CN105096706A - 一种电工和电子技术实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电工和电子技术实验装置，其包括母板和可与母板插接的子板，所述子板包括LCD显示模块、电源升压模块、电源降压模块、电机模块、电阻测量模块、高速压控模块、MDAC模块、频率测量相位跟踪模和LED模块，所述母板包括MCU、通信模块和存储器，所述通信模块包括USB、UART、I2C、SSI/SPI以及CAN。本装置在实验过程只需将要进行实验的模块插到母板上，分模块的设计有助于提高学生对待实验部分的关注，具备集简易性、通用性、便携性、模块化等于一体的优点。

Description

一种电工和电子技术实验装置

【技术领域】

本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种电工和电子技术实验装置。

【背景技术】

传统的电工和电子技术领域使用的模拟电路实验箱，绝大部分的设计都是将经典的模拟电路设计电路方案直观的平铺在试验箱上，学习者通过复杂的跳线来完成学习和实验。由于电路的布局有限，一个试验箱中很难囊括绝大部分的模拟电路。所有在教学中，往往需要多个类似的不同电路的试验箱才能完成的体现模拟电路的所有涉及内容，而且原有的试验箱往往是需要大量的配套诸如示波器、万用表等仪器仪表的支持才能完成。传统大学试验箱功能虽然强大涵盖的知识面全，但是也有体积大、不易携带、辅助设备复杂、调试困难、针对性不强、成本高等诸多劣势存在。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种电工和电子技术实验装置，其采用模块化设计，实验过程只需将要进行实验的模块插到母板上，分模块的设计有助于提高学生对待实验部分的关注，具备集简易性、通用性、便携性、模块化等于一体的优点。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种电工和电子技术实验装置，其包括母板和可与母板插接的子板，所述子板包括LCD显示模块、电源升压模块、电源降压模块、电机模块、电阻测量模块、高速压控模块、MDAC模块、频率测量相位跟踪模和LED模块，所述母板包括MCU、通信模块和存储器，所述通信模块包括USB、UART、I2C、SSI/SPI以及CAN。

作为本发明进一步的改进，所述MCU采用TivaC系列TM4C123xARMCortex-M4MCU。

作为本发明进一步的改进，所述母板通过USB线供电，供电电源采用MiniUSBA接口标准。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果为：

本发明很好的准对现有技术存在的问题做出了优化改进，在保留原有内容不缩水的情况下，提出了简易性、通用性、便携性、模块化等于一体的综合解决方案。使得大学生开展相关知识学习试验时更为便捷高效。

由于采用了BoosterPack接口标准，使得本发明装置的模块化设计可以涉及到更多的专业领域方向，而和已有的模块不产生任何对立和冲突，具备无限可扩展性。

本实验装置套件主要针对大中专院校电工电子类课程教育而定制，涵盖包括单片机(MCU)、信号链电路、电源等诸多大类的电子类高校课程内容。能够协助高校教师更好地完成电工电子类相关课程的教学工作。

本发明设计了统一接口的模块，针对不同方向的电工电子类知识，结合本身的特性整合到独立的一个模块电路上形成子板，使得学生有针对性的学习知识。

本发明包含了LCD模块，能够通过编程实现基本的数据监测和显示功能。

本发明实验装置套件缩小了电路的尺寸，将模拟电路的经典案例根据分类放在了不同的模块中，需要或者想要学习哪块内容就只需要选择对应的模块。而不需要考虑其他的电路。

【附图说明】

图1为本发明系统连线拓扑示意图；

图2为本发明USB线的剖面图；

图3为本发明USB线的数据构成图；

图4为实施例3的软件流程图；

在附图中：

1聚乙烯树胶护套、2外屏蔽层、3内屏蔽层、4差分信号线、5VBUS、6电源地线。

【具体实施方式】

下面将结合附图1-4对本发明进行进一步详细的说明。

本发明的电工和电子技术实验装置为大学生创新实验套件(下文简称：MSEK)主要由母板(TivaCortex-M4Launchpad)和子板(多种类型模拟实验模块)组成。子板包括、LCD显示模块(LCD)、电源升压模块(DC-DC_Boost)、电源降压模块(DC-DC_Buck)、电机模块(Motor)、电阻测量模块(ResistorMeasure)、高速压控模块(High-Speed)、MDAC模块(MDAC)、频率测量相位跟踪模块(Frequence-Phace-Lock)和LED等模块组成。

本装置是配合TI的TivaCortex-M4LaunchPad微控制器开发板完成模拟电路的教学实验课程培训。

其中母板包括TivaC系列TM4C123xARMCortex-M4MCU，其是率先采用65纳米闪存工艺技术构建、基于Cortex-M的MCU，为实现更快速、更大容量、更低功耗的存储器设定了发展蓝图。提供工作速率达80MHz的ARMCortex-M4浮点内核；它通过高性能模拟集成支持混合信号应用：两个高性能12位模数转换器(ADC)与3个比较器；无需性能权衡：可在全面1MSPS额定速率下实现12位ADC高精度，无需任何硬件平衡；支持片上连接选项通信：包括USB(主机、器件与移动)、UART、I2C、SSI/SPI以及CAN等；支持用户界面或配置参数的高持久、非易失性存储，可降低系统成本：使用集成型EEPROM；可实现更长的电池使用寿命，支持有限的功率预算：低功耗，待机电流低至1.6mA；满足不同应用需求：提供高达256KB闪存及32KBSRAM的器件选项。

本发明的配套软件包括：开发工具软件和实际可运行在TivaCortex-M4上的可执行程序，所述开发工具主要有：

CCS软件

最为重要的是有TI提供的CCS(CodeComposerStudio)。它支持软件开发过程、CCS组件及CCS使用的文件和变量。CCS提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具，它便于实时、嵌入式信号处理程序的编制和测试，它能够加速开发进程，提高工作效率。

LMFlashProgrammer

LMFlashProgrammer是应用在TivaC系列和Stellaris系列微控制器开发板和评估板上做flash编程烧写的免费软件。它可以讲CCS编译生成的.bin文件直接烧写到MCU的flash中上电运行。

其中试验程序软件如下：

TivaCortex-M4上编写的用于模块实验的支持性的软件程序。在不同的模块实验中，独立的模块都需要连接到MCU上做信号生成、数据采集已经后台处理和LCD显示等诸多功能。本发明解决方案提供了一整套完整的软件程序。其中包括所有独立模块的支持软件程序同时也整合所有的模块程序到一个软件中，学习者可以根据自己的实验需要选择程序运行。

本发明中所有的模块采用唯一USB供电，实验套件通过USB线供电无需专用的电源，学生可以很方便将实验套件联接到计算机的USB口或者测试仪器的USB口。如附图3和4所述，USB导线有中有两根差分信号线4(D+和D-)和两根电源线(+5V和电源地)，USBOGT标准中对miniusb接头定义多出一个ID线，用来检测插入的USB是master还是device。

信号线中的D+和D-是一种差分信号线4，两根信之间的电压差作为判断传输信号的逻辑高或逻辑低，电源线+5V在USB协议里定义为Vbus5，而另一条线为电源地线6。协议规定USB集线器可向设备提供最大500mA电流。而包在信号线和电源线由内到外分辨包裹的是内屏蔽层3、外屏蔽层2和聚氯乙烯树胶护套1。这样由内而外的形成强大的信号屏蔽和机械保护功能。

为了保证足够的输入电压和终端阻抗，重要的终端设备应位于电缆尾部，每个端口都可检测终端是否连接或分离，并区分出高速或低速设备。电缆中还有两条互相缠绕的数据线。所有设备都有一个上行和下行的连接，上行连接器和下行连接器不可互换，因而避免了集线器间非法的、循环往复的连接。

USB电缆的总长度不得超过5m。在全速和低速时，(D+)-(D-)＞200mv表示1信号，(D+)-(D-)＜-200mV表示0信号。USB通过一种四芯电缆传送信号和电源。USB1.0提供了两种速率：低速1.5MB/s、全速12MB/s，这意味着USB全速的数据传输速度比普通的串口快了100倍，比普通并口也快10多倍。USB2.0在USB1.0的基础上增加了另一种数据传输速率：高速480MB/s。因为过多低速模式的使用将降低总线利用率，所以该模式只支持少量设备。

如附图1所示，通过子板与母板直接的可选择插接实现不同的实验。一般步骤如下：

第一步：将本发明装置通过USB线供电，无需专用的电源，学生可以很方便将实验套件联接到计算机的USB口或者测试仪器的USB口。TI最新推出的TivaCortex-M4Launchpad单片机可以直接连接计算机进行编程调试。如图1第一行所示。它能够帮助学生学习TI的CodeComposerStudio(CCS)合成开发环境，并且通过编程烧写到TivaLaunchPadMCU上来掌握MCU的构成原理和基本编程方法等；

第二步：完成第一步的入门后，学生能够通过MSEK母版连接TivaLaunchPad和LCD模块。LCD模块涵盖了LCD显示原理、按键中断的实现、ADC采样方法、MicroSD卡的读写操作等诸多知识点。

第三步：在第二步的基础上可以添加例如电机模块电路、频率相位模块电路等分立模块电路。每个模块都有自己的知识点，例如电机模块中需要TivaLaunchPadMCU为电机提供PWM波用于驱动电机运转。学生可以通过CCS编程烧写到MCU上来理解步进电机和直流电机的驱动过程和差异等等。

第四步：通过MSEK母版连接MCU、LCD、电源升压模块(DC-DC-Boost)，并将LED板链接到电源升压模块上，可以理解并掌握boost电源拓扑、理解并掌握输出电压的调节方式、带反馈和无反馈电路的差异、LED恒流驱动的原理等知识点内容。以下通过具体实施例进行说明。

实施例1

由一块TivaMCU加上一个LCD通过BoosterPack通用的接口完成连接。而USB的另一端则都是连接上位机调试PC机。

实施例2

由TivaLaunchPad+目标实验模块+LCD显示模块构成。可以完成对于模块的实验教学。例如：目标实验模块如果是电机模块，那么整套方案就是通过TivaLaunchPad提供电机模块驱动所需的PWM信号，模块利用驱动信号启动电机运转，电机叶轮切割红外对管的信号反馈给MCU计数统计转数后将转数信息发送给LCD显示。

实施例3DC-DC-Boost电源升压模块实验

由TivaLaunchPad+LCD显示模块+ADC功能模块+PWM功能模块构成。其中TivaCortex-M4中的程序通过PB7口产生PWM波控制tps61165工作，完成LED串点亮以及电流控制，可通过LCD开发板上的滚轮调节PWM波的占空比进而实现电流的调节；通过PE2的ADC功能读取电压测量电路中的OPA330的输出电压，并根据电路原理图计算出测量点的电压值，显示在LCD上；通过PE3的ADC功能读取电流测量电路中的INA213的输出，并根据电路原理图以及INA213的放大倍数(50倍)计算得出测量点的电流值，显示在LCD上。具体工作流程图见附图4。

总结以上不同的方式，MESK提供了一种多元立体的学习体系供学习者自行搭配学习内容和方式。

本发明的优点如下：

无限可扩展性：由于采用了BoosterPack接口标准，使得MESK的模块化设计可以涉及到更多的专业领域方向，而和已有的模块不产生任何对立和冲突。

专业针对性强：结合不同的专业方向知识生成的模块电路本身就具备了针对性强的特点。在学习某个知识点是，无需担心到它的障碍影响到学习效果。

解决的主要问题：合理有效的解决了传统试验箱的弊端：结构复杂、设备庞大、便携性差，条件限制多等劣势。本系统方案便捷轻巧，无需特殊电源供电。学习者可以带回家或宿舍进行开发学习。只需一个连接计算机的USB接口便可以实现。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电工和电子技术实验装置，其特征在于：其包括母板和可与母板插接的子板，所述子板包括LCD显示模块、电源升压模块、电源降压模块、电机模块、电阻测量模块、高速压控模块、MDAC模块、频率测量相位跟踪模和LED模块，所述母板包括MCU、通信模块和存储器，所述通信模块包括USB、UART、I2C、SSI/SPI以及CAN。

2.根据权利要求1所述的一种电工和电子技术实验装置，其特征在于：所述MCU采用TivaC系列TM4C123xARMCortex-M4MCU。

3.根据权利要求1或2所述的一种电工和电子技术实验装置，其特征在于：所述母板通过USB线供电，供电电源采用MiniUSBA接口标准。