虚实一体创新通用型电子技术综合实验平台

徐 垚，张永华，韩剑锋

（1.浙江传媒学院 媒体工程学院，浙江 杭州 310000；2.浙江信网真科技股份有限公司，浙江 杭州 31000）

随着网络技术和信息技术的快速发展，高等教育行业的实验教学方式发生了质变。电子技术类实验课程作为高等教育中工科实验的重要组成部分，随之发生了根本变化。传统的实验教学基本采用两种模式。一种是箱式实验模式，即一门课程一个实验箱，以验证性实验为主，学生根据指导教师或者实验指导书按部就班进行，实验项目相对固定，动手少，思考少。学生只能在有限的时间内进行实验操作，一旦下课或者实验室被占用，将无法继续开展实验，受时间和空间的限制较大。另一种是虚拟仿真实验模式。虚拟仿真实验在一定程度上只是纯粹的模拟实验，是基于理论化和理想化的模型设计实验。学生用仿真软件进行实验，只要连线正确，往往都能得出无误差的实验结果，缺乏对具体电路模型的认识和设计，更无法体会到实验环节中经常会碰到的器件标称误差、各种干扰以及器件故障等问题，往往无法有效提高解决工程实践问题的能力［1］。针对这些问题，浙江传媒学院媒体工程学院联合企业对电子技术实验设备进行创新设计，研制了一种可开展多课程、支持线上线下以及虚实一体的创新通用型电子技术综合实验平台。

1 平台总体设计方案

虚实一体创新通用型电子技术综合实验平台总体设计贯彻了新工科“继承与创新、交叉与融合、协调与共享”和“尊重个性发展、激发学术兴趣、培养创新创业能力、提升综合素质”的教育理念，模块化设计，多课程融合，且线上线下混合实验模式，使得学生实验不受时空限制，尊重个性发展，资源协调共享。根据此理念，平台整体设计分为硬件部分和软件部分，采用双线模式，即线下提供真实实验操作环境，线上提供基于B/S 架构的在线网络实验环境。平台的系统架构如图1 所示。

2 硬件部分设计

实验平台采用主板加模块结构。主板提供信号通道和数据通道，满足线上线下实时所需的信号、数据采集和网络通信功能。实验模块标准化设计，每个模块主要由实验电路和控制电路组成。

2.1 平台主板设计

实验平台主板如图2 所示，主要有两大功能：一是线下实验时给模块供电，产生实验所需的各种信号；二是线上实验时切换模块引入的测试点，实时采集后台所需的测试点信号，建立网络链接并转发控制命令和采集数据［2-3］。

2.1.1 电源管理单元

电源管理单元为各实验模块和各控制模块提供电源。由于模拟和逻辑控制器件工作电压基本在±5 V，所以实验电路设计的电源电压最大为5 V。模电实验所需的差分电压可由可编程电压源提供。可编程电压可本地编码开关设置，也可后台控制。电路分析实验所需的其他电压（高于5 V）由实验模块内置斩波电路产生，可后台控制。

2.1.2 信号源单元

信号源单元为各实验模块提供实验所需的各种信号。DDS 低频信号源产生各种函数信号，如正弦、脉冲、三角、半波以及全波等，频率为100 Hz～100 kHz，幅度为8 VPP；高频信号源需满足高频实验，频率为1 kHz～20 MHz，幅度为100～2 000 mV；逻辑信号，包括数电实验所需的16 路逻辑电平、4 路逻辑脉冲等；时钟信号即数电实验所需的各种时钟信号；扫频信号即等幅正弦信号，起止频率可设置，扫频范围为1～10 MHz。低频信号由主控单元的STM32F407 产生，高频信号和扫频信号由主控单元的FPGA 加DA 产生，逻辑信号由主控单元FPGA 产生。

2.1.3 测试点切换与控制电路

将每个实验模块可能要的测试点均引出，并通过插座接入主板测试点切换单元，模拟或逻辑交换矩阵切换后台所需信号供采集单元采集，最后采集数据通过网络在后台虚拟仪器显示。本实验平台模拟交换矩阵采用CH446，逻辑交换矩阵采用FPGA。

2.1.4 主控与4 通道采集单元

主控处理器由STM32F407 和EP4CE6E22C8实现。线上实验时，F407 接收网口发来的后台命令，对电源管理单元、信号源单元、测试点切换电路单元及实验模块电调器件等进行配置。EP4CE6E22C8 和AD7366 完成4 路模拟信号采集，采集数据经F407 通过网口发往后台，在虚拟仪器显示。

2.2 标准化实验模块设计

实验平台模块采用标准化设计，专用开模框架、有机玻璃保护，拥有统一的通信总线，确保不同课程实验模块能在同一个实验平台上使用。考虑到实验模块需支持线上线下实验，因此每个模块由两部分组成，即实验电路部分和线上实验控制部分。实验模块框图如图3 所示。

2.2.1 实验电路单元

实验电路用于完成不同实验，每个模块实验电路各不相同。但是，为了支持线上实验，实验电路可调器件应尽可能采用数控器件，如数字电位器（小功率负载）、多路选择器（器件选择、信号选择）、数控电源（工作点）以及数控谐振回路（选频回路、振荡回路）等。

2.2.2 线上实验控制电路

线上实验时，学生在客户端浏览器上进行实验电路搭建、电路参数调整以及测试点选择等操作。在线实验操作软件将各种操作命令通过网络发往对应平台的主板，主板处理器解释命令后，经CAN总线通知实验模块的“控制电路”切换实验电路，确保实际实验电路和学生浏览器搭建电路一致。

2.2.3 混频实验模块

混频实验需要控制的信号和参数有本振输入信号、射频输入信号、晶体管工作点和中频滤波器。线下实验时，本振信号和射频信号由信号线引入。线上实验时，本振信号和射频信号分别由两个继电器（J201 和2JD2）切换引入。工作点和中频滤波器参数由2U3 数模芯片产生的电压调整。线下实验时通过编码开关（2SS1）设定，线上实验时通过CAN总线（2U2）配置。混频实验模块和混频实验控制电路，分别如图4 和图5 所示。

2.3 线下实验平台结构设计

线下实验平台如图6 所示，采用台式结构展示。平台左侧为实验模块区，模块框架内置磁铁，能可靠吸附主板且更换方便；右下角标配嵌入式PC 控制器，线下实验时学生能调阅实验原理、实验流程图以及在线控制实验电路参数（实验电路参数可用模块上编码开关设置，也可在PC 界面实验原理图上配置）；平台右上角为实验模块与控制系统拓扑图，学生可总体了解实验平台各单元间的相互关系［4］。

2.4 实验平台的课程设计

实验平台的实验单元均采用可插拔式模块化设计，可以通过更换模块满足不同课程的实验，以支持通信电子线路实验、数字电子技术实验、模拟电子技术实验以及电路原理分析实验等多门电子技术类实验课程。目前，已建设完成通信电子线路实验和数字电子技术实验部分。

通信电子线路实验单元模块包括变容管调频与相位鉴频模块、集成乘法器调幅混频与同步解调模块、高频功放与无线发射模块、无线接收与小信号放大模块、正弦振荡器与晶体管混频模块和中放AGC 与二极管检波模块。实验模块均采用微处理器+电控元件结构，工作点调整、增益以及负载等均有数字电位器调节，谐振回路参数、振荡器频率以及滤波器带宽等均有可调电压控制，负载接入、元件切换均有电子开关控制，从而确保系统稳定性、可靠性、可扩展性和可恢复性［5］。

通信电子线路实验的单元模块既可以完成原理性实验，也可以级联后构成完整的调频无线收发信机（如图7 所示），又能构成完整的调幅无线收发信机（如图8 所示）。

数字电路除能完成基本的组合逻辑电路和时序逻辑电路实验外，还能支持数字系统设计类实验，学生可基于FPGA 编译环境设计、仿真、加载以及验证实验项目。数电线下实验时，学生可以插芯片也可以不插芯片（FPGA 映射）做实验，提高了实验效率，减轻了教师实验准备工作量。数电实验芯片映射（拖放）液晶界面，如图9 所示。

3 在线实验软件设计

线上实验是指学生通过网络在远离实验设备的客户端浏览器上进行实验。线上实验软件分为两部分，即线上实验网管平台和线上实验操作平台。

3.1 线上实验网管平台

线上实验网管平台，如图10 所示，包含线上实验用户管理、实验课程信息管理和远程实验设备在线管理3 部分功能。线上实验用户可依据学校学生名单，采用批量导入授权或者动态自主注册申请等方式。实验用户实验内容可与教务系统动态关联，也可任课教师手动布置实验任务。实验用户的实验成绩信息支持多种维度的统计，并可导出报表文件。已授权的线上实验用户在实验时可获得线上实验网管平台调度分配的远程实验设备。

3.2 线上实验操作平台

线上实验操作平台是用户在线实验操作的核心功能，涉及到远程实验设备的实验功能单元调度，如用户在线选取实验模块、在线动态电子连线以及示波器三用表等仪器仪表的测量使用。所有的实验操作均真实模拟实际元器件或者仪器仪表的使用方法。线上实验操作记录均可在操作管理系统中保留历史记录，做到实验数据信息的线上记录，并可随时提取接上次实验完成度接续实验，达到在线远程实验部分替代线下本地实验的效果［6-8］。

线上实验平台采用B/S 架构，基于HTML5+Web+FPGA 技术实现。平台的硬件设备统一部署在指定实验室，统一管理。通过线上实验平台搭建远程实验系统（通信电子线路实验、数字电子技术实验、模拟电子技术实验以及电路原理分析实验内容与线下一致），远程实验系统具备实验平台管理功能。通过Internet 和在线平台操作软件，将数据采集、远程操作以及远程监控等技术和实验平台有机结合，从而达到共享实验资源、远程进行实验操作等目的。平台支持多人同时进行实验，每个实验人员在实验时单独占用一个真实的实验平台，通过在线实验网管平台后台管理避免发生冲突，使学生可以完成真正的远程在线实体实验。在线实验平台技术架构如图11 所示。

线上实验平台学生端不需要安装任何第三方软件，通过浏览器即可自由访问服务器、登陆在线实验平台、选择相应的实验课程和实验项目、完成相应的实验内容、提交实验报告以及查看实验成绩等。学生可以不受空间、时间限制，在家中、图书馆、教室以及宿舍等网络覆盖范围内，通过计算机浏览器完成实验预习和复习。在线实验平台内置了实验指导书、实验原理图、实验注意事项、实验步骤以及实验视频等。1:1 的实验操作面板通过网络控制远程实验硬件，设置实验参数，调理实验信号。配套的虚拟仪器可以测试实际电路的实验结果。仪器界面操作与实验室仪器界面操作一致，有助于学生熟悉仪器仪表的使用。线上实验平台还提供实验截图、电子报告等功能，方便实验室数字化建设。

3.3 在线实验平台的结构及功能

在线实验平台主要由前端交互子系统、数据云平台子系统、实验终端电路子系统、FPGA 数据反馈子系统以及配套的在线实验操作、管理软件平台等部分组成。前端子系统基于HTML5 前端Web交互方案技术，使用VUE+WebSocket 核心架构结合设计，前端实验操作WebSocket 联通后台服务器端数据云平台。数据云平台服务器端使用JAVA、C++以及SQL 编程。数据云平台主要负责接收数据请求，并分发终端实验数据请求至硬件实验终端子系统，同时负责实验中的业务逻辑数据处理、实验数据报表信息反馈等功能。实验中的有效数据均由实验终端电路子系统中的实验电路实际运行产生。实验中，终端电路数据响应反馈使用FPGA子系统获取。FPGA 数据反馈子系统可集成示波器、逻辑分析仪、三用表、扫频仪以及频率计等实验仪器仪表。实验数据信息依赖于IP 网络传输子系统［9-10］。

实验平台在网管软件和远程控制模块的支持下，学生或教师能通过网络在客户端浏览器的虚拟操作平台上进行远程实体实验或原理讲解演示。实验操作包括信号源设置、电路搭建（电子连线）、电路参数配置调整、测量点选择、虚拟仪器操作以及信号测试等实验。在线实验操作界面如图12 所示。

4 实验平台的应用效果

创新通用型电子技术综合实验平台建成后，具备了实践和仿真、验证和开发、系统和单元、硬件方法和软件算法、原理展示和工程应用、本地操作和远程实验、传统管理和自主开放相结合等特点。它一方面既能满足学生完成课程实验、工程实训和毕业设计，又能满足教师进行硬件开发、算法研究和指导学生进行电子设计类竞赛，另一方面由于平台采用了可编程技术、虚拟仪器技术以及互联网技术，可为其他专业课程融合实验教学创造一定的条件。

实验平台采用线上线下混合实验模式。线下实验学生能认知实验器件，学会测试设备使用，掌握电类实验基本方法；线上实验则能更进一步训练学生实验电路搭建技能，更好地理解实验原理（可观测试内容更丰富），拥有更多的实验内容选择。可见，线上线下混合实验模式克服了传统实验模式单一、项目固定的问题，学生能根据自己的学习进度安排实验时间，随时、随地、随兴地完成实验课程，有利于激发学生的实验积极性，满足学生的个性化教学要求［11］。同时，教师可通过实验室管理系统掌握学生的实验情况，进行电子报告批改等，减轻了教师实验辅导的工作量和实验技术人员维护与管理的工作量，提高了实验室和实验设备的利用率，真正做到了实验室全开放。

5 结语

通过创新通用型电子技术综合实验平台的建设，将线下的实验教学与线上实验教学相结合，采取一种虚实一体化的实验教学方法，有效解决了实验场地与学生实验时间冲突的矛盾，提升了实验室的开放效果，使实验教学内容满足了新时代实验技术发展的要求，增加了学生实践动手机会，提高了学生创新能力，满足了电子信息类专业的实验需求，促进了高校实验教学水平和教学质量的提高。