一種智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種可編程的智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]面包板(集成電路實(shí)驗(yàn)板)是電路實(shí)驗(yàn)中一種常用的具有多孔插座的插件板，在進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以根據(jù)電路連接要求，在相應(yīng)孔內(nèi)插入電子元器件的引腳以及導(dǎo)線等，使其與孔內(nèi)彈性接觸簧片接觸，由此連接成所需的實(shí)驗(yàn)電路。
[0003]但是，傳統(tǒng)面包板存在以下缺點(diǎn):
[0004]1.—般需要外部導(dǎo)線連接輔助，導(dǎo)致線路不清晰，操作隨著電路復(fù)雜度提升而變得難以繼續(xù)。
[0005]2.基于行或列互通轉(zhuǎn)接的原理圖復(fù)現(xiàn)，電路行或列寬度往往固定，同時(shí)行之間或列之間完全斷路，使得電路實(shí)現(xiàn)靈活操作空間嚴(yán)重受限。
[0006]3.對(duì)連線質(zhì)量沒有提供通斷檢測(cè)，更沒有線路阻抗分析與反饋控制，經(jīng)常出現(xiàn)非原理性的連線質(zhì)量問(wèn)題引起的實(shí)驗(yàn)故障，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作成功率低。
[0007]4.對(duì)已有連線不能提供回朔記錄，不能對(duì)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程進(jìn)行追蹤，同時(shí)不能為調(diào)試提供有效提不。
[0008]5.不能分辨元器件管腳，對(duì)每一步操作步驟正確性不能提供有效評(píng)估，對(duì)可能導(dǎo)致器件損壞的錯(cuò)誤連接不能提供報(bào)警與保護(hù)(管腳定義屬性)。
[0009]6.不能對(duì)實(shí)驗(yàn)操作流程進(jìn)行詳細(xì)記錄，為后續(xù)考核提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
[0010]7.沒有器件接插和連線的提示，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)自主操作和智能引導(dǎo)的雙向?qū)嶒?yàn)操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，利用可編程控制的多維開關(guān)構(gòu)成開關(guān)陣列，并結(jié)合元器件智能標(biāo)識(shí)化技術(shù)，為實(shí)踐教育的信息化和智能化提供基礎(chǔ)硬件平臺(tái)。
[0012]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0013]—種智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，包括若干個(gè)通用器件管腳接插擴(kuò)展裝置;所述通用器件管腳接插擴(kuò)展裝置和任意通用器件轉(zhuǎn)接板電性連接;所述通用器件管腳接插擴(kuò)展裝置包括連接插座、管腳標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)讀出和寫入所使用的數(shù)據(jù)通道和接地通道，所述通用器件管腳接插擴(kuò)展裝置通過(guò)連接線、可編程控制開關(guān)和可編程阻抗調(diào)節(jié)器構(gòu)成K層多維開關(guān)陣列，所述連接插座用于插接元器件管腳，所述連接插座通過(guò)連接線和可編程控制開關(guān)與其它的連接插座互連，所述可編程阻抗調(diào)節(jié)器串接于可編程控制開關(guān)和連接插座之間;K層布線層中允許配置獨(dú)立的電源層、接地層和信號(hào)層，通過(guò)控制各層不同維度上的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多種電路連接。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述通用器件管腳接插擴(kuò)展裝置還包括信號(hào)通道，依賴可編程開關(guān)陣列不同層的插座互通實(shí)現(xiàn)信號(hào)在陣列中的分配。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述管腳標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)讀出和寫入所使用的數(shù)據(jù)通道用于對(duì)元器件類型和具體管腳分布的實(shí)時(shí)讀取，并為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中器件管腳連通控制提供基礎(chǔ)通道。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述系統(tǒng)基于單或多嵌入式處理器GP10管腳直接驅(qū)動(dòng)或通過(guò)片外擴(kuò)展電路或可編程器件實(shí)現(xiàn)智能面包板開關(guān)控制。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述系統(tǒng)通過(guò)嵌入式模擬數(shù)字變換器對(duì)每個(gè)電路通道進(jìn)行掃描測(cè)量，實(shí)現(xiàn)電路實(shí)際連通情況的閉環(huán)檢測(cè)。
[0018]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述系統(tǒng)通過(guò)LED或其它發(fā)光器件實(shí)現(xiàn)對(duì)面包板接入元器件類型、管腳類型及屬性的動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)通過(guò)不同顏色或?qū)挾然蛄炼然蜻B線模式的光學(xué)通路顯示布線連接情況。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述系統(tǒng)具備呈現(xiàn)為硬件按鍵的按鍵:器件擦除、布線擦除、撤銷操作(UnDo)、重做操作(ReDo)、復(fù)制(Copy)、粘貼(Paste)，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)上位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)操作;或者，上位機(jī)軟件通過(guò)讀取動(dòng)態(tài)插入所述連接插座的管腳識(shí)別信息，實(shí)時(shí)檢測(cè)并發(fā)現(xiàn)元器件類型和位置，并在圖形界面中動(dòng)態(tài)顯示面包板元器件接插連接狀態(tài)，其中，軟件操作界面提供以下功能按鍵:器件擦除、布線擦除、撤銷操作、重做操作、復(fù)制、粘貼，并通過(guò)上下文菜單和多功能按鍵實(shí)現(xiàn)智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)與上位機(jī)軟件交互操作界面。
[0020]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述系統(tǒng)基于無(wú)線(如藍(lán)牙、WIF1、NFC、ISM頻段射頻模塊等)或有線(如串口、并口、USB、以太網(wǎng)等)的方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)接口，完成所述智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的操作過(guò)程及狀態(tài)信息上傳和上位機(jī)指令下發(fā)。
[0021]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述系統(tǒng)包括嵌入式處理器內(nèi)核，通過(guò)無(wú)線或有線的方式對(duì)嵌入式系統(tǒng)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)下載、燒寫及參數(shù)配置。
[0022]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述系統(tǒng)的可編程開關(guān)陣列單元與嵌入式處理器單元之間采用可拆卸數(shù)據(jù)接口插座連接，可方便地實(shí)現(xiàn)開關(guān)陣列和嵌入式處理單元的硬件升級(jí)替換;同時(shí)，元器件轉(zhuǎn)接板接口與元器件類型無(wú)關(guān)，可以方便地實(shí)現(xiàn)元器件規(guī)格升級(jí)。
[0023]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提出的智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，避免飛線連接，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，提高實(shí)驗(yàn)效率;便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化實(shí)踐教學(xué);能夠智能適配新器件;可持續(xù)升級(jí)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)；通過(guò)實(shí)踐電路連接及其過(guò)程的數(shù)字化記錄，為評(píng)估考核提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);線路連通動(dòng)態(tài)顯示，便于檢錯(cuò)糾錯(cuò);無(wú)線或有線上位機(jī)接口，便于復(fù)雜實(shí)踐方案的準(zhǔn)備與實(shí)施。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的可編程布線架構(gòu)所需的開關(guān)陣列示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明的通用器件管腳接插擴(kuò)展裝置連接示意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明的通用器件管腳接插擴(kuò)展裝置另一種連接示意圖；
[0027]圖4是本發(fā)明的通用器件管腳接插擴(kuò)展裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖5是智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的工作示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0030]本發(fā)明的智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)(又稱“智能面包板”)為實(shí)踐教育的信息化和智能化提供基礎(chǔ)硬件平臺(tái)。本發(fā)明技術(shù)方案通過(guò)對(duì)不同元器件進(jìn)行管腳級(jí)智能標(biāo)識(shí)化處理，利用多維可編程網(wǎng)絡(luò)連接控制方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的信息化記錄和實(shí)踐技能的智能化評(píng)估。
[0031]元器件智能標(biāo)識(shí)化技術(shù)是指通過(guò)智能面包板的接插口，在實(shí)現(xiàn)管腳連通這一基本功能的基礎(chǔ)上，在接口設(shè)計(jì)中預(yù)留元器件管腳表示及屬性信息獲取通道，使用者在智能面包板上插入元器件后，系統(tǒng)能夠迅速讀取元器件管腳信息，獲取元器件的連接位置、朝向和每個(gè)管腳定義及電氣屬性。
[0032]多維可編程網(wǎng)絡(luò)連接控制方法是指利用多層多維度立體開關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)智能面包板各節(jié)點(diǎn)將的網(wǎng)絡(luò)互連架構(gòu)。這里的開關(guān)可以是繼電器，亦可使用半導(dǎo)體隔離器或光耦合器件或變壓器耦合器件或磁耦合器件等。這種面向?qū)嵺`教學(xué)的可編程智能互聯(lián)系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同元器件管腳連接需求，靈活配置連接通路，徹底避免傳統(tǒng)面包板飛線連接帶來(lái)的諸多問(wèn)題，并可通過(guò)直觀的聲光提示通路連通狀況、連接質(zhì)量和連接狀態(tài)。
[0033]附圖1為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的可編程布線架構(gòu)所需的開關(guān)陣列，圖中包括3層，實(shí)際層數(shù)可擴(kuò)展。每層繪制了 12個(gè)管腳連接插座，部件1為通用器件管腳接插擴(kuò)展裝置的連接插座，插座之間用可編程電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)通斷控制，圖中的省略號(hào)表明實(shí)際開關(guān)連接拓?fù)浣涌诳蛇M(jìn)一步擴(kuò)展。部件2為可編程控制開關(guān)，部件3為連接線，部件4為可配置在電路中的可編程阻抗調(diào)節(jié)器。未與插座相連的連接線交叉不意味短路。
[0034]附圖1中的K層L*N多維開關(guān)陣列(L為每一層的行數(shù)，N為列數(shù))，K層布線層中允許配置獨(dú)立的電源層、接地層和信號(hào)層，通過(guò)控制各層不同維度上的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多種電路連接，包括但不限于上拉、下拉、連同、斷開、差分、等距等。各可編程控制開關(guān)通路的阻抗通過(guò)可編程阻抗調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。元器件管腳可不經(jīng)電子開關(guān)直通各層疊擴(kuò)展布線層，從而每個(gè)管腳可直接與4個(gè)以上電子開關(guān)通道相連。核心芯片管腳及外設(shè)芯片管腳之間不需要通過(guò)額外的板間層疊擴(kuò)展插座或外設(shè)擴(kuò)展插座即可靈活實(shí)現(xiàn)互聯(lián)及阻抗配置。
[0035]附圖2和附圖3中的部件6為任意通用器件轉(zhuǎn)接板，下方部件5為通用器件管腳接插擴(kuò)展裝置。
[0036]任意通用器件轉(zhuǎn)接板實(shí)際上是一塊印刷電路板，在這塊印刷電路板上按照元器件封裝尺寸設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)其每個(gè)管腳相應(yīng)的孔位或焊盤，把已有的實(shí)驗(yàn)用元器件，如電阻、電容、芯片等，焊接在做好的對(duì)應(yīng)焊盤上，通過(guò)電路引線把元器件管腳和轉(zhuǎn)接板的特定通用接插插頭制定連接隔斷相連。把通用器件轉(zhuǎn)接板插在本發(fā)明的智能面包板上，即可實(shí)現(xiàn)元器件的電路接入。同時(shí)，在通用轉(zhuǎn)接板的每個(gè)通用管腳插頭配置不同的管腳信息存儲(chǔ)芯片并連通到插頭的ID信息讀取通道，轉(zhuǎn)接板整體插入面包板后，智能面包板通過(guò)通用管腳ID信息通道實(shí)現(xiàn)每一個(gè)器件管腳的自動(dòng)辨識(shí)。
[0037]附圖2中的部件5的每一連接隔斷可通過(guò)附圖1中的開關(guān)陣列不同層的插座接入當(dāng)前層的電路開關(guān)陣列。所謂的連接隔斷，即把一個(gè)管腳信號(hào)分別連通到開關(guān)陣列不同層的接觸連接體，它可以配置為導(dǎo)體或絕緣體，實(shí)現(xiàn)管腳到特定層的連通和斷開。不同的連接隔斷間相互絕緣，這些分支連接隔斷數(shù)量可變，其中可包括管腳標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)讀出和寫入所使用的數(shù)據(jù)通道和接地通道。例如，接插擴(kuò)展裝置有K層，還包括m層的電源、接地和ID信息通道，K層之間可根據(jù)需要通過(guò)特定并可擴(kuò)展連接隔斷實(shí)現(xiàn)連通或斷開，m層之間互不相通。
[0038]另一種實(shí)