CN104900121B - 一种基于智能评价的数字电子技术实验系统及方法 - Google Patents

一种基于智能评价的数字电子技术实验系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于智能评价的数字电子技术实验系统，包括单片机最小系统，单片机最小系统连接有液晶显示屏、逻辑笔、实时时钟、多个按键、多个受控逻辑电平接线插座、受控单脉冲源接线插座和连续脉冲源接线插座，驱动多个数码管；单片机最小系统通过并入串出移位寄存器连接有蜂鸣器、数码管译码选择开关、多个数码管接线插座、发光二极管接线插座和逻辑电平开关。本发明将数字电路实验分为“实验状态”与“评价状态”，在“实验状态”可实现常规数字电子实验箱的功能，在“评价状态”，根据评价规则，对实验电路进行智能评价，大大减少了教师和实验人员的检查、测试和成绩评定的工作量；使学生可以独立完成数字电路实验，利于进行开放性实验。

Description

一种基于智能评价的数字电子技术实验系统及方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，尤其涉及一种基于智能评价的数字电子技术实验系统及方法。
背景技术
术语解释：
受控逻辑电平：由单片机控制的逻辑电平。
受控连续脉冲源：由单片机控制的连续脉冲波形。
受控单脉冲源：由单片机控制的单脉冲波形。
并入串出移位寄存器：并行输入，串行输出的移位寄存器。
数字电子技术实验是电子类课程的主要实验课程。其课程的主要目的是，通过实验，使学生掌握数字逻辑芯片的使用方法和数字逻辑单元电路的功能。
目前的数字电子技术实验箱，仅提供数字电子技术实验所需要的输入开关、时钟源、指示灯、数码管(5)等，并由学生在面包板或芯片插座上利用数字逻辑芯片搭建数字电路。学生是否正确完成实验，需要由教师逐个检查。因实验人数较多，每次实验结果的检查、测试与成绩评定需占总上课时间的一半左右，真正用于指导学生实验的时间不足，同时给教师和实验室人员造成很大的工作量。
专利(CN200520101198.9)“嵌入式智能数字电路实验仪”公开了一种评价实验结果的实验仪，仅仅提出了“自动评价实验过程”、“微处理器数据库”、“自我学习”、“嵌入式微处理器”、“联网”等概念，并未说明其具体的实现方法，而且只是对学生实验中出现的错误进行检测，而不是学生完成实验后进行总体的评价，这不利于对学生实验的整体评价和学生对电路总体性的学习。
发明内容
为解决上述问题本发明提供了一种基于智能评价的数字电子技术实验系统及方法。本发明大大减少了教师和实验人员的检查、测试和成绩评定的工作量；使学生可以独立完成数字电路实验，利于进行开放性实验。
为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：
一种基于智能评价的数字电子技术实验系统，包括单片机系统，所述单片机系统包括单片机最小系统和逻辑电平开关，所述逻辑电平开关包括逻辑电平开关输入和逻辑电平输出接线插座；单片机最小系统分别连接有数码管、连续脉冲源接线插座、受控单脉冲源接线插座、智能评价按键、逻辑笔、液晶显示屏、液晶屏控制按键、实时时钟、逻辑电平输出接线插座、单脉冲按键；220V交流电源从接线插座接入，通过5V稳压电路产生正5伏直流电源，供给单片机系统和+5伏电源接线插座；学生在面包板搭建的数字电路从5伏电源接线插座得到+5伏电源，从直流电源地线接线插座得到+5V电源所对应的地端；单片机最小系统通过并入串出移位寄存器连接有逻辑电平开关输入、蜂鸣器、发光二极管、译码选择开关和数码管接线插座；单片机最小系统通过IO口接入单脉冲按键、液晶屏控制按键、智能评价按键；单片机最小系统通过具有AD转换功能的IO口接入逻辑笔；单片机通过IO口访问液晶显示屏、实时时钟；单片机最小系统通过IO口驱动数码管、连续脉冲源接线插座、受控单脉冲源接线插座、逻辑电平输出接线插座；所述数码管、发光二极管、连续脉冲源接线插座、面包板、受控单脉冲源接线插座和逻辑电平输出接线插座的数量均＞1。
进一步的改进，所述单片机最小系统选用STC12C5A60S2单片机；所述液晶显示屏选用LCD12864液晶显示屏；所述实时时钟选用DS1302实时时钟；所述发光二极管为8个；译码选择开关为段译码与BCD译码选择开关；数码管为4个；所述逻辑电平开关输入为16个，16个逻辑电平开关输入分为第一组逻辑电平开关输入和第二组逻辑电平开关输入，第一组逻辑电平开关输入和第二组逻辑电平开关输入各包括8个逻辑电平开关输入；所述面包板为3个。
进一步的改进，所述面包板的上方从左到右依次设有220V交流电源输入插座、电源开关、5V电源保险丝管、蜂鸣器和数码管，电源开关下方为发光二极管，蜂鸣器下方为译码选择开关，每个数码管下方设有8个数码管输入插座；面包板的下方从左到右依次设有第一组逻辑电平开关输入、第二组逻辑电平开关输入和液晶显示屏，液晶显示屏下方设有显示屏控制按键；面包板左侧从上到下依次设置有连续脉冲源接线插座、受控单脉冲源接线插座、单脉冲源按键、第一外接元件接线插座和第二外接元件接线插座；所述连续脉冲源接线插座为4个，4个连续脉冲源接线插座分别提供1Hz，2Hz，4Hz和8Hz的连续方波输出；面包板右侧从上到下依次设置有智能评价按键、电位器和逻辑笔，所述电位器为2个；面包板的上方和下方都设有5V直流电源接线插座，面包板的左边和右边都设有直流电源地线接线插座。
一种基于智能评价的数字电子技术实验方法，实验系统分为实验状态和评价状态两种状态，在实验状态时，可实现常规数字电子实验箱的功能，在评价状态时，可根据智能评价规则，对学生在面包板上所搭接的实验电路进行智能评价；当实验系统处于评价状态时，单片机根据智能评价规则决定逻辑电平输出接线插座的输出电平、连续脉冲源的输出频率、单脉冲源的输出脉冲。
进一步的改进，所述智能评价规则如下：
5.1)对于组合逻辑电路：
5.1.1)实验规则总数：输入规则条数不多于256条；
5.1.2)占用规则：指具体实验所使用的逻辑电平开关输入与逻辑电平输出接线插座；占用规则共需4个字节，字节一和字节二表示16个逻辑电平开关的占用情况，每个逻辑电平开关对应一个位，对应的位为1表示使用该逻辑电平开关，为0表示不使用该逻辑电平开关；字节三表示8个发光二极管的占用情况，每个发光二极管对应1个位，为1表示使用对应的发光二极管；字节四表示蜂鸣器、数码管译码方式和4个数码管占用情况，其中每个数码管占用1个位，为1表示使用对应的数码管；蜂鸣器占用1个位，为1表示使用蜂鸣器；数码管译码方式占用1个位，为1表示选择段码译码方式，为0表示选择BCD译码方式；
5.1.3)检查规则：每条检查规则共计8个字节；只有相应的逻辑电平开关输入和逻辑电平输出接线插座在占用规则中为1，检查规则中的定义才有效；字节一和字节二为逻辑电平开关的状态，按真值表的顺序列出，作为智能评价的输入；字节三为对应智能评价的输入时，发光二极管应有的输出；字节四、字节五、字节六和字节七为数码管对应智能评价的输入时，应有的输出；字节八的最高位，为对应智能评价的输入时，蜂鸣器的输出；5.2)对于简单时序逻辑电路：
5.2.1)实验规则总数：输入规则条数不多于256条；
5.2.2)占用规则：为表示连续脉冲源的使用情况，共需要5个字节；字节一和字节二表示16个逻辑电平开关的占用情况，每个逻辑电平开关对应一个位，对应的位为1表示使用该逻辑电平开关，为0表示不使用该逻辑电平开关；字节三表示8个发光二极管的占用情况，每个发光二极管对应1个位，为1表示使用对应的发光二极管；字节四表示蜂鸣器、数码管译码方式和4个数码管占用情况，其中每个数码管占用1个位，为1表示使用对应的数码管；蜂鸣器占用1个位，为1表示使用蜂鸣器；数码管译码方式占用1个位，为1表示选择段码译码方式，为0表示选择BCD译码方式；字节五的高4位表示连续脉冲源占有情况，为1表示对应的脉冲源被使用，低4位表示单脉冲源占用情况，为1表示该单脉冲源被使用；对于简单时序逻辑电路，只允许使用一种脉冲源；
5.2.3)初始化规则：使用单脉冲源，对实验电路中所有时序芯片进行初始化；初始化规则占用1个字节，其中高4位表示使用的单脉冲源，为1表示对应的单脉冲源被使用；
5.2.4)检查规则：每条规则占用8个字节；字节一定义经过若干个时钟数；字节二的高4位表示该时钟条件下，对应单脉冲源的状态；字节三为对应智能评价的输入时，发光二极管应有的输出；字节四、字节五、字节六和字节七为数码管对应智能评价的输入时，应有的输出；字节八的最高位，为对应智能评价的输入时，蜂鸣器的输出；
5.3)对于复杂时序逻辑电路：
5.3.1)占用规则：为表示连续脉冲源的使用情况，共需要5个字节；字节一和字节二表示16个逻辑电平开关的占用情况，每个逻辑电平开关对应一个位，对应的位为1表示使用该逻辑电平开关，为0表示不使用该逻辑电平开关；字节三表示8个发光二极管的占用情况，每个发光二极管对应1个位，为1表示使用对应的发光二极管；字节四表示蜂鸣器、数码管译码方式和4个数码管占用情况，其中每个数码管占用1个位，为1表示使用对应的数码管；蜂鸣器占用1个位，为1表示使用蜂鸣器；数码管译码方式占用1个位，为1表示选择段码译码方式，为0表示选择BCD译码方式；字节五的高4位表示连续脉冲源占有情况，为1表示对应的脉冲源被使用，低4位表示单脉冲源占用情况，为1表示该单脉冲源被使用；
5.3.2)初始化规则：使用单脉冲源，对实验电路中所有时序芯片进行初始化；初始化规则占用1个字节，其中高4位表示使用的单脉冲源，为1表示对应的单脉冲源被使用；
5.3.3)检查规则：对于复杂时序逻辑需要根据实验的具体内容，制定检查规则，编写独立的检查程序；其方法为：模拟学生实验的过程，指定输入和控制时间，并检查输出的逻辑状态，当实验电路的输出与预期相符时，可认为实验电路已正确连接。
进一步的改进，包括如下步骤：
步骤一)开启系统，选择实验：开启实验系统，通过液晶控制按键在液晶显示屏上选择需要的实验项目，使实验系统进入对应的“实验状态”；
步骤二)在液晶显示屏上显示出对学生的实验要求，主要包含根据占用规则，指定该实验学生使用实验系统的哪些逻辑电平开关输入与逻辑电平输出接线插座；
步骤三)学生在面包板上根据实验要求搭建电路，搭建电路结束后，学生自行检查实验的输出是否正确；
步骤四)智能评价：当学生认为电路已经搭建正确，按下智能评价按键，实验系统进入评价状态，对搭建好的电路进行评价，评价步骤如下：
6.4.1)单片机根据占用规则和检查规则，通过IO口直接控制指定的逻辑电平开关、连续脉冲源、单脉冲源的输出；
6.4.2)单片机控制逻辑电平开关的同时，同步读入占用规则指定输出的状态；
6.4.3)单片机根据检查规则，逐条检查实际输出与检查规则中的对应输出是否相符；如每条检查规则均相符，则单片机在液晶显示屏上显示正确提示；否则，则单片机在液晶显示屏上显示出错提示。
进一步的改进，当实验系统处于实验状态时，单片机通过移位寄存器读入各个逻辑电平开关输入的状态，并直接将逻辑电平开关输入的状态输出到该逻辑电平开关输入所对应的逻辑电平输出接线插座上；实验系统中的连续脉冲源输出的脉冲分为四种，分别为1Hz，2Hz，4Hz，8Hz的连续方波输出；系统中的单脉冲源，受对应的单脉冲按键控制。
进一步的改进，单片机连接有逻辑笔，单片机对逻辑笔输入的电压进行模拟数字转换，并将AD值标定为实际电压值，显示在液晶显示屏上，同时，根据电压值，判断电路的电平状态；如大于2.4伏表示高电平，红色指示灯亮，低于0.8伏表示低电平，绿色指示灯亮；电压在0.8伏至2.4伏之间，表示不确定状态，红色指示灯和绿色指示灯均不亮。
本发明的优点：
(1)针对数字电路实验，实现评价状态的功能，判断学生是否正确完成实验，并记录其完成实验的时间。
(2)大大减少了教师和实验人员的检查、测试和成绩评定的工作量。
(3)对学生而言，可以独立完成数字电路实验，利于进行开放性实验。
附图说明
图1为本发明的框架示意图
图2为本发明的实际布局示意图；
图3为单片机与三个级联的74LS165的连接图；
图4为三人无弃权表决电路示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示的一种基于智能评价的数字电子技术实验系统，包括单片机系统，所述单片机系统包括单片机最小系统23和逻辑电平开关，所述逻辑电平开关包括逻辑电平开关输入27和逻辑电平输出接线插座28；单片机最小系统23分别连接有数码管5、连续脉冲源接线插座8、受控单脉冲源接线插座9、智能评价按键14、逻辑笔16、液晶显示屏18、液晶屏控制按键19、实时时钟22、逻辑电平输出接线插座28、单脉冲按键29；220V交流电源从接线插座1接入，通过5V稳压电路30产生正5伏直流电源，供给单片机系统和+5伏电源接线插座17；学生在面包板20搭建的数字电路从5伏电源接线插座17得到+5伏电源，从直流电源地线接线插座21得到+5V电源所对应的地端；单片机最小系统23通过并入串出移位寄存器24连接有逻辑电平开关输入27、蜂鸣器4、发光二极管6、译码选择开关7和数码管接线插座25；单片机最小系统23通过IO口接入单脉冲按键29、液晶屏控制按键19、智能评价按键14；单片机最小系统23通过具有AD转换功能的IO口接入逻辑笔16；单片机通过IO口访问液晶显示屏18、实时时钟22；单片机最小系统23通过IO口驱动数码管5、连续脉冲源接线插座8、受控单脉冲源接线插座9、逻辑电平输出接线插座；所述单片机最小系统23选用STC12C5A60S2单片机；所述液晶显示屏18选用LCD12864液晶显示屏；所述实时时钟22选用DS1302实时时钟；所述发光二极管6为8个；译码选择开关7为段译码与BCD译码选择开关；数码管5为4个；所述逻辑电平开关输入27为如16个，16个逻辑电平开关输入27分为第一组逻辑电平开关输入12和第二组逻辑电平开关输入13，第一组逻辑电平开关输入12和第二组逻辑电平开关输入13各包括8个逻辑电平开关输入27；所述面包板20为3个。面包板20的上方从左到右依次设有220V交流电源输入插座1、电源开关2、5V电源保险丝管3、蜂鸣器4和数码管5，电源开关2下方为发光二极管6，蜂鸣器4下方为译码选择开关7，每个数码管5下方设有8个数码管输入插座25；面包板20的下方从左到右依次设有第一组逻辑电平开关输入12、第二组逻辑电平开关输入13和液晶显示屏18，液晶显示屏18下方设有显示屏控制按键19；面包板20左侧从上到下依次设置有连续脉冲源接线插座8、受控单脉冲源接线插座9、单脉冲源按键29、第一外接元件接线插座10和第二外接元件接线插座11；所述连续脉冲源接线插座8为4个，4个连续脉冲源接线插座8分别提供1Hz，2Hz，4Hz和8Hz的连续方波输出；面包板20右侧从上到下依次设置有智能评价按键14、电位器15和逻辑笔16，所述电位器15为2个；面包板20的上方和下方都设有5V直流电源接线插座17，面包板20的左边和右边都设有直流电源地线接线插座21。
如图2所示本实验系统可分为以下几个部分。
1、220V交流电源输入插座；
2、电源开关；
3、5V电源保险丝管；
4、蜂鸣器；
5、数码管，共四个七段数码管及对应的数码管输入接线区，当数码管选择段码译码方式时，等效于共阳极数码管。对应段码译码方式，有a,b,c,d,e,f,g,h八个输入插座；对应BCD译码方式，有“8”，“4”，“2”，1四个插座。其中，前四个输入引脚为共用引脚。即a＝“8”，b＝“4”，c＝“2”，d＝1。
6、发光二极管，共八个，用于指示输出电平，高电平时指示灯亮；
7、译码选择开关，可为段译码与BCD译码选择开关，开关在上方为段译码方式；
8、连续脉冲源接线插座，提供1Hz，2Hz，4Hz，8Hz的连续方波输出。
9、受控单脉冲源接线插座；
10、第一外接元件接线插座和11、第二外接元件接线插座；
12、第一组逻辑电平开关和13、第二组逻辑电平开关，每组分为两小组，总计四小组。分别为“A3，A2，A1，A0”、“B3，B2，B1，B0”和“C3，C2，C1，C0”和“D3，D2，D1，D0”
14、智能评价按键，按下该按键，根据当前所选的实验项目，进行评价，并将当前的评价结果及实验总时间显示在液晶屏上，做为成绩评定的依据。
15、电位器，共两个；
16、逻辑笔；
17、5V直流电源接线插座，在面包板的上方和下方；
18、液晶显示屏；
19、液晶屏控制按键；分别为“上移”、“下移”、“确定”、“取消”。
20、面包板，共三个，为实验接线区；
21、直流电源地线接线插座，在面包板的左边和右边。
实验所需要的+5V 2A的稳压电源，输入为220伏，安装在系统的内部。
本发明的功能通过以下技术方案实现：
(1)总体框图如图1所示。单片机最小系统，液晶显示屏，面包板，数码管，发光二极管，蜂鸣器，逻辑笔，实时时钟，电源，控制按键等。其中，与图2不相关的部分，焊接在电路板的背面。
(2)所述“单片机系统”包括单片机最小系统(如MCS51最小系统)，液晶显示屏和按键。所述的单片机可选用STC12C5A60S2单片机，其指令代码完全兼容传统8051，且内置AD转换器。
(3)所述的液晶显示屏和按键由单片机最小系统控制。
(4)所述的液晶显示屏，可选的型号为LCD12864，其驱动芯片为ST7920，一次可显示32个汉字或64个字符。单片机通过串行口控制液晶显示屏，所需要引脚数为3根。所述的液晶显示屏，用于显示实验项目、实验完成情况等信息。
(5)所述按键有5个，用于选择和查看当前的实验项目，并进行智能评价。其功能分别为“上移”、“下移”、“确定”、“取消”、评价状态。单片机根据按键，控制液晶显示，并进行智能评价。五个按键直接与单片机输入输出引脚相连，所需要的引脚数为5根。
(6)所述的实时时钟，可选的型号为DS1302。可外接可充电锂电池，与单片机直接相连，所需要的引脚数为3根。
(7)所述AD转换，基于成本考虑，由所选的单片机内置的10位AD转换器实现。其目的是将逻辑笔所测试的电压，经模数转换后，显示在液晶显示屏上，可显示数字芯片引脚上的电压。
(8)所述面包板，用于学生搭接实际的实验电路。
(9)与常规的数字电子技术实验箱不同，本发明中的数码管，并非输入插座直接直连。数码管的输入插座(a,b,c,d,e,f,g,h)经并入串出移位寄存器，输入到单片机，由单片机根据当前的译码方式，即段码或BCD译码，对数码管进行译码，采用的方式为动态译码。
(10)与常规的数字电子技术实验箱不同，本发明中的复数个发光二极管，用于指示输入的逻辑状态，高电平时对应的指示灯亮，其状态经并入串出移位寄存器，输入到单片机。
(11)与常规的数字电子技术实验箱不同，本发明中的连续脉冲源，为“受控脉冲源”，由单片机内部产生，即单片机可以根据需要，控制其实际输出的频率。本发明所述实验箱的单脉冲源，为“受控单脉冲”，所接两个按键开关，其逻辑状态接至单片机，由单片机进行按键消抖后，分别输出正脉冲和负脉冲到相应的插座，其中P1P，P2P表示正脉冲，脉冲宽度为10ms，P1N，P2N为负脉冲，负脉冲宽度为10ms。
(12)与常规的数字电子技术实验箱不同，本发明实验系统中的逻辑电平开关，为“受控逻辑开关”。其输出并非直接接至对应的输出插座，逻辑电平开关的电平状态，经并入串出移位寄存器，输入到单片机后，由单片机根据当前的状态，输出逻辑电平到逻辑电平开关对应的输出插座，供实验电路使用。所述的输出插座，直接与单片机的IO口相连接。
(13)与常规的数字电子技术实验箱不同，本发明中的逻辑笔，采用万用表笔，通过万用表笔插座接到单片机的AD转换器对应引脚上。通过由单片机经AD转换后，在液晶显示屏(18)上显示所测得的电压，并根据电压值判断其逻辑电平，并输出驱动逻辑笔指示灯。高电平为红色二极管亮，低电平为绿色二极管亮，当处于不定状态时，两个二极管均不亮。
(14)本发明所述系统框图中的并入串出移位寄存器，可使用多个74LS165串联实现。单片机采用三个引脚与串联后的74LS165相连。图3为单片机与三个级联的74LS165的连接图。其方法也可以扩展到多个74LS165的级联。
实施例2
如图4所示的一种基于智能评价的数字电子技术实验方法，实验用的电路为三人无弃权表决电路，实现的步骤如下：
步骤1，实验箱开机后，在液晶显示屏18上，根据菜单，选择“实验2”。进入“实验状态”状态。
步骤2，在“实验2”页面中，要求学生将实验电路三个输入接在逻辑电平开关组1的“A2，A1，A0”三个逻辑电平开关上，将实验电路的输出接到L1发光二极管上。
步骤3，学生在面包板上，用一片74LS00和一片74LS10及若干导线，搭接电路，并利用逻辑电平开关和发光二极管，自行检查实验的输出是否正确。
步骤4，当学生认为实验电路已正确连接，可按下评价状态按钮，进行评价状态状态。单片机将进行如下操作：
(1)单片机不再读取逻辑电平开关的状态，而是通过IO口直接控制A2，A1，A0的状态，其控制方法可按照“A2A1A0＝000，001，010，011，100，101，110，111”，即真值表的状态进行输出。
(2)在控制输出A2A1A0状态时，单片机同步读入L1的状态，并根据实验要求，判断L1的状态是否正确。当实验电路正确连接时，A2A1A0的状态分别为“011，101，110，111”时，L1应输出为高电平，其它状态则为低电平。
(3)如果L1的状态正确，则说明实验电路正确连接。单片机在液晶屏上显示“完成实验”，及当前的时间。本次实验结束，学生可等待老师登记成绩。
(4)如果L1的状态错误，则说明实验电路出现错误，单片机在液晶屏上显示“出现错误”，学生应继续检查。
(5)当单片机外接晶振频率为12MHz时，单片机可在10ms内完成该实验的评价状态工作。
下文详细说明组合逻辑电路实验智能评价规则的定义方法。
对于组合逻辑电路，其输入为16个逻辑电平开关，输出为8个指示灯和4个数码管，4个数码管，1个蜂鸣器，1个数码管译码选择开关，故每一条检查规则需要4个字节。
一个组合逻辑电路实验的检查规则定义如下。
(1)实验规则总数。通常的组合逻辑电路为2个至8个输入变量，故其输入规则条数为4-256条，不多于256条。
(2)占用规则。要求学生使用的输入插座和输出插座。以三人无弃权表决电路说明，选择A2，A1，A0为输入，L1为输出。1表示该插座被占用，该规则应为表1所示的以下4个字节：
表1三人无弃权表决电路的占用规则
(3)检查规则。定义当输入为某种组合时，输出的逻辑状态。通常输入以真值表的顺序列出。为保证智能评价程序的一致性，每条检查规则为8个字节。其中未在占用规则中定义的引脚，其逻辑状态无意义，不影响评价结果。字节1和字节2为受控逻辑电平开关的状态，按真值表的顺序列出，作为智能评价时的输入；字节3为对应输入，该实验发光二极管应有的输出；字节4、字节5、字节6、字节7为数码管1-数码管4在对应输入时，应有的输出；字节8的最高位，为对应输入时，蜂鸣器的输出。三人无弃权表决电路的检查规则为表2所示。
表2三人无弃权表决电路的检查规则
输入 输出
A3-A0，B3-B0 C3-C0，D3-D0 L1-L8 4个数码管，蜂鸣器输出
00000000 00000000 00000000 00000000 0000000 00000000 00000000 00000000
00010000 00000000 00000000 00000000 0000000 00000000 00000000 00000000
00100000 00000000 00000000 00000000 0000000 00000000 00000000 00000000
00110000 00000000 10000000 00000000 0000000 00000000 00000000 00000000
01000000 00000000 00000000 00000000 0000000 00000000 00000000 00000000
01010000 00000000 10000000 00000000 0000000 00000000 00000000 00000000
01100000 00000000 10000000 00000000 0000000 00000000 00000000 00000000
01110000 00000000 10000000 00000000 0000000 00000000 00000000 00000000
当增加一个新的组合逻辑实验时，需要根据实验内容，定义一组新的实验规则，作为表格形式，保存在单片机的程序存储区。
简单时序逻辑电路实验包括加计数器、减计数器、扭形计数器等。其特点为仅有一个时钟输入，而与逻辑电平开关输入无关。以一个七进制加计数器为例，一个简单时序逻辑电路实验的检查规则定义如下。
(1)实验规则总数。常见的计数器实验，其计数范围在255之内，故规则条数最多为256条。本例为8条。
(2)占用规则。要求学生使用的连续脉冲源插座、单脉冲插座和输出插座。字节1和字节2为受控逻辑电平开关的状态，按真值表的顺序列出，作为智能评价时的输入；字节3为对应输入，该实验发光二极管应有的输出；字节4、字节5、字节6、字节7为数码管1-数码管4在对应输入时，应有的输出；字节8的最高位，为对应输入时，蜂鸣器的输出。字节5的高4位表示连续脉冲源占有情况，为1表示对应的脉冲源被使用，低4位表示单脉冲源占用情况，为1表示该单脉冲源被使用。以七进制加法计数器实验说明，选择CLK1Hz为输入，L1，L2，L3为输出。为1表示该插座被占用，该规则为五个字节，如表3所示。在输入部分，需要确定使用四个连续脉冲源中的任意一个，作为实验的时钟源。
表3七进制加法计数器实验的占用规则
(3)初始化规则。对于时序逻辑电路，由于电路的输出状态历史状态有关，在电路上电后，需要从一个已知的初始状态开始评价。需要对电路增加初始化操作，通常为将所有触发器的输出清零。该规则为一个字节。字节的高4位分别对应P1P,P1N,P2P,P2N。以七进制加法计数器实验说明，选择P1P正脉冲为初始化脉冲，规则定义为：10000000。
(4)检查规则。定义经过复数个时钟后，输出的逻辑状态。为保证智能评价程序的一致性，每条检查规则为8个字节。其中未在占用规则中定义的引脚，其逻辑状态无意义，不影响评价结果。字节1定义经过复数个时钟数。字节2的高4位表示该时钟条件下，对应单脉冲源的状态。字节3为对应时钟，该实验发光二极管应有的输出；字节4、字节5、字节6、字节7为数码管1-数码管4在对应时钟时，应有的输出；字节8的最高位，为对应时钟，蜂鸣器的输出。
对于时序逻辑电路，在评价状态阶段，由单片机改变连续脉冲源的频率，可以短时间内完成智能评价。
复杂时序逻辑电路，如交通灯、抢答器等实验，可使用逻辑电平开关、连接脉冲源、单脉冲源作为输入，发光二极管和数码管作为输出。制定规则的方法为：
(1)占用规则。与简单时序逻辑电路类似，占用5个字节。
(2)初始化规则。与简单时序逻辑电路类似，使用单脉冲，对实验电路进行初始化，需使用1个字节。
对于复杂时序逻辑需要根据实验的具体内容，制定检查规则，编写独立的检查程序。其方法为：模拟学生实验的过程，指定输入、控制时间，并检查输出的逻辑状态，当实验电路的输出与预期相符时，可认为实验电路已正确连接。
1、本发明利用单片机，全面获取数字实验箱的各种输入和输出信号，将通用的逻辑电平开关改为由单片机控制的“受控逻辑电平开关”、单脉冲改为由单片机控制的“受控单脉冲”，并由单片机直接产生“连续脉冲源”。
2、本发明利用单片机驱动数码管，并可选择数码管的译码方式，分为段码译码和BCD译码两种。
3、本发明将实验分为“实验状态”和评价状态两种状态。在“实验状态”状态，单片机接受外部逻辑电平开关输出，并将它的状态直接输出到相应的插座上。在评价状态状态，由单片机根据评价规则，产生所需要的逻辑状态到“受控逻辑开关”，并提高“连接脉冲源”的频率，以便快速完成评价状态。
4、本发明将数字电路实验分为组合逻辑实验、简单时序逻辑实验和复杂时序逻辑电路。并说明了组合逻辑实验、简单时序逻辑电路评价规则的定义方法。对于组合逻辑电路，评价规则包含：规则总数、占用规则、检查规则。对于简单时序逻辑实验，评价规则包含：规则总数、占用规则、初始化规则和检查规则。复杂时序逻辑电路，需要独立的评价程序来实现。
5、由于数字电路的延时时间为几十纳秒的数量级，采用本发明的方法，可以快速进行智能评价。如每1毫秒完成一条评价规则，则1秒由可以完成1000条评价规则。大部分的数字电路均可以1秒内完成智能评价，从而大大减少了检查的时间和工作量。
基于PC机+实验箱的技术方案，同样可以完成本发明的目的。实验箱中的单片机通过RS232串行口或USB或wifi或蓝牙等短距离通讯方法，与PC机进行通讯。
本发明的液晶显示的功能，也可以由PC机实现。即在PC机软件中，选择所做的实验，在PC机上显示需要使用的输入和输出插座，并进行“实验状态”状态。
在“实验状态”状态，PC机不对实验系统进行操作。
在评价状态状态，智能评价规则可以PC机上创建和保存。PC机根据所选的实验项目，将对应的评价规则发送给单片机，由单片机模拟实验的整个过程，并将评价的结果发送给PC机，在PC机显示评价结果和实验的完成时间，作为教师评定成绩的参考。
选择PC机+实验箱的方案，可以更加方便地增加新的实验项目，但会增加系统成本和复杂度。如：需要为每一台实验箱，配备一台PC机，或将所有的实验箱，采用联网的方法，与一台的PC机进行通讯。总的来讲，会增加系统的成本。对于一个实验，所需要完成的实验项目是有限的，当需要增加新的实验项目时，可对单片机进行重新编程。因此，本发明的方案具有成本更低、维护工作量更少的特点。
基于嵌入式操作系统如Android的技术方案，同样可以完成本发明的目的。实验箱中的单片机可采用嵌入式的芯片代替。
以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于智能评价的数字电子技术实验方法，其特征在于，实验系统分为实验状态和智能评价状态两种状态，在实验状态时，可实现常规数字电子实验箱的功能，在评价状态时，可根据智能评价规则，对实验电路进行智能评价；当实验系统处于智能评价状态时，单片机根据智能评价规则决定逻辑电平输出接线插座(28)的输出电平、连续脉冲源接线插座(8)的输出频率、单脉冲源接线插座(9)的输出脉冲；
所述智能评价规则如下：
5.1)对于组合逻辑电路：
5.1.1)实验规则总数：输入规则条数不多于256条；
5.1.2)占用规则：指具体实验所使用的逻辑电平开关输入(27)与逻辑电平输出接线插座(28)；占用规则共需4个字节，字节一和字节二表示16个逻辑电平开关的占用情况，每个逻辑电平开关对应一个位，对应的位为1表示使用该逻辑电平开关，为0表示不使用该逻辑电平开关；字节三表示8个发光二极管(6)的占用情况，每个发光二极管(6)对应1个位，为1表示使用对应的发光二极管(6)；字节四表示蜂鸣器(4)、数码管译码方式和4个数码管(5)占用情况，其中每个数码管(5)占用1个位，为1表示使用对应的数码管(5)；蜂鸣器(4)占用1个位，为1表示使用蜂鸣器(4)；数码管译码方式占用1个位，为1表示选择段码译码方式，为0表示选择BCD译码方式；
5.1.3)检查规则：每条检查规则共计8个字节；只有相应的逻辑电平开关输入(27)和逻辑电平输出接线插座(28)在占用规则中为1，检查规则中的定义才有效；字节一和字节二为逻辑电平开关的状态，按真值表的顺序列出，作为智能评价的输入；字节三为对应智能评价的输入时，发光二极管应有的输出；字节四、字节五、字节六和字节七为数码管(5)对应智能评价的输入时，应有的输出；字节八的最高位，为对应智能评价的输入时，蜂鸣器(4)的输出；
5.2)对于简单时序逻辑电路：
5.2.1)实验规则总数：输入规则条数不多于256条；
5.2.2)占用规则：为表示连续脉冲源的使用情况，共需要5个字节；字节一和字节二表示16个逻辑电平开关的占用情况，每个逻辑电平开关对应一个位，对应的位为1表示使用该逻辑电平开关，为0表示不使用该逻辑电平开关；字节三表示8个发光二极管(6)的占用情况，每个发光二极管(6)对应1个位，为1表示使用对应的发光二极管(6)；字节四表示蜂鸣器(4)、数码管译码方式和4个数码管(5)占用情况，其中每个数码管(5)占用1个位，为1表示使用对应的数码管(5)；蜂鸣器(4)占用1个位，为1表示使用蜂鸣器(4)；数码管译码方式占用1个位，为1表示选择段码译码方式，为0表示选择BCD译码方式；字节五的高4位表示连续脉冲源占有情况，为1表示对应的脉冲源被使用，低4位表示单脉冲源占用情况，为1表示该单脉冲源被使用；对于简单时序逻辑电路，只允许使用一种脉冲源；
5.2.3)初始化规则：使用单脉冲源，对实验电路中所有时序芯片进行初始化；初始化规则占用1个字节，其中高4位表示使用的单脉冲源，为1表示对应的单脉冲源被使用；
5.2.4)检查规则：每条规则占用8个字节；字节一定义经过若干个时钟数；字节二的高4位表示该时钟条件下，对应单脉冲源的状态；字节三为对应智能评价的输入时，发光二极管(6)应有的输出；字节四、字节五、字节六和字节七为数码管(5)对应智能评价的输入时，应有的输出；字节八的最高位，为对应智能评价的输入时，蜂鸣器(4)的输出；
5.3)对于复杂时序逻辑电路：
5.3.1)占用规则：为表示连续脉冲源的使用情况，共需要5个字节；字节一和字节二表示16个逻辑电平开关的占用情况，每个逻辑电平开关对应一个位，对应的位为1表示使用该逻辑电平开关，为0表示不使用该逻辑电平开关；字节三表示8个发光二极管(6)的占用情况，每个发光二极管(6)对应1个位，为1表示使用对应的发光二极管(6)；字节四表示蜂鸣器(4)、数码管译码方式和4个数码管(5)占用情况，其中每个数码管(5)占用1个位，为1表示使用对应的数码管(5)；蜂鸣器(4)占用1个位，为1表示使用蜂鸣器(4)；数码管译码方式占用1个位，为1表示选择段码译码方式，为0表示选择BCD译码方式；字节五的高4位表示连续脉冲源占有情况，为1表示对应的脉冲源被使用，低4位表示单脉冲源占用情况，为1表示该单脉冲源被使用；
5.3.2)初始化规则：使用单脉冲源，对实验电路中所有时序芯片进行初始化；初始化规则占用1个字节，其中高4位表示使用的单脉冲源，为1表示对应的单脉冲源被使用；
5.3.3)检查规则：对于复杂时序逻辑需要根据实验的具体内容，制定检查规则，编写独立的检查程序；其方法为：模拟学生实验的过程，指定输入和控制时间，并检查输出的逻辑状态，当实验电路的输出与预期相符时，可认为实验电路已正确连接。
2.如权利要求1所述的基于智能评价的数字电子技术实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一)开启系统，选择实验：开启实验系统，通过液晶控制按键(19)在液晶显示屏(18)上选择需要的实验项目，使实验系统进入对应的“实验状态”；
步骤二)在液晶显示屏(18)上显示出对学生的实验要求，主要包含根据占用规则，指定该实验学生使用实验系统的哪些逻辑电平开关输入(27)与逻辑电平输出接线插座(28)；
步骤三)学生在面包板(20)上根据实验要求搭建电路，搭建电路结束后，学生自行检查实验的输出是否正确；
步骤四)智能评价：当学生认为电路已经搭建正确，按下智能评价按键(14)，实验系统进入评价状态，对搭建好的电路进行评价，评价步骤如下：
6.4.1)单片机根据占用规则和检查规则，通过IO口直接控制指定的逻辑电平开关、连续脉冲源、单脉冲源的输出；
6.4.2)单片机控制逻辑电平开关的同时，同步读入占用规则指定输出的状态；
6.4.3)单片机根据检查规则，逐条检查实际输出与检查规则中的对应输出是否相符；如每条检查规则均相符，则单片机在液晶显示屏(18)上显示正确提示；否则，则单片机在液晶显示屏(18)上显示出错提示。
3.如权利要求1所述基于智能评价的数字电子技术实验方法，其特征在于，当实验系统处于实验状态时，单片机通过移位寄存器读入各个逻辑电平开关输入(27)的状态，并直接将逻辑电平开关输入(27)的状态输出到该逻辑电平开关输入(27)所对应的逻辑电平输出接线插座(28)上；实验系统中的连续脉冲源输出的脉冲分为四种，分别为1Hz，2Hz，4Hz，8Hz的连续方波输出；系统中的单脉冲源，受对应的单脉冲按键(29)控制。
4.如权利要求2所述的基于智能评价的数字电子技术实验方法，其特征在于，单片机连接有逻辑笔(16)，单片机对逻辑笔(16)输入的电压进行模拟数字转换，并将AD值标定为实际电压值，显示在液晶显示屏(18)上，同时，根据电压值，判断电路的电平状态；如大于2.4伏表示高电平，红色指示灯亮，低于0.8伏表示低电平，绿色指示灯亮；电压在0.8伏至2.4伏之间，表示不确定状态，红色指示灯和绿色指示灯均不亮。
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