支持数字化自动映射的无接线可重构实验仪器面板及方法与流程

本发明属于计算机测控技术领域，具体涉及一种支持数字化自动映射的无接线可重构实验仪器面板及方法。

背景技术：

在自动化测控技术领域，经常需要设计、制造专用的操作仪器，仪器的面板也需要根据具体的应用进行全新设计或改装，占用了相当大的人力、时间及资金。为了能够加快仪器面板设计进度，可以尽量使用市售的标准面板。但一般批量生产的面板产品难以完全契合具体仪器的布局、按键数量、仪表种类等需求，因此会使仪器操作性变差，甚至容易产生误操作。为此，可以使用另一种技术，即虚拟仪器面板技术，采用触摸屏为基础，通过计算机数字化技术设计触摸屏的人机交互界面，可添加各种虚拟仪表、按键等交互部件，可更加快速构建出符合需要的仪器面板，并且面板的数字化使得仪器的信息易于保存、传输和重现。但该方法存在两大问题：首先，虚拟面板缺乏良好的物理反馈，操作上与真实面板差距较大。例如按键的弹性、旋钮的力矩等就很难在虚拟面板上模拟出来。其次，这种虚拟面板只能模拟一些人机交互的部件，无法在面板上添加真实物理信号的输入、输出接口及其处理电路。而大部分自动化仪器面板都需要有与物理信号的接口，因此这种方法依然需要为虚拟面板设计各种的输入、输出接口及信号处理电路，开发周期仍然较长。此外，仪器面板在构建中常常需要复杂的信号接线和机械安装过程，不但使安装调试复杂，而且易于出线各种电气及机械问题。

为此，本发明提出了一种支持数字化自动映射的可重构实验仪器面板，解决了快速开发各种专用仪器面板的问题。该装置在构建面板时，无需复杂连线及机械安装操作，可快速进行设计和更改。同时，该方案可自动将重构的仪器面板的信息数字化，极大地扩展了其应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种支持数字化自动映射的无接线可重构实验仪器面板及方法，本发明支持重构后仪器面板的数字化映射，以加快专用仪器面板的开发速度，提高可靠性，实现仪器软件功能订制及面板信息的数字化远程监控等功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

支持数字化自动映射的无接线可重构实验仪器面板，包括底板、m×n个底板接口和f个面板功能模块。每个底板接口上含有无线供电区、第一无线通信区和第一固定吸盘。每个面板功能模块的背面具有第二无线通信区、第二固定吸盘和无线取电区，每个面板功能模块的正面含有面板功能区。底板接口采用m行n列的矩阵式布局紧密平铺固定于底板上。

所述的面板功能模块正面轮廓形状等同于s个(1≤s≤m×n)相邻的底板接口的轮廓。面板功能模块上的第二固定吸盘与底板接口上的第一固定吸盘呈镜像布局，使面板功能模块背面与底板接口相对时，二者能够相互吸合并对齐，完成模块的安装。安装完成后，面板功能模块上的无线取电区和第二无线通信区分别与底板接口上的无线供电区和第一无线通信区对齐。每个底板可以安装f个(f≤m×n)不同类型的面板功能模块，如信号输入、信号输出、键盘输入、调节旋钮、数字表、液晶显示器等，构成一套完整的实验仪器面板。底板通过底板接口上的无线供电区及面板功能模块的无线取电区为面板功能模块无线供电。底板通过底板接口上的第一无线通信区及面板功能模块的第二无线通信区与面板功能模块进行无线数字通讯。

底板中的硬件电路含有中央处理器、内部总线、程序存储器、数据存储器、电源管理单元、网络通信单元、底板接口总线，m×n个底板接口中共设有k个(k＝m×n)第一接口通信单元，f个面板功能模块中共设有f个含有第二接口通信单元的硬件电路；具体的，底板中的中央处理器通过内部总线连接程序存储器、数据存储器、电源管理单元、网络通信单元；中央处理器通过底板接口总线连接第一接口通信单元。第k个(k＝1，…，k)底板接口上的第一接口通信单元可能连接第f个(f＝1，…，f)面板功能模块中硬件电路中的第二接口通信单元，也可不连接任何面板功能模块。

面板功能模块中硬件电路结构包括中央处理器、内部总线、程序存储器、数据存储器、电源管理单元、功能电路、接口通信总线和第二接口通信单元，其连接为：中央处理器通过内部总线连接程序存储器、数据存储器、电源管理单元和功能电路；中央处理器通过接口通信总线连接第二接口通信单元。其中，中央处理器用于执行模块控制程序，程序存储器存储模块控制程序，数据存储器用于存储模块实时状态等数据信息，电源管理单元通过无线取电区获取电能，功能电路实现模块特定的功能，如信号处理、按键输入、显示输出等，第二接口通信单元用于与底板接口进行数字通信。

实验仪器面板的重构及数字化自动映射方法的具体步骤如下：

s1:选择合适规格的底板，并选择f个用以实现测控功能的面板功能模块；

s2:将各个面板功能模块安装在底板接口上，使其对齐并通过固定吸盘第一固定吸盘、第二固定吸盘完成固定，实现所需仪器面板布局，完成仪器面板的一次重构；

s3：中央处理器启动面板数字化自动映射程序，通过底板接口总线及第一接口通信单元和第二接口通信单元扫描已安装的功能面板，形成面板配置的数字化映射信息；

s4:中央处理器通过网络通信单元将面板配置的数字化映射信息上传至计算机，在计算机上进行仪器面板功能编程，生成面板控制程序；

s5:中央处理器通过网络通信单元接收计算机上生成的控制程序，将控制程序存储在程序存储器内；

s6:中央处理器根据面板配置的数字化映射信息，初始化f个面板功能模块的实时状态数字化映射信息，然后开始执行控制程序；

s7:执行控制程序期间，中央处理器通过底板接口总线及第一接口通信单元监视已安装的功能面板的实时状态，形成面板实时状态的数字化映射信息，通过网络通信单元(25)将面板实时状态的数字化映射信息上传至计算机。

步骤s3中进一步包括以下步骤：

s3-1：中央处理器通过电源管理单元对所有底板接口的无线供电区供电，使所有已安装面板功能模块中硬件电路上电；

s3-2:中央处理器在数据存储器中，初始化面板功能模块信息链表，初始化时该链表为空；令变量f＝1，k＝1；

s3-3:中央处理器通过底板接口总线及第k个底板接口的第一接口通信单元发送“模块识别”命令，等待应答；

s3-4:若在规定时间内，中央处理器接收到“模块识别”命令的应答，表明该第一接口通信单元上连接了某个面板功能模块的第二接口通信单元，转入s3-5；否则，若在规定时间内，中央处理器没有接收到“模块识别”命令的应答，表明该第一接口通信单元没有连接任何面板功能模块的第二接口通信单元，转入s3-6；

s3-5:应答“模块识别”命令的面板功能模块将该面板功能模块的配置数据发送给中央处理器，中央处理器将该面板功能模块的配置数据添加到模块信息链表上，同时令变量f＝f+1；转入s3-7；

s3-6:通过电源管理单元关闭该第一接口通信单元对应的底板接口上的无线供电区供电；

s3-7:令k＝k+1；若k<＝k，则跳转回s3-3；

s3-8:所有的底板接口扫描完成，识别的已安装面板功能模块个数f＝f；数据存储器中模块信息链表的信息即为面板配置的数字化映射信息。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)可以快速可靠地构建各种专用测控实验仪器面板，无须进行复杂的接线及机械固定，大大提高了仪器的开发效率。各模块与底板间采用无线传输方式，实现了电气上隔离，提高了设备的可靠性与安全性。

(2)仪器的面板的合理性及用户的操作体验较好。面板功能模块可按需使用，减少了仪器功能的冗余。且该方案可支持在面板上集成信号的输入、输出接口，还可支持物理键盘、旋钮等操作装置，能够为用户提供良好的触觉和力学反馈。

(3)数字化自动映射功能加快了仪器软件功能的开发过程，也减少了手工编写配置信息产生错误的可能性。同时，数字化自动映射易于实现数字化远程监控等功能，提高了仪器的信息化管理水平。

附图说明

图1是本发明的可重构实验仪器面板的组成示意图。

图2是本发明的可重构实验仪器面板的应用示意图。

图3是本发明的可重构实验仪器面板的硬件组成框图。

图4是本发明的面板功能模块的硬件电路组成框图。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的组成方案，以及仪器面板的重构及数字化自动映射方法作进一步的说明。

需要说明的是下述实施例是叙述性的，而非限定性的，本发明所涵盖的内容并不限于下述实施例。

本实施例以在一个在温度控制中的测控应用为例。

如图1所示，支持数字化自动映射的无接线可重构实验仪器面板，包括底板5、m×n个底板接口4和f个面板功能模块6。每个底板接口4上含有无线供电区1、第一无线通信区2和第一固定吸盘3。每个面板功能模块6的背面具有第二无线通信区8、第二固定吸盘9和无线取电区10，每个面板功能模块6的正面含有面板功能区7。底板接口4采用m行n列的矩阵式布局紧密平铺固定于底板5上。

本实施例中，底板接口4上的无线供电区1和面板功能模块6上的无线取电区10内含有线圈，通过电磁感应原理实现无线供电/取点。供电区域位置和几何形状是匹配的，提高了无线供电的效率。底板接口4上的第一无线通信区2与面板功能模块6上的第二无线通信区8采用高速光电耦合器件实现数字信号的双向无线收发，即底板接口4上的第一无线通信区2中的光电发射接收器件正对着面板功能模块6上的第二无线通信区8中的光电接收发射器件，构成数字信号传输的物理通道。底板接口4上的第一固定吸盘3与面板功能模块6上的第二固定吸盘9采用圆形的稀土材质强磁铁制造，底板接口表面上安装磁铁的“n”极，功能模块表面上安装磁铁的“s”极，使二者能够牢固吸引。

所述的面板功能模块6正面轮廓形状等同于s个(1≤s≤m×n)相邻的底板接口4的轮廓。第二固定吸盘9与第一固定吸盘3呈镜像布局，使面板功能模块6背面与底板接口4相对时，二者能够相互吸合并对齐，完成模块的安装。安装完成后，无线取电区10和第二无线通信区8分别与无线供电区1和第一无线通信区2对齐。每个底板可以安装f个(f≤m×n)不同类型的面板功能模块6，如信号输入6-5、信号输出6-4、键盘输入6-3、调节旋钮6-1、数字表6-7、液晶显示器6-6等，构成一套完整的实验仪器面板(见图2)。底板5通过底板接口上4的无线供电区1及面板功能模块6的无线取电区10为面板功能模块6无线供电。底板5通过底板接口上4的第一无线通信区2及面板功能模块6的第二无线通信区8与面板功能模块6进行无线数字通讯。

本实施例中，底板5上具有4行、6列的底板接口4矩阵(见图1)，因此m＝4，n＝6。为构成温度控制测控仪器面板(见图2)，选用了1个2通道模拟信号输入面板功能模块6-5，用于连接2个温度传感器；1个5通道模拟信号输出面板功能模块6-4，用于连接5台加热器；1个键盘输入面板功能模块6-3，用于设定温度变化率、加热功率等信息；2个调节旋钮面板功能模块6-1、6-2，用于设定2个温度区的目标温度；2个数字表面板功能模块6-7、6-8，用于显示2个温度传感器的测量温度；1个液晶显示器面板功能模块6-6，用于显示温度变化曲线等信息。因此，本实施例共有8个不同类型的面板功能模块，即f＝8。各功能面板的外形尺寸也是根据需求选用的，按照操作习惯安装在底板接口矩阵上。

如图3所示，支持数字化自动映射的无接线可重构实验仪器面板的硬件电路结构包括底板5中含有的中央处理器20、内部总线21、程序存储器22、数据存储器23、电源管理单元24、网络通信单元25、底板接口总线26，以及k个底板接口4中的(k＝m×n)第一接口通信单元27-1、27-2、…、27-k和f个面板功能模块6中的硬件电路29-1、29-2、…、29-f，内含第二接口通信单元28-1、28-2、…、28-f。其连接为：中央处理器20通过内部总线21连接程序存储器22、数据存储器23、电源管理单元24、网络通信单元25；中央处理器20通过底板接口总线26连接第一接口通信单元27-1、27-2、…、27-k。第k个(k＝1，…，k)底板接口4上的第一接口通信单元27-k可能连接第f个f＝1，…，f面板功能模块6中硬件电路29-f中的第二接口通信单元28-f，也可不连接任何面板功能模块。

本实施例中，k＝24，底板5含有的中央处理器20采用高性能arm单片机，内部总线21采用单片机的并行数据总线，程序存储器22采用flash存储器，数据存储器23采用sram存储器。电源管理单元24采用电池作为总电源，并可控制各个底板接口4上的无线供电区1内的线圈的供电。电源管理单元24内部带有控制寄存器，通过内部总线21连接到中央处理器20，实现电源控制。网络通信单元25采用wifi通信模块，可实现与计算机11的无线通信。底板接口总线26采用单片机的spi串行总线，并通过单片机的通用输出引脚为每个第一接口通信单元27-1、27-2、…、27-k分配一个独立的片选输出信号。在第一接口通信单元中，spi总线的输出信号通过放大后驱动光电发射器件传输光脉冲信号；光电接收器件收到的光脉冲信号经整形、放大后成为spi总线输入信号。

如图4所示，面板功能模块6中硬件电路29结构包括中央处理器30、内部总线31、程序存储器32、数据存储器33、电源管理单元34、功能电路35、接口通信总线36和接口通信单元28，其连接为：中央处理器30通过内部总线31连接程序存储器32、数据存储器33、电源管理单元34和功能电路35；中央处理器30通过接口通信总线36连接第二接口通信单元28。其中，中央处理器30用于执行模块控制程序，程序存储器32存储模块控制程序，数据存储器33用于存储模块实时状态等数据信息，电源管理单元34通过无线取电区10获取电能，功能电路35实现模块特定的功能，如信号处理、按键输入、显示输出等，第二接口通信单元28用于与底板接口4进行数字通信。

本实施例中，每个面板功能模块6中硬件电路29的中央处理器30采用高性能arm单片机，内部总线31采用单片机的并行数据总线，程序存储器32采用flash存储器，数据存储器33采用sram存储器。电源管理单元33从无线取电区10的感应线圈获取电能，经整流稳压后为模块硬件电路29供电。接口通信总线36采用spi总线。在第二接口通信单元28中，spi总线的输出信号通过放大后驱动光电发射器件传输光脉冲信号；光电接收器件收到的光脉冲信号经整形、放大后成为spi总线输入信号。功能电路35实现的功能与模块类型有关，如2通道模拟信号输入面板功能模块6-5的功能电路含有信号调理电路及模拟/数字量转换电路；5通道模拟信号输出面板功能模块6-4含有数字量/模拟量转换电路；液晶显示器面板功能模块6-6的功能电路含有液晶显示板驱动电路和背光亮度控制电路等。

重构一个支持数字化自动映射的温度控制测控实验仪器的面板的具体步骤如下：

s1:选择合适规格的底板5，并选择f个用以实现专用测控功能的面板功能模块6。

本实施例中选用了带有4行、6列的底板接口的底板，以及前述的8个不同类型的面板功能模块。

s2:将各个面板功能模块6安装在底板接口4上，使其对齐并通过固定吸盘3、9完成固定，实现所需的仪器面板布局，完成仪器面板的一次重构见图2。

s3：中央处理器20启动面板数字化自动映射程序，通过底板接口总线26及第一接口通信单元27-1、27-2、…、27-k和第二接口通信单元28-1、28-2、…、28-f扫描已安装的功能面板，形成面板配置的数字化映射信息。

s4:中央处理器20通过网络通信单元25将面板配置的数字化映射信息上传至计算机11，在计算机11上进行仪器面板功能编程，生成面板控制程序。

本例中，计算机11上装有对应中央处理器20的arm单片机的c语言编译器，以及c语言编程软件，以及面板各种功能模块6的数据库，含有模块的驱动程序、模块监视用的状态显示控件等。编程软件可根据面板配置的数字化映射信息，自动下载对应8个面板功能模块的驱动程序c语言代码，生成控制程序框架。开发者可在该框架下编写仪器控制c语言程序，实现具体的温度控制逻辑，而无需重复编写功能模块的驱动代码。c语言控制程序编写完成后，经过编译器生成可在arm单片机上可执行的二进制程序。计算机11与实验仪器面板在wifi无线信号下采用tcp协议通讯。

s5:中央处理器20通过网络通信单元25接收计算机11上生成的控制程序，将控制程序存储在程序存储器22内。

本实施例中控制程序是编译器产生的可执行的二进制程序。

s6:中央处理器20根据面板配置的数字化映射信息，初始化f个面板功能模块6的实时状态数字化映射信息，然后开始执行控制程序。

s7:执行控制程序期间，中央处理器20通过底板接口总线26及第一接口通信单元27-1、27-2、…、27-k监视已安装的功能面板的实时状态，形成面板实时状态的数字化映射信息12，通过网络通信单元25将面板实时状态的数字化映射信息12上传至计算机11，以便在计算机11上对实验仪器面板的工作状态进行监控。

本实施例中，面板状态的数字化映射信息包括：2通道模拟信号输入面板功能模块6-5的传感器信号电压、5通道模拟信号输出面板功能模块6-4上对5台加热器的控制信号电压、键盘输入面板功能模块6-3上各按键状态、调节旋钮面板功能模块6-1、6-2上旋钮角度、数字表面板功能模块6-7、6-8显示的测量温度数字、液晶显示器面板功能模块6-6，上的温度变化曲线数据。这些数据通过tcp协议经wifi无线信号上传至计算机11，计算机11上的监视软件通过调用各面板功能模块6对应的状态显示控件，即可远程实时监视面板工作状态。

上述步骤s3中，扫描已安装的功能面板并形成面板配置的数字化映射过程由以下详细步骤完成：

s3-1：中央处理器20通过电源管理单元24对所有底板接口4的无线供电区1供电，使所有已安装面板功能模块6中硬件电路29上电。

本例中，电源管理单元24以交流电压驱动无线供电区1中的线圈，已安装的功能模块6中无线取电区10中的感应线圈通过电磁感应获得电流，经电源管理单元34的处理为硬件电路29上电。

s3-2:中央处理器20在数据存储器23中，初始化面板功能模块信息链表，初始化时该链表为空。令变量f＝1，k＝1。

s3-3:中央处理器20通过底板接口总线26及第k个底板接口4的第一接口通信单元27-k发送“模块识别”命令，等待应答。

s3-4:若在规定时间内，中央处理器20接收到“模块识别”命令的应答，表明该第一接口通信单元27-k上连接了某个面板功能模块6的第二接口通信单元28-f，转入s3-5。否则，若在规定时间内，中央处理器20没有接收到“模块识别”命令的应答，表明该第一接口通信单元27-k没有连接任何面板功能模块6的第二接口通信单元，转入s3-6。

本实施例中，规定的应答时间为0.1秒。“模块识别”命令为16进制代码5ah，“模块识别”命令的应答为16进制代码cah。

s3-5:应答“模块识别”命令的面板功能模块6将该面板功能模块的配置数据发送给中央处理器20，中央处理器20将该面板功能模块的配置数据添加到模块信息链表上，同时令变量f＝f+1。转入s3-7。

本实施例中，模块配置数据包括：面板功能模块6的类别、型号、厂家、硬件版本、软件版本、面板状态的数字化映射信息中输入/输出及内部状态的具体数据结构等。

s3-6:通过电源管理单元24关闭该接口通信单元27-k对应的底板接口4上的无线供电区1供电。

s3-7:令k＝k+1。若k<＝k，则跳转回s3-3。

s3-8:所有的底板接口4扫描完成，识别的已安装面板功能模块个数f＝f。数据存储器23中模块信息链表的信息即为面板配置的数字化映射信息。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。