CN106816070A

CN106816070A - 可人为设定故障的模电数电实验平台

Info

Publication number: CN106816070A
Application number: CN201710179909.1A
Authority: CN
Inventors: 白煜
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2017-06-09

Abstract

本发明公开了一种可人为设定故障的模电数电实验平台，包括依次连接的上位机、串口转换器模块和TTL电平转换模块，TTL电平转换模块的输出端连接有单片机，每个单片机均连接有一个模拟多路选择器，每个模拟多路选择器均连接至一个实验平台面包板的实验电路；上位机发送一组数据至单片机，单片机将第二个字符与机器号进行比较，若机器号和第二个字符相符合，单片机接收该数据并发送反馈信号至上位机，单片机根据接收的数据控制模拟多路选择器的通断，控制实验平台面包板上实验电路节点的通断，以模拟各种故障；反之，单片机拒绝接收该数据。本发明在保留原有实验箱实验功能的基础上，使实验过程更加贴近实际的电路搭建与调试。

Description

可人为设定故障的模电数电实验平台

技术领域

本发明涉及串口通信领域，更具体的说，是涉及一种可人为设定故障的模电数电实验平台。

背景技术

模电、数电实验是本科电类专业学生重要的实验课程。模拟电路实验项目：单级放大器设计、多级放大器设计、功率放大器设计、集成运算放大器应用设计、波形产生器、滤波器设计等。数字电路实验项目：TTL集成门电路传输特性测试、组合逻辑电路设计、时序逻辑电路设计、计数器设计、信号发生器、序列信号产生器、555定时器应用、D/A、A/D转换器等。课程设计项目：温控器设计、直流稳压电源设计、桥路放大器设计、频率计设计、抢答器设计、脉搏器设计、数字钟设计、滤波器设计等。

相配套的模电/数电实验箱也有很多，例如浙江天煌科技实业有限公司的THDM-1型数电模电实验箱^[1]、启东汤森教学仪器有限公司的DICE-KM4型数字/模拟电路综合实验箱^[2]。这些实验箱基本功能大致相同，以DICE-KM4实验箱为例，其大致功能和构成为：(1)面包板；(2)实验母板采用印制线路板制成，正面印有连线、字符等；反面是印刷线路及相关的器件等，设有一些高可靠圆脚集成电路插座及可靠的镀银长紫铜管(供插电阻、电容、电位器、晶体管等元器件)，实验连接点、测试点均装有高可靠防转叠插座，接触可靠性高；(3)直流稳压电源：±5V/0.5A；±15V/0.5A，均有短路保护自动恢复功能，其中+5V具有短路报警、指示功能；(4)低压交流电源：0V、6V、10V、14V抽头各一路及中心抽头17V两路，每路均有短路保护自动恢复功能；(5)六位十进制译码显示器、二组拨码盘、8位逻辑电平开关、8位逻辑电平指示器、三态逻辑笔、单次脉冲源、扬声器等。

这些实验箱均可以完成模电数电课程的常规实验。利用传统实验平台，只能按照既定的实验指导书和预习报告搭建实验电路。但是这种实验过程缺乏创新，学生仅能验证所学相关课程的理论。一般情况下，只要充分实验预习，仔细搭建电路，各个实验电路均能一次搭建成功，得到期望的测试结果。学生认为自己仅仅是重复了前人的研究成果。然而，使用本专利进行实验，即使学生完全正确的按照实验电路图去搭建电路，也不会立即得到期望的测试结果，因为电路会出现各种各样的故障。这就迫使学生必须熟悉电路原理，了解电路各个节点的正常电压值和电流值的范围，熟练使用各种测试仪器逐点测量查找原因，并予以解决。

[1]浙江天煌科技实业有限公司.THDM-1型数电模电实验箱[DB/CD].http://www.tianhuang.cn/products/prodPreInfo.aspx？p_id＝456，2016.6

[2]启东汤森教学仪器有限公司.DICE-KM4型数字/模拟电路综合实验箱[DB/CD].http://www.dice.com.cn/V8/content/？119.html，2016.6

发明内容

本发明的目的是为了克服现有模电数电实验箱不具备联网功能、实验项目呆板的不足，提供一种串口通信系统，对传统模电数电实验箱进行改造，实现具有可人设定故障功能的的模电数电实验平台，将被动的重复性验证实验，变为充满不确定性的分析性实验，在保留原有实验箱实验功能的基础上，培养了学生分析问题和解决问题的能力，使实验过程更加贴近实际的电路搭建与调试，提高了学生的学习兴趣和学习积极性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

可人为设定故障的模电数电实验平台，包括依次连接的上位机、串口转换器模块和TTL电平转换模块，所述TTL电平转换模块的输出端连接有单片机，每个所述单片机均连接有一个模拟多路选择器，每个所述模拟多路选择器均连接至一个实验平台面包板的实验电路；

所述上位机发送一组数据至单片机，单片机将第二个字符与机器号进行比较，若机器号和第二个字符相符合，则单片机接收该数据并发送反馈信号至上位机，单片机根据接收的数据控制模拟多路选择器的通断，从而控制实验平台面板上实验电路节点的通断，以模拟各种故障；反之，单片机拒绝接收该数据。

所述串口转换器模块采用RS-232C/RS-485转换器，实现上位机与单片机串口进行通信。

所述TTL电平转换模块采用MAX485芯片，将串口转换器模块输出的RS485标准电平转换成符合单片机标准的TTL电平，实现上位机与一个以上的单片机之间的数据传输。

所述单片机采用STC89C52芯片，通过控制输出端口的电平，控制模拟多路选择器的通断。

所述模拟多路选择器采用CD4501芯片，所述模拟多路选择器的输出端连接至实验平台面包板上实验电路的节点处，以模拟实验电路中某点接地或某一器件短路的故障。

所述实验平台为模电数电实验箱，在其面包板上搭建实验电路。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)与传统模电/数电实验实验箱相比，本发明具备与上位机进行通信的能力，在满足传统电路实验的基础上，增加了教师控制学生实验电路的功能。利用串口通信、可控开关等技术实现了教师在远端控制学生已完成电路的通断，即教师可以通过上位机控制学生在传统实验平台上的实验电路，人为地对学生已完成的实验电路设定某些故障，并要求学生排查和解决，丰富了传统模电/数电的实验内容，锻炼了学生的工程实践能力。

(2)通过本专利，即使完全按照正确的实验电路图去搭建电路，也不会立即得到期望的测试结果，电路会出现各种各样的故障，这就迫使学生必须熟悉电路原理，了解电路各个节点的正常电压值和电流值的范围，利用测试仪器逐点测量查找原因，并予以解决；

(3)通过新的实验平台，学生将被动的验证性实验，变为充满不确定性的分析实验，在保留原有实验平台实验功能的基础上，培养了学生分析问题和解决问题的能力，使学生更加贴近了实际的电路搭建与调试环境，提高了学生的学习兴趣和学习积极性。

附图说明

图1是本发明的设计思路原理示意图；

图2是本发明的整体原理示意图；

图3是本发明中上位机主界面示意图；

图4是本发明中上位机子窗口界面示意图；

图5是本发明中上位机和串口转换器模块的连接示意图；

图6是本发明中RS485点对多点/两线半双工通信示意图；

图7是本发明中TTL电平转换模块的电路原理图；

图8是本发明的流程图；

图9是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

模电/数电实验在本科教学中的地位十分重要，然而传统模电/数电实验仅仅为验证性实验，不足以培养学生分析问题解决问题的工程实践能力和创新能力。本专利针对传统模电/数电实验存在的问题，在现有实验箱的基础上，开发了可人为设定故障的电子技术实验系统。该系统利用串口通信技术实现了教师通过上位机控制学生已完成的实验电路的功能。即当学生完成传统实验电路后，教师可以通过上位机，人为的设定某些故障，要求学生排查并予以解决。因此，本专利丰富了传统模电/数电的实验内容，能够更好地培养学生分析问题和解决问题的能力，以及学生的工程实践能力。

利用上位机、串口通信系统、单片机和模拟断路器改造传统电子综合实验箱，实现人为设置电路故障的目的。如图1所示，实验平台与传统实验箱一致，学生在其上搭建实验电路，将受单片机控制的若干个可控开关(模拟多路选择器)与面包板上的实验电路连接。可控开关、单片机、串口和上位机是本专利的核心部分。教师利用上位机软件通过串口向单片机发送控制命令，单片机对上位机的命令进行解析后，控制相应的可控开关闭合，将电路中的某点接地或某一器件短路，从而人为的制造某种电路故障。

本发明的可人为设定故障的模电数电实验平台，如图2所示，包括依次连接的上位机、串口转换器模块和TTL电平转换模块，所述TTL电平转换模块的输出端并联有若干个单片机，根据需要上位机可对多个实验平台进行控制。每个所述单片机均连接控制一个模拟多路选择器，每个所述模拟多路选择器均连接控制一个实验平台，其中，图2中箭头表示信号流动的方向。

(一)上位机

所述上位机采用PC机，该模块主要用于教师控制学生的实验过程。上位机功能包括：①选择PC端连接串口号；②使教师能够控制30名学生的实验端并发送不同的指令；③接收单片机返回的反馈信息；④记录学生完成时间。为了完成PC机与单片机之间的串口通讯，同时也要方便教师直观的控制并管理学生端的实验电路，需要一个简单易用的人机交互界面，如图3所示，图中显示有30名学生的头像，对应30个教师通过上位机可以控制30位学生的实验电路。通过该界面教师还可以选择端口号。点击图中“学生1”～“学生30”所标注的任意一个头像，即可弹出图4所示的对话框，教师可利用此对话框对学生的实验电路设置故障，并记录解决故障所耗费的时间。

Visual C++6.0中包含了MSComm。它是一个功能强大又易于使用的通讯控件。MSComm能够很方便的实现PC机与单片机之间的串口通信，能够对数据进行接收和发送，也可以设置串口通信所使用的通信协议，控制串口状态。所以，本专利使用Visual C++6.0来完成上位机软件的设计。

(二)串口转换器模块

所述串口转换器模块采用RS-232C/RS-485转换器，目前，PC机采用RS-232C协议标准，但若要实现一台PC机与多个单片机(本实施例为30个)串口进行通信，需采用RS-485协议标准。因此，需要增加RS-232C/RS-485转换器。

RS-232C/RS-485转换器有两端，RS-232端采用DB-9孔型连接器，RS-485端配有3根接线柱，分别为“A”、“B”、“GND”。通过这三个接线柱，可额外连接32个节点，即可实现一对多机通信。RS-232C/RS-485转换器与PC机的连接方式见图5。

RS-232C/RS-485转换器通信方式为点对多点/两线半双工通信，连线图如图6所示。接线原则为：RS485半双工模式接线时将T/R+接RS485设备的A+、T/R-接RS485设备的B-。当只连接一个RS485设备时，这是一个能实现一对一通信的系统；若连接多个RS485设备，一般采用总线型拓扑结构与星型拓扑结构。总线型拓扑结构是485总线布线的标准布线方式，主设备与多个从机之间采用手牵手的级联方式。其基本连接方式为：若485总线上一共存在A’、B’、C’等多个设备，将A’的485+接到B’的485+，再将B’的485+连到C’的485+，依次类推，485-的连接方式与485+相同。使用星型拓扑结构时，若不增加485集线器或485中继器，非常容易造成信号的反射，导致通信失败，影响通信效率。

(三)TTL电平转换模块

在数字电路中，电子元器件组成的电路中电平有各种不同的标准，因此想要使一个系统的不同模块之间能有效进行通信，必须在模块之间设有电平转换电路，以保证在相应的模块中有不同的电平标准。而RS-485与TTL数据标准分别有不同的电气特性。本系统采用RS-232C/RS-485转换器后，输出电平为RS485标准的电平，为实现上位机与单片机之间的数据传输，需将该电平通过TTL电平转换模块转换成符合单片机标准的TTL电平。该系统采用MAX485芯片实现这一功能。

如图7所示，MAX485芯片的RO端口(引脚1)、端口(引脚2)、DE端口(引脚3)、DI端口(引脚1)分别连接第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，且所述第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4的另一端均连接电源VCC’。MAX485芯片的VCC端口(引脚8)连接电源VCC’，GND端口(引脚5)接地GND’，A端口(引脚6)和B端口(引脚7)分别连接至图5中RS-232C/RS-485转换器的T/R+端口和T/R-端口，其中，MAX485芯片的A端口和B端口分别接收和发送信号。MAX485芯片的A端口和B端口之间连接有第七电阻R7，A端口还连接有第六电阻R6，第六电阻R6另一端连接电源VCC’，B端口还连接有第五电阻R5，第五电阻另一端接地GND’。此外，在电源VCC’和地GND’之间还并联有第八电阻R8、第一电容C1和第二电容C2，第八电阻R8串联有第一LED灯D0。其中第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4均采用10K电阻，第五电阻R5和第六电阻R6均采用20K电阻，第七电阻采用120K电阻，第八电阻采用1K电阻，第一电容C1和第二电容C2均采用0.1μF电容。

RS-232C/RS-485转换器的发送端：逻辑“1”以两线间电压差为+2V至+6V表示；逻辑“0”以两线间电压差为-2V至-6V表示。MAX485芯片接收端：端口A比端口B高200mV以上定义为逻辑“1”，端口A比端口B低200mV以上定义为逻辑“0”。和RS-232C相比，接口电平降低，不易损坏接口电路芯片，这也是采用RS-485通信标准的又一个重要原因。

(四)单片机

所述单片机采用STC89C52芯片，用来接收上位机的命令和上传反馈信息。单片机根据上位机的命令，通过控制P3口以外其余输出端口(I/O口)引脚的电平，控制模拟多路选择器的通断。

STC89C52单片机共有4组8位可编程的I/O口，分别是P0、P1、P2、P3口，每组I/O口有8根引脚，共32根。I/O口具体引脚分布如图8所示。本发明主要利用芯片的P3口，P3.0-P3.7为芯片的双功能口，其具有特定的第二功能，在不使用它的第二功能时就是与其它三个I/O相同的普通的通用准双向I/O口，P3口的第二功能如表1所示。

表1 P3口的第二功能

引脚	第二功能
		P3.0	RXD：串行口接收数据输入端
P3.1	TXD：串行口发送数据输出端
		P3.2	INTO：外部中段0输入端
P3.3	INT1：外部中段1输入端
		P3.4	TO：外部计数0脉冲输入端
P3.5	T1：外部计数1脉冲输入端
		P3.6	WR：写外设控制信号输出端
P3.7	RD：读外设控制信号输出端

本专利利用该芯片P3口的第二功能来与上位机相互进行数据的传输，利用该芯片其它I/O口来控制下行实验平台上模拟多路选择器的通断。

(五)模拟多路选择器

所述模拟多路选择器采用CD4501芯片，作为实验平台的可控开关，CD4051可看成一个单刀八掷开关，开关决定着接通哪一条通道，该芯片通过输入的3位地址码ABC决定通道的选取。INH指禁止端，若“INH”＝1，则说明八个通道均截止不导通。另外，CD4051芯片设有一个电源端VEE，当作为电平位移时使用。该芯片真值表如表2所示：

表2 CD4051真值表

INH	C	B	A	输出
					0	0	0	0	“0”
0	0	0	1	“1”
					0	0	1	0	“2”
0	0	1	1	“3”
					0	1	0	0	“4”
0	1	0	1	“5”
					0	1	1	0	“6”
0	1	1	1	“7”
					1	×	×	×	均不接通

因为CD4051的上述特点，故本专利选择该芯片作为模拟多路选择器部分，单片机通过I/O口控制模拟多路选择器的通断，来实现控制下行实验平台上电路的通断，来控制面包板上已完成电路是否出现故障。根据需要模拟多路选择器的输出端连接至实验平台的电路模块，以模拟实验平台中某点接地或某一器件短路。

(六)实验平台

所述实验平台为传统模电数电实验箱，在其面包板上搭建电路。图9显示了所有模块电路的连接方式，其中只列出两个实验平台(每个单片机控制一个实验平台)与上位机的连接方式，多个实验平台的连接方式依次类推。

MAX485芯片的输出端并联有两个单片机STC89C52，每个单片机STC89C52分别连接有一个多路模拟选择器CD4051。MAX485芯片的RO端口分别连接至一号单片机和二号单片机的P3.0端口，MAX485芯片的端口分别连接至一号单片机和二号单片机的P2.0端口，MAX485芯片的DE端口分别连接至一号单片机和二号单片机的P2.1端口，MAX485芯片的DI端口分别连接至一号单片机和二号单片机的P3.1端口。一号单片机的P1.0端口、P1.1端口、P1.2端口分别连接至一号多路模拟选择器的引脚9、10、11，一号多路模拟选择器的输出引脚连接的LED灯(D1～D4)表示一号实验平台中某部分的通断，用于模拟故障。二号单片机的P1.0端口、P1.1端口、P1.2端口分别连接至二号多路模拟选择器的引脚9、10、11，二号多路模拟选择器的输出引脚连接的LED灯(E1～E4)表示二号实验平台中某部分的通断，用于模拟故障。以此类推连接多个实验平台。

本发明中串口通信协议的制定：本专利所涉及到的软件部分主要有两个模块，分别是上位机软件部分以及单片机接收发送数据部分。为使计算机与通信设备间相互沟通、交流，目前业界已对串行通信建立了一致的标准，即传输率、电特性和接口标准。本专利采用的传输率为57600，因此上位机软件的传输率必须与此相同，也应是57600。前面已经提过单片机内部电平特性为TTL电平，PC机输出电平特性为RS232标准，通过RS-232C/RS-485转换器后电平标准为RS485，通过MAX485芯片后使得数据能在上位机与单片机间顺利传输。两通信设备间通信，串口定义必须一致。

本发明中传输数据格式：本专利采用异步通信方式。以起始式异步协议为例，该协议特点是一个字符一个字符地传输，字符总是用起始位作为开头，停止位为结束标志，在字符之间没有固定的时间间隔要求。传信的每个字符前均存在一位起始位(逻辑值0)，字符中间为数据位，数据位后是一位校验位，最后是停止位。且停止位与空闲位定义为逻辑值1。

异步通信采用字符进行传输，每当传输一个字符时，可凭借起始位通知对方，用来核对收发双方同步。假设接收设备与发送设备间存在差异，不会因偏差的积累导致数据的错位，因此异步通信可靠性高。由于每个字符都要加上起始位及停止位，会使得传输效率变低，故起始协议一般只用于数据速率较慢的场合，在高速数据传输时，采用同步协议。

本发明中数据的接收与发送：如图8所示，上位机发送一组数据至单片机，单片机将第二个字符与机器号进行比较，若机器号和第二个字符相符合，单片机接收该数据并发送反馈信号至上位机，单片机根据接收的数据控制模拟多路选择器的通断来控制实验平台的通断，以模拟各种故障；反之，单片机拒绝接收该数据。

接收数据：上位机与下行多单片机之间的通信数据采用每次发送三个字符串。发送顺序是一个接一个发送，即上位机先发送第一个字符，本文定义为“～”，其ASCII码值为7E；第二次发送事先与上位机约定好的与下行单片机一一对应的机器号，用于判断单片机是否该接收数据或是反馈数据；第三次发送的字符为制造实验平台指定故障的指令，分别是1、2、3、4，分别会造成由单片机控制的模拟多路选择器的八条通道中的其中一条通道导通。

发送数据：当上位机发送一组数据至单片机，单片机将第二个字符与机器号进行比较，若机器号与之相符合，则单片机会发送一个反馈信号至上位机，反馈信号用该单片机对应的机器号表示。

本发明的工作流程具体为：

(1)由上位机发送一串数据，该数据由3个字符组成，第一个字符为“～”，是一串数据的开头标识位，用来防止连续发送的信号流之间相互干扰，有助于单片机对接收到的数据进行正确的识别；第二个字符为机器号，用abcd等英文字符表示，用来判断单片机接收到的数据是否为发送给自己的数据。若是，则单片机接收该信息并生成反馈信号送至上位机软件，否则绝接收该数据，不产生反馈信号；第三个字符为控制信号，用来指示单片机对模拟多路选择器的哪一个引脚进行控制，即实验电路会发生哪一种故障，例如：第三位数据为“1”则使实验平台中所搭电路模块A短路，若为“2”则使电路模块B短路，默认断路；

(2)本系统采用RS-485接口标准作为传输协议，而一般PC机采用RS-232通信协议，因此需要采用RS-232C/RS-485转换器。上位机发出的一组字符，经由转换器后，数据标准从RS-232C协议转变为RS-485协议；

(3)经过上述步骤后，信号电平为RS485标准电平，而符合单片机标准电平为TTL电平，因此需外加一个TTL电平转换模块，将信号电平转换成与单片机一致的TTL电平；

(4)单片机接收数据，通过判断机器号来确认收到的字符串是否该对其进行处理，并生成反馈信号；

(5)若机器号相符，则单片机控制I/O口端引脚电平的高低来控制模拟多路选择器的通断，本实验用于输出的I/O口定为P1.0-P1.7八个引脚；若机器号不相符，单片机拒绝接收数据；

(6)通过控制模拟多路选择器的通断来控制实验箱面包板上已完成实验电路的通断，以模拟各种故障。

本专利适用于本科电类专业学生的模电数电实验教学。使用本专利时，可以保留实验室已有的实验箱，仅仅购置本专利对已有的实验箱上的面包板进行改造，并限定学士可以使用的面包板区域即可。

Claims

1.可人为设定故障的模电数电实验平台，其特征在于，包括依次连接的上位机、串口转换器模块和TTL电平转换模块，所述TTL电平转换模块的输出端连接有单片机，每个所述单片机均连接有一个模拟多路选择器，每个所述模拟多路选择器均连接至一个实验平台面包板的实验电路；

2.根据权利要求1所述的可人为设定故障的模电数电实验平台，其特征在于，所述串口转换器模块采用RS-232C/RS-485转换器，实现上位机与一个以上的单片机串口进行通信。

3.根据权利要求1所述的可人为设定故障的模电数电实验平台，其特征在于，所述TTL电平转换模块采用MAX485芯片，将串口转换器模块输出的RS485标准电平转换成符合单片机标准的TTL电平，实现上位机与单片机之间的数据传输。

4.根据权利要求1所述的可人为设定故障的模电数电实验平台，其特征在于，所述单片机采用STC89C52芯片，通过控制输出端口的电平，控制模拟多路选择器的通断。

5.根据权利要求1所述的可人为设定故障的模电数电实验平台，其特征在于，所述模拟多路选择器采用CD4501芯片，所述模拟多路选择器的输出端连接至实验平台面包板上实验电路的节点处，以模拟实验电路中某点接地或某一器件短路的故障。

6.根据权利要求1所述的可人为设定故障的模电数电实验平台，其特征在于，所述实验平台为模电数电实验箱，在其面包板上搭建实验电路。