CN106377906B - 用于智能电子积木的信号产生和调节方法及其硬件模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于智能电子积木的信号产生和调节方法及其硬件模块。所述方法利用传感器单元实时监测环境参数的变化，并根据物理参数的变化产生不同强度的电压信号，电压信号经过模数转换器变换为数字信号并由处理器进行运算得到输出的数字信号，输出的数字信号经过数模转换器变换为电压信号输出给下一级模块。所述硬件模块包括：高电平输入端、数据总线输入端、信号输入端、低电平输入端、高电平输出端、数据总线输出端、信号输出端、低电平输出端、传感器单元、处理器、模数转换器、数模转换器等。本发明实现智能积木模块的标准安装结构，便于积木模块之间的自由拼接，使得智能积木模块的搭接结构简洁，使用方便。

Description

用于智能电子积木的信号产生和调节方法及其硬件模块

技术领域

本发明涉及智能玩具技术领域，具体涉及用于智能电子积木的信号产生和调节方法及其硬件模块。

背景技术

前的很多电路类实验产品都是以一种独立形式存在的，无法与机械结构类的产品一起使用，其拼接、电路连接都存在各种限制，使用者难以根据自己的需求和想法自由拼接，难以调动青少年儿童对于搭建结构以及电路原理的认知。而可自由组合、根据用户想法自由拼接的智能、模块化积木，能满足用户在进行积木拼接的过程中，感受电子控制电路带来的乐趣并学习相关知识。为了实现用户根据电路原理自由设计各种电路结构，实现积木系统的智能控制和物理量表达和显示，有必要提出了用于智能电子积木的信号产生和调节方法及硬件模块。本发明的涉及的智能积木系统由多个智能积木模块(简称积木模块)构成。

发明内容

为了实现用户根据电路原理自由设计各种电路结构，实现积木系统的智能控制和物理量表达和显示，提出了用于智能电子积木的信号产生和调节方法，该方法可利用任何物理传感器单元感应环境物理量的强度及其变化，根据该物理量的强度大小转换为相应的电压信号，电压信号经过修正、调整、模数变换、数学和逻辑运算、数模变换等多种多个步骤，将传感单元所探测得到的物理量强度以统一的信号输出，为智能积木模块提供控制信号。用于智能电子积木的信号产生和调节硬件模块，提供了传感器单元、电路板的封装部件，提供积木模块的安装结构，实现智能积木模块的标准安装结构，便于积木模块之间的自由拼接。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

用于智能电子积木的信号产生和调节方法，其利用传感器单元实时监测环境物理参数的变化，并根据物理参数的变化产生不同强度的电压信号，电压信号经过模数转换器变换为数字信号并由处理器进行运算得到输出的数字信号，输出的数字信号经过数模转换器变换为电压信号输出给下一级智能积木模块；具体包括如下步骤：

1)智能积木系统的调节器通过数据总线对处理器进行参数设置，从而确定传感器的灵敏度和触发值，并将参数存储在处理器的内部存储器中；

2)传感器单元读取需要探测的环境物理参数强度，根据步骤1)中所设定的灵敏度数值，处理器将传感单元当前所探测到的强度与设定的灵敏度范围进行对比，如果当前的物理参数强度低于灵敏度范围的最小值或者高于灵敏度范围的最大值，则对传感器的参考电压进行修正，使得当前探测得到的物理参数强度落在设定的灵敏度范围中；

3)传感器单元根据采样频率读取环境物理参数强度，产生电压信号；

4)传感器单元所产生的电压信号经过差分运放电路，对电压信号进行调整和修正；

5)修正后的电压信号传递给模数转换器，将电压信号转换为数字信号；

6)处理器对数字信号进行数学运算或者逻辑运算，数学运算或者逻辑运算由调节器设定；处理器完成的运算结果是数字信号；

7)处理器输出的数字信号经过数模转换器变换为电压信号，并通过数据总线对外输出；处理器通过实时监控数模转换器的输出信号，并与处理器所设定的灵敏度范围和触发值进行比较，如果输出信号低于灵敏度范围的最小值或者高于灵敏度范围的最大值，则需重新对传感器的参考电压进行修正，使得当前探测得到的物理参数强度落在灵敏度范围中；

9)处理器实时监测处理器的运算结果，出现异常的处理结果，则对处理器中所设定的环境参数进行重新设定，从而重新确定传感器的灵敏度和触发值，所述异常的处理结果包括没有产生数字信号、数字信号数字过大。

进一步地，所述环境物理参数包括红外强度、声音强度、光强度中的一种。

实现所述的用于智能电子积木的信号产生和调节方法的硬件模块，其包括高电平输入端、数据总线输入端、信号输入端、低电平输入端、高电平输出端、数据总线输出端、信号输出端、低电平输出端、传感器单元、处理器、模数转换器、数模转换器、电路板、输入端接头、输出端接头、上壳体和下壳体；

高电平输入端和高电平输出端及它们之间的连续构成了高电平供电线路；低电平输入端和低电平输出端及它们之间的连线构成了低电平供电线路；数据总线输入端和数据总线输出端及它们之间的连线构成了数据总线传输线路；信号输入端和信号输出端及它们之间的连线构成了信号传输线路；高电平供电线路和低电平供电线路形成了电压差回路，为传感器单元、处理器、模数转换器、数模转换器提供电力；所述数据总线是所有已连通智能积木模块的共同通讯总线，该总线采用单工方式收发数据；数据总线的数据由调节器调节控制；所述调节器自身包括处理器、LCD显示屏、按键输入、通讯接口和供电接口等；调节器的通讯接口包括数据总线输出端和信号输出端，这两个接口可以将调节器的处理器的输出信号传递到智能积木中的数据总线和信号线；调节器的供电接口包括了低电平输入端和高电平输入端，这两个输入端分别与智能积木系统的低电平导线和高电平导线连通，获得供电模块的供电。调节器的处理器内嵌了处理程序，用户可通过调节器设有的按键作为信息输入端，通过调节器进行信息的编码，并通过通讯接口输出以及对智能积木模块进行设定。调节器的LCD显示屏是调节器的显示端；数据总线输入端与上位智能积木模块连接，获得上位智能积木传递的数据；数据总线输出端与下位智能积木模块连接，向下传递数据；数据总线与处理器连接，处理器通过数据总线与调节器双向通讯；

传感器单元感应环境物理量的强度变化，根据环境物理量的强度产生电压；传感器单元的电压输出端与模数转换器连接，模数转换器将电压信号转换为数字信号；模数转换器具有两路输入，一路来自传感器单元，另一路来自信号输入端，两组信号求取平均值，并转换为数字信号，进一步传递给处理器；处理器对数字信号进行处理，得到的结果经过数模转换器变换为模拟信号，并从信号输出端输出；

传感器单元、处理器、模数转换器和数模转换器封装在电路板上；高电平输入端、数据总线输入端、信号输入端和低电平输入端共四个输入端接头组成输入端，与电路板连通；高电平输出端、数据总线输出端、信号输出端和低电平输出端工四个输出端接头组成输出端，与电路板连通；电路板连接固定并封装在下壳体和上壳体中间，仅有输入端和输出端总共8个接头露出在壳体外部与其他积木模块连接；

下壳体在靠近输出端接头的部位设置了接头凸台，在靠近输入端接头的部位设置了接头凹槽；一个积木模块的接头凸台能与另一个积木模块的接头凹槽组装配合；下壳体在底面设置了安装凹槽；上壳体在顶面设置了安装凸台；一个积木模块的安装凸台能与另一个积木模块的安装凹槽组装配合。

进一步地，所述传感器单元，为能获得物理量的红外传感器、光电传感器、声音传感器、体感传感器中的一种以上。

相对于现有技术，本发明具有以下优点和技术效果：

本发明提出了用于智能电子积木的信号产生和调节方法，该方法可利用任何物理传感器单元感应环境物理量的强度及其变化，根据该物理量的强度大小转换为相应的电压信号，电压信号经过修正、调整、模数变换、数学和逻辑运算、数模变换等多种多个步骤，将传感单元所探测得到的物理量强度以统一的信号输出，为智能积木模块提供控制信号。用于智能电子积木的信号产生和调节硬件模块，提供了传感器单元、电路板的封装部件，提供积木模块的安装结构，实现智能积木模块的标准安装结构，便于积木模块之间的自由拼接。本发明的智能积木模块，搭接结构简洁，使用灵活方便。

附图说明

图1是本发明的用于智能电子积木的信号产生和调节方法的原理图。

图2是本发明的用于智能电子积木的信号产生和调节方法的流程图。

图3是本发明的信号产生方法模块与其他积木模块连接的示意图。

图4是本发明的用于智能电子积木的信号产生和调节模块结构的一侧示意图。

图5是本发明的用于智能电子积木的信号产生和调节模块结构的另一侧示意图。

图6是本发明的用于智能电子积木的信号产生和调节模块的结构示意图(移除上盖)。

图7是本发明的信号产生模块701与其他积木模块702连接的结构示意图。

图中：1-高电平输入端；2-数据总线输入端；3-信号输入端；4-低电平输入端；5-高电平输出端；6-数据总线输出端；7-信号输出端；8-低电平输出端；9-红外传感器模块；10-模块处理器；11-模数转换器；12-数模转换器；13-下壳体；14-上壳体；15-安装凸台；16-接头凸台；17-安装凹槽；18-接头凹槽；19-电路板；20-调节器；21-电源。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

如图1～图7所示，本实例用于智能电子积木的信号产生和调节硬件模块包括：高电平输入端1、数据总线输入端2、信号输入端3、低电平输入端4、高电平输出端5、数据总线输出端6、信号输出端7、低电平输出端8、传感器单元9、处理器10、模数转换器11、数模转换器12，还包括电路板19、输入端和输出端接头、上壳体14和下壳体13等主要部件。

高电平输入端1和高电平输出端5及必要的连线构成了高电平导线101；低电平输入端4和低电平输出端8及必要的连线构成了低电平导线102；数据总线输入端2和数据总线输出端6及必要的连线构成了数据总线导线103；信号输入端3和信号输出端7及必要的连线构成了信号线104。高电平导线和低电平导线形成了电压差回路，为信号产生和调节的各电子电路提供电力；所述数据总线是所有已连通智能积木模块的共同通讯总线，该总线采用单工方式收发数据；数据总线的数据由调节器20调节控制；数据总线输入端2与上位智能积木模块连接，获得上位智能积木传递的数据；数据总线输出端6与下位智能积木模块连接，向下传递数据；数据总线与处理器10连接，处理器10通过数据总线与调节器20双向通讯。所述调节器自身包括处理器、LCD显示屏、按键输入、通讯接口和供电接口等；调节器的通讯接口包括数据总线输出端和信号输出端，这两个接口可以将调节器的处理器的输出信号传递到智能积木中的数据总线和信号线；调节器的供电接口包括了低电平输入端和高电平输入端，这两个输入端分别与智能积木系统的低电平导线和高电平导线连通，获得供电模块的供电。调节器的处理器内嵌了处理程序，用户可通过调节器设有的按键作为信息输入端，通过调节器进行信息的编码，并通过通讯接口输出以及对智能积木模块进行设定。调节器的LCD显示屏是调节器的显示端

传感器单元9感应环境物理量的强度变化，根据环境物理量的强度产生电压；传感器单元的电压输出端与模数转换器11连接，将电压信号转换为数字信号；模数转换器具有两路输入，一路来自传感器单元9，另一路来自信号输入端3，两组信号求取平均值，并转换为数字信号，进一步传递给处理器10。处理器10对数字信号进行处理和变换，得到的结果经过数模转换器变换为模拟信号，并从信号输出端7输出。

所述传感器单元9、处理器10、模数转换器11和数模转换器12组件封装在电路板19上；高电平输入端1、数据总线输入端2、信号输入端3和低电平输入端4四个接头组成输入端，与电路板19连通；高电平输出端5、数据总线输出端6、信号输出端7和低电平输出端8组成输出端，与电路板19连通。电路板19连接固定并封装在下壳体13和上壳体14中间，仅有输入端和输出端总共8个接头露出在壳体外部与其他积木模块连接。

下壳体13在靠近输出端接头的部位设置了接头凸台16，在靠近输入端接头的部位设置了接头凹槽18；一个积木模块的接头凸台16可与另一个积木模块的接头凹槽18组装配合。下壳体13在底面设置了安装凹槽17；上壳体14在顶面设置了安装凸台15；一个积木模块的安装凸台15可与另一个积木模块的安装凹槽17组装配合。

作为实例，智能电子积木模块所设置的传感器单元9，可以是红外传感器、光电传感器、声音传感器、体感传感器等可以获得物理量的传感器；任何类型的传感器单元9将所获得的物理量根据电信号强弱转化为数字信号，并最终传递给模块处理器10进行处理。

图7是本发明的信号产生模块701与其他积木模块702连接的结构示意图。

本实例中，对于图1和图3，为了避免因太多重复标记影响阅读，位于图中的模块或处理器左右两侧且在同一水平线上的线条代表的含义为同一种线。

用于智能电子积木的信号产生和调节方法，利用传感器单元实时监测环境参数的变化，并根据物理参数的变化产生不同强度的电压信号，电压信号经过模数转换器变换为数字信号并由处理器进行运算得到输出的数字信号，输出的数字信号经过数模转换器变换为电压信号输出给下一级智能积木模块。

如图2，信号的产生及调节方法，具体包括步骤如下：

1)智能积木系统的调节器20通过数据总线对处理器10进行参数设置，进而设定传感器的灵敏度和触发值，并将参数存储在在处理器10的内部存储器中。

2)传感器单元9读取需要探测的环境物理参数强度(例如红外强度、声音强度、光强度等)，根据1)中所设定的灵敏度数值，处理器10将传感单元当前所探测到的强度与灵敏度范围进行对比，如果当前的物理参数强度低于灵敏度范围的最小值或者高于灵敏度范围的最大值，则对传感器的参考电压进行修正，使得当前探测得到的物理参数强度落在灵敏度范围中。

3)传感器单元9根据采样频率读取环境物理参数强度，产生电压信号。

4)传感器单元9所产生的电压信号可能比较微弱且存在直流偏差信号，此时电压信号经过差分运放电路，对电压信号进行调整和修正。

5)修正后的电压信号传递给模数转换器11，将电压信号转换为数字信号。

6)处理器10对数字信号进行数学运算或者逻辑运算，所要开展的数学运算或者逻辑运算由调节器20设定；处理器完成的运算结果是数字信号。

7)处理器输出的数字信号经过数模转换器12变换为电压信号，并通过数据总线对外输出；处理器10通过实时监控数模转换器的输出信号，并与处理器所设定的灵敏度范围和触发值进行比较，如果输出信号低于灵敏度范围的最小值或者高于灵敏度范围的最大值，则需重新对传感器的参考电压进行修正，使得当前探测得到的物理参数强度落在灵敏度范围中。

8)处理器10实时监测处理器的运算结果，出现异常的处理结果，则对处理器中所设定的环境参数进行重新设定，从而重新确定传感器的灵敏度和触发值，所述异常的处理结果包括没有产生数字信号、数字信号数字过大。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.用于智能电子积木的信号产生和调节方法，其特征在于采用的信号产生和调节方法的硬件模块包括高电平输入端(1)、数据总线输入端(2)、信号输入端(3)、低电平输入端(4)、高电平输出端(5)、数据总线输出端(6)、信号输出端(7)、低电平输出端(8)、传感器单元(9)、处理器(10)、模数转换器(11)、数模转换器(12)、电路板(19)、输入端接头、输出端接头、上壳体(14)和下壳体(13)；

高电平输入端(1)和高电平输出端(5)及它们之间的连续构成了高电平供电线路；低电平输入端(4)和低电平输出端(8)及它们之间的连线构成了低电平供电线路；数据总线输入端(2)和数据总线输出端(6)及它们之间的连线构成了数据总线传输线路；信号输入端(3)和信号输出端(7)及它们之间的连线构成了信号传输线路；高电平供电线路和低电平供电线路形成了电压差回路，为传感器单元(9)、处理器(10)、模数转换器(11)、数模转换器(12)提供电力；所述数据总线是所有已连通智能积木模块的共同通讯总线，该总线采用单工方式收发数据；数据总线的数据由调节器(20)调节控制；所述调节器自身包括处理器、LCD显示屏、按键输入、通讯接口和供电接口等；调节器的通讯接口包括数据总线输出端和信号输出端，这两个接口能将调节器的处理器的输出信号传递到智能积木中的数据总线和信号线；调节器的供电接口包括了低电平输入端和高电平输入端，这两个输入端分别与智能积木系统的低电平导线和高电平导线连通，获得供电模块的供电；用户能通过调节器设有的按键作为信息输入端，通过调节器进行信息的编码，并通过通讯接口输出以及对智能积木模块进行设定；调节器的LCD显示屏是调节器的显示端；数据总线输入端(2)与上位智能积木模块连接，获得上位智能积木传递的数据；数据总线输出端(6)与下位智能积木模块连接，向下传递数据；数据总线与处理器(10)连接，处理器(10)通过数据总线与调节器(20)双向通讯；

传感器单元(9)感应环境物理量的强度变化，根据环境物理量的强度产生电压；传感器单元的电压输出端与模数转换器(11)连接，模数转换器将电压信号转换为数字信号；模数转换器具有两路输入，一路来自传感器单元(9)，另一路来自信号输入端(3)，两组信号求取平均值，并转换为数字信号，进一步传递给处理器(10)；处理器(10)对数字信号进行处理，得到的结果经过数模转换器变换为模拟信号，并从信号输出端(7)输出；

传感器单元(9)、处理器(10)、模数转换器(11)和数模转换器(12)封装在电路板(19)上；高电平输入端(1)、数据总线输入端(2)、信号输入端(3)和低电平输入端(4)共四个输入端接头组成输入端，与电路板(19)连通；高电平输出端(5)、数据总线输出端(6)、信号输出端(7)和低电平输出端(8)工四个输出端接头组成输出端，与电路板(19)连通；电路板(19)连接固定并封装在下壳体(13)和上壳体(14)中间，仅有输入端和输出端总共8个接头露出在壳体外部与其他积木模块连接；

下壳体(13)在靠近输出端接头的部位设置了接头凸台(16)，在靠近输入端接头的部位设置了接头凹槽(18)；一个积木模块的接头凸台(16)能与另一个积木模块的接头凹槽(18)组装配合；下壳体(13)在底面设置了安装凹槽(17)；上壳体(14)在顶面设置了安装凸台(15)；一个积木模块的安装凸台(15)能与另一个积木模块的安装凹槽(17)组装配合；所述调节方法利用传感器单元实时监测环境物理参数的变化，并根据物理参数的变化产生不同强度的电压信号，电压信号经过模数转换器变换为数字信号并由处理器进行运算得到输出的数字信号，输出的数字信号经过数模转换器变换为电压信号输出给下一级智能积木模块；具体包括如下步骤：

1)智能积木系统的调节器通过数据总线对处理器进行参数设置，从而确定传感器的灵敏度和触发值，并将参数存储在处理器的内部存储器中；

2)传感器单元读取需要探测的环境物理参数强度，根据步骤1)中所设定的灵敏度数值，处理器将传感单元当前所探测到的强度与设定的灵敏度范围进行对比，如果当前的物理参数强度低于灵敏度范围的最小值或者高于灵敏度范围的最大值，则对传感器的参考电压进行修正，使得当前探测得到的物理参数强度落在设定的灵敏度范围中；

3)传感器单元根据采样频率读取环境物理参数强度，产生电压信号；

4)传感器单元所产生的电压信号经过差分运放电路，对电压信号进行调整和修正；

5)修正后的电压信号传递给模数转换器，将电压信号转换为数字信号；

6)处理器对数字信号进行数学运算或者逻辑运算，数学运算或者逻辑运算由调节器设定；处理器完成的运算结果是数字信号；

7)处理器输出的数字信号经过数模转换器变换为电压信号，并通过数据总线对外输出；处理器通过实时监控数模转换器的输出信号，并与处理器所设定的灵敏度范围和触发值进行比较，如果输出信号低于灵敏度范围的最小值或者高于灵敏度范围的最大值，则需重新对传感器的参考电压进行修正，使得当前探测得到的物理参数强度落在灵敏度范围中；

9)处理器实时监测处理器的运算结果，出现异常的处理结果，则对处理器中所设定的环境参数进行重新设定，从而重新确定传感器的灵敏度和触发值，所述异常的处理结果包括没有产生数字信号、数字信号数字过大。

2.根据权利要求1所述的用于智能电子积木的信号产生和调节方法，其特征在于所述环境物理参数包括红外强度、声音强度、光强度中的一种。

3.实现权利要求1所述的用于智能电子积木的信号产生和调节方法的硬件模块，其特征在于包括高电平输入端(1)、数据总线输入端(2)、信号输入端(3)、低电平输入端(4)、高电平输出端(5)、数据总线输出端(6)、信号输出端(7)、低电平输出端(8)、传感器单元(9)、处理器(10)、模数转换器(11)、数模转换器(12)、电路板(19)、输入端接头、输出端接头、上壳体(14)和下壳体(13)；

高电平输入端(1)和高电平输出端(5)及它们之间的连续构成了高电平供电线路；低电平输入端(4)和低电平输出端(8)及它们之间的连线构成了低电平供电线路；数据总线输入端(2)和数据总线输出端(6)及它们之间的连线构成了数据总线传输线路；信号输入端(3)和信号输出端(7)及它们之间的连线构成了信号传输线路；高电平供电线路和低电平供电线路形成了电压差回路，为传感器单元(9)、处理器(10)、模数转换器(11)、数模转换器(12)提供电力；所述数据总线是所有已连通智能积木模块的共同通讯总线，该总线采用单工方式收发数据；数据总线的数据由调节器(20)调节控制；所述调节器自身包括处理器、LCD显示屏、按键输入、通讯接口和供电接口等；调节器的通讯接口包括数据总线输出端和信号输出端，这两个接口能将调节器的处理器的输出信号传递到智能积木中的数据总线和信号线；调节器的供电接口包括了低电平输入端和高电平输入端，这两个输入端分别与智能积木系统的低电平导线和高电平导线连通，获得供电模块的供电；用户能通过调节器设有的按键作为信息输入端，通过调节器进行信息的编码，并通过通讯接口输出以及对智能积木模块进行设定；调节器的LCD显示屏是调节器的显示端；数据总线输入端(2)与上位智能积木模块连接，获得上位智能积木传递的数据；数据总线输出端(6)与下位智能积木模块连接，向下传递数据；数据总线与处理器(10)连接，处理器(10)通过数据总线与调节器(20)双向通讯；

传感器单元(9)感应环境物理量的强度变化，根据环境物理量的强度产生电压；传感器单元的电压输出端与模数转换器(11)连接，模数转换器将电压信号转换为数字信号；模数转换器具有两路输入，一路来自传感器单元(9)，另一路来自信号输入端(3)，两组信号求取平均值，并转换为数字信号，进一步传递给处理器(10)；处理器(10)对数字信号进行处理，得到的结果经过数模转换器变换为模拟信号，并从信号输出端(7)输出；

传感器单元(9)、处理器(10)、模数转换器(11)和数模转换器(12)封装在电路板(19)上；高电平输入端(1)、数据总线输入端(2)、信号输入端(3)和低电平输入端(4)共四个输入端接头组成输入端，与电路板(19)连通；高电平输出端(5)、数据总线输出端(6)、信号输出端(7)和低电平输出端(8)工四个输出端接头组成输出端，与电路板(19)连通；电路板(19)连接固定并封装在下壳体(13)和上壳体(14)中间，仅有输入端和输出端总共8个接头露出在壳体外部与其他积木模块连接；

下壳体(13)在靠近输出端接头的部位设置了接头凸台(16)，在靠近输入端接头的部位设置了接头凹槽(18)；一个积木模块的接头凸台(16)能与另一个积木模块的接头凹槽(18)组装配合；下壳体(13)在底面设置了安装凹槽(17)；上壳体(14)在顶面设置了安装凸台(15)；一个积木模块的安装凸台(15)能与另一个积木模块的安装凹槽(17)组装配合。

4.根据权利要求3所述的硬件模块，其特征在于：所述传感器单元(9)，为能获得物理量的红外传感器、光电传感器、声音传感器、体感传感器中的一种以上。

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