多功能智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計

莫松穎　莫琦　邱旭華　徐綺晨

摘要：為了解決各大高校模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程繁復(fù)，老師批改實(shí)驗(yàn)報告時間較長的問題，我們提出了一個基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬電子技術(shù)智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠簡化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)流程，也能節(jié)省老師幫同學(xué)們檢查錯誤的精力和批改實(shí)驗(yàn)報告的時間。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；自動評判

中圖分類號：TP391.4；TP183 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0137-02

1 引言

目前，我們學(xué)校的電工電子類實(shí)驗(yàn)都是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)→進(jìn)行實(shí)驗(yàn)→記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)→老師檢查簽名→學(xué)生進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)處理→上交，這樣的流程。其中，這個流程有很多讓人很不滿意的地方。由于預(yù)習(xí)內(nèi)容較少，很多同學(xué)不重視預(yù)習(xí)，結(jié)果到了上課的時候才把實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書拿出來看，造成實(shí)驗(yàn)效率低下。其次，在做實(shí)驗(yàn)的過程中，老師只有一個，而學(xué)生有很多，老師無法每時每刻關(guān)注到每一個學(xué)生，告知他們哪里出錯。大家都是到了快下課才拿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交給老師，一旦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出錯，又要延長實(shí)驗(yàn)時間重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或是重新找時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，非常麻煩。老師精力有限，無法對每個同學(xué)的實(shí)驗(yàn)報告進(jìn)行很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇蚍??；谝陨蠋c(diǎn)現(xiàn)在教學(xué)的不足，我們提出一種多功能智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成及功能

該系統(tǒng)由采集器，手機(jī)客戶端、服務(wù)器端組成。

（1）采集器：采集器主要由STM32核心板以及程控放大器，電壓檢測探頭以及電壓輸出端子組成，主要負(fù)責(zé)采集電路上的直流電壓和交流電壓波形以及對需要信號源的電路進(jìn)行信號輸出，同時將直流電壓數(shù)據(jù)及波形電壓數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)客戶端和接收手機(jī)客戶端發(fā)來的控制命令。（2）手機(jī)客戶端：手機(jī)客戶端基于安卓7.0系統(tǒng)進(jìn)行編寫，主要功能是顯示與轉(zhuǎn)發(fā)。客戶端將采集器采集到的直流電壓及波形電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和繪圖顯示，以及當(dāng)學(xué)生點(diǎn)擊“檢測”或“提交數(shù)據(jù)”按鈕時將當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。手機(jī)客戶端還可以控制采集器信號的輸出。（3）服務(wù)器：服務(wù)器主要運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對手機(jī)客戶端上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)過離散余弦變換及歸一化處理后送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行識別，即可判斷出該數(shù)據(jù)的正誤以及給出錯誤數(shù)據(jù)的錯誤原因。

系統(tǒng)功能框圖如圖1所示：

3 硬件設(shè)計方案

在硬件制作方面，我們采用STM32F103VET6這款芯片作為主控芯片，集成運(yùn)放μA741、AD623還有數(shù)字電位器組成的程控放大器。這兩個程控放大器負(fù)責(zé)將大的信號進(jìn)行降壓，小的信號進(jìn)行放大，將采集回來的信號控制在STM32可采集的范圍之內(nèi)。

如圖2所示，該采集器有一個電壓、波形采集端口，還有個信號輸出端口。采集端口通過程控放大器調(diào)整后接到STM32的AD轉(zhuǎn)換接口，STM32的DA轉(zhuǎn)換接口通過另一個程控放大器接到輸出端。使用者通過客戶端下達(dá)命令來控制采集端口采集的快慢。采集電壓數(shù)據(jù)時，為節(jié)省功耗，設(shè)定STM32 ADC掃描頻率為239.5個時鐘周期，采集50次后取平均值，作為一個數(shù)據(jù)。采集波形數(shù)據(jù)時，設(shè)定ADC掃描頻率為1.5個時鐘周期采樣一次，采集完1040個電壓數(shù)據(jù)后立即向手機(jī)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 軟件設(shè)計方案

4.1 手機(jī)客戶端

手機(jī)客戶端主要是用作波形、電壓的展示以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。手機(jī)客戶端啟用兩組通訊，使用藍(lán)牙與采集器進(jìn)行通信，將手機(jī)連接上WiFi，通過局域網(wǎng)與服務(wù)器進(jìn)行通信。手機(jī)客戶端將采集器采集回來的電壓數(shù)據(jù)在屏幕上使用Canvas進(jìn)行描點(diǎn)連線，使用SurfaceView對圖像進(jìn)行展示，即可得到一幅完整的波形圖。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過程中，若看到波形符合要求，點(diǎn)擊提交按鈕，客戶端就會將當(dāng)前的圖像對應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

手機(jī)客戶端通信原理框架如圖3所示。

4.2 服務(wù)器端

服務(wù)器端主要是接收手機(jī)客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對上傳的波形進(jìn)行識別，判斷波形的正誤，以及給出錯誤波形的錯誤分析，然后生成實(shí)驗(yàn)報告。

（1）波形評判。在制作該系統(tǒng)的時候，我們使用比較好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將每種可能的錯誤的電路分別測取300組波形數(shù)據(jù)，每一組測取1040個數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后對每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行離散余弦變換，然后將每個波形變換后得到的矢量的前18項(xiàng)元素作為特征矢量，然后進(jìn)行歸一化處理，送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練。

我們?yōu)槊恳粋€實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都訓(xùn)練了一個網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中把每種可能的波形（無論錯誤還是正確）都分成一個類，當(dāng)在做該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的時候，學(xué)生只要在手機(jī)端將波形數(shù)據(jù)提交，服務(wù)器端就會自動對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散余弦變換以及歸一化處理，然后放入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行識別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能分析出該提交的波形是正確的或是屬于哪種錯誤的波形。程序再根據(jù)識別的結(jié)果給手機(jī)端反饋分析結(jié)果。

波形評判流程如圖4所示。

（2）實(shí)驗(yàn)評分。在對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行正誤驗(yàn)證的同時，我們獲取實(shí)驗(yàn)中的電壓，電流等相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，與相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對比，分析，再結(jié)合做實(shí)驗(yàn)的時間，錯誤次數(shù)等多種參數(shù)進(jìn)行評分，最后得出一個合理，公正的實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)。

評分流程如圖5所示。

（3）報告生成。該功能通過Python代碼，新建一個word文檔，然后使用輸出流向word文檔中寫入相應(yīng)的題目說明，然后將評判結(jié)果寫進(jìn)去，按照一定的模板形成一篇圖文并茂，符合格式要求的實(shí)驗(yàn)報告，這樣，一篇實(shí)驗(yàn)報告就完成了。

5 結(jié)語

該多功能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以作為學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)助手，幫助學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以及為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行錯誤分析，還能自動生成實(shí)驗(yàn)報告供老師批閱，既節(jié)省了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時間，提高了學(xué)生課堂上的實(shí)驗(yàn)效率，也節(jié)省了老師逐個為學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)線路檢查的精力，同時節(jié)省了老師批改實(shí)驗(yàn)報告的時間，是一個一舉多得的智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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