊包括低頻高精度數據採集系統和高頻數據採集系統。
本發明進一步的改進在於，還包括機殼，硬體模塊和控制模塊均設置在機殼內。
本發明具有如下的有益效果：
在對學生實驗作品進行驗收時，老師或者學生通過操作上位機，下達驗收命令，得到開始命令後，整個教學機器人自主進行驗收過程，由上位機給主控制單元下發命令，進而控制電源模塊給待測作品提供指定的電源電壓，信號源模塊提供測試信號，並控制示波器模塊對待測作品的信息測量點進行信息採集，下層各個子模塊在收到命令後進行相應的操作，並把確認命令或者數據上發給上位機，上位機對數據進行處理分析後，給出驗收結果，整個過程中不需要實驗老師的全程幹預，也不需要老師操作各種儀器設備進行驗收測量，都是由教學機器人自動完成，驗收時間由人工驗收的5至10分鐘縮短至20秒左右，大大減輕了老師實驗驗收環節的壓力，能讓老師把更多的時間和精力投入到更能體現教師價值的方法講解、故障排查和實驗指導工作中去，也節省了學生等候驗收的大量時間。同時，由於教學機器人各類性能指標的穩定統一，例如，電源模塊給每位學生待測作品提供的電源電壓，其幅值、紋波、負載能力等各項參數的誤差都是在已知的範圍內，信號源模塊給待測作品提供的測試信號，其幅值、頻率、直流偏置電壓等參數都在確定的誤差範圍內，示波器模塊採集條件相同，保證其採集數據的一致性，這些使得每次的驗收過程中為待測作品提供的電源電壓、測試信號等都能在一定誤差內保持相同，教學機器人再根據同等條件下測量得到的數據，通過統一合理的評判標準，對學生作品進行評判並打分，在這種情況下，沒有任何老師的主觀因素以及驗收條件的不同影響評判結果，可以在一定程度上做到客觀公正，並且教學機器人可以為學生提供詳細的驗收數據，幫助其對自身作品進行細緻的分析，相比於傳統的人工驗收方法，這也是一個比較明顯的優勢。除此之外，目前大多數高校電子實驗課程只能為學生提供基本的信號源，其大部分只能發出幾種單一類型的信號，例如正弦波信號、三角波信號、方波信號、直流信號等，而本發明中的信號源包含複雜波形發生器和高質量的正弦波信號源，複雜波形發生器除了可以為學生提供各種類型的信號外，還可以提供各種類型信號混合的複雜信號，例如，正弦波信號與方波信號的混合信號，正弦波信號與脈衝信號的混合信號，數字量信號等，高質量的正弦波信號源可以輸出頻率最小達到10hz，最大達到10mhz，步進精度達到0.1hz的高質量的正弦波信號，其最小幅度達到100μv，最大幅度達到1.25v，豐富的信號波形使得學生實驗設計變得更為靈活。
進一步，整個發明的實施過程劃分為三個部分，共有兩種通信方式。上位機與主控制單元通過串口通信線進行單點對單點的通信，使得上位機可以較簡單的控制下層模塊。硬體模塊的各個子模塊通過can總線與主控制單元通信，can總線系統結構簡單，有極高的性價比，單條總線最多可接110個節點，並可方便的擴充節點數，而且多主結構和各節點的地位平等，使得區域組網變得更加方便，總線利用率較高。上面所述的can總線優點使得本發明擁有較高的可擴展性，在後續開發中可以通過增加掛載在can總線上的硬體子模塊來繼續豐富本發明的功能。
進一步，本發明為用戶提供了多種電壓源，包括固定電壓源，模擬可變電壓源和可變數字電壓源，極大的方便了用戶的使用，基本可以滿足普通用戶對電壓源的需求。
進一步，本發明中信號源模塊包括複雜波形發生器和高質量正弦波信號源。高質量正弦波信號源可以輸出頻率最小達到10hz，最大達到10mhz，步進精度達到0.1hz的高質量的正弦波信號，其最小幅度達到100μv，最大幅度達到1.25v；複雜波形發生器可以發出正弦波、方波、三角波和短時脈衝以及這幾種信號組合的複雜信號。相對於大多數高校電子實驗課程為學生提供的基本信號源，本發明中兩種不同類型的信號源為用戶提供了種類非常豐富的信號波形，使得學生實驗設計變得更為靈活。
進一步，本發明中示波器模塊為用戶提供了低頻高精度數據採集系統和高頻數據採集系統，既可以對低頻信號進行高精度的數據採集，又能對高頻信號進行數據採集。
附圖說明
圖1是實驗教學機器人的機械結構示意圖；
圖2是實驗教學機器人總體框架結構示意圖；
圖3是本發明電源模塊中模擬可調電壓源和可變數字電壓源電路功能框圖；
圖4是本發明中信號源模塊中高質量正弦波信號源電路功能框圖；
圖5是本發明中電阻衰減網絡電路板的屏蔽示意圖；
圖6是本發明中上位機的軟體結構示意圖。
圖中標號說明：1、上位機；2、串口通信線；3、機殼；4、主控制單元；5、信號源模塊；6、變壓器；7、屏蔽盒；8、電源模塊；9、銅柱；10、示波器模塊。
具體實施方式
以下結合說明書附圖和具體實施例對本發明進行具體的描述。
如圖2所示為本發明的總體框架結構示意圖，整個發明由三層控制層組成，由上至下分別為上位機1，主控制單元4和三個子模塊。上位機1和主控制單元4通過串口通信線2進行雙向通信，由上位機1向主控制單元4下發執行命令，同時主控制單元4向上位機1發送確認命令以及由下層上傳來的測量數據。主控制單元4與三個子模塊通過can總線進行雙向通信，主控制單元4將上層下發的命令進行解析並下發給相應的子模塊，相應的子模塊收到主控制單元4的命令後，根據命令執行相應的動作，而後將確認命令或測量數據上傳回主控制單元4。本發明通過三層結構將整個實施過程劃分為上中下三個大的部分，下層把整個硬體平臺的功能分為三個子模塊，每個子模塊負責同一類功能，接受中間層主控制單元4的調用，中間層承上啟下，負責上層和下層之間的通信，上層上位機1下發命令並對上傳回來的數據進行處理分析，提供人機互動界面，將分析結果反饋給用戶。
下面將對每個模塊進行詳細的描述。
電源模塊8包括固定電壓源，模擬可調電壓源和可變數字電壓源三個部分。固定電壓源由220v交流電壓通過變壓器6進行降壓轉換，然後經過整流橋整流變成直流電壓後再進行濾波，最後經過ldo線性穩壓器得到固定正負電壓，為學生實驗提供正負18v電壓源。
如圖3所示為電源模塊8中模擬可調電壓源和可變數字電壓源電路功能框圖。模擬可調電壓源由四個部分組成，分別為dac，dc-dc開關式穩壓器，過流保護和ldo線性穩壓器。電源模塊8單片機通過dac輸出調節電壓，先調節dc-dc開關式穩壓器使其輸出合適的電壓，作為ldo線性穩壓器的輸入電壓，再通過dac的調節電壓調節ldo線性穩壓器的輸出電壓，得到模擬可調的電壓源，電壓輸出範圍為正負2.5v至正負18v。在dc-dc開關式穩壓器和ldo線性穩壓器之間加上檢流環節，防止電路電流過大。可變數字電壓源由三個部分組成，分別為dac，降壓穩壓器和過流保護。電源模塊8單片機通過dac輸出調節電壓，調節降壓穩壓器的輸出電壓，得到可調的數字電壓源，電壓輸出範圍為正1.8v至正5v。過流保護防止電路電流過大。
信號源模塊5包括複雜波形發生器和高質量正弦波信號源兩個部分。複雜波形發生器通過單片機程序控制dac輸出各種類型的信號波形，包括正弦波、方波、三角波、短時脈衝等類型，以及這幾種信號組合的複雜信號，並可以通過修改程序代碼改變信號頻率。dac輸出的信號經過一個程控增益放大器的增益調節，其信號輸出幅度可以發生改變，最後得到兩路類型、頻率、幅值均可設定的複雜波形，提供給學生實驗考核用。
如圖4所示為信號源模塊5中高質量正弦波信號源電路功能框圖。高質量正弦波信號源由三大部分組成，分別為directdigitalsynthesizer(dds)、幅度控制部分和電阻衰減網絡。dds控制正弦波的發生，其可以精細選擇輸出頻率，實現從低到高的頻率選擇，可以快速跳頻，且保證相位連續，輸出頻率最小達到10hz，最大達到10mhz，步進精度達到0.1hz，並且可以進行相位設置。
幅度控制部分由壓控增益放大器、幅值檢測、單片機、增益控制四個部分組成，形成閉環進行幅度控制。壓控增益放大器的輸出信號反饋給幅值檢測模塊，檢測模塊檢測出信號幅度，然後根據檢測出的幅度與期望幅度的差異調整信號增益，直到輸出信號的幅度與期望幅度之間的誤差滿足要求。此時的誤差只來源於幅值檢測系統，從而消除了不可控誤差，提高輸出正弦波幅值的精度。幅值檢測運用了蒙特卡洛算法，這種算法能夠穩定且有效地檢測正弦波的幅值，並能夠抑制噪聲對檢測的影響。
電阻衰減網絡總共三級，第一級衰減24db，第二級衰減30db，第三級衰減30db。一共有四種衰減係數選擇：不使用任何一級衰減網絡的情況下，信號衰減0db；在僅使用第一級衰減網絡的情況下，信號衰減24db；在僅使用第一級和第二級衰減網絡的情況下，信號衰減54db；在使用全部三級電阻衰減網絡的情況下，信號衰減84db。在系統要輸出小信號時，使壓控增益放大器的輸出經過電阻衰減網絡，形成最終的輸出信號，最小輸出正弦波的幅值達到100μv，而最大輸出正弦波的幅值達到1.25v，同時波形的質量和信噪比都比較好。由於本發明中電阻衰減網絡的pcb設計存在較大環路，容易引入空間電磁幹擾，而系統的其他部分幾乎不存在環路，所以將電阻衰減網絡部分單獨製作了一塊pcb板，並將其密封於一個大小合適的金屬殼內，引出輸入接口與輸出接口。電阻衰減網絡電路板與屏蔽盒7的連接如圖5所示，信號源板與電阻衰減網絡板通過同軸線纜連接，電阻衰減網絡板輸出的地連接到屏蔽盒7上，輸出端直接引出。
示波器模塊10包括低頻高精度數據採集系統和高頻數據採集系統兩個部分。採集系統前端可選直接耦合和電容耦合兩種信號耦合方式，為了測量更寬的電壓範圍，adc前端設計了1/30倍，1/3倍，1倍三種衰減網絡。示波器模塊10測量信號的若干周期長度的波形，可以選擇將波形信息通過主控制單元4完全上傳至上位機1後計算信號的各類參數並顯示，或者選擇在示波器模塊10中計算出信號的幅度並上傳。
主控制單元4承擔上位機1與底層子模塊通訊的功能。主控制單元4與底層各個子模塊通過can總線連接在一起，組成一個多主控制的通訊網絡，其中主控制單元4的優先級最高。主控制單元4與上位機1通過串口通信線2進行通訊，接收到上位機1下發的命令後，對命令進行解析並下發給對應的底層子模塊。底層子模塊在收到主控制單元4的命令後進行相應的執行動作，命令執行完後將數據或者確認命令上傳回主控制單元4。主控制單元4在收到底層模塊的上傳數據或確認命令後，將其發送給上位機1，完成上位機1與底層子模塊的通訊過程。
上位機1通過labview軟體進行編程，具有優秀的人機互動設計，方便用戶進行二次開發。如圖6所示，上位機1軟體結構由串口通信測試，學生登錄，實驗考題模塊，實驗數據處理和分數計算系統五部分組成。串口通信測試部分主要完成上位機1與下層主控制單元4串口通信的參數設置以及進行通信測試，保證上位機1與主控制單元4的通信正常。學生登錄部分主要為學生信息錄入以及顯示，方便老師進行管理。實驗數據處理部分主要是對下層主控制單元4上傳的確認命令以及實驗數據進行處理分析得到實驗測量結果。分數計算系統將實驗數據處理分析得到的實驗結果與參考答案進行對比，計算最後得分，並將結果和答案細節通過界面進行顯示。實驗考題模塊包括示波器使用考核，實驗電路驗收和電路故障排查三個部分，學生登錄後通過選擇，進行不同的考核驗收。示波器考核部分是關於示波器使用的考核，上位機1下發命令控制信號源模塊5發出不同類型的波形或者複雜波形，要求學生使用實驗室示波器抓取波形，並測量波形的各類參數，最後將測量的結果填入上位機1答題卡界面，上位機1根據參考答案進行打分並顯示得分情況。實驗電路驗收部分主要測量學生電路作品的各項參數，並通過統一的驗收標準判斷電路是否合格。上位機1下發命令控制電源模塊8輸出電源提供給學生的待測電路，並控制信號源模塊5發出指定的測試信號作為待測電路的輸入信號，讓示波器模塊10測量待測電路各個測量點的信號數據，並回傳給上位機1進行處理分析，以評判電路是否符合要求，自動完成待測電路的整個驗收過程。電路故障排查部分主要是考察學生故障排查能力。實驗室為學生提供故障電路，學生完成故障排查，並交於教學機器人進行自動評測以確定是否將電路故障排除。
以上僅為本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案都屬於本發明的保護範圍。通過上述具體實施方式的內容，本發明所屬領域的相關技術人員能夠根據該部分內容實現本發明。