计算机控制系统设计理论与实验一体化同步教学系统研究

樊泽明+梁振涛+任静

[摘 要] 针对计算机控制系统设计课程当前教学方式存在的不足，构建了该课程理论与实验一体化同步教学系统。该教学系统以实验设备为平台，以校园网为纽带，以教室教学设备为工具，将理论教学和实验教学有机融为一体。针对该课程中的数据采集部分，展示了新教学方式的实现效果。新的教学方式实现了理论教学与实验教学的有机结合，不仅使教学过程变得形象直观、通俗易懂，而且学生能够全程参与课程学习，增强了学生学习的积极性，提高了学生的学习效果。

[关键词] 数据采集系统;教学方式;远程实验;教学系统

[中图分类号] G434 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2014）03-0061-06

0 引言

计算机控制系统设计是自动控制理论、计算机技术和现代检测技术相结合的综合应用技术，是一门理论性和实践性都很强的学科[1，2]。该课的教学目的是掌握将计算机应用于检测、控制等工程实际领域的方法，其教学任务除了要使学生较系统地掌握理论知识外，还要求通过实验教学环节，使学生受到必要的工程训练和初步的科学研究方法的锻练，从而达到巩固、深化和扩大所学理论知识的目的，进而培养学生分析问题、解决问题的能力[3]。

实践环节是该课程学习的重要内容[4]，而实验教学是实践环节的重要组成部分，是学生进行实践的重要指导。然而目前该课程教学存在诸多问题，主要表现在：（1）理论教学枯燥、理解困难，如在讲电机的PID控制时，学生对这3个参数的理解比较困难，老师讲完后也不明白它们的本质特征;（2）大型的实验设备都比较昂贵，这类实验设备较少，不仅很难实现每个学生一台机器，而且因担心学生损坏设备，一般不会让学生亲自动手，更不可能安排学生亲自做实验;（3）在做实验时，老师都要进行实验前培训，目前的方法是学生到实验室，老师在讲解时，学生围在老师和实验设备周围，这样很难让每个学生都能看到和听到老师的讲解和演示，实验前的培训效果并不好;（4）实验课与理论课分割开来，授课老师与授课进度都不同，造成两者相互脱节，使学生在学习理论课时无法直观和深刻地理解所学的知识，而在实验课中又不能很好的联系自己以前所学的理论知识，使得实验课无法达到很好的教学效果，甚至使得实验课流于形式;（5）实验课本身也有许多弊端，比如受到时间、空间的限制，学生在做实验时往往不能全面了解和掌握实验所提供的知识，不能实现与理论教学的有机结合。比如测控的过程不够形象直观，学生仅仅只是按照老师给定的原理图焊接电路并给出既定的输入信号，得到似懂非懂的输出信号，并不能对整个系统有直观的感觉，不能清晰了解整个系统的工作过程以及每个器件在系统中的作用，这就不能很好的起到教学的目的，很多时候会事倍功半。本文基于这种现状，针对该课程的数据采集系统，设计一种全新的理论与实验一体化的同步教学系统，能够实现理论教学和实验教学的有机结合，能够使教学过程变得简单、形象而通俗易懂，甚至能够起到事半功倍的效果。

1 理论与实验一体化同步教学系统的理论 分析

现代教育不仅是让学生提高理论水平，更要让学生具备应用理论知识解决实际问题的能力，即培养学生独立学习理论和实验知识的能力、独立应用理论知识解决工程问题的能力和应用实践经验提高理论创新的能力。这就需要理论教学和实验教学紧密联系，同步进行。

1）从能力培养角度考虑。一方面，在理论教学过程中通过及时实验快速理解理论知识，提高理论学习效率;另一方面，在实验教学中通过实验发现问题并及时探求解决问题的理论知识，从而快速提高分析问题和解决问题的能力。

2）从教学内容上考虑。理论与实验一体化同步教学，其知识成份既具有更加广泛的迁移性、更适合于学生解决问题和创新的需要，也具有广阔的综合性，是理论与实验知识的综合集成，更适合于学生从理论和实验综合的角度分析问题。其以围绕解决未来职业相关的实际问题的面貌出现，为课程赋予了新的活力，必然会激起学生的兴趣与好奇，使其产生求知的欲望和学习的动机，使学生更乐于利用这些解决问题的知识进行新的尝试与探索，引导学生自主学习，使学生从记忆知识中解放出来，从而成为探索知识、运用和创新知识的能工巧匠。

3）从教学情况考虑。更适合于应用发现法教学，真正实现因材施教，使教师从繁重的讲授中解脱出来进行教学指导，使学生在自主学习的基础上进行研究、探索与提高。

4）从整体功能上考虑。改变了师生之间的关系，即实现了师生角色的转变，学生成了学习的主体，教师成了教学的主导;改进了教学的过程，使实验与理论教学成为了一个有机的整体，加强了理论与实际的联系，体现了因材施教的教学原则，实现了学生知识、能力、素质全面协调的发展。

显然这一体系是现代教育理论、教育学、认知心理学的产物，是提升教学质量的推动力，是改进教学形式的促进剂，是促使学生自主学习的着迷药，是提升教学效果的催化剂[5]。

2 理论与实验一体化教学系统设计

该教学系统分为4个维：学生维、教师维、实验室服务器维、实验设备维。其中学生维由学生及其参与互动学习的终端机软硬件组成;教师维由授课教师、讲台、计算机软硬件、投影仪、投影屏幕组成;实验室服务器维由实验室服务器软硬件、摄像机、装载摄像机的移动小车、采集系统、接口系统组成;实验设备维由实验室的仪器设备、实验平台、接口设备组成。其中实验服务器维和教师维是系统的两个主体维度。整个系统依附于校园网实现。这也意味着，该教学系统一旦建成，接入校园网的教室在安装本系统软件之后，获取相关的权限，就可以远程连接实验室，进而控制实验设备，从而实现理论与实验互动模式教学。该教学系统的基本框架如图1所示。

2.1 学生维的设计

在学生维中，每组学生或每个学生拥有一个终端（平板电脑或笔记本）。这些终端机和教室内的教师机组成无线局域网，通过这个网络实现学生参与教学信息的传输。

该维是该教学模式的主体之一，是学生全程参与互动式教学的必备条件，学生操作的终端机的软件平台是该维的核心。在每部分要讲解的内容中，教师将与该部分有关的学生操作软件包通过无线网络发送到每个学生操作的终端机上，学生打开该软件包，不仅能够完成与所授课程有关的实验设备的参数设置、远程控制、远程数据的加载，而且能够根据实验室设备维具备的条件进行创新性实验内容、方式设计。

2.2 教师维的设计

在教师维中，教师使用的就是讲台上的计算机、教室的投影仪及投影屏幕等原有多媒体教学设备，也就是说，不需要增加任何设备即可构成教师维的硬件设备，需要做的就是开发教师授课软件。教师维与学生和实验室服务器两维通过网络连接而成，而与实验室服务器维相连的是校园网，如图2所示。

该维是该教学模式的主体之二，是实现该教学模式的关键，与学生维类似，其软件也是该维的核心。该维提供以下几种教学方式：（1）使用常规课件方式;（2）使用远程摄像机的视频。通过实验室服务器维摄像机传过来实验设备维各设备运行的视频。在老师课堂中需要演示实验的时候，通过网络远程操纵摄像头系统和实验设备，经相应程序处理之后显示实验室的实时画面及设备运行声音，学生如同亲临实验室;（3）使用远程检测与控制方式。实验室服务器维中的服务器传过来其采集的实验设备运行数据，以图象或曲线的形式显示在投影仪屏幕上，使教师授课具有了立体感，同时也增加了课堂理论教学和实验教学的趣味性，增强了课程的吸引力，使学生能够在放松中学到知识;（4）使用与学生的创新性互动式方式;（5）上述四种方式的综合运用。

同时教师维可以单独向实验室服务器维发送操作指令来进行实验，也可以接收到学生终端的指令后进行修改再转发，这样还可以解决班上同学同时发送指令时的排队问题。

2.3 实验室服务器维的设计

实验室服务器维由两部分组成：一部分是音视频采集与控制系统，该系统通过校园网将实验室的音视频数据传输到教室的教师维，同时教师维也可以进行远程系统的控制，从而实现最佳的实验室设备维的音视频效果。此系统由高清摄像头、云台、拾音器、移动平台及控制装置组成。该摄像头内部含有可供复用的RS485总线，这个总线通过接收不同的指令，分别控制云台的转动、摄像头的调焦、移动平台的移动等，如图3所示。实现了摄像头的远程控制调焦、转动，还实现了远程移动控制，即摄像头可以根据需要在实验室内行走。摄像头会将实验室的画面及时反馈给教室端，另外实验设备的运转声音也会通过摄像头的拾音器传回到教室，这样就构建了远程网络实验室。

另一部分是实验室服务器维与实验室设备维连接的采集和控制接口系统，为教师维提供实验设备运行的各种信息。该维为该教学模式提供音视频和数据，更是教师及学生控制实验设备的中转服务站，是该教学模式的客体。

该维的核心是硬件和软件，其中与实验室设备维相连的各种通信接口、A/D采集卡、D/A转换卡等是硬件核心，主要用于完成下面功能：（1）接受操作指令并转发给实验设备。教室传来的操作指令需要在这里经过实验教师的进一步校正之后转发给实验设备;（2）采集实验数据并回传。要想学生在教室内看到实验的数据和结果，就需要将实验的数据采集并转发回教室，如图4所示。实现友好的人机接口和实时处理是该维的软件核心。

2.4 实验室设备维的设计

该维主要完成两部分的功能，一部分是对现有实验设备进行开发以便于实验设备能够直接连接实验室服务器机，如通过开发RS485、有线网口、无线网口、红外接口等，实现实验设备与实验机的通讯，同时满足学生创新性实验的需求;另一部分为所授课程需要新增加的实验设备，这部分设备在设计时就需要考虑能够为该教学模式使用。

3 计算机控制系统设计中数据采集授课设计

3.1 数据采集系统介绍

数据采集与调理是计算机控制系统设计系统的重要组成部分。数据采集与调理就是将温度、压力、流量、位移等被控对象的模拟量采集并转换成计算机能够识别的数字量。因此，数据采集系统也是计算机控制系统设计这门课程所应该必须掌握的一个环节。

数据采集系统的硬件部分一般包括传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D转换器等[6]。这些硬件将组成一个电路，配合外围设备以及相应的软件系统共同完成数据采集处理的任务。

3.2 全新授课方式设计

学生要学懂进而设计开发数据采集系统，就必须要清楚这些器件是如何工作的、整个系统是如何工作的、信号是如何转化为计算机可接受信号的。然而现在的授课方式，或者将系统割裂开来，分别讲解各个硬件，或者教师只是拿原理图在那里空说，学生很难理解器件以及整个系统工作过程。 因此，为了使授课过程变得易懂、形象、直观，笔者提出一种新的授课方式，如图5。该授课方式依托该教学系统，主要分教和学两个方面。

1）教师授课。教师在授课时利用该教学系统将实验室正在运行的数据采集系统采集的数据实时的显示在教室大屏幕上，并将系统的原理图同屏显示。这样授课教师就能够根据原理图和系统的真实画面进行授课。还可以通过数据采集板卡将采集系统的关键点位的信号采集到实验机。当教室内教师需要讲解系统某一部分的原理时，可以用鼠标在原理图相应的点位点击，远程的实验机接受到反馈信号后，传送该点位的信号，可以采用画图或者图表的形式将数据显示在屏幕上，通过比较经过某个器件前后的数据或波形，理解器件的性能，进而理解该器件在整个系统中的作用。如果要比较某一类两种不同型号器件的工作情况，也可以分别显示含有这两种不同型号器件的系统的工作情况，通过对比直观的了解器件的性能。

2）学生学习。这个环节主要是配合教师的授课，学生能够参与课堂，增加了学生学习的自主性，摆脱传统课堂被动接受的状态。对于需要编写驱动程序的部分，学生可以通过自己的终端机编写程序，并通过网络上传至实验室服务器，实验室服务器将程序下载到实验设备的公控制计算机或者直接在实验室服务器上运行，系统运行的情况学生又可以通过教室大屏幕看到。针对需要学生自己动手设计的环节，本系统也提供了开放式的环境。可以将主要的芯片及其外围设备封装在一起作为模块，学生可以在自己的学生终端上依据这些模块设计相应的系统，如果出现原则性的错误，系统会给出提示。如果没有原则性的错误，在学生设计完毕保存时，终端机会发送相应的反馈信号到教师维计算机和实验室服务器维计算机。教师维计算机可以动态显示学生所选系统并显示连线过程，这样也可以供其他学生学习。实验室服务器维的计算机会通过输出端口发送控制指令给电路板上的多路开关或者继电器，通过改变多路开关或者继电器的状态，实现电路板的实际连接电路与学生设计的电路相同。当学生选择开始实验之后，电路板开始在所在计算机控制系统中工作，又可以通过点击相应的节点，查看相应点位的输出信号。这样就能使学生很直观的看到自己设计的系统问题在哪里。通过比较某个模块在前后设计的系统中的位置、参数大小以及有无，可以很直观的了解该模块在整个系统中的作用。这样不仅能够使课堂变得更加有趣，学生理解起来也更加方便，还将实验课与理论课程有机结合，学生也能够全程参与课堂，上课的效果和效率将明显改观。

4 系统效果展示

4.1 授课效果展示

图6所示是一个简单的实际数据采集电路[7]。主要是采用测传感器时间常数的方法，间接达到高度跟踪的目的。

在该系统中，包含高度传感器和芯片MC1403、MC4053、LM725、LM339、6N137、 CD4583A及三极管9013。要想明白整个电路的工作原理和过程，必须先明白各个芯片的工作原理。

在新的教学方式中，笔者直接将数据采集电路接入系统。电路输入控制端 （CONTROL）直接与单片机 I/O 口相连， 输出端（OUTPUT）与单片机时基模块端口相连端口设置成输入捕捉模式，下降沿触发计数结束。在主要器件的输入端和输出端分别引出信号，如图5中所示A、B、C、D……等。用一个16路的数据采集板卡（先不管数据采集板卡是如何工作的）将这些信号分别采集到实验室服务器，实验室服务器每隔一段时间将这些端点的信号数据传输到教师维计算机。教师在授课的过程中，当需要讲解该数据采集系统时，可通过教师维计算机和实验室服务器的实时语音通讯功能告知实验教师启动该数据采集系统。授课教师可以通过教师维计算机上的控制软件控制摄像机等辅助设备的移动和调焦转动，将摄像机移动到正在工作的数据采集系统旁边，这样数据采集系统的实时画面就通过摄像机和网络传输到教师维计算机，最终显示在大屏幕上。同时也能够显示电路图的原理图，授课教师根据原理图进行授课。可以先讲解整个系统的工作流程，当需要讲解每个芯片的工作原理时，可以先讲解工作原理，再讲解在本系统中的作用，还可以通过点击芯片前后设置的端点，将实验室服务器发来的数据以数据图表或者波形的形式显示，通过对比不同工作条件或状态下芯片输入输出波形或数据的变化，就能够很轻松的理解芯片的作用和工作原理。例如，对于图6所示的数据采集系统，芯片LM725为高精度运算放大器。A端为放大器同相端输入，其为能源基准电压源MC1403输出的基准电压，反相端通过电阻后接地，由放大器的特性，根据公式，将端点B的电压标定为5V。通过讲解原理，并比较A、B两点的电压，即可很容易的理解该运算放大器的工作原理。图7所示为教师维计算机软件的授课效果图。明白了各个芯片的工作原理，也就明白了信号是如何在整个系统中传递和变化的，就能很好的理解整个系统的工作过程。

4.2 学生实验效果展示

在教师授课讲解之后，学生对于数据采集系统有了一定的概念，对整个系统的工作过程进行了熟悉，也了解了各芯片的功能和整个系统的原理。但是，有些环节是否可以调整呢？比如，在信号的传递过程中是否必须要有放大器，放大器的放大倍数改变之后输出会有怎么样的变化，是否可以省去滤波电路，滤波电路的参数怎样设置才算合理，才能够起到恰当的作用。这些或许依旧在困扰学生，这就需要学生通过实验来自己验证。

图8为本平台数据采集实验板中数据调理的部分。A端为信号输入，为传感器从设备采集到的信号，C端为经过调理之后的信号，可以送到A/D芯片进行处理。在该部分，学生做实验时，可以通过终端机软件的操作，选择是否需要该环节，并可以更改该环节的参数。比如，学生需要验证是否需要数据调理环节，可以选择闭合开关K1、K4（在实际电路中，使用继电器或者多路开关通过实验室服务器计算机控制接通与否），然后观察系统输出信号与采用调理环节时的变化，即可很明了的知道该环节的作用。对于是否需要滤波、是否需要放大器，均可以采用这种方法实现，通过比较即可了解该环节的作用以及在系统中的必要性和重要性。还可以通过按键闭合的组合方式，选择不同的放大器，比较不同放大器的差别;对于同一个放大器，选择不同的电阻，比较电阻值对放大倍数的影响。

学生还可根据观察到的传感器传递的信号，计算合适的滤波频率，并选择低通、高通滤波器进行滤波，还可以根据自己的计算，选择不同的电阻、电容值组合，以便达到最佳的滤波效果。通过这种远程实验，经过自己的验证，再结合授课教师的及时讲解，学生能很容易的理解所学知识，并知道如何设计数据采集系统、哪些部分是必不可少的。学生能及时消化所学，节约了时间，提高了效率。

4 结束语

本文在分析当前授课方式存在的不足的基础上，介绍了笔者提出的理论与实验一体化同步教学系统，然后依托该系统提出了一种针对《计算机控制系统设计》中数据采集系统的全新的授课方式，详细表述了该授课方式的思想，并就数据采集系统中的部分环节举例说明，最后给出了该授课方式的实现效果以及学生的实验方法和效果。

这样以系统为对象的学习会比传统上先学习芯片的资料、再根据授课教师的理论讲解学习原理图、最后进行实验的教学方式更形象、更通俗易懂、更有效，整个授课学习过程中不仅实现了理论和实验教学的有机结合，也能使学生充分参与课堂，提高学生学习的积极性，使授课效果事半功倍。

参考文献

[1]李元春.计算机控制系统[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]李彦凤，许向荣，陈继文.《计算机控制技术》理论教学与系统设计[J].山东建筑大学学报，2011，26（2）：186-188.

[3]杨东勇，袁南儿，周雪芬，梁辉.《计算机控制技术》实验教学改革的实践[J].实验室研究与探索，1996，（2）：4-6.

[4]温淑慧.计算机控制技术实验教学改革初探[J].实验室研究与探索，2010，33（6）：59-61.

[5]高智琛.高校实验与理论教学一体化建设的意义研究[J].中国现代教育装备，2011，（11）：136-137.

[6]马明建.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2005.

[7]徐兴，陈照章，全力，李仲兴，周孔亢.ECAS 客车车身高度的实时跟踪[J].机械工程学报，2011，47（2）：136-141.