CN107067943A - 一种机电系统教学平台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实训教学领域，具体公开了一种机电系统教学平台，包括：输入模块、控制模块和输出模块，所述控制模块为一智能终端。所述机电系统教学平台体积小巧、容易拆装、易于携带和收藏，采用模块化设计且模块接口可通用互插，各模块具有复用和重组功能，将原本生产车间、实验室的大型、不易搬动的机械设备及生产线设备以可操作性模型的形式还原给学生。本发明还提供了一种上述机电系统教学平台的控制方法，可实现各控制参数的在线输入、设定及调整，加深学生对机械设备和自动生产线工作过程中机电控制原理的理解，增加课堂、实验等实训教学的直观性、可操作性和趣味性，提高机械系学生对专业课的兴趣和创新性。

Description

一种机电系统教学平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及实训教学领域，具体涉及一种机电系统教学平台及其控制方法。

背景技术

长久以来，机械系学生往往过于重视机械知识的学习，而忽视电子控制系统的学习，主要原因除了开设课程限制以外，还有专门的机电系统实验设备的短缺，而课程又往往过于抽象。例如，对于机器人课程的学习是很多机械系学生已经开设的课程，但是这门课程是很抽象的，涉及到诸多数学矩阵运算等等纯理论知识，学生学起来比较困难、枯燥。课堂上老师讲解各种传动机构、控制系统以及自动生产线设备的重要知识点时，只能通过课本和想象来学习，不能有一个直观、快速的理解，容易理解不清晰。

尽管市场上已有一些经商业化的机电控制模块，例如乐高机器人的EV3控制平台，但是这些控制模块主要针对的对象都是小学生和中学生，仅有的德国慧鱼平台虽然针对大学生，但是由于是进口品牌，其售价昂贵。综上所述，对于机电控制教育平台国内的市场仍然基本处于空白状态。

发明内容

有鉴于此，提供一种操作机电控制系统实训的教学平台实为必要。

本发明解决技术问题所采用的一个技术方案是：一种机电系统教学平台，包括：

输入模块：连接被控设备与控制模块，是所述被控设备信号进入所述控制模块的中间部件，用于向所述控制模块传输信号；

控制模块：运行和处理应用程序，进行逻辑运算，对所述输入模块传输来的信号进行转换、处理，将处理后的信号传输至输出模块，可在线输入、设定、选择和调整相关参数，控制所述被控设备的相关操作；

输出模块：连接所述控制模块与被控设备，用于将所述控制模块的输出信号传送给被控设备，并驱动所述被控设备执行相关操作。

作为对上述技术方案的改进，所述控制模块为一智能终端。

作为对上述技术方案的改进，所述控制模块的硬件结构包括处理器和存储器，软件结构包括系统软件和应用软件。

作为对上述技术方案的改进，所述应用软件包括上层应用程序、设备文件和底层驱动程序。

作为对上述技术方案的改进，所述控制模块的外观结构包括：外壳、设置在所述外壳上的键盘、LCD显示屏、输入接口、输出接口、USB主设备口、USB从设备口和SD卡插口。

作为对上述技术方案的改进，所述输入接口、输出接口均设置至少四个，且所述输入接口和输出接口之间可通用互插。

本发明解决技术问题所采用的另一个技术方案是：提供一种上述机电系统教学平台的控制方法，其中，所述上层应用程序通过打开所述设备文件的方式间接控制运行在系统软件内核当中的所述底层驱动程序，所述底层驱动程序再控制底层的所述被控设备。

作为对上述技术方案的改进，所述上层应用程序控制所述底层驱动程序是通过调用底层驱动函数来实现的。

作为对上述技术方案的改进，所述底层驱动程序加载到所述系统软件内核中的方法是：在编译所述内核前将所述底层驱动程序嵌入到所述内核对应的文件夹当中，然后再随着所述内核一起编译。

作为对上述技术方案的改进，所述底层驱动程序加载到所述系统软件内核中的方法是：将所述底层驱动程序编译成一个独立模块，需要时手动加载至所述系统软件内核中。

与现有技术相比，本发明提供的机电系统教学平台，体积小巧、容易拆装、易于携带和收藏，采用模块化设计且模块接口可通用互插，各模块具有复用和重组功能，将原本生产车间、实验室的大型、不易搬动的机械设备及生产线设备以可操作性模型的形式还原给学生，本发明提供的所述机电系统教学平台的控制方法，可实现各控制参数的在线输入、设定及调整，加深学生对机械设备和自动生产线工作过程中机电控制原理的理解，增加课堂、实验等实训教学的直观性、可操作性和趣味性，提高机械系学生对专业课的兴趣和创新性，另便于教师讲解，打破机械系学生学习的枯燥性，进一步提高教学质量，打破机械学习的抽象性，使学生将理论学习和实际操作融为一体，提高学习质量。

附图说明

图1是本发明一个实施例中机电系统教学平台的模块结构示意图；

图2是本发明一个实施例中机电系统教学平台的外观结构示意图；

图3是本发明一个实施例中机电系统教学平台的控制状态示意图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构及流程，因此其仅显示与本发明有关的构成。

请参见图1，本发明实施例提供了一种机电系统教学平台，包括：

(1)输入模块101：连接被控设备200与控制模块102，是所述被控设备200的信号进入所述控制模块102的中间部件，用于向所述控制模块102传输信号，在一个实施例中，所述输入模块101包括但并不限于：图像传感器、电子罗盘、超声波传感器、陀螺仪传感器等各种传感器，其作用是将来自所述被控设备200的各种信号转换成电信号，再传输给所述控制模块102；

(2)控制模块102：是该机电系统教学平台的主体，负责运行和处理应用程序，进行逻辑运算，对所述输入模块101传输来的电信号进行转换、处理，将处理后的信号传输至输出模块103，可在线输入、设定、选择和调整相关参数，控制所述被控设备200的相关操作；

(3)输出模块103：连接所述控制模块102与被控设备200，用于将所述控制模块102的输出信号传送给被控设备200，并驱动所述被控设备200执行相关操作。在一个实施例中，所述输出模块103包括但并不限于：驱动电机模块、舵机模块等执行元件模块。

在一个实施例中，所述被控设备200包括但并不限于：机械模型、机械设备或生产线设备等机械系实训设备。其中，一个所述被控设备200对应一个所述应用程序。

在一个实施例中，所述控制模块102为一智能终端，所述控制模块102的硬件结构包括处理器和存储器，软件结构包括系统软件和应用软件。其中，所述处理器为ARM9处理器，处理器包括控制器和运算器，所述控制器是所述控制模块102的核心，至少有四输入四输出控制功能，可以在线调试实验参数，并兼容ROS开源软件；所述系统软件为嵌入式Linux操作系统，其支持多用户、多任务，各个用户对于自己的文件设备有自己特殊的权利，保证了各用户之间互不影响，并可以使多个应用程序同时并独立地运行；所述应用软件提供供用户直接使用的功能，满足用户需求。

其中，所述应用软件包括上层应用程序1021、设备文件1022和底层驱动程序1023。所述上层的应用程序1021肩负着控制所述被控设备200与所述控制模块102交互的任务，用户都是在所述应用程序1021的对话窗口上进行操作所述被控设备200的。

在一个实施例中，所述控制模块102使用由Qtopia开发的图形化人机交互软件实现该机电系统教学平台的显示功能。

请一并参见图2，在一个实施例中，所述控制模块102的外观结构包括：

外壳10：对所述控制模块102的各部件起支撑和容纳作用，其上设置有：

键盘11：为矩阵键盘，以便于所述控制模块102在线输入、设定、选择和调整相关参数；

LCD显示屏12：实现Linux嵌入式系统配合Qtopia图形化界面的显示效果，可直观的将所述被控设备200的控制过程显示出来；

输入接口13：用于插接所述输入模块101，本实施例中，所述输入接口13设置为四个，即可同时向所述控制模块102输入四种不同的信号；

输出接口14：用于插接所述输出模块103，本实施例中，所述输出接口14设置为四个，即所述控制模块102可同时向所述被控设备200传输四种不同的口令或分别向四个不同的被控设备200传输口令；

USB主设备口15：用于实现所述控制模块102与电脑的互联，使用USB主设备口连接时，所述控制模块102作为下位机，可以由电脑作为上位机向其中写入程序；

USB从设备口16：使用USB从设备口时，所述控制模块102作为上位机，可以将USB摄像头等所述控制模块102驱动支持的外部USB设备插入其中使用；

SD卡插口17：可以插入普通SD存储卡，实现外部存储介质的接入，扩展存储空间，同时写好的程序也可由SD卡带入到所述控制模块102中执行。

本实施例中，所述输入接口13、输出接口14可通用互插，故，可根据实际使用情况进行合理调整，以提升所述控制模块102的适配性和灵活性。可以理解的，在本发明的其他实施例中，所述输入接口、输出接口可以设置为多于四个。

综上所述，本发明技术方案的机电系统教学平台，体积小巧、容易拆装、易于携带和收藏，采用模块化设计且模块接口可通用互插，各模块具有复用和重组功能，将原本生产车间、实验室的大型、不易搬动的机械设备及生产线设备以可操作性模型的形式还原给学生，为机械系学生提供强大的机电控制综合实训学习平台。

请一并参见图3，本发明实施例还提供了一种所述机电系统教学平台的控制方法，在所述控制方法中，所述上层应用程序1021通过打开所述设备文件1022的方式间接控制运行在系统软件内核当中的所述底层驱动程序1023，所述底层驱动程序1023再控制底层的所述被控设备200。所述设备文件1022存放在根文件系统的dev文件夹中，每个所述被控设备200都对应一个独立的所述设备文件1022，实际上，所述设备文件1022在所述应用程序1021与所述驱动程序1023的控制沟通当中起一个桥梁的作用。

其中，所述上层应用程序1021控制所述底层驱动程序1023是通过调用底层驱动函数来实现的，进而实现所述应用程序1021对底层被控设备200的访问与控制，所述底层驱动函数为file operations表当中所列出的函数。

在一个实施例中，所述底层驱动程序1023加载到所述系统软件内核中的方法是：在编译所述内核前将所述底层驱动程序1023嵌入到所述内核对应的文件夹当中，然后再随着所述内核一起编译，当然，所述底层驱动程序1023的编写需要符合Linux驱动的编写格式规则。这种方式加载的所述底层驱动程序1023会在所述内核启动时随着所述内核一起启动，在整个Linux系统启动时就占用系统的内存空间。

在另一个实施例中，所述底层驱动程序1023加载到所述系统软件内核中的方法是：将所述底层驱动程序1023编译成一个独立模块，需要时手动加载至所述系统软件内核中，同样，所述底层驱动程序1023的编写需要符合Linux驱动的编写格式规则。该种方式中，所述底层驱动程序1023不在内核启动时随内核一起启动，而在需要时在手动加载。这种方式的好处是系统启动加载的驱动数量少，启动快，可以不启动不需要使用的驱动。对于手动加载所述底层驱动程序1023的方式，一般只用在调试驱动程序时，当驱动程序调试完成以后，即采用自动加载方式。

综上所述，本发明技术方案的机电系统教学平台结合其控制方法，可实现各控制参数的在线设定及调整，加深学生对机械设备和自动生产线工作过程中机电控制原理的理解，增加课堂、实验等实训内容的直观性、可操作性和趣味性，提高机械系学生对专业课的兴趣和创新性，另便于教师讲解，打破机械系学生学习的枯燥性，进一步提高教学质量，打破机械学习的抽象性，使学生将理论学习和实际操作融为一体，提高学习质量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种机电系统教学平台，其特征在于，包括：

输入模块：连接被控设备与控制模块，是所述被控设备信号进入所述控制模块的中间部件，用于向所述控制模块传输信号；

控制模块：运行和处理应用程序，进行逻辑运算，对所述输入模块传输来的信号进行转换、处理，将处理后的信号传输至输出模块，可在线输入、设定、选择和调整相关参数，控制所述被控设备的相关操作；

输出模块：连接所述控制模块与被控设备，用于将所述控制模块的输出信号传送给被控设备，并驱动所述被控设备执行相关操作。

2.如权利要求1所述的机电系统教学平台，其特征在于，所述控制模块为一智能终端。

3.如权利要求2所述的机电系统教学平台，其特征在于，所述控制模块的硬件结构包括处理器和存储器，软件结构包括系统软件和应用软件。

4.如权利要求3所述的机电系统教学平台，其特征在于，所述应用软件包括上层应用程序、设备文件和底层驱动程序。

5.如权利要求4所述的机电系统教学平台，其特征在于，所述控制模块的外观结构包括：外壳、设置在所述外壳上的键盘、LCD显示屏、输入接口、输出接口、USB主设备口、USB从设备口和SD卡插口。

6.如权利要求5所述的机电系统教学平台，其特征在于，所述输入接口、输出接口均设置至少四个，且所述输入接口和输出接口之间可通用互插。

7.一种如权利要求4-6所述的机电系统教学平台的控制方法，其特征在于，所述上层应用程序通过打开所述设备文件的方式间接控制运行在系统软件内核当中的所述底层驱动程序，所述底层驱动程序再控制底层的所述被控设备。

8.如权利要求7所述的机电系统教学平台控制方法，其特征在于，所述上层应用程序控制所述底层驱动程序是通过调用底层驱动函数来实现的。

9.如权利要求7所述的机电系统教学平台控制方法，其特征在于，所述底层驱动程序加载到所述系统软件内核中的方法是：在编译所述内核前将所述底层驱动程序嵌入到所述内核对应的文件夹当中，然后再随着所述内核一起编译。

10.如权利要求7所述的机电系统教学平台控制方法，其特征在于，所述底层驱动程序加载到所述系统软件内核中的方法是：将所述底层驱动程序编译成一个独立模块，需要时手动加载至所述系统软件内核中。