一种基于远程激励的综合实验平台

本发明涉及在线教育，具体涉及一种基于远程激励的综合实验平台。

背景技术：

1、近来在一些特殊情况下，学生不能到达实验室，实验教学工作可能会无法正常开展，导致整体教学计划被打乱推迟；其次，近年来随着高校的扩招，许多欠发达地区高校的实验设备与实验资源无法满足学生正常的实验需求，学生可能因此无法正常进行实验；再次，由于实验室安全管理的需求，学生只能在课程时间在实验室进行实验，或者在教师规定的时间内进行实验。

2、目前国内外在线实验主要有两种形式，第一种是通过功能性虚拟软件进行实验环境的搭建，帮助学生进行模拟实验。第二种是虚拟与现实相结合的远程实景实验，该方法利用网络进行数据的传输，辅以视频等方式对实验结果进行查看，帮助学生进行远程实验。例如emona公司开发的基于fpga的net circuit labs实验云平台，支持学生在远程客户端进行硬件电路的操控，并通过实验平台查看结果。

3、目前的远程实验平台，都不能实现真正的让学生动手设计和焊接电路，一般都使用现成的智能硬件电路来进行连接搭建。其次在验证实验正确性时，只有单一的验证方法：检测某一特定激励下的实验情况。不能做到实际上课老师验收实验时随意改变激励来测试实验的效果。

技术实现思路

1、针对现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种基于远程激励的综合实验平台，该发明集成了模电、数电、单片机等实验，包括学生端和教师端两部分。具有分布式结构，可以较好地还原线下实验课程，并且学生实验底板、学生测试设备和学生显示与控制终端可以被学生随身携带，在任何地方进行实验，无需另外的任何pc显示设备即可完成实验。

2、实现本发明目的的具体技术方案是：

3、一种基于远程激励的综合实验平台，包括：学生端和教师端两部分，学生端包括：

4、学生实验底板：包含多个唯一可识别管脚插座、按键和开关，可插入学生实验电路，接入由学生测试设备的主控芯片stm32h7控制的电压采样芯片ad7616；

5、学生测试设备：包含主控芯片stm32h7、示波器、万用表、函数信号发生器、rcl表、晶体管图示仪；通过spi控制ad7616与学生实验底板相连，接收学生实验底板的测试信号；通过串口与学生显示与控制终端连接，接收远程激励接收发生系统下发的激励信号；主控芯片根据激励信号使用dac生成或控制函数信号发生器生成激励信号，向学生实验电路输出激励；

6、学生显示与控制终端：显示学生登录和验证；控制使用学生测试设备；显示当前电路测试和运行情况；控制实验结果提交和历史实验结果查询；

7、远程激励接收发生模块：设置于学生显示和控制终端中，接收、解码并下发激励信号，通过mqtt与远程激励控制模块连接；

8、教师端包括：教师显示与控制终端：发送、存储和计算数据，显示实验结果；

9、远程激励控制模块：设置于教师显示和控制终端中，选择、编码并发送激励信号。

10、学生显示与控制终端于rk3399上运行ubuntu18.04系统，使用qt编程，依赖于mysql数据库实现，通过grpc协议与教师显示与控制终端连接。

11、远程激励接收发生模块和远程激励控制模块之间通过mqtt协议通信；连续且大量的波形数据通过grpc传输；两个模块共同实现远程激励调试验收功能。

12、所述实现远程激励调试验收功能，包含以下具体步骤：

13、教师显示与控制终端的远程激励控制模块：

14、步骤1：选择远程激励模式，向选中的学生显示与控制终端中的远程激励接收发生模块发送mqtt消息：topic：signal，message：start+学生学号；数据库中已定义有部分激励信号，若使用现有信号，按照发送格式发送mqtt消息：topic为signal，message为波形编号+频率+峰峰值+直流偏置+初始相位；若使用自定义信号，则发送mqtt消息：topic：signal，message：private；然后在收到学生的ip地址回复后，打开grpc双向流式传输，发送存有电压序列的自定义的波形文件，默认采样间隔为1ms；

15、步骤2：输出激励信号后，界面显示整个实验电路图，等待学生测试板完成测试；

16、步骤3：收到测试完成消息后，教师选择任意测试点，通过grpc向学生显示与控制终端发送该点数据请求，收到数据后，显示当前激励下的测试点波形；

17、步骤4：结束远程激励调试验收，发送mqtt消息：topic：signal，message：finish+学生学号；

18、学生显示与控制终端的远程激励接收发生模块：

19、步骤1：若收到mqtt消息：topic：signal，message：start+学生学号，检查start后的数字与当前登录学号是否匹配，若是则开始远程激励测试；

20、步骤2：收到mqtt消息后，进行解析，检查message中第一个字符，判断波形类型，若为已知波形，则按照格式解码，然后通过串口将波形格式发送至stm32；stm32收到波形格式后，控制函数发生器生成对应波形，硬件连接后输出至学生实验板；

21、步骤3：若收到mqtt消息：topic：signal，message：private，则代表激励信号为自定义波形，则回复mqtt消息：topic：signal，message：private_received+ip地址；然后开启grpc，接收数据点，电压序列点与点之间默认采样间隔为1ms，然后通过串口将波形数据传输给学生测试设备中的stm32，stm32用dac生成激励波形，硬件连接后输出至学生实验板；

22、步骤4：学生测试设备输出激励信号时，同时采集并存储各个测试点的波形数据，激励信号测试结束后，向教师端发送测试完成消息；

23、步骤5：等待教师的grpc消息，根据请求，发送测试点的波形数据；

24、步骤6：直到收到mqtt消息：topic：signal，message：finish+学生学号；检查finish后的数字与当前登录学号是否匹配，若是则提示结束远程激励调试验收。

25、与现有的技术相比，本发明可以让学生真正的自己动手设计和焊接电路，并且实现了包括无需教师的本地辅助、教师的远程辅助的双重实验辅助，且利用远程激励系统实现与线下调试验收一样的效果。本发明具有分布式结构，可以较好地还原线下实验课程，并且学生实验底板、学生测试设备和学生控制平台可以被学生随身携带，在任何地方进行实验，无需另外的任何pc显示设备即可完成实验。

技术特征：

1.一种基于远程激励的综合实验平台，其特征在于，包括：学生端和教师端，其学生端包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于远程激励的综合实验平台，其特征在于，所述学生显示与控制终端于rk3399上运行ubuntu18.04系统，使用qt编程，依赖于mysql数据库实现，通过grpc协议与教师显示与控制终端连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于远程激励的综合实验平台，其特征在于，所述远程激励接收发生模块和远程激励控制模块之间通过mqtt协议通信；连续且大量的波形数据通过grpc传输；两个模块共同实现远程激励调试验收功能。

4.根据权利要求3所述的一种基于远程激励的综合实验平台，其特征在于，所述实现远程激励调试验收功能，包含以下具体步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于远程激励的综合实验平台，包括：学生端和教师端两部分，学生端包括：学生实验底板：学生实验电路通过插座插入底板，通过AD7616与学生测试设备连接；学生测试设备：通过SPI控制AD7616接收学生实验底板的测试信号，通过串口UART与学生显示与控制终端连接；学生显示与控制终端：采集、存储、计算并处理数据，显示实验结果，通过gRPC与教师显示与控制终端连接；远程激励接收发生模块：设置于学生显示和控制终端中，接收、解码并下发激励信号，通过MQTT与远程激励控制模块连接；教师端包括：教师显示与控制终端：发送、存储数据，显示实验结果；远程激励控制模块：设置于教师显示和控制终端中，选择、编码并发送激励信号。

技术研发人员：徐芳泽,金豫,孟天宇,洪若昕,邱崧,董海川,周润杰,孙国栋
受保护的技术使用者：华东师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15