基于物联网技术的远程操作电工电子实验平台设计

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论文字数:36526 论文编号:sb2022080921472249255 日期:2022-09-05 来源:硕博论文网

本文是一篇电气自动化论文,本文通过实验实现了电子与电气工程教材中主要而典型的电路实验,如模拟电子电气技术实验和微机控制系统原理实验。Simelectronic技术实验电路,具备远程改变集成电路内部结构和关键电子元件的特性;另外,远程MCU原理实验系统方便于网络程序和远程程序下载,利用互联网视频或远程观摩实验场景,进行一站式的实践体验。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
实验课程在高校理工科专业教学有着十分重要的地位。与传统理论教育比较,实验更具直观性、实用性与创新,尤其是在电气电子教学领域。传统的电子电气实验室初期投资大,维护成本高。实验过程受时间、地点、人力等因素限制,设备和服务利用率低。同时,国内高校各种实验教学也存在着教育经费投入有限、创新能力培养资源有限等突出问题。传统的实验模型越来越暴露出自身的不足[1-2]。
首先,传统的实验模型单一。实验的主要方式是学生轮流进入实验室进行小组实验。由于实验室空间和实验设施的限制,实验时间设置比较机械,实验教学效率不高,每个学生的实验时间很少,创新能力的培养也受到了影响[3];此外,如何进行实验仪器设备的有效管理也给实验室管理者带来了挑战。如何在已有的空间、设施和师资状态下为学习者创造更多的实验机会,是各项实验教学改革的目标。近年来,电子系统设计自动化(EDA)软件技术在外科领域发展非常迅速。自动化软件能够简易地完成电子系统的总体设计与功能实验,但软件给出了全部的理论结果,部分模拟结果无法充分体现在现实场景中[5]。实验操作过程中或多或少会出现问题;同时,由于这些模拟软件一般都是闭源的,因此无法定制更复杂的软件系统[6]。所以,电子仿真与虚拟实验室可以对传统实验方式进行有效弥补,但是也不能完全替代传统实验室。对于现有的实验模型,为了解决传统实验模型存在的问题,需要建立一个可共享且高效的实验模型。
远程操作实验平台,用户可以随时使用网络进行实验。和传统实验平台比较,其优点就是冲破了空间束缚,增加了使用者的自由。在应用方面,可面向各行各业的人合法公开应用,极大地提高了实验仪器设施的使用率。而且,就如同一些现有的软件模拟实验平台那样,通过远程摄像头也能够提供逼真的现场效果,给实验使用者一个临场感,从而大大提高了实验的质量与实效[7-15]。此外,因为是远程实验,所以仪器使用并不简单,需要通过科学手段有效管理;实验时间不受限制,且实验设施使用率较高,减少了相同实验任务所需要的设施数量,降低学校实验室建设和维护成本。
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1.2 物联网实验平台研究现状分析
1.2.1 物联网实验平台
(1)物联网的诞生
人类自诞生之日起,就一直在不断地认识和改造世界。工具的广泛应用,是人类技术水平的重要标志。随着社会生产力的发展,人类通过提高科学技术水平不断拓宽视野,这表现在创造更多的工具并有效地利用它们为人类社会服务。近年来,信息技术尤其是互联网信息技术的蓬勃发展,人们收集、储存、加工和传递资讯的能力得以快速增强。视野变得更加宽广,触觉变得越来越敏锐,地球越来越“小”了。人体节律的生理机制获得了极大程度的延伸,开始变得从容地面对大自然[16-20]。
以计算机为代表的网络世界在物理世界和人类社会中扮演着重要的角色,统称为三元宇宙。在电子数字积分器和电子计算机出现时,电子计算机算是一种巨人,是极少人能够获得的“奢侈品”。随着C-MOS半导体集成电路技术以摩尔定律的速率进展。计算机正向着提高功能性、可靠性、集成化、能源效益、信号密度和友好界面的方向发展。一方面,具备超级计算能力和储存能力的超级计算机兴起。另一方面,各种体积小、成本低、人机交互技术方便的便捷运算装置开始问世。互联网技术开始走向社会、产品和日常工作,开始给传统产品带来更为便捷的有力保障[21]。
借助这个强大的工具,人类对客观物质世界的认知和利用经历了以下几个阶段。
①数字阶段。由于传感器的大量使用,物理世界的信号能够经过取样、测量和解码成为数据,在计算机系统中的显示、储存和管理。传感器缩小了人和物理世界间的距离。
②信息阶段。随着处理和存储能力的增强,积累的原始数据和处理数据逐渐增多,类型更加丰富,数据的实时性更强。信息开始逐渐脱离客观物理世界,成为人们生产生活中的重要数据。计算机世界开始在物理世界中独立形成。
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2 基于物联网技术的远程操作实验平台总体设计 
2.1 物联网基础实验平台
目前,物联网领域最常见的研究环境主要有单片机、嵌入式系统和智能终端平台三类,这是各种实验的基础。然后为各个平台设计了一些实验。经过对这些实验的进一步掌握,运营商能够迅速熟悉各个平台的软硬件开发方法与过程,为深入研究物联网各层级的应用实验奠定基础。
2.1.1 单片机实验平台
Monolithic技术在物联网的早期发展中起到了关键性作用,特别是与传感器刚性有关的硬件方案。无线传感器网络已成为了物联网的重要神经终端,并具备了低功耗、低成本、体积小、组装容易等优点。在目前的技术条件下,单片机仍然是形成原型系统和软件产品的主要工具。当然,随着新材料与科技的进展,集成电路芯与微机芯将逐步走上商业舞台,并最终能够成为市场领头羊。
(1)硬件环境
根据CPU的数据位宽,可分为4位机、8位机和16位机。1971年,英特尔顺利研制出当今全球上首个四位微信息处理器—英特尔4004,并将它应用于工业生产应用领域和世界监控应用领域。随着科技的进步,出现了更高性能的单片机,而4位单片机的市场也在逐渐萎缩。8位嵌入式单片机以其结构简洁、体量小、造价低而获得应用。尽管到了21世纪,8位数字单片机在数字单片机的使用中还是占据比较大的份额。16位数字单片机比八位数字单片机拥有更佳的计算能力和多种功能,但是受到生产成本和使用影响,尤其是近年来嵌入式ARM技术的发展进一步挤压了16位数字单片机的使用空间微机,使得16位数字单片机的使用没有8位数字单片机普遍。
目前,世界的各个主要电子公司基本都有自己的全系列单片机制造厂,如三星电子公司的ks86和ks88系列8位单片机,飞利浦公司的P89C51系列8位单片机,ATMEL的AT89系列8-bit单片机等等。在物联网领域使用最为普遍的是Ti的MSP430操作系统、ATMEL的AVR操作系统、5L操作系统、microchip的pic操作系统等,其中MCU性能差的主要因素是处理器内核。
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2.2 物联网技术远程控制
物联网是指运用信息技术传感器设备把任意物体链接在互联网上,并根据法律规定的服务协议,使用信息技术通讯介质实现信息内容的交流与通讯,进而达到智能辨识、定位、追踪、监测等功能。基本框架比较简单。操作员通过移动终端设备向后台发送控制命令,然后将后台转发给终端,终端直接控制设备。整个控制系统由四部分组成(图2-1),如下图所示。

电气自动化论文怎么写
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移动终端,顾名思义,是一种移动设备。有了手机功能,我们可以随时随地随身携带,这是业务的关键。
目前终端有两种方案:一种是上位机和下位机模式;一种是上位机和下位机一体化,即主机直接连接设备进行控制。主机直接连接继电器来控制设备。如果要实现感知层,收集数据,甚至更多,就需要落地。
后台服务器开始使用流行的Springboot、Springcloud等Spring服务。实现后台服务,首先要完成服务器配置,包括服务器的购买和配置,域名的购买和配置,证书的安装,网站的记录,然后进行开发部署。当然,前者也是程序开发者的基本要求。这里底层的硬件是最简单的,没有复杂的电路。
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3基于物联网的远程操作实验平台设备端设计 ........................... 20
3.1 程控电源设计 .......................................... 20
3.2 电子仪器的设计 .................................. 25
4 基于物联网的远程操作实验平台服务端设计 .......................... 31
4.1 服务端软件架构 ................................... 31
4.2 模拟电路经典电路实验页面设计 ............................. 32
5 基于物联网的远程操作实验平台的实验端设计 ............................ 42
5.1 无人值守的模拟运放电路实验台 ........................... 42
5.2 操作平台实验结果 ............................... 43
5 基于物联网的远程操作实验平台的实验端设计
5.1 无人值守的模拟运放电路实验台
本论文中用一片LM358设计了同相关系比例扩大集成化电路、逆相扩大集成化电路、加法集成化电路、减法集成化电路、低通滤波器集成电路、高通滤波器集成电路,同时对每个OP放大器实验中还支持了相应技术参数的变化与切换,例如加大倍数、加减以及滤波中处理集成电路的截止信号频率变化等。
无人值守模拟运放电路实验台控制系统的基本构造框图,如图5-1所示。

电气自动化论文参考
电气自动化论文参考

整个基于物联网远程自动控制实验平台的仿真集成电路实验体系由服务器、设备,以及远程自动控制仿真的放大电路实验板所构成。本一节将着力讲述远程仿真释放电路实验板的完成。远程仿真释放电路实验板一般由多功能放大电路板和STM32控制板所构成。
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6 结论与展望
6.1 结论
本章主要阐述了近年来国内基于网络技术的远程自动控制实验网络平台的研发状况与趋势,并分析了解决办法。文章运用了模块化的设计思路,将基于物联网的远程操作实验平台抽象为实验终端、设备端和服务器三组成部分,并分别介绍了各端的主要功能与架构,并详细阐述了设计过程。各功能模块及主要软件的实现过程。本文的主要工作总结如下:
(1)本文分析了基于物联网的实验平台的需求,研究了设备网络接入、电路结构和关键设备值的远程变化、实验现场的可视化、支持各种终端接入,设计了一个多种交互式实验页面,防止实验平台冲突,保证MCU开发环境的一致性。
(2)通过对若干方法的研究与改进,设计了本文中基于远程控制的物联网实验平台的总体架构,明确了服务、设备与实验端的组织架构,并明确了实验过程和制定控制设计的方案。
(3)为设备终端设计了一个全新的广量程、高分辨率、大功率的电子设备端口:用来检测信息并产生讯号的电子仪器设备端口。设计了一个采用Linux+Nodejs的功能网关板,并完成了Webserver、无线串口中继器,以及远程的实验监测系统。
(4)最后,通过实验实现了电子与电气工程教材中主要而典型的电路实验,如模拟电子电气技术实验和微机控制系统原理实验。Simelectronic技术实验电路,具备远程改变集成电路内部结构和关键电子元件的特性;另外,远程MCU原理实验系统方便于网络程序和远程程序下载,利用互联网视频或远程观摩实验场景,进行一站式的实践体验。
(5)对软件架构、网络通信方案设计及与实验场景的交互模块方案设计开展了分析比较。产品设计了客户端、W5200芯片驱动器电路、数据安全措施以及液晶触摸屏界面,并实现了交互模型的产品设计。进行了干涉条纹的细分驱动以及自动计数算法,以及远程迈克尔逊干涉实验。
参考文献(略)


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