多学科交叉融合的模拟电路实验设计

刘 洋, 郑传涛, 王兆丹

(1. 吉林大学 a. 通信工程学院； b. 电子科学与工程学院, 长春 130012； 2. 空军航空大学 航空基础学院, 长春 130021)

0 引 言

新工科是相对于传统工科而言的, 新工科更强调学科的实用性、 交叉性和综合性, 具有引领性、 跨界性、 创新性和交融性等多个特征[1-6]。学科交叉融合正是新工科创新性和交融性的体现。学科交叉融合不断打破学科边界, 将多个学科知识体系相互融会贯通, 促进学科间相互渗透, 并且根据技术发展不断引入新的知识[7]。

模拟电路实验作为新工科建设的基础, 具有很强的专业性、 技术性和实践性, 在新工科人才培养方案中处于核心地位。现存的教学方式无法满足新工科人才培养要求[8], 如何使课程跟上新工科背景下的专业需求成为亟待解决的问题。笔者以新工科人才培养为目标, 以科学研究为支撑, 深度加强多学科的融合, 创新性地将模拟电路实验与光通信等学科进行交叉融合, 提出了一个基于红绿蓝的发光二极管的可见光通信 (VLC: Visible Light Communication)系统的学科交叉实验案例, 使学生在学习知识和技能的同时, 提高学生的知识应用和分析解决问题的能力, 培养学生的创造力以及快速学习新事物的能力, 以更好地适应新工科理念下的创新人才培养的要求。

1 多学科交叉创新实验设计

1.1 设计目的

传统的模拟电路实验教学内容依附理论知识, 以验证性实验为主, 很少涉及设计性实验、 多学科交叉融合实验和创新型实验。教学内容与实际工程问题脱节, 难以适应当前电子学发展及学科交叉的实际需求[8]。针对以上问题, 笔者将传统的模拟电路实验融合多学科的知识, 不断更新教学内容, 整合模拟电子技术知识, 使学生能从不同的角度分析问题, 用不同学科的知识解决工程上、 科研中遇到的问题。

1.2 设计思路

在教学内容的设置上, 紧跟学科发展, 融合多学科的知识, 不断更新教学内容, 整合模拟电子技术知识, 设置厚基础、 活模块、 多学科、 主题式和创新型实验内容。首先确定实验主题, 在每个主题下打破传统的章节界线, 将教学内容分解和综合, 使其模块化, 将实验内容分为验证性、 设计性、 研究性、 探索性和创新性等多个模块, 每个实验主题可灵活选用实验模块, 每一模块的内容与实验主题密切相关。模拟电子技术实验内容设计图如图1所示。实验内容的设置由浅入深, 层层递进, 学生在掌握基础理论知识的基础上, 分析、 解决、 探究问题, 真正地内化、 生成和完成实验主题。

图1 模拟电子技术实验内容设计图 图2 TBL-RBL双轨教学法设计图 Fig.1 Diagram of analog electronic technology Fig.2 Diagram of TBL-RBL two track experiment content teaching method

在教学方法的选择上, 主要采用TBL-RBL(Team Based Learning-Research Based Learning)双轨教学法, 其设计图如图2所示。TBL是以团队为基础的教学法, RBL是以探究为基础的教学法。

2 模拟电路实验多学科交叉创新实验案例

2.1 实验主题

根据学生的兴趣点、 教师团队的科研方向和实际工程需求, 模拟电路实验设置了4个实验主题(见图1)。这4个实验主题分别为可见光通信、 汽车电子、 智慧医疗和仿生智能机器人, 基本融合了光学、 信号与信息处理等多学科知识, 每个主题都有明确的实验任务。下面就以其中的VLC主题为例进行详细阐述。

2.2 实验模块

VLC主题的最终任务是要求同学们自主设计VLC系统, 分析系统性能。在VLC主题的背景下设置验证性、 设计性和研究性3个模块, 如图3所示。其中验证性实验为设计性实验打基础, 设计性实验为研究性实验提供素材。

图3 VLC主题实验设计图Fig.3 Diagram of thematic experiment

2.3 具体案例

在VLC系统设计中, 发送端通过白光LED(Light Emitting Diode)发送信号, 接收端通过光电检测模块接收信号。接收的信号非常微弱, 为此, 首先要对接收的电信号进行放大。同学们利用验证性实验中基本放大电路和集成运放的知识设计了VLC光电检测模块接收信号的多级放大电路, 如图4所示。其中P1两端为探测器输出端的两个引脚, 前面的放大器(OP37)的作用是将电流信号转变为电压信号并放大, 后面的放大器(OP37)将电压信号进行2级放大。探测器接收信号波形图如图5所示, 经过2级放大后的波形如图6所示。从实验结果可见, 设计的2级放大电路不失真地放大了交流信号, 可满足后续电路需求。

图4 信号放大电路设计图Fig.4 Design of signal amplification circuit

图5 探测器接收信号波形图 图6 2级放大后的波形 Fig.5 Waveform of received signal of detector Fig.6 Waveform after secondary amplification

3 基于RGB-LED的VLC系统设计实验

在教师的指导下, 同学们小组合作, 自主探究, 在完成3个模块实验内容的基础上完成实验主题, 撰写论文。每个小组完成主题实验的侧重点不同, 如基于荧光LED通信的后均衡系统设计实验、 基于正交频分复用的VLC系统设计实验、 基于RGB-LED的VLC系统设计实验等。下面就以基于RGB-LED的VLC系统设计为例进行详细阐述。

3.1 系统方案设计

VLC系统结构含有光发送和接收模块以及自由空间光通信信道。RGB-LED的VLC系统模型如图7所示。发送部分采用随机信息发生器生成随机脉冲信号, 发送到调制模块, 而后传输至RGB-LED驱动电路, 调制电路的发送端连接至RGB-LED照明设备。该方法是对调制的光信号进行发送, 并将其视为光电转换, 最终将3波长光信号(复合生成白光)发送到自由空间[9-10]。

图7 基于RGB-LED的VLC系统模型图Fig.7 Diagram of VLC system model based on RGB-LED

3.2 系统实物图

系统以ARM7-LPC2148为主控芯片, 通过改进的OOK (On-Off Keying)编码调制将3路信号与3路LED驱动电压分别进行耦合, 加载到RGB-LED上进行信息发送。在系统的接收端, 使用4种光电探测器对光信号进行接收, 然后通过选择模块对4路信号中的1路信号进行放大、 滤波、 整形处理, 并通过接收端的主控芯片LPC2148进行解调解码, 将数据发送到液晶屏OLCD12864上显示。系统发送端电路如图8所示, 接收端电路如图9所示。

图8 系统发送端实物图 图9 系统接收端实物图 Fig.8 Image of the transmitter Fig.9 Image of the receiving terminal

3.3 通信试验与性能测试

3.3.1 信息传输速率测试

由接收端接收的波形如图10所示。由图10可见, 示波器一个格代表40 μs, 平均周期为3个格, 即120 μs, 所以信号频率为8.4 kHz。

图10 传输波形图 图11 光强与误码率折线图 Fig.10 Transmission oscillogram Fig.11 Line chart of light intensity and bit error rate

3.3.2 误码率测试

通过实验测试得蓝色LED在不同距离下的压强与误码率的关系数据如表1所示。

表1 距离-光强-误码率的关系

为观察方便, 将以上数据中光强与误码率的关系绘成折线图(见图11)。

由图11可见, 发送端的光强为3 370 lux时, 误码率最低, 而大于和小于此光强时误码率均高于0.049%。综上, 此系统的最佳通信状态： 传输距离为1.5 cm, 光强为3 370 lux。

4 结 语

笔者从新工科人才培养的目标和任务出发, 结合模拟电子技术实验课程的特点, 在模拟电子技术实验课程中深度融合多学科的知识, 提出了多学科交叉创新型模拟电路实验设计方案, 详细阐述了VLC主题下基于RGB-LED的VLC系统设计实验案例。既满足了新工科人才培养要求, 又充分调动了学生学习的积极性, 使学生具体了解可见光通信等前沿技术, 培养了学生的创造力、 应用多学科的知识分析和解决问题的能力。