專利名稱：具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，具體地說(shuō)，涉及的是一種具有二次開發(fā)功能的S12DG128單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱。
背景技術(shù)：
S12DG128 單片機(jī)是 Freescale 公司生產(chǎn)的 16 位 MCU (Micro Control Unit),包含諸多功能模塊，如 SCI (Serial Communication Interface)模塊，PWM(Pulse-WidthModulator)模塊，PIT (Periodic Interrupt Timer)模塊等,非常適合汽車電子領(lǐng)域。因此，S12單片機(jī)廣泛應(yīng)用于無(wú)人駕駛技術(shù)、汽車電子等工業(yè)嵌入式系統(tǒng)。為此，許多學(xué)校開設(shè)相關(guān)課程，希望能夠?qū)W(xué)生進(jìn)行相關(guān)知識(shí)與導(dǎo)論的培訓(xùn)。
以往的S12單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)都是直接在該單片機(jī)上進(jìn)行開發(fā)。例如S12微控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)、S12嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用教學(xué)實(shí)驗(yàn)、智能車控制與算法教學(xué)實(shí)驗(yàn)等。由于S12單片機(jī)開發(fā)需要具備一定的硬件基礎(chǔ)和單片機(jī)專業(yè)知識(shí)，對(duì)于從未接觸過(guò)單片機(jī)的學(xué)生而言學(xué)習(xí)的難度較大，開發(fā)調(diào)試周期較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)效率較低。其次，直接接觸硬件底層往往會(huì)對(duì)硬件造成損壞，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無(wú)法重復(fù)利用，不利于硬件維護(hù)。因此S12單片機(jī)相關(guān)教學(xué)往往受限于單片機(jī)編程的學(xué)習(xí)，不利于學(xué)生從嵌入式系統(tǒng)框架的角度進(jìn)行學(xué)習(xí)。因此需要設(shè)計(jì)一種能夠提高教學(xué)效率，降低學(xué)習(xí)門檻，容易上手，引發(fā)學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。正如早期的計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)一樣，由于沒(méi)有操作系統(tǒng)的支持，程序員需要直接進(jìn)行硬件編程。編寫底層驅(qū)動(dòng)耗時(shí)費(fèi)力，程序也不利于管理。而如今電腦的普及和軟件的發(fā)展都離不開操作系統(tǒng)的管理。一個(gè)良好的操作系統(tǒng)具備的功能包括充分利用硬件資源；協(xié)調(diào)軟件之間調(diào)度；改善人機(jī)交互；將軟件開發(fā)人員從硬件底層中解脫出來(lái)，提高上層軟件的開發(fā)效率。如果能夠針對(duì)S12單片機(jī)設(shè)計(jì)一種具備上述特點(diǎn)的二次開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將同樣讓學(xué)生迅速掌握單片機(jī)的功能，從系統(tǒng)的角度理解單片機(jī)的應(yīng)用，引發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和主動(dòng)性，便于讓從未接觸過(guò)單片機(jī)的學(xué)生快速入門，從系統(tǒng)框架的角度學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，也便于硬件的維護(hù)，并確保系統(tǒng)的安全。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，方興等在發(fā)明專利《硬件在環(huán)智能小車教學(xué)科研實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》中提出采用上位機(jī)和底層雙層架構(gòu)方式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以通過(guò)上位機(jī)純軟件編程，以硬件在環(huán)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但考慮到搭建硬件在環(huán)智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用范圍較小，且需要搭建特殊賽道，且存在無(wú)線通信延遲，因此有一定局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，提供一種具有二次開發(fā)功能的S12DG128單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，來(lái)改善S12單片機(jī)人機(jī)交互界面，避免用戶直接接觸硬件編程，簡(jiǎn)化用戶的開發(fā)過(guò)程，便于用戶從系統(tǒng)角度學(xué)習(xí)S12嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，并具有攜帶輕便、接口通用、使用安全、不受限于場(chǎng)地、易于開展實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明所述的具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，采用分層架構(gòu)，分為底層與上層，底層的功能是具體執(zhí)行指令以及反饋傳感器狀態(tài)；上層的功能是根據(jù)傳感器狀態(tài)，調(diào)用控制算法，生成指令，兩層之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，上層上位機(jī)先發(fā)送讀取底層傳感器狀態(tài)幀，底層反饋傳感器狀態(tài)幀；上層上位機(jī)將底層狀態(tài)輸入調(diào)用的控制算法，得到控制指令；上層上位機(jī)發(fā)送底層執(zhí)行器指令幀，底層執(zhí)行控制指令，上述過(guò)程不斷循環(huán)。本發(fā)明中，所述底層由硬件與軟件兩部分組成，硬件部分為S12單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，包含多種傳感器采集電路以及多種驅(qū)動(dòng)電路；軟件部分為底層控制軟件，由中斷服務(wù)程序和主程序構(gòu)成，主程序負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，接收控制指令，反饋系統(tǒng)狀態(tài)；中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)輸出，以及定時(shí)采集底層狀態(tài)。本發(fā)明中，S12單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱包括攝像頭采集模塊、紅外光電對(duì)管采集模塊、電磁傳感器采集模塊、人機(jī)交互模塊、電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、串口通信模塊以及電源模塊，其中攝像頭采集模塊用于學(xué)習(xí)通過(guò)S12單片機(jī)采集模擬攝像頭視頻數(shù)據(jù)，獲得攝像頭 視覺(jué)息;紅外光電對(duì)管采集模塊用于學(xué)習(xí)通過(guò)S12采集光電對(duì)管狀態(tài)，獲取環(huán)境障礙物信息；電磁傳感器采集模塊用于學(xué)習(xí)通過(guò)S12采集電磁諧振傳感器狀態(tài)，獲取諧振信息；人機(jī)交互模塊包含數(shù)碼管顯示、按鍵及撥碼開關(guān)、單鍵飛梭、蜂鳴器；數(shù)碼管及光棒顯示用于單片機(jī)數(shù)字輸出功能的教學(xué)；教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱安裝了兩位八段數(shù)碼管和一個(gè)八位的LED光棒；按鍵及撥碼開關(guān)用于單片機(jī)數(shù)字輸入功能的教學(xué)；單鍵飛梭模塊用于控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試的教學(xué)；蜂鳴器用于發(fā)出不同頻率不同占空比的音調(diào)；電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電機(jī)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，采用單片機(jī)PWM端口輸出控制信號(hào)，通過(guò)搭建H型橋路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；舵機(jī)驅(qū)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)各種平臺(tái)機(jī)構(gòu)角度與姿態(tài)控制的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，采用PWM端口輸出控制信號(hào)；串口通信模塊用于底層與上層之間的數(shù)據(jù)通信，采用單片機(jī)SCI串口進(jìn)行通信，通過(guò)FT232PL芯片將串口轉(zhuǎn)USB 口信號(hào)與上位機(jī)通信。本發(fā)明中，所述底層控制軟件負(fù)責(zé)將上位機(jī)發(fā)送來(lái)的指令下達(dá)到單片機(jī)各控制端口，并將底層傳感器狀態(tài)反饋到上位機(jī)，包含人機(jī)交互驅(qū)動(dòng)、電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、攝像頭驅(qū)動(dòng)、光電傳感器驅(qū)動(dòng)、電磁傳感器驅(qū)動(dòng)以及串口通信驅(qū)動(dòng)，采用S12專用的編程平臺(tái)codewarrior編寫。本發(fā)明中，所述底層中的S12單片機(jī)總線頻率設(shè)置在40MHz，人機(jī)交互驅(qū)動(dòng)通過(guò)配置單片機(jī)IO端口實(shí)現(xiàn)；電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)通過(guò)配置單片機(jī)PWM端口實(shí)現(xiàn)，攝像頭驅(qū)動(dòng)采用S12單片機(jī)的ATD端口采樣，光電傳感器驅(qū)動(dòng)也采用單片機(jī)IO端口進(jìn)行采集，電磁傳感器驅(qū)動(dòng)采用S12單片機(jī)的ATD端口采樣。本發(fā)明中，底層中的S12單片機(jī)的串口通信驅(qū)動(dòng)采用Modbus協(xié)議中的串口 SlaveASCII格式，該協(xié)議易于實(shí)現(xiàn)，便于調(diào)試，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，波特率設(shè)定為115200。本發(fā)明中，上層上位機(jī)也由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分為一臺(tái)PC機(jī)，軟件部分為人機(jī)交互平臺(tái)，采用Labview平臺(tái)編寫，具體軟件架構(gòu)由通信模塊、控制算法調(diào)用模塊、人機(jī)交互界面顯示模塊三部分構(gòu)成，人機(jī)交互界面負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)狀態(tài)；控制算法調(diào)用模塊負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)調(diào)用控制算法，根據(jù)底層狀態(tài)生成控制指令；通信模塊負(fù)責(zé)接收底層狀態(tài)以及發(fā)送控制指令。本發(fā)明中，上層的上位機(jī)串口通信模塊采用Modbus協(xié)議中的串口 Master ASCII格式，上位機(jī)的自定義控制算法開發(fā)方式是編寫Subvi，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)用方式實(shí)現(xiàn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所需功能；人機(jī)交互界面包含了教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱上的各種模塊，方便地顯示實(shí)驗(yàn)箱的各種狀態(tài)。采用上述技術(shù)方案之后，本發(fā)明的有益效果僅通過(guò)上位機(jī)圖形化編程即可控制單片機(jī)完成電機(jī)、舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、數(shù)碼管顯示、傳感器狀態(tài)采集等功能；用戶編程實(shí)現(xiàn)過(guò)程無(wú)需了解硬件實(shí)現(xiàn)電路以及單片機(jī)內(nèi)部細(xì)節(jié)配置；采用一體化設(shè)計(jì)，方便用戶攜帶，易于實(shí)驗(yàn)。



圖I為本發(fā)明一實(shí)施例的系統(tǒng)框圖；圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的系統(tǒng)流程圖；圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的底層系統(tǒng)框圖；圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的底層流程圖；圖5為本發(fā)明一實(shí)施例的上層系統(tǒng)框圖；圖6為本發(fā)明一實(shí)施例的上層流程圖；圖7為本發(fā)明一實(shí)施例的上位機(jī)人機(jī)交互界面；其中I-串口選擇，2-控制算法路徑選擇，3-蜂鳴器音調(diào)，4-蜂鳴器周期，5-蜂鳴器占空比，6-電機(jī)驅(qū)動(dòng)，7-轉(zhuǎn)速反饋，8-光電對(duì)管，9-撥碼開關(guān)，10-按鍵，11-單鍵飛梭旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，12-舵機(jī)，13-蜂鳴器使能，14-電機(jī)使能，15-電機(jī)正轉(zhuǎn)使能，16-電機(jī)反轉(zhuǎn)使能，17-光棒，18-數(shù)碼管顯示，19-單鍵飛梭單擊狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的解釋，但是以下的內(nèi)容不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖I所示，本實(shí)施例提供一種具有二次開發(fā)功能的S12DG128單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，該實(shí)驗(yàn)箱可以用于無(wú)人駕駛技術(shù)的教學(xué)，學(xué)生可以輕松學(xué)會(huì)使用該實(shí)驗(yàn)箱完成LED數(shù)碼管顯示、按鍵讀取、攝像頭信號(hào)采集、光電對(duì)管信號(hào)采集等實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明采用分層架構(gòu)，分為底層與上層，如圖I所示。底層的功能是具體執(zhí)行指令以及反饋傳感器狀態(tài)。上層的功能是根據(jù)傳感器狀態(tài)，調(diào)用控制算法，生成指令。兩層之間通過(guò)串口進(jìn)行通信。系統(tǒng)的工作流程如圖2所示1上位機(jī)先發(fā)送讀取底層傳感器狀態(tài)幀。2底層反饋傳感器狀態(tài)幀。3上位機(jī)將底層狀態(tài)輸入調(diào)用的控制算法，得到控制指令。4。上位機(jī)發(fā)送底層執(zhí)行器指令幀。5底層執(zhí)行控制指令。不斷循環(huán)。其中底層由硬件與軟件兩部分組成。硬件部分為S12單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其架構(gòu)如圖3所示，包含多種傳感器采集電路以及多種驅(qū)動(dòng)電路。軟件部分為底層控制軟件，由中斷服務(wù)程序和主程序構(gòu)成。主程序負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，接收控制指令，反饋系統(tǒng)狀態(tài)。中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)輸出，以及定時(shí)采集底層狀態(tài)，其流程如圖4所示。各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)如下，教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物圖如7所示。S12單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱包括攝像頭采集模塊、紅外光電對(duì)管采集模塊、電磁傳感器采集模塊、人機(jī)交互模塊、電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、串口通信模塊、電源模塊。攝像頭采集模塊用于學(xué)習(xí)通過(guò)S12單片機(jī)采集模擬攝像頭視頻數(shù)據(jù)。采用基于1881的模擬攝像頭采集方案搭建硬件電路，實(shí)現(xiàn)行場(chǎng)信號(hào)的同步。模擬攝像頭視頻數(shù)據(jù)為模擬量信號(hào)，通過(guò)S12單片機(jī)ATD采樣端口對(duì)模擬攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即可獲得攝像頭視覺(jué)信息。由此可以獲取道路圖像信息，從而實(shí)現(xiàn)基于視覺(jué)導(dǎo)引的無(wú)人駕駛技術(shù)。紅外光電對(duì)管采集模塊用于學(xué)習(xí)通過(guò)S12采集光電對(duì)管狀態(tài)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱包括4個(gè)光電對(duì)管以及4個(gè)備用光電傳感器接口。光電對(duì)管采用TCR T5000光電傳感器。光電對(duì)管信號(hào)為數(shù)字量信號(hào)，通過(guò)S12單片機(jī)IO端口讀取光電對(duì)管狀態(tài)，即可獲取環(huán)境障礙物信息。由此可以獲取道路可通行區(qū)域信息，從而實(shí)現(xiàn)基于光電導(dǎo)引的無(wú)人駕駛技術(shù)。電磁傳感器采集模塊用于學(xué)習(xí)通過(guò)S12采集電磁諧振傳感器狀態(tài)。電磁諧振傳感器采用LC諧振回路搭建。諧振信號(hào)為模擬量，經(jīng)過(guò)濾波、放大、檢波等處理電路，再由S12單片機(jī)ATD端口進(jìn)行采樣，從而獲取諧振信息。由此可以獲取具有電磁導(dǎo)引信號(hào)的道路信息，從而實(shí)現(xiàn)基于電磁導(dǎo)引的無(wú)人駕駛技術(shù)。人機(jī)交互模塊包含數(shù)碼管顯示、按鍵及撥碼開關(guān)、單鍵飛梭、蜂鳴器。數(shù)碼管及光棒顯示用于單片機(jī)數(shù)字輸出功能的教學(xué)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱安裝了兩位八段數(shù)碼管和一個(gè)八位的LED光棒，用于顯示各種數(shù)字狀態(tài)，便于調(diào)試。按鍵及撥碼開關(guān)用于單片機(jī)數(shù)字輸入功能的教學(xué)。便于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的切換，功能的選擇。單鍵飛梭模塊具有左旋，右旋，單擊等多個(gè)動(dòng)作，用于控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試的教學(xué)。使用該模塊可以方便地對(duì)系統(tǒng)各種參數(shù)進(jìn)行修改。提高調(diào)試效率。蜂鳴器用于發(fā)出不同頻率不同占空比的音調(diào)。作為發(fā)聲器件廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、報(bào)警器等電子產(chǎn)品。此模塊用于顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，有助于調(diào)試無(wú)人駕駛智能車系統(tǒng)參數(shù)。電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電機(jī)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。采用單片機(jī)PWM端口輸出控制信號(hào)，通過(guò)搭建H型橋路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)各種平臺(tái)機(jī)構(gòu)角度與姿態(tài)控制的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。采用PWM端口輸出控制信號(hào)。舵機(jī)采用FutabaS3010。此模塊可用于實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛智能車的速度控制與方向控制。串口通信模塊用于底層與上層之間的數(shù)據(jù)通信，采用單片機(jī)SCI串口進(jìn)行通信，通過(guò)FT232PL芯片將串口轉(zhuǎn)USB 口信號(hào)與上位機(jī)通信。底層控制軟件負(fù)責(zé)將上位機(jī)發(fā)送來(lái)的指令下達(dá)到單片機(jī)各控制端口，并將底層傳感器狀態(tài)反饋到上位機(jī)。包含人機(jī)交互驅(qū)動(dòng)、電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、攝像頭驅(qū)動(dòng)、光電傳感器驅(qū)動(dòng)、電磁傳感器驅(qū)動(dòng)以及串口通信驅(qū)動(dòng)。采用S12專用的編程平臺(tái)codewarrior編寫。底層S12總線頻率設(shè)置在40MHz。人機(jī)交互驅(qū)動(dòng)通過(guò)配置單片機(jī)IO端口實(shí)現(xiàn)；電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)通過(guò)配置單片機(jī)PWM端口實(shí)現(xiàn)。攝像頭驅(qū)動(dòng)采用S12單片機(jī)的ATD端口采樣。光電傳感器驅(qū)動(dòng)也采用單片機(jī)IO端口進(jìn)行采集。電磁傳感器驅(qū)動(dòng)采用S12單片機(jī)的ATD端口采樣。底層S12的串口通信驅(qū)動(dòng)采用Modbus協(xié)議中的串口 Slave ASCII格式，該協(xié)議易于實(shí)現(xiàn)，便于調(diào)試，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，波特率設(shè)定為115200。上位機(jī)層也由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分為一臺(tái)PC機(jī)，軟件部分為人機(jī)交互平臺(tái)，采用Labview平臺(tái)編寫，具體軟件架構(gòu)如圖5所示，由通信模塊、控制算法調(diào)用模塊、人機(jī)交互界面顯示模塊三部分構(gòu)成。人機(jī)交互界面負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)狀態(tài)?？刂扑惴ㄕ{(diào)用模塊負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)調(diào)用控制算法，根據(jù)底層狀態(tài)生成控制指令。通信模塊負(fù)責(zé)接收底層狀態(tài)以及發(fā)送控制指令。上位機(jī)具體流程如圖6所示。上位機(jī)串口通信模塊采用Modbus協(xié)議中的串口Master ASCII格式。上位機(jī)的自定義控制算法開發(fā)方式是編寫Subvi,通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)用方式實(shí)現(xiàn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所需功能。人機(jī)交互界面包含了教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱上的各種模塊，方便地顯示實(shí)驗(yàn)箱的各種狀態(tài)，如圖7所示，其中I-串口選擇，2-控制算法路徑選擇，3-蜂鳴器音調(diào)，4-蜂鳴器周期，5-蜂鳴器占空比，6-電機(jī)驅(qū)動(dòng)，7-轉(zhuǎn)速反饋，8-光電對(duì)管，9-撥碼開關(guān)，10-按鍵，11-單鍵飛梭旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，12-舵機(jī)，13-蜂鳴器使能，14-電機(jī)使能，15-電機(jī)正轉(zhuǎn)使能，16-電機(jī)反轉(zhuǎn)使能，17-光棒，18-數(shù)碼管顯示，19-單鍵飛梭單擊狀態(tài)。 盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于所述實(shí)驗(yàn)箱采用分層架構(gòu)，分為底層與上層，底層的功能是具體執(zhí)行指令以及反饋傳感器狀態(tài)；上層的功能是根據(jù)傳感器狀態(tài)，調(diào)用控制算法，生成指令，兩層之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，即上層上位機(jī)先發(fā)送讀取底層傳感器狀態(tài)幀，底層反饋傳感器狀態(tài)幀；上層上位機(jī)將底層狀態(tài)輸入調(diào)用的控制算法，得到控制指令；上層上位機(jī)發(fā)送底層執(zhí)行器指令幀，底層執(zhí)行控制指令，上述過(guò)程不斷循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于所述底層由硬件與軟件兩部分組成，硬件部分為S12單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，包含多種傳感器采集電路以及多種驅(qū)動(dòng)電路；軟件部分為底層控制軟件，由中斷服務(wù)程序和主程序構(gòu)成，主程序負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，接收控制指令，反饋系統(tǒng)狀態(tài)；中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)輸出，以及定時(shí)采集底層狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于所述S12單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱包括攝像頭采集模塊、紅外光電對(duì)管采集模塊、電磁傳感器采集模塊、人機(jī)交互模塊、電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、串口通信模塊以及為各個(gè)模塊提供工作電源的電源模塊，其中 攝像頭采集模塊用于學(xué)習(xí)通過(guò)S12單片機(jī)采集模擬攝像頭視頻數(shù)據(jù)，獲得攝像頭視覺(jué)信息； 紅外光電對(duì)管采集模塊用于學(xué)習(xí)通過(guò)S12采集光電對(duì)管狀態(tài)，獲取環(huán)境障礙物信息； 電磁傳感器采集模塊用于學(xué)習(xí)通過(guò)S12采集電磁諧振傳感器狀態(tài)； 人機(jī)交互模塊包含數(shù)碼管顯示、按鍵及撥碼開關(guān)、單鍵飛梭、蜂鳴器，數(shù)碼管及光棒顯示用于單片機(jī)數(shù)字輸出功能的教學(xué)；按鍵及撥碼開關(guān)用于單片機(jī)數(shù)字輸入功能的教學(xué)；單鍵飛梭模塊用于控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試的教學(xué)；蜂鳴器用于發(fā)出不同頻率不同占空比的音調(diào)； 電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電機(jī)和舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，采用單片機(jī)PWM端口輸出控制信號(hào)，通過(guò)搭建H型橋路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；舵機(jī)驅(qū)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)各種平臺(tái)機(jī)構(gòu)角度與姿態(tài)控制的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，采用PWM端口輸出控制信號(hào)； 串口通信模塊用于底層與上層之間的數(shù)據(jù)通信，采用單片機(jī)SCI串口進(jìn)行通信，通過(guò)FT232PL芯片將串口轉(zhuǎn)USB 口信號(hào)與上位機(jī)通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于所述紅外光電對(duì)管采集模塊包括4個(gè)光電對(duì)管以及4個(gè)備用光電傳感器接口，光電對(duì)管采用TCRT5000光電傳感器，光電對(duì)管信號(hào)為數(shù)字量信號(hào)，通過(guò)S12單片機(jī)IO端口讀取光電對(duì)管狀態(tài)，即可獲取環(huán)境障礙物信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于所述電磁傳感器采集模塊采用LC諧振回路搭建，諧振信號(hào)為模擬量，經(jīng)過(guò)濾波、放大、檢波處理電路，再由S12單片機(jī)ATD端口進(jìn)行采樣，從而獲取諧振信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于所述底層控制軟件負(fù)責(zé)將上位機(jī)發(fā)送來(lái)的指令下達(dá)到單片機(jī)各控制端口，并將底層傳感器狀態(tài)反饋到上位機(jī)，包含人機(jī)交互驅(qū)動(dòng)、電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、攝像頭驅(qū)動(dòng)、光電傳感器驅(qū)動(dòng)、電磁傳感器驅(qū)動(dòng)以及串口通信驅(qū)動(dòng)，采用S12單片機(jī)專用的編程平臺(tái)codewarrior編寫。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于所述底層中的S12單片機(jī)總線頻率設(shè)置在40MHz，人機(jī)交互驅(qū)動(dòng)通過(guò)配置單片機(jī)IO端口實(shí)現(xiàn)；電機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)通過(guò)配置單片機(jī)PWM端口實(shí)現(xiàn)，攝像頭驅(qū)動(dòng)采用S12單片機(jī)的ATD端口采樣，光電傳 感器驅(qū)動(dòng)也采用單片機(jī)IO端口進(jìn)行采集，電磁傳感器驅(qū)動(dòng)采用S12單片機(jī)的ATD端口采樣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于所述底層中的S12單片機(jī)的串口通信驅(qū)動(dòng)采用Modbus協(xié)議中的串口 Slave ASCII格式。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于所述上層上位機(jī)也由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分為一臺(tái)PC機(jī)；軟件部分為人機(jī)交互平臺(tái)，采用Labview平臺(tái)編寫，具體軟件架構(gòu)由通信模塊、控制算法調(diào)用模塊、人機(jī)交互界面顯示模塊三部分構(gòu)成，人機(jī)交互界面負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)狀態(tài)；控制算法調(diào)用模塊負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)調(diào)用控制算法，根據(jù)底層狀態(tài)生成控制指令；通信模塊負(fù)責(zé)接收底層狀態(tài)以及發(fā)送控制指令。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或9所述的具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于所述上層的上位機(jī)串口通信模塊采用Modbus協(xié)議中的串口 Master ASCII格式，上位機(jī)的自定義控制算法開發(fā)方式是編寫Subvi，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)用方式實(shí)現(xiàn)；人機(jī)交互界面包含了教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱上的各種模塊，方便地顯示實(shí)驗(yàn)箱的各種狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有二次開發(fā)功能的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，分為底層與上層，底層具體執(zhí)行指令以及反饋傳感器狀態(tài)；上層根據(jù)傳感器狀態(tài)，調(diào)用控制算法，生成指令，兩層之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，即上層上位機(jī)先發(fā)送讀取底層傳感器狀態(tài)幀，底層反饋傳感器狀態(tài)幀；上層上位機(jī)將底層狀態(tài)輸入調(diào)用的控制算法，得到控制指令；上層上位機(jī)發(fā)送底層執(zhí)行器指令幀，底層執(zhí)行控制指令，上述過(guò)程不斷循環(huán)。本發(fā)明改善S12單片機(jī)人機(jī)交互界面，避免用戶直接接觸硬件編程，簡(jiǎn)化用戶的開發(fā)過(guò)程，便于用戶從系統(tǒng)角度學(xué)習(xí)S12嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，并具有攜帶輕便、接口通用、使用安全、不受限于場(chǎng)地、易于開展實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G09B23/18GK102810277SQ20121024045
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者王冰, 陸正辰, 楊明, 王春香 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)