CN111240242A - 一种实物化编程系统及方法 - Google Patents

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刘国炜
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Abstract

本发明公开了一种实物化编程系统及方法，包括：主控板，所述主控板上设有至少一个凹槽；所述主控板将接收到的程序信息按顺序排列，形成完整的控制指令；至少一个编程积木块，所述编程积木块能够插入所述凹槽内，与主控板建立电连接；所述编程积木块内存储有设定的程序信息；执行部件，所述执行部件与主控板通信，根据接收到的主控板发送的程序信息执行相应的动作。本发明无需地址编码，由主控板自主整理顺序，且每个积木功能固定，无需条件判断、输入输出等功能，降低孩子玩的难度，便于推广使用。

Description

一种实物化编程系统及方法
技术领域
本发明涉及编程教育技术领域，尤其涉及一种实物化编程系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
人工智能已经深入到社会生活的各个方面，也将在未来社会发展中占有重要地位。因此，与人工智能密切相关的编程教育显得越加重要并向低龄化发展。孩子越早接触编程或人工智能教育越能建立编程及人工智能思维。
然而，目前很多人工智能教育或编程教育都是依赖于现有以电脑或平板等电子产品作为开发平台。一方面这为孩子的学习增加了难度，其次，孩子过多接触此类电子产品不利于身心发展比如视力，久坐等，而且此类电子设备由于可携带其他游戏，易于造成孩子上瘾。
现有技术公开了一种可热插拔积木式编程系统，包括指令积木，指令插槽、指令拼接板和指令解码系统。指令槽向指令积木提供电源和指令插槽自身地址，实现指令积木和编码系统之间的通信连接，同时指令积木可以修改并实现断电保存。这不仅增加了积木和底板的复杂程度，而且使积木功能不确定，增加玩家难度，不利于推广。
现有技术公开了一种积木式硬件编程套件，其所述编程器部件中程序控制单元为逻辑单元，所述每一程序控制单元配置成含有对应的条件控制信息的单元；多个输入输出单元，每一输入输出单元配置成含有对应的输出控制处理结果信息的单元。这就需要玩家判断条件控制信息以及输入输出单元，这无疑增加了玩家难度，不利于儿童使用。
现有技术公开了一种面向儿童的空间编程机器人玩具，通过在地面上对贴有NFC标签积木块的排列，用条形码或者二维码对指令进行识别，完成积木式的编程，但该方案需要使用专门的传感器，成本较高，且受标签限制。
现有技术公开了一种积木式编程系统，系统的每条指令在实现形式上都是一块积木，不需要借助其他辅助工具，积木按顺序进行拼接就是系统程序的实现。但是在编程过程中，积木必须严格按照顺序进行拼接，相临的指令积木不允许有空，且不支持热插拔，因此在使用过程中限制条件太多，降低了孩子学习的兴趣；如果编程母板在使用过程中某一个指令插槽损坏则整个编程母板不能正作，提高玩家成本。
发明内容
本发明目的是为了解决上述问题，提出了一种实物化编程系统及方法，每一个积木具有特定且固定的功能，积木无需地址编码，由主控板自主整理编程顺序，降低孩子玩的难度，便于推广使用。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种实物化编程系统，包括：
主控板，所述主控板上设有至少一个凹槽；所述主控板将接收到的程序信息按顺序排列，形成完整的控制指令；
至少一个编程积木块，所述编程积木块能够插入所述凹槽内，与主控板建立电连接；所述编程积木块内存储有设定的程序信息；
执行部件，所述执行部件与主控板通信，根据接收到的主控板发送的程序信息执行相应的动作。
进一步地，所述编程积木块包括：
语句积木，其内部存储有用于实现代表流程的控制程序；
常量积木，其内部存储有代表某一固定的数字或字符的程序；
运算积木，其内部存储有代表某种设定运算的程序。
所述编程积木块与主控板上的凹槽电接触，并通过串行通信方式进行通信。
所述主控板通过模拟开关的切换分别顺序读取每个凹槽上接入的编程积木块内的程序，如果存在空格，所述主控板忽略空格信息，直接读取下一个编程积木块内的程序。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种实物化编程方法，包括：
按照设定的编程逻辑将相应的编码积木块与主控板的凹槽按顺序建立连接；
主控板按照顺序读取每一个编程积木块内的程序；如果存在空格，所述主控板忽略空格信息，直接读取下一个编程积木块内的程序；
主控板将读取到的程序按照顺序组成控制指令；检查所述控制指令是否存在语法错误；如果没有，将所述控制指令传送至执行部件，控制执行部件执行相应的动作；否则，玩家需重新调整编程积木块的位置或者更换编程积木块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明编程积木与现有技术相比，无需地址编码，由主控板自主整理顺序，且每个积木功能固定，无需条件判断、输入输出等功能，降低孩子玩的难度，便于推广使用。
主控板与编程积木块采用电接触的方式连接，通过串行通信方式读取程序，无需其他辅助的程序读取设备，装置更加简化，在减小产品尺寸的同时，降低成本。
附图说明
图1(a)-(b)分别为本发明实施例一中编程积木块结构示意图；
图2为本发明实施例一中主控板与编程积木块连接示意图；
图3为本发明实施例一中主控板与编程积木块通信拓扑图；
图4为本发明实施例一中积木搭建展示图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
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。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种实物化编程系统，包括：
主控板，所述主控板上设有至少一个凹槽；所述主控板将接收到的程序信息按顺序排列，形成完整的控制指令；
至少一个编程积木块，所述编程积木块能够插入所述凹槽内，与主控板建立电连接；所述编程积木块内存储有设定的程序信息；
执行部件，所述执行部件与主控板通信，根据接收到的主控板发送的程序信息执行相应的动作。
在每一个编程积木块内部安装集成电路芯片，并装载功能程序使其具有特定功能；本实施例中，编程积木块包括：语句积木，常量积木，变量积木和运算积木等；其中，语句积木可包括前进类语句积木，后退类语句积木，旋转类语句积木，循环类语句积木，分支类语句积木等，用于实现设定的控制流程。常量积木代表某一固定的数字或字符；运算积木可完成加、减、乘、除、取余等常见运算功能。
编程积木块内部嵌入集成电路如51单片机和通信接口芯片如RS232，max485无线模块(如蓝牙、WIFI)等；
参照图1，编程积木块上设有电源接口和通信接口，具体包括：电源正极，电源负极，两个通信接口和1个定位接口。
相应地，主控板上每一个凹槽内均设有与编程积木块相对应的电源接口及通信接口，完成供电和信息的传递。
主控板与编程积木的电气连接方式，可采用但不限于磁吸压紧式、插拔式以及侧面弹片式等方式。
定位接口用于实现编程积木块与定位板上凹槽的定位，可以采用但不限于磁吸、插拔、弹片挤压或者导线的方式实现。
参照图2，编程积木块插入主控板上的凹槽内，主控板可对各编程积木进行供电，编程积木块与主控板采用电接触的方式实现连接，主控板通过串行通信方式读取编程积木块内部的设定程序。具体地，主控板与编程积木块之间的通信可采用现有常规通信模式，如RS485，IIC，CAN总线等。
主控板顺序读取每个凹槽接入的编程积木功能，如有空格，后续积木可保持位置不变，但其功能在主控板读取算法中被顺序提前。
每个积木的功能固定不变，无需确认条件判断、输入输出等复杂功能，由主控板自主整理顺序，无需地址编码，降低了操作者的使用难度。
不同于现有技术中借助辅助设备读取积木块内程序的方式，本实施例主控板采用嵌入性系统设计，由嵌入式系统芯片直接读取积木块功能，并完成指令编译，更加简便、成本低廉。
编程积木块正面安装有正确及错误提示，可采用但不限于声音、指示灯、显示器等方式，用于提示语法或连接错误。
主控板能够检查顺序读取到的程序是否存在语法错误，如果有，控制编程积木块上设置的指示灯提示语法错误。
参照图3，本实施例中，主控板与编程积木块采用串行通信协议RS232，主控板通过模拟开关的切换分别顺序读取主控板各凹槽中编程积木功能，以生成完整程序流程，并可将生成的程序流程有线或无线发送至执行部件。
本实施例中，执行部件采用智能小车方式，智能小车安装有识别主控板发送指令序列的程序，实现编程效果展示，展示形式可包括但不限于声、光、机械形式。
另外，可在智能小车中央加装轨迹笔，以按接收到的程序指令流程描绘出小车的运动轨迹，给孩子以更直观感受。
在具体的实施方式中，编程积木采用5*5木质积木，内部掏空安装电路后加天地盖密封固定。此处集成电路采用stc15w201单片机。将电源正极，接地端，发送端，接收端连接到积木表面端子，用于与主控板连接。中部固定小磁铁，用于固定并加强编程积木与主控板的电气连接。
制作包括以下功能的编程积木若干：前进，后退，左旋，右旋，循环，分支，常量5,10,20,30,60。编程积木功能采用固定编码形式，如0xFF代表前进，0xFE代表后退，依次类推。主控板查询到某一阵列单元时，该积木将自己的功能码上传至主控板，同时主控板记录其在阵列中的位置。
主控板采用stm32F469系列芯片，模拟开关使用4片CD4067的16位选1模拟开关，最多可实现32个编程积木的读取，主控板与编程积木间采用串行RS232通信方式。
将编程积木依次放置到主控板阵列单元中，点击主板上的检查按键，检查摆放积木是否有语法错误，如有则开启对应积木上的错误提示，直至修复错误。
如无语法错误，则主控板将编程积木的功能编码顺序通过RS232串口(亦可通过无线方式)上传至智能小车。智能小车识别该编码并调用动作函数完成动作。根据动作完成情况，反馈修改编程中的逻辑错误，直至符合预期。
图4为一种简单的积木搭建实例一，其中：
Step1:假设为“前进”语句积木.
Step2:假设为“常量”语句积木，设为数字3
Step3：假设为“左旋90度”积木。
Step4：假设为“后退”积木
Step5：假设为“常量”积木，数字为5。
该step1至step5的流程被发送至功能积木，此实例中功能积木为小车模型，则小车将前进3单位(如厘米，可自主设定)，然后左转90度，接着后退5cm，如在小车中央固定一只笔，则可画出小车运动轨迹供孩子观察，激发孩子兴趣，并反馈孩子修改编程积木流程。
以下假设图4为另一种简单的积木搭建实例二：
Step1：假设为常量积木，假设为5；
Step2:假设为“运算”积木，设运算符为加“+”；。
Step3：假设为常量积木，假设为10。
Step4：假设为运算积木，运算符为乘“*”；
Step5:假设为常量积木，为数字3；
该step1至step5的流程被发送至功能积木，此实例中功能积木为显示或声音播报装置，则提示结果为35，可用于孩子的基础数学学习。
以下假设图4为另一种简单的积木搭建实例三：
Step1：为“循环”积木
Step2:设为常量积木，数字3
Step3：设为“左旋”积木
Step4：假设未放置任何编程积木
Step5:设为常量积木，数字90
功能展示仍为小车，则该step1至step5的流程表现为忽略Step4，小车将循环左转90度3次，即左旋270度。
通过上述实例，不难想象，玩家可编写出不限于上述实例的多种玩法。
本实施例所涉及的编程积木有以下基本编程语法：
1)运算积木的前后必须为数字或表达式，搭建语法为：数字或数字表达式-运算积木-数字或表达式。包括常量积木或变量积木，支持混合运算。
2)循环积木搭建语法为：循环积木-数字或表达式-其他积木。循环积木后，必须接数字积木，或数字积木组合成的表达式，做为循环次数、完成后续第一个其他积木的循环动作，可支持循环嵌套。
3)条件积木搭建语法为：条件积木-数字或表达式1-判断积木(大于，等于，小于，大于等于，小于等于)-数字或表达式2-其他语句1-其他语句2。其功能是条件成立则执行其他语句1，否则执行其他语句2。
4)前进类、后退类以及旋转类积木其后必须紧接数字积木或数字积木组成的表达式，以确定运动的距离或角度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种实物化编程系统，其特征在于，包括：
主控板，所述主控板上设有至少一个凹槽；所述主控板将接收到的程序信息按顺序排列，形成完整的控制指令；
至少一个编程积木块，所述编程积木块能够插入所述凹槽内，与主控板建立电连接；所述编程积木块内存储有设定的程序信息；
执行部件，所述执行部件与主控板通信，根据接收到的主控板发送的程序信息执行相应的动作。
2.如权利要求1所述的一种实物化编程系统，其特征在于，所述编程积木块包括：
语句积木，其内部存储有用于实现代表流程的控制程序；
常量积木，其内部存储有代表某一固定的数字或字符的程序；
运算积木，其内部存储有代表某种设定运算的程序。
3.如权利要求1所述的一种实物化编程系统，其特征在于，所述编程积木块内通过集成电路芯片的形式预存设定的功能程序使其具有特定功能。
4.如权利要求1所述的一种实物化编程系统，其特征在于，所述编程积木块与主控板上的凹槽电接触，并通过串行通信方式进行通信。
5.如权利要求1所述的一种实物化编程系统，其特征在于，所述编程积木块与主控板上的凹槽之间通过磁吸、插拔、弹片挤压或者导线的方式连接。
6.如权利要求1所述的一种实物化编程系统，其特征在于，所述编程积木块上设有第一电源接口和第一通信接口；所述主控板上每一个凹槽内均设有能够与编程积木块相对应的第二电源接口和第二通信接口。
7.如权利要求1所述的一种实物化编程系统，其特征在于，所述主控板通过模拟开关的切换分别顺序读取每个凹槽上接入的编程积木块内的程序，如果存在空格，所述主控板忽略空格信息，直接读取下一个编程积木块内的程序。
8.如权利要求1所述的一种实物化编程系统，其特征在于，所述主控板能够检查顺序读取到的程序是否存在语法错误，如果有，控制编程积木块上设置的指示灯提示语法错误。
9.如权利要求1所述的一种实物化编程系统，其特征在于，所述执行部件采用智能小车，所述智能小车能够识别主控板发送的指令序列程序，并通过声、光或者机械方式执行所述程序；
进一步地，
在所述智能小车的中央设置轨迹笔，以按接收到的程序指令流程描绘出智能小车的运动轨迹。
10.一种实物化编程方法，其特征在于，包括：
按照设定的编程逻辑将相应的编码积木块与主控板的凹槽按顺序建立连接；
主控板按照顺序读取每一个编程积木块内的程序；如果存在空格，所述主控板忽略空格信息，直接读取下一个编程积木块内的程序；
主控板将读取到的程序按照顺序组成控制指令；检查所述控制指令是否存在语法错误；如果没有，将所述控制指令传送至执行部件，控制执行部件执行相应的动作；否则，重新调整编程积木块的位置或者更换编程积木块。
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