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

1、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，是一门理论性和理论性都很强的学科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，从而到达稳固、深化和扩大所学理论知识的目的，进而培养学生分析问题、解决问题的才能3。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进步理论程度，更要让学生具备应用理论知识解决

2、实际问题的才能，即培养学生独立学习理论和实验知识的才能、独立应用理论知识解决工程问题的才能和应用理论经历进步理论创新的才能。这就需要理论教学和实验教学严密联络，同步进展。1从才能培养角度考虑。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，进步理论学习效率；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，从而快速进步分析问题和解决问题的才能。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、更适宜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，更适宜于学生从理论和实验综合的角度分析问题。其以围绕解决将来职业相关

3、的实际问题的相貌出现，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展新的尝试与探究，引导学生自主学习，使学生从记忆知识中解放出来，从而成为探究知识、运用和创新知识的能工巧匠。3从教学情况考虑。更适宜于应用发现法教学，真正实现因材施教，使教师从繁重的讲授中解脱出来进展教学指导，使学生在自主学习的根底上进展研究、探究与进步。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络，表达了因材施教的教

4、学原那么，实现了学生知识、才能、素质全面协调的开展。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、实验室效劳器维、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；实验室效劳器维由实验室效劳器软硬件、摄像机、装载摄像机的挪动小车、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。其中实验效劳器维和教师维是系统的两个主体

5、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形式教学。该教学系统的根本框架如图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。该维是该教学形式的主体之一，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，学生翻开该软件

6、包，不仅可以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，而且可以根据实验室设备维具备的条件进展创新性实验内容、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效劳器两维通过网络连接而成，而与实验室效劳器维相连的是校园网，如图2所示。该维是该教学形式的主体之二，是实现该教学形式的关键，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。通过实验室效劳器维

7、摄像机传过来实验设备维各设备运行的视频。在教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。实验室效劳器维中的效劳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兴趣性，增强了课程的吸引力，使学生可以在放松中学到知识;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效劳器维发送操作指令来进展实验，也可以接收到学生终端的指令后进展修改再转发，这样还可以解决班上同

8、学同时发送指令时的排队问题。2.3实验室效劳器维的设计实验室效劳器维由两部分组成：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展远程系统的控制，从而实现最正确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、挪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、挪动平台的挪动等，如图3所示。实现了摄像头的远程控制调焦、转动，还实现了远程挪动控制，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响给教室端，另外实验设备的运转声音也会通过

9、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。另一部分是实验室效劳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。该维为该教学形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效劳站，是该教学形式的客体。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承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

10、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展开发以便于实验设备可以直接连接实验室效劳器机，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可以为该教学形式使用。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可以识别的数字量。因此，数据采集系统也是计算机控制系统

11、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，就必需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承受信号的。然而如今的授课方式，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

12、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。这样授课教师就可以根据原理图和系统的真实画面进展授课。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，远程的实验机承受到反响信号后，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。假设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

13、件的系统的工作情况，通过比照直观的理解器件的性能。2学生学习。这个环节主要是配合教师的授课，学生可以参与课堂，增加了学生学习的自主性，摆脱传统课堂被动承受的状态。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效劳器，实验室效劳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效劳器上运行，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根据这些模块设计相应的系统，假设出现原那么性的错误，系统会给出提示。假设没有原那么性的错误，

14、在学生设计完毕保存时，终端时机发送相应的反响信号到教师维计算机和实验室效劳器维计算机。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。实验室效劳器维的计算时机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一样。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，可以很直观的理解该模块在整个系统中的作用。这样不仅可

15、以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，学生也可以全程参与课堂，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，间接到达高度跟踪的目的。在该系统中，包含高度传感器和芯片1403、4053、L725、L339、6N137、D4583A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NTRL直接与单片机I/口相连，输出端UTPUT与单片机时基模块端口相连端口设置成输入捕捉形式，下降

16、沿触发计数完毕。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、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效劳器，实验室效劳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效劳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挪动和调焦转动，将摄像机挪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。同时也可以显示电路图的原理图，

17、授课教师根据原理图进展授课。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，将实验室效劳器发来的数据以数据图表或者波形的形式显示，通过比照不同工作条件或状态下芯片输入输出波形或数据的变化，就可以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L725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1403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

18、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展了熟悉，也理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？比方，在信号的传递过程中是否必需要有放大器，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，才可以起到恰当的作用。这些或许照旧在困扰学生，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，端为经过调理之后的信号，可以送到A/D芯片进展处理。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。比方，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效劳器计算机控制接