[发明专利]具有二次开发功能的单片机教学实验箱

权利要求书

1.一种具有二次开发功能的单片机教学实验箱，其特征在于所述实验箱采用分层架构，分为底层与上层，底层的功能是具体执行指令以及反馈传感器状态；上层的功能是根据传感器状态，调用控制算法，生成指令，两层之间通过串口进行通信，即：上层上位机先发送读取底层传感器状态帧，底层反馈传感器状态帧；上层上位机将底层状态输入调用的控制算法，得到控制指令；上层上位机发送底层执行器指令帧，底层执行控制指令，上述过程不断循环。

2.根据权利要求1所述的具有二次开发功能的单片机教学实验箱，其特征在于：所述底层由硬件与软件两部分组成，硬件部分为S12单片机教学实验箱，包含多种传感器采集电路以及多种驱动电路；软件部分为底层控制软件，由中断服务程序和主程序构成，主程序负责与上位机通信，接收控制指令，反馈系统状态；中断服务程序负责根据指令驱动输出，以及定时采集底层状态。

3.根据权利要求2所述的具有二次开发功能的单片机教学实验箱，其特征在于：所述S12单片机教学实验箱包括摄像头采集模块、红外光电对管采集模块、电磁传感器采集模块、人机交互模块、电机舵机驱动模块、串口通信模块以及为各个模块提供工作电源的电源模块，其中：

摄像头采集模块用于学习通过S12单片机采集模拟摄像头视频数据，获得摄像头视觉信息；

红外光电对管采集模块用于学习通过S12采集光电对管状态，获取环境障碍物信息；

电磁传感器采集模块用于学习通过S12采集电磁谐振传感器状态；

人机交互模块包含数码管显示、按键及拨码开关、单键飞梭、蜂鸣器，数码管及光棒显示用于单片机数字输出功能的教学；按键及拨码开关用于单片机数字输入功能的教学；单键飞梭模块用于控制系统参数调试的教学；蜂鸣器用于发出不同频率不同占空比的音调；

电机舵机驱动模块负责实现电机和舵机的转动，电机转动用于实现电机转速控制的教学实验，采用单片机PWM端口输出控制信号，通过搭建H型桥路驱动电机转动；舵机驱动用于实现各种平台机构角度与姿态控制的教学实验，采用PWM端口输出控制信号；

串口通信模块用于底层与上层之间的数据通信，采用单片机SCI串口进行通信，通过FT232PL芯片将串口转USB口信号与上位机通信。

4.根据权利要求3所述的具有二次开发功能的单片机教学实验箱，其特征在于：所述红外光电对管采集模块包括4个光电对管以及4个备用光电传感器接口，光电对管采用TCRT5000光电传感器，光电对管信号为数字量信号，通过S12单片机IO端口读取光电对管状态，即可获取环境障碍物信息。

5.根据权利要求3所述的具有二次开发功能的单片机教学实验箱，其特征在于：所述电磁传感器采集模块采用LC谐振回路搭建，谐振信号为模拟量，经过滤波、放大、检波处理电路，再由S12单片机ATD端口进行采样，从而获取谐振信息。

6.根据权利要求1-5任一项所述的具有二次开发功能的单片机教学实验箱，其特征在于：所述底层控制软件负责将上位机发送来的指令下达到单片机各控制端口，并将底层传感器状态反馈到上位机，包含人机交互驱动、电机舵机驱动、摄像头驱动、光电传感器驱动、电磁传感器驱动以及串口通信驱动，采用S12单片机专用的编程平台codewarrior编写。

7.根据权利要求1-5任一项所述的具有二次开发功能的单片机教学实验箱，其特征在于：所述底层中的S12单片机总线频率设置在40MHz，人机交互驱动通过配置单片机IO端口实现；电机舵机驱动通过配置单片机PWM端口实现，摄像头驱动采用S12单片机的ATD端口采样，光电传感器驱动也采用单片机IO端口进行采集，电磁传感器驱动采用S12单片机的ATD端口采样。

8.根据权利要求1-5任一项所述的具有二次开发功能的单片机教学实验箱，其特征在于：所述底层中的S12单片机的串口通信驱动采用Modbus协议中的串口Slave ASCII格式。

9.根据权利要求1所述的具有二次开发功能的单片机教学实验箱，其特征在于：所述上层上位机也由硬件和软件两部分组成，硬件部分为一台PC机；软件部分为人机交互平台，采用Labview平台编写，具体软件架构由通信模块、控制算法调用模块、人机交互界面显示模块三部分构成，人机交互界面负责显示系统状态；控制算法调用模块负责动态调用控制算法，根据底层状态生成控制指令；通信模块负责接收底层状态以及发送控制指令。

10.根据权利要求1或9所述的具有二次开发功能的单片机教学实验箱，其特征在于：所述上层的上位机串口通信模块采用Modbus协议中的串口Master ASCII格式，上位机的自定义控制算法开发方式是编写Subvi，通过动态调用方式实现；人机交互界面包含了教学实验箱上的各种模块，方便地显示实验箱的各种状态。