CN102881211A - 适于机电专业的混合信号检测处理实验装置 - Google Patents

Abstract

一种适于机电专业的混合信号检测处理实验装置，包括主板、电源模块、LCD模块、电机控制模块、PSoC5微处理器模块及STM32F4微处理器模块，所述电源模块为本装置的各电气模块提供电源，所述主板配置有双微处理器插槽，左半区的PSoC5微处理器插槽用于连接PSoC5微处理器模块，右半区的STM32F4微处理器插槽用于连接STM32F4微处理器模块，PSoC5微处理器模块及STM32F4微处理器模块的输入输出管脚引致双排插针通过连接导线与主板的外设进行连接，所述主板连接有多个外设及外设接口。本发明采用双处理器架构，把PSoC5具有的独特可配置模拟数字特性和STM32F4具有的高性能、实时功能、数字信号处理特性相结合，涵盖了机电专业电子系统设计所需功能。

Description

适于机电专业的混合信号检测处理实验装置

技术领域

本发明涉及实验教学仪器技术领域，具体涉及一种混合信号的检测处理实验装置，供高等院校机电专业采用实验装置进行混合信号测控实验。

背景技术

电子系统在消费、医疗服务、机械、电子、工厂自动化、航空航天、化工、生物、系统监控与测量等领域得到广泛应用，在电子系统设计中往往需要检测和处理混合信号，如三相电机控制器、机器人技术、生化和工业传感器以及音频滤波器、视频影像处理等都涉及混合信号。目前，信号检测处理实验装置主要面向计算机、通信、微电子和电子工程等电类专业，信号检测处理系统设计复杂，需要花费较多精力在搭建电子系统和排除故障上，这对电子技术不强的机电专业学生提出更高的要求，在某种程度上阻碍了学生在电子方面的兴趣发展，进而影响了学生创新能力和实践能力的培养。迄今为止，还没有一种能适于机电专业的混合信号检测处理实验装置，便于学生较快掌握电子系统方面的综合知识，拓展电子系统设计在非电类专业领域的应用。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种适于机电专业的混合信号检测处理实验装置，采用双处理器架构，把PSoC5具有的独特可配置模拟数字特性和STM32F4具有的高性能、实时功能、数字信号处理特性相结合，涵盖了机电专业电子系统设计所需功能。能够较快、自由、灵活地设计出集数字模拟混合信号处理电路、具有实时控制功能与DSP的信号处理功能的混合信号检测处理系统，而不再需要复杂的外围电路，减小了板上面积，同时满足了集成度和小型化的要求。具有实时控制、混合信号控制、数字信号处理、低功耗与低电压操作、集成度高和易于开发等特性，提供了一种新型的信号采集、信号处理和控制方法；软硬件的可编程灵活性，不必更改硬件连接，只需简单更新软件即可轻松变更实验内容，利于调动学生的积极主动，锻炼学生的创新思维。实验装置采用模块化设计，模块之间相互独立，自由组合互联性强满足不同的实验需求；此外，通过有线通信和无线通信接口较容易扩充实验，方便与其他设备连接，组成功能更强，技术先进的物联网实验系统。

本发明的技术方案是：

一种适于机电专业的混合信号检测处理实验装置，包括一种适于机电专业的混合信号检测处理实验装置，包括主板、电源模块、LCD模块、电机控制模块、PSoC5微处理器模块及STM32F4微处理器模块，所述电源模块为本装置的各电气模块提供电源，所述主板配置有双微处理器插槽，左半区的PSoC5微处理器插槽用于连接PSoC5微处理器模块，右半区的STM32F4微处理器插槽用于连接STM32F4微处理器模块，PSoC5微处理器模块及STM32F4微处理器模块的输入输出管脚引致双排插针通过连接导线与主板的外设进行连接，所述主板连接有多个外设及外设接口，所述外设及外设接口包括独立按键及控制手柄、USART单元、CAN控制单元、CapSense触摸感应单元、含WIFI功能的以太网单元、USB接口、SD卡座、10K精密电位器、音频处理单元、摄像头单元、红橙绿蓝4色LED灯、连接电机控制模块的电机控制模块接口、连接LCD模块的LCD模块接口和电源模块连插槽。

本发明的所述电源模块包括5路输出端，分别提供5V、3.3V、2.8V、2.5V、1.8V供电电压，电源模块给各电气模块供电；电源模块的输入端配有9v电池连接座和9V～12V的稳压电压输入口。

本发明的所述LCD模块给用户提供了多种LCD接口，分别是字符型LCD接口、图形LCD接口和TFT LCD接口。

本发明的所述TFT LCD接口提供了触摸屏的连接端，可驱动最大7寸800*480分辨率的LCD触摸屏。

本发明的所述电机驱动控制模块包含两路编码器接口、电流检测接口和控制信号输出端口，两路编码器接口可接光电编码器和霍尔传感器；电机驱动控制模块实现步进电机、无刷直流电机、永磁同步电机的控制。

双微处理器模块包含PSoC5模块和STM32F4模块。PSoC5具有独特的可配置模块阵列，能够通过单个芯片提供MCU、存储器、模拟和数字外设功能。其模拟功能涵盖了从热电偶信号(接近直流电压)到超声波信号的广泛信号范围，可以处理数十个数据采集通道以及每个GPIO引脚上的模拟输入，高精度可编程模拟资源，可以配置为ADC、DAC、TIA、混合器、PGA、运放以及其他模拟器件。PSoC5的高性能可配置数字系统，具有USB、多主控12C以及CAN等接口，可配置为8/16/24/32位计时器、计数器、PWM以及更多高级数字外设。PSoC5还具有易于配置的逻辑阵列，至所有I/O引脚的灵活路由，以及高性能的32位ARM Cortex-M3微处理器内核。通过分层式电路图设计输入工具，设计人员可以使用包含众多预建组件和布尔基元的资料库，轻松创建系统级设计。使用PSoC5不仅可以实现模拟和数字的集成，而且只需通过简单的固件更新，即可轻松纳入最新的设计变更。

STM32F4基于ARM Cortex-M4系列处理器，旨在为用户提供新的开发自由度。它具有高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗与低电压操作特性，同时还保持了集成度高和易于开发的特点。集成了新的DSP和FPU指令，以满足需要有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制需要。采用多重AHB总线矩阵和多通道DMA控制器，可支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速率极快。提供1MB片上Flash，192KB SRAM，支持片外Flash，SRAM，PSRAM，NOR及NAND Flash。丰富的外围设备，比如，摄像头接口、密码处理器、以太网络接口、USB接口，音效PLL及I2S，多个通讯接口USART、SPI、I2C、2个CAN、SDIO等。提供了大量工具和软件选项，为小型项目和完整平台的理想选择。

本发明具有的有益效果是：

采用双处理器架构，即可独立使用也可联合使用，把PSoC5具有的独特可配置模拟数字特性和STM32F4具有的高性能、实时功能、数字信号处理特性相结合，涵盖了机电专业电子系统设计所需功能。PSOC5和STM32F4均是高性能高集成度的微处理器，可简化电子系统设计，降低功耗，缩小PCB尺寸，且提供了所有外设的底层驱动函数，便于更快地开发应用程序，降低软件编写难度，适合硬件技术不强、软件技术不专的机电专业学生进行电子系统设计和嵌入式开发；具有实时控制、混合信号控制、数字信号处理、低功耗与低电压操作、集成度高和易于开发等特性，提供了一种新型的信号采集、信号处理和控制方法；软硬件的可编程灵活性，不必更改硬件连接，只需简单更新软件即可轻松变更实验内容，利于调动学生的积极主动，锻炼学生的创新思维。实验装置采用模块化设计，模块之间相互独立，自由组合互联性强满足不同的实验需求；此外，通过有线通信和无线通信接口较容易扩充实验，方便与其他设备连接，组成功能更强，技术先进的物联网实验系统。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的布局实例图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施例如图1、图2所示。本发明提供一种适于机电专业的混合信号检测处理实验装置，包括主板、电源模块、LCD模块、电机控制模块、PSoC5微处理器模块及STM32F4微处理器模块。

主板配有双微处理器插槽，左半区的PSoC5模块插槽用于连接PSoC5微处理器模块和右半区的STM32F4微处理器插槽用于连接STM32F4微处理器模块，两微处理器模块的输入输出管脚引致双排插针通过连接导线与主板的外设进行连接，两个处理器可单独使用也和配合使用，配合使用时通过连接两处理器的SPI接口进行通讯。主板有丰富的外设，所述主板连接有多个外设及外设接口，所述外设及外设接口包括独立按键及控制手柄、USART单元、CAN控制单元、CapSense触摸感应单元、含WIFI功能的以太网单元、USB接口、SD卡座、10K精密电位器、音频处理单元、摄像头单元、红橙绿蓝4色LED灯、连接电机控制模块的电机控制模块接口、连接LCD模块的LCD模块接口和电源模块连插槽。

具体的主板布局如图2所示，主要有4个可编程的独立按键和一个控制手柄(5向键)、USART单元、CAN控制单元、CapSense触摸感应单元、以太网单元(含WIFI功能)、USB接口、SD卡座、10K精密电位器、音频处理单元、摄像头单元、红橙绿蓝4色LED灯、电机控制模块接口、LCD模块接口，电源模块连插槽。所述电机控制模块接口用于连接电机控制模块。LCD模块接口用于连接LCD模块。这些单元作为实验常用的外设布置在主板上，便于实验者按照不同实验要求搭建实验系统。

电源模块主要给实验装置供电，它包括5路输出端，分别提供5V、3.3V、2.8V、2.5V、1.8V供电电压，给其他连接模块供电；电源模块的输入端配有9v电池连接座和9V～12V的稳压电压输入口。

LCD模块，给用户提供了多种LCD接口，分别是字符型LCD接口、图形LCD接口、TFT LCD接口，满足用户不同需求。TFT LCD接口提供了触摸屏的连接端，可驱动最大7寸800*480分辨率的LCD触摸屏。

电机驱动控制模块包含两路编码器接口、电流检测接口和控制信号输出端口，两路编码器接口可接光电编码器和霍尔传感器；电机驱动控制模块实现步进电机、无刷直流电机、永磁同步电机的控制。

双微处理器模块包含PSoC5模块和STM32F4模块。PSoC5为可编程模拟和数字嵌入式平台，32位应用中，实现无与伦比的上市速度、集成度和灵活性。高精度可编程模拟资源，可以配置为ADC、DAC、TIA、混合器、PGA、运放以及其他模拟器件，还包括增强型的基于可编程逻辑的数字资源，可配置为8/16/24/32位计时器、计数器、PWM以及更多高级数字外设。所拥有的基于PLD的全功能通用逻辑使设计者们拥有了独特的能力，可以对这一数字系统进行客户化设计。并具有丰富的片上外设模块。PSoC5内嵌32位ARMCortex-M3处理器，运算速度高达100DMIPS。因提供0.5～5.5V的电压范围和低至200nA的休眠电流，它们均可满足极低功耗应用的要求。PSoC5具有管脚和API兼容性的无缝可编程设计平台，且拥有可编程通路，允许任何模拟或数字信号分配到任何通用I/O，从而简化了电路板布局。

STM32F4系列处理器以ARM Cortex-M4内核为基础，集成了新的DSP和FPU指令，以满足需要有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制需要。STM32F4采用多重AHB总线矩阵和多通道DMA控制器，可支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速率极快。内核的浮点运算单元FPU提升控制算法的执行速度，提高代码执行效率。提供1MB片上Flash，192KBSRAM，支持片外Flash，SRAM，PSRAM，NOR及NAND Flash。外围设备方面，摄像头接口、密码处理器、以太网络接口、USB接口。音效PLL及I2S：多个通讯接口USART、SPI、I2C、2个CAN、SDIO。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种适于机电专业的混合信号检测处理实验装置，其特征在于：包括主板、电源模块、LCD模块、电机控制模块、PSoC5微处理器模块及STM32F4微处理器模块，所述电源模块为本装置的各电气模块提供电源，所述主板配置有双微处理器插槽，左半区的PSoC5微处理器插槽用于连接PSoC5微处理器模块，右半区的STM32F4微处理器插槽用于连接STM32F4微处理器模块，PSoC5微处理器模块及STM32F4微处理器模块的输入输出管脚引致双排插针通过连接导线与主板的外设进行连接，所述主板连接有多个外设及外设接口，所述外设及外设接口包括独立按键及控制手柄、USART单元、CAN控制单元、CapSense触摸感应单元、含WIFI功能的以太网单元、USB接口、SD卡座、10K精密电位器、音频处理单元、摄像头单元、红橙绿蓝4色LED灯、连接电机控制模块的电机控制模块接口、连接LCD模块的LCD模块接口和电源模块连插槽。

2.根据权利要求1所述的适于机电专业的混合信号检测处理实验装置，其特征在于，所述电源模块包括5路输出端，分别提供5V、3.3V、2.8V、2.5V、1.8V供电电压，电源模块给各电气模块供电；电源模块的输入端配有9v电池连接座和9V～12V的稳压电压输入口。

3.根据权利要求2所述的适于机电专业的混合信号检测处理实验装置，其特征在于，所述LCD模块给用户提供了多种LCD接口，分别是字符型LCD接口、图形LCD接口和TFT LCD接口。

4.根据权利要求3所述的适于机电专业的混合信号检测处理实验装置，其特征在于，所述TFT LCD接口提供了触摸屏的连接端，可驱动最大7寸800*480分辨率的LCD触摸屏。

5.根据权利要求1所述的适于机电专业的混合信号检测处理实验装置，其特征在于：所述电机驱动控制模块包含两路编码器接口、电流检测接口和控制信号输出端口，两路编码器接口可接光电编码器和霍尔传感器；电机驱动控制模块实现步进电机、无刷直流电机、永磁同步电机的控制。

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