CN110085106A - 工程及实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工程及实验系统，它包括测控主机，测控主机上设有多个标准接口，标准接口用于与传感模块及应用模块电连接，标准接口通过信号处理模块与运算处理模块电连接；还设有显示模块和输入模块，显示模块和输入模块与运算处理模块电连接。优选的方案中，还设有功能主机，功能主机通过连接器和总线与测控主机电连接；所述的总线为USB、串行SCSI、CAN、EIA‑485、火线或雷电中的一种或多种。通过采用多个标准接口与协议的架构，能够通过标准接口匹配不同的传感模块和应用模块，大幅提高工程实验仪器的通用性，降低实验教学成本，提高教学实验的效率。本发明的系统采用模块、分层设计、标准协议接口、积木式应用提供了灵活的应用可创新开发空间。

Description

工程及实验系统

技术领域

本发明涉及实验仪器领域及工业生产领域，特别是一种工程及实验系统。

背景技术

目前做教学仪器均以学科、知识点为目标导向进行产品开发，针对性强，通用性差，可扩展和创新开发内容受到限制，且故障率高维护性差，出现问题需专业人员解决不能快速恢复满足使用需求。随着科技的不断进步会出现更多的部件，而现有的实验仪器可能出现难以适应新出现部件的情形，整机进行更换成本较高。

同时，在实验室科研与工业生产转换过程中需要有较多的创新设计和自主搭建系统实验验证并应用，而传统教学仪器很难满足这种创新多变的要求；现有技术中的实验系统通常针对某一特定实验，或特定传感器，无法转用到其他实验中，例如中国专利文献CN206441379U一种基于Zigbee技术的无线传感器教学实验系统；CN205665202U一种湿度可控的多参数声表面波瓦斯传感器测试实验系统；CN202650368U霍尔传感器实验模块和工程教学实验系统；等均只能完成特定的实验任务，这导致实验成本高昂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工程及实验系统，能够提高工程实验的通用性，通过一台测控主机与不同功能主机、传感模块、应用模块进行组合完成多种实验和工业控制测试，优选的方案中，能够方便的对实验功能进行拓展，能够方便的对主机的部分结构进行升级和替换，能够实现与移动终端的交互，实现远程实验操作和数据获取，对创新设计进行验证，实现科研与工业生产的无缝转化和应用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种工程及实验系统，它包括测控主机，测控主机上设有多个标准接口，标准接口用于与传感模块及应用模块电连接，标准接口通过信号处理模块与运算处理模块电连接；

还设有显示模块和输入模块，显示模块和输入模块与运算处理模块电连接。

优选的方案中，还设有功能主机，功能主机通过连接器和总线与测控主机电连接；

所述的总线为USB、串行SCSI、CAN、EIA-485、火线或雷电中的一种或多种。

优选的方案中，所述的连接器包括分别位于测控主机和功能主机的弹性顶针和相应的连接触点。

优选的方案中，弹性顶针和连接触点分别布置在测控主机和功能主机的顶部和底部，以使测控主机与功能主机以堆叠的方式连接。

优选的方案中，所述的功能主机包括电源装置、负载装置、温控装置、电机驱动装置、信号源装置、运算装置和光功率计中的一种或多种。

优选的方案中，所述传感模块及应用模块通过标准接口或无线方式与测控主机或功能主机连接。

优选的方案中，所述传感模块及应用模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、光电传感器、霍尔传感器、磁力传感器等，光功率传感器、照度传感器、热释电传感器、电动平移台、电机、电阻负载、电控阀门和光源。

优选的方案中，所述的显示模块包括显示屏、触控屏和移动终端；

所述的输入模块包括键盘、鼠标、移动终端和触控屏。

优选的方案中，键盘、鼠标、移动终端和触控屏通过通信接口与运算处理模块电连接；

所述的通信接口包括RJ45、RS232、RS485、CAN、PCI、I/O接口、USB、BNC、蓝牙、WIFI或NFC中的一种或多种。

优选的方案中，所述的显示模块和输入模块为触控屏，触控屏与标准接口设置在面板上，面板与壳体插接连接；

支承板与壳体固定连接，主板与支承板固定连接，信号处理模块和运算处理模块固定安装在主板(7)上；

主板设有扩展高速信号处理模块接口；

所述的支承板上设有多个阵列布置的长圆孔。

本发明提供的一种工程及实验系统，通过采用多个标准接口与协议的架构，能够通过标准接口匹配不同的传感模块和应用模块，大幅提高工程实验仪器的通用性，降低实验教学成本，提高教学实验的效率。优选的方案中，通过采用连接器连接功能主机的结构，能够方便地对实验功能进行拓展。测控主机和功能主机采用上下堆叠的连接方式，能够方便地进行拓展操作，甚至无需外接线缆。除了传统的操控和显示装置，还能够采用触控屏或者移动终端，例如手机与测控主机和功能主机进行交互，进一步提高了实验系统的适用性。标准接口和触控屏所在的面板采用插接的方式与壳体连接，便于这些部件的升级、替换和维护。扩展高速信号处理模块接口、主板、支承板与壳体连接的结构，便于主机的升级换代，且升级后采用不同的主板元件布局，也不会影响主板的安装。降低使用成本。本发明实现了产品模块化设计、积木式应用、支持丰富的创新二次开发、智能化数据处理和网络化管理；大大减少了实验室科研项目的开发工作，提供了科研与工业生产转换的有效验证方法与应用。最大化提高设备利用率、降低设备管理与系统应用成本。本发明提供了灵活的应用可创新开发空间，打通了科研与工业生产应用的桥梁。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中测控主机俯视方向的立体图。

图2为本发明中测控主机仰视方向的立体图。

图3为本发明中测控主机的内部结构示意图。

图4为本发明中测控主机与功能主机堆叠连接时的结构示意图。

图5为本发明中测控主机和功能主机的结构框图。

图6为本发明中测控主机的内部结构框图。

图7为本发明中测控主机与传感及应用模块和主控平台连接的结构框图。

图8为本发明中测控主机、功能主机与传感及应用模块和主控平台连接的结构框图。

图9为本发明中测控主机与主控平台连接的详细结构框图。

图10为本发明中测控主机与功能主机连接的详细结构框图。

图11为本发明中主控芯片的示意图。

图12为本发明中485总线接口芯片的示意图。

图13为本发明中液晶屏接口芯片的示意图。

图14为本发明中键盘接口的示意图。

图15为本发明中放大器的结构示意图。

图16为本发明中模拟量输入电路示意图。

图17为本发明中另一模拟量输入电路示意图。

图18为本发明中供电电源的电路示意图。

图19为本发明中另一供电电源的电路示意图。

图20为本发明中顶针接口示意图。

图21为本发明中FPGA扩展接口的电路示意图。

图22为本发明中开关量输入接口的电路示意图。

图23为本发明中开关量和数字量转换电路示意图。

图24为本发明中信号源电路示意图。

图中：测控主机1，功能主机2，传感模块及应用模块3，标准接口4，触控屏5，连接器6，弹性顶针61，连接触点62，主板7，支承板8，壳体9，面板10。

具体实施方式

如图1~8中，一种工程及实验系统，它包括测控主机1，测控主机1上设有多个标准接口4，标准接口4用于与传感模块及应用模块3电连接，标准接口4通过信号处理模块与运算处理模块电连接；本例中的标准接口4优选采用插针式接插式接口，本例中采用8针圆形接口，防插反设计，其中4针用于连接数字电路和数字式传感器及应用模块，另外4针用于连接模拟电路和接入传感器模拟信号。以便于安装且连接可靠。标准接口4包括常用的数字信号输入/输出、模拟信号输入/输出、开关量输入/输出、信号源等，其输出/输入信号的参数可通过显示模块进行显示。通过输入模块进行设置。优选的，也可以采用USB通用接口的结构。本例中的标准接口4可以同时接入模拟信号和数字信号，通过不同的线路，分别发送至不同的处理电路，例如模拟信号处理电路，用于将模拟信号转换成数字信号。又例如发送至和数字信号接收处理电路，以实现开关量、数字量到电平的转换。

标准接口4通过信号处理模块与运算处理模块电连接；信号处理模块包括放大模块、整流模块、滤波模块和数模信号处理模块中的一种或多种。运算处理模块采用单芯片或多芯片架构，例如单片机、单片机+CPU架构或工控机架构，本例中采用了单片机+CPU架构，单片机选用STM32F系列单片机，例如STM32F429ITG6或STM32F427，CPU采用EP4CE30F23C7及系列芯片。所述的运算处理模块内还包括存储模块，存储模块包括静态内存SRAM，动态内存DRAM，闪存、外接的硬盘和SD卡中的一种和多种的组合，本例中采用了上述所有的存储结构。电路示意图如附图11~24中所示。

优选的方案中，本例中的传感模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、光电传感器、霍尔传感器、磁力传感器等，光功率传感器、照度传感器、热释电传感器和电压电流探测器。应用模块3包括电动平移台、电控阀门、电机、电阻负载和光源等。

还设有显示模块和输入模块，显示模块和输入模块与运算处理模块电连接。

优选的方案中，还设有功能主机2，功能主机2通过连接器6和总线与测控主机1电连接；

所述的总线为USB、串行SCSI、CAN、EIA-485、火线或雷电中的一种或多种。本例中采用EIA-485、USB总线，进一步优选的，在主板还预留有PCIe扩展接口，以扩展更多的功能。也可以采用CAN总线以提高传输效率。其中火线或雷电可用于大数量量的传输，例如大量的视频信号，例如用于无人驾驶领域的实验。

优选的方案如图1、2、4中，所述的连接器6包括分别位于测控主机1和功能主机2的弹性顶针61和相应的连接触点62。

优选的方案如图1、2中，弹性顶针61和连接触点62分别布置在测控主机1和功能主机2的顶部和底部，以使测控主机1与功能主机2以堆叠的方式连接。采用该结构，能够方便的拓展本发明的实验功能。例如，对于不常用的实验装置，则可以通过将不常用部件作为功能主机2的方式加以拓展，而无需另行购置整机，从而降低实验成本。如图4、8中，本例中能够通过堆叠多个功能主机2的方式，拓展更多的功能。

优选的方案中，所述的功能主机2包括电源装置、负载装置、温控装置、电机驱动装置、信号源装置、运算装置和光功率计中的一种或多种。所述功能主机也不仅不局限于上述装置，还可根据实际应用需求按照标准接口协议进行增加，方便扩展。

由上述的结构，测控主机1和功能主机2的连接变得非常简便。更换不同的功能主机2，以及测控主机1和多个功能主机2的连接也非常便利。测控主机1与功能主机2能够通过组合完成各种应用需求。如图5~7中即采用了多种的组合方案，例如图10中，测控主机1与具有测控模块的功能主机2连接。图9中，测控主机1与具有运算处理模块的功能主机2连接。图8中，两个功能主机2与一个测控主机1之间以堆叠的方式连接。

优选的方案如图7中所示，还包括主控平台，主控平台与测控主机1通过总线电连接。主控平台用于收集测控主机1的数据，并发送控制指令。主控平台可以是一台工控机。

进一步优选的方案如图8中，主控平台与测控主机1通过总线电连接，两个功能主机2与一个测控主机1之间以堆叠的方式连接。便于使操作人员通过主控平台收集更多的数据，实现更多的功能。

优选的方案中，所述传感模块及应用模块3通过标准接口4或无线方式与测控主机1或功能主机2连接。在测控主机1或功能主机2内还设有无线通讯模块，例如WIFI模块、zigbee模块、lora模块等，由此结构，便于测试新型的无线传感器。这些无线传输模块也可以作为外接的部件，通过通信接口，例如USB接口与测控主机1或功能主机2连接。

优选的方案中，所述的显示模块包括显示屏、触控屏和移动终端；

所述的输入模块包括键盘、鼠标、移动终端和触控屏。本例中的触控屏为设置输入、检测输出显示用液晶屏，可实时观察显示传感和测量数据。

优选的方案中，键盘、鼠标、移动终端和触控屏通过通信接口与运算处理模块电连接；

所述的通信接口包括RJ45、RS232、RS485、CAN、PCI、I/O接口、USB、BNC、蓝牙、WIFI或NFC中的一种或多种。

优选的方案如图3中，所述的显示模块和输入模块为触控屏，触控屏与标准接口4设置在面板10上，面板10与壳体9插接连接；由此结构，便于升级触控屏和标准接口4，也便于维护。

支承板8与壳体9固定连接，主板与支承板8固定连接，信号处理模块和运算处理模块固定安装在主板7上；。由此结构，便于升级主板。

主板7设有扩展高速信号处理模块接口，例如PCI接口，或PCIe接口；主板7通过该接口可叠加扩展高速信号处理模块，根据需求选择扩展与不扩展，灵活应用，满足应用需求的同时降低成本。

所述的支承板8上设有多个阵列布置的长圆孔。由此结构，便于适应不同布局的主板。进一步提高升级的便利性。

本发明在市场现有产品的基础上进行了较大的革新，打破了传统实验仪器的开发模式，采用了模块化设计、积木式应用，提供了用户更多的学习、开发、创新的空间，同时简化了产品的应用搭建，标准接口和模块化设计提高产品的稳定性和可维护性。同时基于现代物联网技术实现网络化管理与大数据处理，提高设备的智能化与资源再利用。

1、系统可组合叠加应用，其组合通过顶部可压缩弹性顶针61与底部平面连接触点62进行连接，完成供电、通信、组建系统。

2、每一个功能模块独立为一个主机，功能明确，通用性强；接口统一，易于扩展与维护。

3、传感及应用模块3采用插口防呆设计，有效提高模块兼容性，同时保证外接设备及自身安全。

4、采用工业触控屏操作显示，将繁琐众多的旋钮、开关、按键通过直观的触控操作实现，简化设备操作面板，提高可操作性，减少故障率。优选的，也可以采用移动终端进行操作。移动终端通过WIFI接口或其他网络接口与测控主机1通信，以设置实验参数和获取实验数据。

5、本发明的壳体两侧设有散热孔，采用左右对流的风道设计，解决系统散热问题；散热孔采用密集网孔方式实现，保证通风量同时可抑制外部灰尘及杂物进入，提高系统稳定性保证内部安全。

6、本发明采用底部凸台与顶部凹槽设计，使整体外形更灵动不呆板，同时可保证上下叠放更美观和更稳定，放置台面时底部凸起高度正好可放手指便于搬运挪动。

7、主机的前后面板采用独立可更换零件设计，使主壳体保持一致，同时便于更换面板以适用不同主机。

8、顶部弹性顶针61的位置采用內凹设计，并配套盖板，在不实用时可盖上盖板有效防尘，保护触点及设备安全。

9、本发明采用工程塑料外壳及弧形设计，无尖锐棱角，且颜色方便更换多种搭配，安全可靠、灵活多变。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工程及实验系统，其特征是：它包括测控主机（1），测控主机（1）上设有多个标准接口（4），标准接口（4）用于与传感模块及应用模块（3）电连接，标准接口（4）通过信号处理模块与运算处理模块电连接；

还设有显示模块和输入模块，显示模块和输入模块与运算处理模块电连接。

2.根据权利要求1所述的一种工程及实验系统，其特征是：还设有功能主机（2），功能主机（2）通过连接器（6）和总线与测控主机（1）电连接；

所述的总线为USB、串行SCSI、CAN、EIA-485、火线或雷电中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的一种工程及实验系统，其特征是：所述的连接器（6）包括分别位于测控主机（1）和功能主机（2）的弹性顶针（61）和相应的连接触点（62）。

4.根据权利要求3所述的一种工程及实验系统，其特征是：弹性顶针（61）和连接触点（62）分别布置在测控主机（1）和功能主机（2）的顶部和底部，以使测控主机（1）与功能主机（2）以堆叠的方式连接。

5.根据权利要求3或4所述的一种工程及实验系统，其特征是：所述的功能主机（2）包括电源装置、负载装置、温控装置、电机驱动装置、信号源装置、运算装置和光功率计中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种工程及实验系统，其特征是：所述传感模块及应用模块（3）通过标准接口（4）或无线方式与测控主机（1）或功能主机（2）连接。

7.根据权利要求6所述的一种工程及实验系统，其特征是：所述传感模块及应用模块（3）包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、光电传感器、霍尔传感器、磁力传感器等，光功率传感器、照度传感器、热释电传感器、电动平移台、电机、电阻负载、电控阀门和光源。

8.根据权利要求1~4、6~7任一项所述的一种工程及实验系统，其特征是：所述的显示模块包括显示屏、触控屏和移动终端；

所述的输入模块包括键盘、鼠标、移动终端和触控屏。

9.根据权利要求8所述的一种工程及实验系统，其特征是：键盘、鼠标、移动终端和触控屏通过通信接口与运算处理模块电连接；

所述的通信接口包括RJ45、RS232、RS485、CAN、PCI、I/O接口、USB、BNC、蓝牙、WIFI或NFC中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的一种工程及实验系统，其特征是：所述的显示模块和输入模块为触控屏，触控屏与标准接口（4）设置在面板（10）上，面板（10）与壳体（9）插接连接；

支承板（8）与壳体（9）固定连接，主板与支承板（8）固定连接，信号处理模块和运算处理模块固定安装在主板(7)上；

主板（7）设有扩展高速信号处理模块接口；

所述的支承板（8）上设有多个阵列布置的长圆孔。