一种在线电子元器件应用实验的方法
2021-11-23陈应华张晓霞
陈应华 张晓霞
（广州科技贸易职业学院，广东 广州 511442）
在当前疫情情况下，大部分高职院校均采用线上远程教学的模式，但是大部分基于视频、直播等模式，与传统的线下教学相比，线上难以开展实践教学[1]。该文介绍的在线电子元器件应用实验平台是基于互联网+电子技术的在线实验平台，也契合教育部当前 “线上”+“线下”混合式教学模式，学生可以在手机客户端完成所有硬件实验或者实训，可以通过手机客户端连接硬件电路，硬件连接过程和实验反馈的结果通过在线的网络视频回送给学生。
1 电路仿真软件在教学中的优缺点
目前高职院校电子技术类课程教学通常会使用Proteus[2]、Multisim等电子仿真软件辅助进行，学生可以在电脑上快速搭建电路进行仿真演示，相比之前只能使用PPT等多媒体手段进行枯燥的原理讲解，仿真软件体现了所见即所得的效果，有一定程度的动手操作，使学生增加了学习的兴趣，加深了对电路原理的理解，教学过程更加方便、快捷和有效。
但是仿真和实物电路还是有较大的区别，学生还需要尽可能多接触实际的电子元器件和应用电路，才能更好地掌握硬件电路设计和应用过程。
2 在线电子元器件应用的逐步实现方法
2.1 增加继电器开关和若干测试点
将传统的仿真电路加上继电器开关并做成实物电路板，如图1所示为某三极管增加测试开关和测试点的仿真电路。图中设置了SW1-SW7的7个开关，通过不同的开关组合可以实现3种典型的三极管应用电路的多种测试实验。这里强调使用继电器开关是为了后续增加网络控制。
图1 增加测试开关和测试点的仿真电路
2.1.1 开关电路测试
条件：SW5闭合（其他开关断开）。
可做的实验： 1）3个电位参数VE、VB、VC的测量； 2）三极管饱和导通压降；3）三极管截至漏电流。
2.1.2 共发射极电路测试
条件：开关SW2 、SW4 和SW5闭合（其他开关断开）。
可做的实验：1） 3个电位参数VE、VB、VC的测量； 2）放大倍数β测量； 3）交流电压放大倍数测量。
2.1.3 射极跟随器电路测试
条件：SW3和SW7闭合（其他开关断开）。
可做的实验：1）3个电位参数VE、VB、VC的测量； 2）放大倍数β测量； 3）交流电压放大倍数测量。
2.2 采用Wi-Fi、蓝牙等无线方式对继电器开关进行控制
为了脱离机械按键操作，采用Wi-Fi、蓝牙等无线方式对继电器开关进行控制，可以完成无接触实验，所以需要具备Wi-Fi功能和蓝牙功能的模块或者芯片，如ESP32[3]。
图2是使用了ESP32无线模块来进行继电器驱动的例子，可以使用手机APP通过Wi-Fi或者蓝牙进行现场的无接触控制，无须网络支持，延长了实验设备的寿命。手机App的基本界面包括8个按键，对应电路中的8个实物继电器开关，可以单独控制某个开关，也可以通过App一次性控制其中某几个开关的状态，缺点是学生必须在现场，距离必须为Wi-Fi和蓝牙的传输范围以内，不能在网上实现，通常是肉眼观察控制过程和实验反馈结果。
图2 使用无线模块进行开关控制的电路
2.3 对若干测试点进行检测
为了达到无接触测量的目的，使用了多选一电子切换电路，配合板载的电压表可以完成多点循环测量。图3为通过手机App利用Wi-Fi或者蓝牙实现8个触点测量的例子。由于硬件使用了八选一的电子切换电路，因此，在 App上按一个按键，就可以循环测量8个点的电位，为了分辨出来是哪个点，增加语音模块进行语音播报。
图3 八选一电子切换电路
语音播报模块如图4所示，主要由语音控制IC、存储器、D类功放组成，其中语音控制IC所起的作用如下：1） 连接FLASH存储，可通过USB数据线连接电脑更新音频文件； 2） 音频解码DAC输出；3） 支持I/O触发播放功能，8个IO口组合可触发255个音频文件，图中使用了3个I/O口组合触发8个音频文件。
图4 语音播报模块示意图
2.4 使用云平台服务搭建在线实验系统
笔者采用以上的递进方案，只是完成了现场的无接触测试，在当前疫情环境下，网络教学更加需要基于网络的可远程操作的实验[4]。图5示意了使用手机App和ESP32无线模块均通过Wi-Fi登录云平台，在云平台的支持下，对板载继电器进行远程控制，进而完成在线实验。为了观察实验过程和验证实验效果，采用网络摄像头进行远程监视。
图5 基于云平台搭建的在线实验系统示意图
ESP-32S Wi-Fi 模块内部主要由Wi-Fi和蓝牙系统级芯片ESP32和极少数外围元件构成，包括了天线开关、RF balun、发送端功率放大、接收端低噪声放大器、滤波器、电源管理等功能，具有强大的处理性能、可靠的安全性能和Wi-Fi蓝牙等功能。ESP32同时提供了开放平台，可以由用户自定义相应不同的应用场景。
ESP-32S Wi-Fi模块增加了三极管集电极开路（OC）形式，当手机App控制软件的开关经过触摸打开时，芯片ESP32输出高电平1时，模块输出低电平，驱动继电器的线圈上电，继电器动作，反之，当App控制软件的开关经过触摸关闭时，芯片ESP32输出低电平0时，模块输出高阻状态，驱动继电器的线圈无电，继电器不动作。
该软件设置了全开和全关2个功能，当某个开关点开后，就会通过云端对远程的ESP32进行控制，导致其对应的I/O口输出低电平，对应的继电器的线圈就会上电，导致开关动作。
2.5 利用网络摄像头对实物电路板进行实时监控
采用网络摄像头有如下的技术特点：1） 使用萤石的专业摄像头，清晰度为1080P，高清晰的传输实验情况；2） 摄像头采用H.265编码技术，实现高效视频传输，在特定环境下，相比H.264编码节省50%的存储空间；3） 语音播报功能，为了追求更高的话音清晰度，可以将语音播报模块的音频输出接摄像头的音频输入；4） 为了节省摄像头电源，可以在手机App里边设置一个开关作为摄像头的电源控制开关，当开始实验时接通摄像头电源，实验结束后关闭摄像头电源。
但是网络摄像头通常作为监控使用，清晰度一般会比手机摄像头差一些，而且对近距离拍摄比较勉强，会产生桶形失真。桶形失真是由于镜头原因引起的图像画面像木桶一样膨胀的失真现象，会把一个正方形的物品，拍摄成木桶状物品，在使用广角镜头或变焦镜头的最广角端时，容易出现桶形失真现象。
2.6 利用手机摄像头对实物电路板进行实时监控
为了避免网络摄像头的桶形失真，可以使用手机摄像头进行替代，通常可以得到更加真实和清晰的视频效果，并且有如下优点：1） 可以使用网络直播软件、视频会议软件等通用软件进行视频传输；2） 可以实现广播，做到一人做实验，多人观看；3） 基本无桶形失真，画面更加真实。
当然手机摄像头与网络摄像头相比，也有弊端，网络摄像头安装好后，只需要通过加电来控制。手机摄像头则较难通过控制继电器开关的手机App进行加电控制，通常需要人为开机并打开相应软件，设置好后，软件一直打开，保证视频实时传输。
3 结语
在线电子元器件应用实验平台为模拟电子技术、数字电子技术、集成电路应用、元器件应用等电子类专业课程的实践教学提供了比较方便的途径，是仿真软件调试电路之后过度到焊接实物测试的衔接过程，可以通过摄像头远程观察到自己配置电路过程和电路的工作状态，有助于学生理解工作原理，是基于真实设备的远程控制实验平台[5]。由于看到的是真实的电路，可以作为理论教学和仿真教学的有效补充。
在线电子元器件应用实验平台可以利用现在的信息技术打造成为真正的在线开放式实验平台，可以供任何网络使用者进行在线实验。
但是，尽管在当前疫情环境下该方案有效地实现了在线实验，但是学生不能亲手接触电路元件，要让学生真正学习电子产品的生产、调试和维修方面的技能，不能完全使用在线实验或者虚拟的仿真来替代实际的实验和实训。
