[发明专利]具有二次开发功能的单片机教学实验箱

说明书

技术领域

本发明涉及一种教学实验箱，具体地说，涉及的是一种具有二次开发功能的S12DG128单片机教学实验箱。

背景技术

S12DG128单片机是Freescale公司生产的16位MCU(Micro Control Unit)，包含诸多功能模块，如 SCI(Serial Communication Interface)模块，PWM(Pulse-Width Modulator)模块，PIT(Periodic Interrupt Timer)模块等，非常适合汽车电子领域。因此，S12单片机广泛应用于无人驾驶技术、汽车电子等工业嵌入式系统。为此，许多学校开设相关课程，希望能够对学生进行相关知识与导论的培训。

以往的S12单片机教学实验都是直接在该单片机上进行开发。例如：S12微控制器教学实验、S12嵌入式系统与应用教学实验、智能车控制与算法教学实验等。由于S12单片机开发需要具备一定的硬件基础和单片机专业知识，对于从未接触过单片机的学生而言学习的难度较大，开发调试周期较长，实验效率较低。其次，直接接触硬件底层往往会对硬件造成损坏，导致实验系统无法重复利用，不利于硬件维护。因此S12单片机相关教学往往受限于单片机编程的学习，不利于学生从嵌入式系统框架的角度进行学习。因此需要设计一种能够提高教学效率，降低学习门槛，容易上手，引发学习兴趣的教学实验平台。

正如早期的计算机软件开发一样，由于没有操作系统的支持，程序员需要直接进行硬件编程。编写底层驱动耗时费力，程序也不利于管理。而如今电脑的普及和软件的发展都离不开操作系统的管理。一个良好的操作系统具备的功能包括充分利用硬件资源；协调软件之间调度；改善人机交互；将软件开发人员从硬件底层中解脱出来，提高上层软件的开发效率。

如果能够针对S12单片机设计一种具备上述特点的二次开发教学实验平台，将同样让学生迅速掌握单片机的功能，从系统的角度理解单片机的应用，引发学生的创造力和主动性，便于让从未接触过单片机的学生快速入门，从系统框架的角度学习嵌入式系统开发，也便于硬件的维护，并确保系统的安全。

经对现有技术文献的检索发现，方兴等在发明专利《硬件在环智能小车教学科研实验平台》中提出采用上位机和底层双层架构方式设计实验平台，可以通过上位机纯软件编程，以硬件在环方式进行实验，但考虑到搭建硬件在环智能车实验平台应用范围较小，且需要搭建特殊赛道，且存在无线通信延迟，因此有一定局限性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述不足，提供一种具有二次开发功能的S12DG128单片机教学实验箱，来改善S12单片机人机交互界面，避免用户直接接触硬件编程，简化用户的开发过程，便于用户从系统角度学习S12嵌入式系统开发，并具有携带轻便、接口通用、使用安全、不受限于场地、易于开展实验的优点。

为实现上述的目的，本发明所述的具有二次开发功能的单片机教学实验箱，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，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。

本发明中，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。

本发明中，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，获取谐振信息；

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；教学实验箱安装了两位八段数码管和一个八位的LED光棒；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；