专利名称：可替换模块化电子工程设计教学模板的制作方法
技术领域：
本实用新型属于教学教具、实验设备领域，主要应用于高校“电子工程设计”实践教学。
背景技术：
目前，在我国高校的实践教学活动中，电类专业的实验设备基本上处于试验箱这以水平上，其中一类是将某一门专业课的实验或课程设计，包含在一个实验箱内，如模电、数电、通信、高频等课程，另一类是将某一方面的技术内容包含在一个实验箱内，如单片机、EDA技术、DSP等。目前，以工程设计为培养目标的系统性、综合性的实验和试验设备，还没有形成，主要原因是，工程技术错综复杂，内容繁多，闭环控制技术难度较大，尤其是在可靠性、电路匹配与连调方面，以及在教学的可操作性方面，以课堂教学实验的形式难以实现。
发明内容
本实用新型的目的若设计一种具有电子工程概念和模块化、可替换的教学模板，则可将实际工程中许多常用的工程技术和实现模式，微缩成一个具有典型工程系统概念，又可进行课堂教学操作的教学试验设备。
本实用新型的解决方案是为了尽可能全面模拟现实中的电子工程系统，本实用新型设计了一组插件式模块化电子工程摸板，包括主模板、附模板、手持遥控器和工装实验箱，主模板和附模板的功能通过具有一定功能的插件式可替换模块的组合来完成。主模板能够实现真实的闭环控制，且通过无线或有线与远程控制端进行通讯，实现远程控制和功能扩展，在主模板上的模块中包含了使主模板与上位机联系的串行通信驱动模块和可通过电话局网操作主模板的电话驱动模块以及实现多路控制的总线驱动模块。附模板作为主模板的远程控制端，具有与主模板无线通讯的功能，能够显示主模板的状态和被控对象的参量、控制主模板的操作。手持遥控器通过红外线通讯实现近距离对主模板的操作。工装实验箱用来初步调试学生制作的具有相关功能的模块组件。
所述的主模板按功能划分为三部分第一部分包括可显示被控对象状态的标准参量显示表，各种传感器，控制对象，执行机构，手动控制调节，打印机和电源配置7等部件，这些部件为固定在主模板上不可变的部分，这部分作为物理量的标准检测和物理量的控制执行机构。第二部分为插件式模块化电路板及其插口组成的信息处理及控制部分，这些模块为变送器单元、AD模数转换、LED显示电路、键盘电路、CPU控制单元或FPGA逻辑设计单元、DA数模转换、驱动电路、多功能单元、音频功放、直流稳压电源1、直流稳压电源2。第三部分为插件式模块化电路板及其插口以及与外部连接的接口槽组成的与外部设备通讯的各种接口，这些模块为串行通信驱动、电话驱动电路、总线驱动电路、调频发射或接收单元、调幅发射或接收单元、红外调制发射或接收单元。上述各部件和模块的连接关系为控制对象的物理状态通过传感器经变送器模块、AD转换器模块送到CPU模块，经处理通过LED显示模块显示出来，同时CPU控制模块输出控制信号经DA转换器模块、驱动器模块推动执行机构调节控制对象的物理状态，CPU控制模块可通过LED显示模块受到键盘模块的操作和通过串行通信驱动模块受到外围设备的操作，其中有通过调频发射或接收单元、调幅发射或接收单元、红外调制发射或接收单元模块进行的无线通信控制，有通过电话驱动电路模块与电话局网连接的有线通信控制，有与上位机联系的串行接口，有通过总线驱动电路可接多路控制的总线接口，另外，标准参量显示表用于直接显示控制对象的物理状态，音频功放接收DA转换器模块送来的CPU控制模块合成的音频信号驱动扬声器发声，CPU控制模块还可通过多功能单元模块与打印机连接，直流稳压电源1、直流稳压电源2模块将变压器降压的市电输出为所需的各级直流电压供各模块和各部件电源，手动控制调节在驱动电路控制下调节执行机构。
所述的附模板带有CPU控制单元、直流稳压电源、LED显示电路、键盘电路、调频发射或接收单元、调幅发射或接收单元模块及其插口，用于与主模板的无线通信。上述模块的连接关系与前面所述的同类模块连接关系相同。
所述的工装实验箱带有模拟的控制对象和模拟的执行机构和可插各种模块的插口，用来调试学生搭装的模块。
所述的各插口固定在模板上表面，为可插接大、小两种规格电路板的不等间距并排的3个多芯插座，对于功能相同而设计方法不同的各单元模块可相互替换。
本实用新型的有益效果是采用上述方案后，将真实电子工程中常用到的技术方案和实用电路、通信方式等，根据电路功能和教学需要，制作成具有相应功能的单元模块和通信方式，再以相对统一的接口定义和电信号要求，重新组合起来，形成具有课堂教学可操作性的模块化信息控制与通信系统的教学工程摸板。其中，每一个单元模块的电路及功能，可以用多种不同的元器件和设计方法来实现，在试验中，学生制作完成的模块只要符合接口定义和电信号的要求，就可以替换系统中原有的模块，这样，即能验证单元电路的设计在工程系统中是否能正常运行和性能、指标、误差的好坏，以及调试方法和效果等多方面的要求，不但使工程训练的难度大大降低，又在很大程度上体现了学生的成就感，有效地调动了其积极性的提高，使在课堂上难以完成的电子工程设计训练成为现实。
图1是主模板示意图；图2是控制机构与变送器模块和驱动器模块等的连接示意图图3是DA转换、AD转换、显示板、单片机、键盘板、多功能板模块连接示意图；图4是串行驱动、总线驱动、电话通信模块的连接示意图；图5是调频发射与接收模块的连接示意图；图6是调幅发射与接收模块的连接示意图；图7是音频功放模块的连接示意图；图8是直流电源模块1、2的连接示意图；图9是红外发射与接收模块的连接示意图；图10是手持遥控器的连接示意图；图11是微型打印机的连接示意图；图中，1、扬声器，2、指示灯，3、手动控制旋钮，4、音量调节旋钮，5、红外发射管，6、红外接收管，7、电源配置，8、执行机构。
具体实施方式
图1为主模板示意图，图中除了插件式模块化电路板外，温度控制机构、转速控制机构、标准参量显示表、各种传感器、手动控制旋钮3、打印机、电源配置7、扬声器1、音量调节旋钮4、指示灯2等构成的物理量的标准检测和物理量的控制执行机构皆固装在主模板上。温度控制机构采用半导体制冷片，控制范围为(-10-110)度，精度为±1度；转速控制机构采用直流电机，控制范围为(200-2000)转，精度为千分之三；标准参量显示表采用相应的测量表；四组传感器包括测温的箔电阻、AD590和测速的光电管、转速采集；手动控制旋钮3(见图2)和音量调节旋钮4为电位器；打印机采用微型打印机μ40B；电源配置7包括打印机专用电源(见图11)和制冷片专用开关电源(见图2)及开关按钮；红绿两个指示灯2，红灯指示制热，绿灯指示制冷。主模板上由变送器单元、AD模数转换、LED显示电路、键盘电路、CPU控制单元或FPGA逻辑设计单元、DA数模转换、驱动电路、多功能单元、音频功放、直流稳压电源1、直流稳压电源2插件式模块化电路板及其插口组成信息处理及控制部分；由串行通信驱动、电话驱动电路、总线驱动电路、调频发射或接收单元、调幅发射或接收单元、红外调制发射或接收单元插件式模块化电路板及其插口以及与外部连接的接口槽组成与外部设备通讯的各种接口。这些插件式模块化电路板按现有技术用元器件和编制的程序制成具有相应功能的模块。图2中的变送器模块可接收四组传感器的信号，将温度或转速转换成标准信号，送到AD(模数转换器)。图2中的驱动器模块可接收来自DA(数模转换器)的自动调节信号和来自电位器的手动调节信号经转换和放大来驱动指示灯2、温度控制机构、转速控制机构和电风扇，驱动器模块需使用±12V/4A开关电源。图2～图9表示出了各模块间及与外围装置的连接。下面分别具体说明各模块的构成和作用CPU控制单元板——是整个系统的控制核心，用89C51单片机完成温控和通信系统的数据采集、处理、显示、打印、按健识别、参数设置、以及闭环控制和通信等功能。数据总线P0口经74LS245芯片的驱动后进入系统，P2口的低四位经74LS138译码后形成C1-C4控制选通信号，A1-A4分别是由74LS373锁存后的低八位地址的高四位。在本版上设置了通信接口芯片MAX232，用于完成RS232串行信号的电平转换，波特率为12000。在版上有三个发光二极管，分别表示程序工作正常，在闭环控制中，打印机有效。
LED显示、键盘板——四位LED显示和20个按健，显示采用串行锁存方式，锁存器使用四片74LS273，C1片选经74LS138译码后，形成显示和扫描键盘的控制信号，74LS245为键盘数据读出缓冲驱动。
AD转换板——AD转换器选用廉价的8位ADC0804芯片，需要说明的是，其基准电压要调节到3.2V，并非是常规的VCC/2，目的是，当输入电平为0-5V时，转换数据为0-200，除2即可得到温度值。
DA转换板——DA转换器选用廉价的8位DAC0832芯片，由于此芯片不能同时输出正负电平信号，需要设计电平转换电路，使用双运放LF358完成电平的转换，具体电路可在手册中查到。配合调试程序，最终输出电压可调节为正负10V-11V之间。
变送器板——该板的主要功能是把温度传感器输出的电流信号(每度1μA)，转换成电平信号(每度50mv)。考虑到温度采集误差的问题，电路中使用了本身的噪声、时漂、温漂等参数指标较高的运放，为了进一步提高精度，采用了基准电压，为了温度校准方便，电路采用两级放大设计。输出电压为0-5V，设计中考虑了输出电压超出范围时，可能造成的后果。
驱动器电路——将DA输出的正负电压驱动为具有3A负载能力的电路，本电路分别对输入的正负电压进行电流放大，输出极选用了一对NPN和PNP大功率三极管，输出电压为正负9V，用于驱动制冷片的制冷和制热以及直流电机的转速控制。
通信控制板(串行通信驱动)——该板是一块通信监测板，系统与外界的所有通信都要通过此板传递，并显示通信内容。在板上有一片89C2051单片机，两片RS232接口芯片，完成传递过程。其中包括系统与PC机的通信，有线和无线通信的接收和发射的控制信号。在板上有两个发光二极管，一个表示通信控制板发送给系统的信号有效，一个表示接收到系统的信号有效。
三路直流稳压电源板(直流稳压电源1)——电源板采用在一般工程中最常见的稳压方案，以普通的78系列调整管实现+5V、1.5A，+12V、0.5A，-12V、0.5A三组直流稳压电源。对于初次接触电子线路的焊接、调试的同学来说，应强调安全、细心。
时钟打印驱动板——时钟电路选用了12887具有掉电保护的时钟芯片，内有144个不掉电RAM，在板上设置了74LS374作为打印机的驱动，打印机采用μP-40B汉字微型打印机，具体使用参考相关手册和说明书。
二路直流稳压电源板(直流稳压电源2)+24V、0.5A和-24V、0.5A稳压板与三路直流稳压电源板的工作原理相同，用于需要专用电路的工作电源。
调频发射板——由调频信号输入电路、调制电路、振荡电路、隔离电路、发射电路组成，调制频率为RS232串行输出的1200波特率的数字信号，调制频偏为(100-200)KHz，发射频率为32MHz。为配合通信原理课程，电路设计完全选用了散件设计的方案。
调频接收板——调频接收电路是由MC3361解调器实现的，在解调器之前增加了天线接收电路和一级高频放大器，在解调器之后用LM393比较器进行了信号整形，恢复原来的串行信号。
调幅发射板——由调幅信号输入电路、调制电路、振荡电路、隔离电路、发射电路组成，调制信号为RS232串行输出的1200波特率的数字信号，发射频率为26MHz。为配合通信原理课程，电路设计同样选用了散件设计的方案。
调幅接收板——调幅接收电路也是由MC3361解调器实现的，在解调器之前和调频接收电路相同，利用解调器的混频输出设计中频放大之后进行检波，再用LM393比较器进行了信号整形。
音频功放板——接收DA输出的由CPU控制单元编制的音频信号，推动扬声器1发声。
模块电路板的插口采用3个26芯插座，其中两个并联，分别与另外一个形成一组，3个插座平行放置且间隔不等，这样可适应插接大、小两种模块电路板。图1表示了各插口的连接方向。
附模板装有CPU控制单元、直流稳压电源、LED显示电路、键盘电路、调频发射或接收单元、调幅发射或接收单元等模块，设有与主模板一致的插口，同样具备模块可替换性能。
工装实验箱设有与主模板一致的插口，同样具备模块可替换性能，可插接变送器单元、AD模数转换、LED显示电路、键盘电路、CPU控制单元或FPGA逻辑设计单元、DA数模转换、直流稳压电源，且包括一个模拟的温度传感器和模拟的执行机构，主要用于解决电路的初步调试和部分模块的联调问题。
图10为手持遥控器示意图，该遥控器装有红外发射管5和红外接收管6，可发射红外线控制主模板，也可接收红外线得到主模板的信息。
本实用新型可实现的功能如下1、温度或转速数字显示实验内容包括传感器选择、变送器、模数转换器、微机控制模块、LED显示板、直流稳压电路，共六项内容。在试验中，首先选择控制对象和采用的传感器，将传感器的信号经变送器电路进行调理放大，并完成校准，再经模数转换器转换成数字信号进入微机控制模块，同时完成对数据的采集、处理、显示程序的编写，并在显示板上显示当前真实的温度或转速。
2、闭环控制部分实现控制参数的设定和闭环控制功能。其中包括数模转换器、功率驱动器、键盘电路及键盘扫描、闭环控制程序编写等，共五项内容。首先由键盘确定控制参数，并与采集值进行比较处理后，送给数模转换器、再经功率驱动器，输出大功率控制信号，进一步控制相应的物理量变化，使其逐渐稳定在某一数值上。其中闭环控制程序可用多种方法实现。
3、时钟打印部分在完成以上两项内容的基础上，实现对时间的修改打印控制功能。其中包括时钟电路、打印驱动电路及时钟修改、字符和曲线打印程序。
4、有线通信部分其中包括RS232串行接口与PC机的通信和电话线通信两部分，通过编写PC机的高级语言程序，以串行接口控制模板功能，建立上位机和下位机的控制概念。通过设计电话接口板电路及编写程序，用电话控制模板各功能，实现远距离有线通信。
5、无线通信部分其中包括调频和调幅的接收和发射四部分电路，以及红外遥控的接收和发射两部分电路。需配合手持红外遥控器和教学模板附板一起完成6、总线控制部分通过设计制作总线控制接口板和编程，实现系统在一条总线上对多个和多种传感器的采集和控制。并实现电源和信号的同时传递。
7、学习EDA技术通过编写大规模逻辑设计芯片FPGA，从而去替换系统中原有的单片机控制板或多功能板，并实现系统原有的功能。
由于各模块单元电路，都有多种设计方法和用不同的电路来实现，只要符合要求，就可以在系统中进行替换，根据学生理论课进程的安排和其本人实际能力的大小，由易到难，逐步将设计制作的各个单元电路，替换到教学模板中去，最终完成整个系统的设计和制作。在教学模板中，除了完成电路设计外，还要编写大量程序，其中主要包括89C51的汇编程序和PC机的高级语言程序1.数据采集及处理程序2.显示程序
3.键盘扫描程序4.DA驱动程序5.闭环控制程序6.时钟控制程序7.打印机驱动程序8.串行通信程序9.串行数据检测程序10.无线通信控制程序11.红外通信控制程序12.各接口电路驱动程序13.PC机高级语言程序(上位机)
权利要求1.可替换模块化电子工程设计教学摸板，它包括能够实现电子信息控制和通过无线或有线与相应设备通信的主模板、通过无线通讯实现显示和控制主模板操作的附模板、通过红外线通讯实现近距离控制主模板操作的手持遥控器和用来调试模块组件的工装实验箱，主模板和附模板的功能通过具有一定功能的插件式可替换模块的组合来完成，其特征在于主模板作为现场控制部分，附模板作为无线远程控制部分，手持遥控器作为无线近程控制部分，并且主模板上的模块中包含了使主模板与上位机联系的串行通信驱动模块和可通过电话局网操作主模板的电话驱动模块以及实现多路控制的总线驱动模块，通过相应模块的组合，构成一套模拟实际电子工程的教学摸板。
2.根据权利要求1所述的可替换模块化电子工程设计教学摸板，其特征在于所述的主模板按功能划分为三部分第一部分为包括标准参量显示表、传感器、控制对象、执行机构(8)、手动控制调节(3)、打印机和电源配置(7)部件的物理量的标准检测和物理量的控制执行机构，第二部分为由模块如变送器单元、AD模数转换、LED显示电路、键盘电路、CPU控制单元或FPGA逻辑设计单元、DA数模转换、驱动电路、多功能单元、音频功放、直流稳压电源1、直流稳压电源2及其插口组成的信息处理及控制部分，第三部分是由模块如串行通信驱动、电话驱动电路、总线驱动电路、调频发射或接收单元、调幅发射或接收单元、红外调制发射或接收单元及其插口以及串行接口槽、电话接口槽、总线接口槽组成的用于与外部设备通讯的各种接口；上述各部件和模块的连接关系为测量控制对象物理状态的传感器经变送器模块、AD转换模块与CPU模块的输入连接；可显示控制对象物理状态和键盘输入信号的LED显示模块将键盘模块与CPU控制模块连接起来，同时CPU控制模块的可调节控制对象的物理状态的输出经DA转换模块、驱动模块连接到执行机构，并且CPU控制模块与串行通信驱动模块连接，串行通信驱动模块与用于与外部设备通讯的各种接口连接，这些用于与外部设备通讯的各种接口包括调频发射或接收单元、调幅发射或接收单元、红外调制发射或接收单元、可与电话局网连接的电话驱动电路及其电话接口槽、与上位机联系的串行接口槽、可接多路控制的总线驱动电路及其总线接口槽；另外，用于直接显示控制对象的物理状态的标准参量显示表与传感器连接，音频功放的输入经DA转换模块接CPU控制模块的输出，其输出接扬声器(1)，CPU控制模块还通过多功能单元模块与打印机连接；直流稳压电源1、直流稳压电源2模块接将市电电压降为所需电压的电源配置(7)的输出，其输出的各级直流电压接各模块和各部件的电源输入；手动控制调节(3)经驱动电路接执行机构(8)。
3.根据权利要求1所述的可替换模块化电子工程设计教学模型，所述的附模板带有CPU控制单元、直流稳压电源、LED显示电路、键盘电路、串行通信驱动、调频发射或接收单元、调幅发射或接收单元模块及其插口；上述模块的连接关系为CPU控制模块与串行通信驱动模块连接，串行通信驱动模块与用于与主模板通讯的各种接口连接，这些用于与主模板通讯的各种接口包括调频发射或接收单元、调幅发射或接收单元；可显示由主模板传来的控制对象物理状态和键盘输入信号的LED显示模块将键盘模块与CPU控制模块连接起来；直流稳压电源的输入接市电，其输出接各模块和各部件的电源输入。
4.根据权利要求1所述的可替换模块化电子工程设计教学摸板，其特征在于所述的工装实验箱带有模拟的控制对象和模拟的执行机构(8)以及可插各种模块的插口。
5.根据权利要求2或3、4所述的可替换模块化电子工程设计教学摸板，其特征在于所述的各插口为固定于模板上表面的可插接大、小两种规格电路板的不等间距并排的3个多芯插座。
专利摘要可替换模块化电子工程设计教学模板属于教学教具、实验设备领域，主要应用于高校“电子工程设计”实践教学。为了全面模拟现实中的电子工程系统，本实用新型设计了一组插件式模块化模板电子工程模板，包括电子信息控制与通信——主模板、无线通信——副模板、手持遥控器和调试工装实验箱。其中，主模板、副模板、调试工装实验箱具有统一插口，对于功能相同而设计方法不同的各单元模块可相互替换。本设计将真实电子工程中常用到的技术方案和实用电路、通信方式等，根据电路功能和教学需要，制作成具有相应功能的单元模块和通信方式，再以相对统一的接口定义和电信号要求，重新组合起来，形成具有课堂教学可操作性的模块化信息控制与通信系统的教学工程模板。
文档编号G09B25/00GK2754172SQ20042004761
公开日2006年1月25日 申请日期2004年4月6日 优先权日2004年4月6日
发明者贾惠忠, 张印春, 孙景琪, 王红飞 申请人:北京工业大学