CN105913741A - 一种可重构嵌入式创新训练方法与平台 - Google Patents

一种可重构嵌入式创新训练方法与平台 Download PDF

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张磊
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Abstract

本发明提出了一种可重构的嵌入式教学与创新训练方法与平台，提供核心板部分以及根据创新需要搭配的常见的创新模块若干个；主从模块可以按照验证性训练和创新性要求随意搭配，训练设备采用“网格化”布局，实现了“搭积木式”的创新训练模式。在模块不发生严重损坏的情况下，训练设备不存在淘汰的问题，实现了低成本，可以提供单片机系统设计、计算机接口技术，嵌入式系统设计、物联网实训等课程的创新训练。具有良好的性价比、开放性和可扩展性，同时可以根据需要方便地增、减功能模块进行创新。本发明各部分模块布局合理，训练模块全面，基本达到“零”维护，能满足验证型、设计型和综合型、创新型训练的需要。

Description

一种可重构嵌入式创新训练方法与平台
技术领域
本发明属于一种新型的教学与创新训练设备，涉及到主要应用于高等学校及培训机构的电子、嵌入式系统及物联网方向教学与研究的一种可重构嵌入式创新训练方法及平台。
背景技术
目前高校及研究机构中的“一体式”电子训练平台价格昂贵，维护成本较高，使用周期短，给社会资源造成了极大的浪费，且配置不够灵活，主控模块和从模块之间连接不能更改，导致难以进行创新型训练。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种硬件和软件都可以重构的柔性训练方法及训练平台，使原来固化在一个整版上的训练设备模块化，用“搭积木”的方式使训练者的创造力的得到发挥。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的，一种可重构嵌入式创新训练方法，包括如下内容：
(1)提供若干核心模块以及若干扩展模块的硬件训练设备；
(2)硬件训练设备采用模块和模块之间随意组合的训练方式，核心模块和扩展模块均可以根据训练需要增减；
(3)采用网格化布局方式，所述核心模块和扩展模块位置均不固定，根据训练需要放置，在训练升级过程中根据需要增减；
(4)采用模块化的方式提供软件例程，所述软件例程设置在核心模块中，根据硬件模块的设置和训练需要进行配置和增减。
进一步的，所述核心模块采用8位单片机核心模块和32位单片机核心模块。
进一步的，所述各硬件模块间，采用杜邦线的连接方式。
进一步的，所述软件例程由训练人员重新撰写。
本发明的另一方面，一种可重构嵌入式创新训练平台，包括若干核心模块以及若干扩展模块、绝缘板、若干杜邦线；所述绝缘板呈网格状，各模块可置于网格内并通过杜邦线相互连接。
所述核心模块包括8位单片机核心模块和32位单片机核心模块。
所述单片机核心模块设有存储单元，用于存储模块化的软件例程。
所述扩展模块包括RFID射频感应模块、雨水传感器模块、紫外线检测模块、水位检测模块、高精度时钟模块、高精度D/A转换模块、浊度检测模块、电压检测模块、火焰传感器模块、超声波测距模块、烟雾传感器模块、酒精传感器模块、心率脉搏传感器模块震动传感器模块、摄像头模块、Zigbee通信模块、PM2.5检测模块、串口转WIFI模块、温湿度传感器、防水型温度传感器、可燃气体传感器、人体检测模块、语音识别模块、加速度计或陀螺仪模块、环境光传感器模块、高灵敏度声音传感器模块、跟踪传感器模块、触摸传感器模块、土壤湿度传感器模块、有害气体检测模块、颜色识别传感器、SD卡或Micro SD卡模块、多路继电器模块、步进电机模块、温度气压传感器模块、SI4463无线通信模块、OLED显示屏、多路电源模块、测速传感器模块。
相对于现有技术，本发明所述的一种可重构嵌入式创新训练方法及平台主要有以下优势：
本发明采用“网格化”布局，实现了“搭积木式”的创新训练模式。在模块不发生严重损坏的情况下，训练设备不存在淘汰的问题，实现了低成本，可以提供单片机系统设计、计算机接口技术，嵌入式系统设计、物联网实训等课程的创新训练。具有良好的性价比、开放性和可扩展性，同时可以根据需要方便地增、减功能模块进行创新。采用本发明可以实现验证型、设计型和综合型、创新型训练的需要。具有高性价比、高度开放性和较强的扩展功能，同时可以根据需要方便地增、减功能模块进行创新。本发明各部分模块布局合理，训练模块全面，基本达到“零”维护。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为本发明的布局图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合实施例以及附图来详细说明本发明。
本发明采用的技术方案是：8位单片机核心模块和32位单片机核心模块+若干扩展模块的组合，模块和模块之间随意组合的训练方式，能为教师科研项目，电子设计竞赛、单片机竞赛等大学生科技活动，提供一个灵活可靠的硬件及软件调试的平台，它能满足自动化及计算机嵌入式系统等相关专业方向的训练、实习及毕业设计需求。
该训练平台以核心模块作为控制核心，带有各种功能模块如：RFID射频感应模块、雨水传感器模块、紫外线检测模块、水位检测模块、高精度时钟模块、高精度D/A转换模块、浊度检测模块、电压检测模块、火焰传感器模块、超声波测距模块、烟雾传感器模块、酒精传感器模块、心率脉搏传感器模块震动传感器模块、摄像头模块、Zigbee通信模块、PM2.5检测模块、串口转WIFI模块、温湿度传感器、防水型温度传感器、可燃气体传感器、人体检测模块、语音识别模块、加速度计或陀螺仪模块、环境光传感器模块、高灵敏度声音传感器模块、跟踪传感器模块、触摸传感器模块、土壤湿度传感器模块、有害气体检测模块、颜色识别传感器、SD卡或Micro SD卡模块、多路继电器模块、步进电机模块、温度气压传感器模块、SI4463无线通信模块、OLED显示屏、多路电源模块、测速传感器模块。在该众多模块基础上用户可以实现各种功能的应用系统，满足各方面的教学创新要求。
开发平台组成框图如图1所示，布局图如图2所示。
本发明的平台采用标配的12V、5V、3.3V多路电源模块供电，8位单片机模块或32位单片机模块作为本训练平台的主控模块
1、RFID射频感应模块：本模块可直接装入各种读卡器模具。模块采用电压为3.3V,通过SPI接口简单的几条线就可以直接与用户任何CPU主板相连接通信,可以保证模块稳定可靠的工作、读卡距离远。
2、雨水传感器模块：模拟输出，可以连接单片机的AD口检测滴在上面的雨量大小。数字输出也可以连接单片机检测是否有雨。
3、紫外线检测模块：模块输出电压随检测环境中紫外线强度的升高而增大
自带放大电路，且放大倍数可调，用于紫外线测试仪、户外紫外线监测设备和杀菌灯设备等。
4、水位传感器：水位传感器是通过具有一系列的暴露的平行导线线迹测量其水滴/水量大小从而判断水位。轻松完成水量到模拟信号的转换，输出的模拟值可以直接被核心板读取，达到水位报警的功效。
5、高精度时钟模块：DS3231是低成本、高精度I2C实时时钟(RTC)，具有集成的温补晶振(TCXO)和晶体。该器件包含电池输入端，断开主电源时仍可保持精确的计时。
6、高精度D/A转换模块：数字场合下，需要查看单片机内部的某部分数据，这种情况就可以通过把数字转换为模拟信号，方便外部直观查看。
7、浊度检测模块：浊度传感器是利用光学原理，通过液体溶液中的透光率和散射率来综合判断浊度情况，需要外接控制进行AD转换，换算得到对应环境下的浊度情况，所以该传感器还需要制作外围电路才能在系统中检测，带防水探头，主要适用于洗衣机、洗碗机等设备浊度检测，也可以用于电子设计、毕业设计、电子竞赛训练等应用场合。
8、电压检测模块：此模块基于电阻分压原理所设计，能使端子接口输入的电压缩小5倍，Arduino模拟输入电压最大为5V，那么电压检测模块的输入电压则不能大于5V×5＝25V(如果用到3.3V系统，输入电压不能大于3.3Vx5＝16.5V)。
9、火焰传感器模块：2路火焰传感器模块火光检测火源传感器模块红外接收，可以检测火焰或者波长在760纳米～1100纳米范围内的光源，打火机测试火焰距离为80cm，对火焰越大，测试距离越远2、探测角度60度左右，对火焰光谱特别灵敏。
10、超声波测距模块：采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间.测试距离＝(高电平时间*声速(340M/S))/2。
11、烟雾传感器模块：用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、烟雾等的探测。
12、酒精传感器模块：具有信号输出指示；双路信号输出(模拟量输出及TTL电平输出)；TTL输出有效信号为低电平,可直接接单片机；模拟量输出0～5V电压，浓度越高电压越高；对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度和良好的选择性；具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；快速的响应恢复特性。
13、心率脉搏传感器模块:用来测试心跳速率和脉搏波形的传感器，适用于学生、艺术家、运动员、开发者、游戏或者运动终端开发人员，可以开发出和心率有关的互动产品。
14、震动传感器模块:采用灵敏度震动开关，默认用SW-18010P震动传感器，比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA；工作电压3.3V-5V；输出形式：数字开关量输出(0和1)。
15、摄像头模块：图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。高灵敏度适合低照度应用；低电压适合嵌入式应用；兼容I2C接口RawRGB,RGB(GRB4:2:2,RGB565/555/444),YUV(4:2:2)和YCbCr(4:2:2)输出格式；支持VGA,CIF,和从CIF到40x30的各种尺寸。
16、Zigbee通信模块：是个基于XBee接口的串口通信底板，板载按键及LED，引出UART接口，方便你的开发、调试。自带按键、LED，方便测试、烧写；作为USB转UART模块使用；自带CP2102，引出UART接口及对外供电接口，方便接入系统。
17、PM2.5浓度检测模块：采用Sharp光学灰尘传感器(GP2Y1010AU0F)，用于检测直径大于0.8μm灰尘颗粒浓度，如香烟烟雾；超低功耗，电压模拟量输出，电压大小随灰尘浓度成线性关系；内置升压电路，适应更宽范围的输入电压。
18、串口转WIFI模块：将核心板的UART转成WIFI信号。功能强大内部跑LWIP协议；支持三种模式：AP,STA,AP+STA共存模式；善简洁高效的AT指令，开发更简单。
19、温湿度传感器：检测周围环境的湿度和温度；传感器采用DHT11；湿度测量范围：20％-95％(0度-50度范围)湿度测量误差：+-5％；温度测量范围：0度-50度温度测量误差：+-2度；工作电压3.3V-5V；输出形式数字输出。
20、防水型温度传感器：不锈钢头引线1米,钢管6*50；每个探头经过严格测试；3.0V～5.5V供电；9～12位可调分辨率；感温范围宽-55℃～+125℃(引线只能最高只能承受温度85度左右)；无需外部元件，独特的单总线接口。
21、可燃气体传感器：用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、烟雾等的探测；采用优质双面板设计，具有电源指示和TTL信号输出指示；具有DO开关信号(TTL)输出和AO模拟信号输出；TTL输出有效信号为低电平。(当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机或继电器模块)；模拟量输出电压随浓度越高电压越高。
22、人体检测模块：全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。超小体积。
可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。工作电压范围宽：默认工作电压DC4.5V-20V。微功耗:静态电流<50微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。
23、语音识别模块：支持SPI接口和并行接口的非特定语音识别模块,板载咪头和有源晶振，方便在电子产品中实现语音识别、声控和人机对话功能。
24、加速度计/陀螺仪模块：MPU-6050模块(三轴陀螺仪+三轴加速度)；
供电电源：3-5V(内部低压差稳压)；通信方式：标准IIC通信协议；芯片内置16bit AD转换器，16位数据输出；陀螺仪范围：±250 500 10002000°/s；加速度范围：±2±4±8±16g。
25、环境光传感器模块：采用ROHM原装BH1750FVI芯片；供电电源：3-5v
光照度范围：0-65535lx；传感器内置16bitAD转换器；直接数字输出，省略复杂的计算，省略标定；不区分环境光源；接近于视觉灵敏度的分光特性；
可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定。
26、高灵敏度声音传感器模块：可以检测周围环境的声音强度,使用注意：此传感器只能识别声音的有无(根据震动原理)不能识别声音的大小或者特定频率的声音；灵敏度可调(图中蓝色数字电位器调节)；工作电压3.3V-5V；输出数字开关量输出(0和1高低电平)。
27、跟踪传感器模块：每1路的传感器的红外发射管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，红外接收管一直处于关断状态，此时模块的TTL输出端为高电平，相应指示二极管一直处于熄灭状态；当被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，红外接收管导通，此时模块的TTL输出端为低电平，指示二极管被点亮。
28、触摸传感器模块：该模块是一个基于触摸检测IC(TTP223B)的电容式点动型触摸开关模块。常态下，模块输出低电平，模式为低功耗模式；当用手指触摸相应位置时，模块会输出高电平，模式切换为快速模式；当持续12秒没有触摸时，模式又切换为低功耗模式。可以将模块安装在非金属材料如塑料、玻璃的表面
29、土壤湿度传感器模块：产品可以宽范围控制土壤的湿度，通过电位器调节控制相应阀值，湿度低于设定值时，DO输出高电平，高于设定值时，DO输出低电平；比较器采用LM393芯片，工作稳定；工作电压3.3V-5V。
30、有害气体检测模块：主要适用于氨气、氮氧化合物、醇类、芳族化合物、硫化物和烟雾等；模拟输出电压随检测环境中气体浓度的升高而增大快速的响应恢复特性；灵敏度可调；信号输出指示。工作电压：2.5V-5.0V
31、颜色识别传感器：工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。该传感器的典型输出频率范围从2Hz～500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100％、20％或2％的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。
32、SD卡/Micro SD卡模块：Micro SD卡读写模块，通过文件系统及SPI接口驱动程序，单片机系统即可完成MicroSD卡内的文件进行读写。Arduino用户可直接使用Arduino IDE自带的SD卡程序库即可完成卡的初始化和读写。
33、多路继电器模块：工作电压：推荐直流8V-36V(极限工作电压直流6V-48V)
额定功率：静态功率(继电器未吸合时)小于0.1W，关闭显示小于0.03W
最大功率(继电器全部吸合时)小于1.8W；工作温度：推荐-20℃—60℃(极限工作温度范围-30℃—70℃)；负载能力：继电器常开端口最大负载能力：直流0-30V/10A，交流0-250V/10A；继电器常闭端口最大负载能力：直流0-28V/10A，交流0-125V/10A
34、步进电机模块：步进电机驱动模块使用ULN2003大功率达林顿芯片驱动步进电机输入电压：5V-12V之间；“-”为负极，“+”为正极，电压：5-12伏输入；IN1-IN4接单片机信号输入；配有步进电机的标准接口，使用时可直接插拨方便；配置四相LED指示灯，随时了解工作状态。
35、温度气压传感器模块：通过I2C总线直接与各种微处理器相连；压力范围：300～1100hPa(海拔9000米～-500米)；电源电压：1.8V～3.6V(VDDA)，1.62V～3.6V(VDDD)；低功耗：5μA，在标准模式；高精度：低功耗模式下分辨率为0.06hPa(0.5米)；高线性模式下分辨率为0.03hPa(0.25米)。
36、SI4463无线通信模块：Si4463是高性能低电流的433MHz收发器；包括完整的发送器和接收器。最高灵敏度为-126dBm,最大输出功率+20dBm，支持(G)FSK，4(G)FSK，(G)MSK,OOK和ASK调制，数据速率范围为100bps～1Mbps,工作电压1.8V～3.6V；在最大功率设置条件下，开阔通信距离可达2000千米。
37、OLED显示屏：0.96寸128×64OLED显示屏,支持SPI、I2C接口写入。
38、测速传感器模块：广泛用于电机转速检测，脉冲计数,位置限位等。使用进口槽型光耦传感器；有输出状态指示灯，输出高电平灯灭，输出低电平灯亮；有遮挡，输出高电平；无遮挡，输出低电平；比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA；工作电压3.3V-5V；输出形式：数字开关量输出(0和1)
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可重构嵌入式创新训练方法，其特征在于，包括如下内容：
(1)提供若干核心模块以及若干扩展模块的硬件训练设备；
(2)硬件训练设备采用模块和模块之间随意组合的训练方式，核心模块和扩展模块均可以根据训练需要增减；
(3)采用网格化布局方式，所述核心模块和扩展模块位置均不固定，根据训练需要放置，在训练升级过程中根据需要增减；
(4)采用模块化的方式提供软件例程，所述软件例程设置在核心模块中，根据硬件模块的设置和训练需要进行配置和增减。
2.根据权利要求1所述的一种可重构嵌入式创新训练方法，其特征在于，所述核心模块采用8位单片机核心模块和32位单片机核心模块。
3.根据权利要求1所述的一种可重构嵌入式创新训练方法，其特征在于，所述各硬件模块间，采用杜邦线的连接方式。
4.根据权利要求1所述的一种可重构嵌入式创新训练方法，其特征在于，所述软件例程可由训练人员根据训练需要重新撰写载入。
5.一种可重构嵌入式创新训练平台，其特征在于，包括若干核心模块以及若干扩展模块、绝缘板、若干杜邦线；所述绝缘板呈网格状，各模块可置于网格内并通过杜邦线相互连接。
6.根据权利要求5所述的一种可重构嵌入式创新训练平台，其特征在于，所述核心模块包括8位单片机核心模块和32位单片机核心模块。
7.根据权利要求6所述的一种可重构嵌入式创新训练平台，其特征在于，所述单片机核心模块设有存储单元，用于存储模块化的软件例程。
8.根据权利要求5所述的一种可重构嵌入式创新训练平台，其特征在于，所述扩展模块包括RFID射频感应模块、雨水传感器模块、紫外线检测模块、水位检测模块、高精度时钟模块、高精度D/A转换模块、浊度检测模块、电压检测模块、火焰传感器模块、超声波测距模块、烟雾传感器模块、酒精传感器模块、心率脉搏传感器模块震动传感器模块、摄像头模块、Zigbee通信模块、PM2.5检测模块、串口转WIFI模块、温湿度传感器、防水型温度传感器、可燃气体传感器、人体检测模块、语音识别模块、加速度计或陀螺仪模块、环境光传感器模块、高灵敏度声音传感器模块、跟踪传感器模块、触摸传感器模块、土壤湿度传感器模块、有害气体检测模块、颜色识别传感器、SD卡或Micro SD卡模块、多路继电器模块、步进电机模块、温度气压传感器模块、SI4463无线通信模块、OLED显示屏、多路电源模块、测速传感器模块。
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