CN209168499U - 电子实验教学平台 - Google Patents

Abstract

一种电子实验教学平台，包括实验基板，实验基板上设置有用以外接实验扩展板的外接扩展接口；进一步包括设置在实验基板上的可更换的核心板，核心板经外接扩展接口与实验扩展板通信。基于该教学平台进行教学实验，根据实验类型选择核心板与外接扩展板。本实用新型提供了一种综合性的教学实验平台。实验基板具有丰富的扩展接口，实验人员可以根据实际教学或学习需求，选用不同的基板、核心板和扩展板，来开展综合性的教学实验，解决了现有实验装置只能开设单元性实验，以及各门课程的实验需要分别依赖不同的实验台进行实验的问题。综合教学实验平台采用的为开放式的结构，灵活性高，集成性强，可以丰富实验教学内容，提高实验精度和实验效率。

Description

电子实验教学平台

技术领域

本实用新型涉及教学仪器技术领域，尤其涉及一种综合性电子实验教学平台。

背景技术

实验教学是工科教学领域中的重要组成部分。

现有技术中，电子实验教学存在以下不足。一方面，电子实验的种类很多，不同的实验需要依靠专门的实验箱、实验台来进行，这些设备可维护性差；另一方面，长期以来，由于受到经费、实验仪器以及实验场地等因素的限制，教学过程中开展的实验更多的验证性的单元实验，可扩展性差，不便于根据教学需求开展综合性的实践教学，使得学生很难将各门课程的知识点融会贯通，学生的工程实践能力得不到很好的锻炼；因此，开发能够满足开展多门实验课程综合性实验的适合本科教学的统一的教学平台是非常必要的。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中，电子教学实验均需依靠专门的实验台或实验箱进行，且现有技术中实验台和实验箱可扩展性和可维护性较差，无法在统一的平台下开展多门课程的综合性实验教学，基于此提供一种可以进行多种教学实验的综合性实验教学平台。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种电子实验教学平台，包括实验基板，实验基板上设置有用以外接实验扩展板的外接扩展接口；进一步包括设置在实验基板上的可更换的核心板，核心板经外接扩展接口与实验扩展板通信。

优选的是，核心板包括第一核心板和第二核心板，所述实验基板上设置有核心板接口，第一核心板和第二基核心板各自通过核心板接口连接在实验基板上。

优选的是，第一核心板采用FPGA板，所述第二核心板采用ARM板。

优选的是，所述实验基板包括可与核心板进行双向通信的外部通信单元，外部通信单元进一步连接外部控制终端，并可与外部控制终端进行双向通信；外接控制终端内安装有实验软件，实验软件包括用于选择实验类型的实验选择单元、用于下达与实验类型对应控制信号的控制信号发送单元和用于接收实验结果信号的信号接收单元。

优选的是，所述扩展板包括用于进行运动控制实验的运动扩展板和用于进行过程控制实验的过程扩展板。

优选的是，所述过程控制板包括控制板扩展口、标准控制信号模块、检测电路模块；其中控制板扩展口与实验基板外接扩展口进行双向通信，以获取实验基板的过程控制实验信号或将实验结果反馈至核心板；标准控制信号模块与控制板扩展口和被控对象连接，用于向被控对象发送控制信号；检测电路模块外接对象传感单元，并与控制板扩展口连接，用于获取被控对象的反馈信号，并将反馈信号反馈至核心板；过程控制板进一步包括用于为标准控制信号模块和检测电路模块供电的电源模块。

优选的是，所述运动控制扩展板包括控制板扩展口、驱动模块、电流监测模块和编码器检测模块；其中控制板扩展口与实验基板外接扩展口进行双向通信，以获取实验基板的运动控制实验信号或将实验结果反馈至核心板；驱动模块与控制控制板扩展口和被控对象连接，用以获取运动控制实验信号并将信号传递至被控对象；电流监测模块外接被控对象，并与运动控制扩展口连接，用于获取被控对象反馈的电流信号，并将电流信号反馈至核心板；编码器检测模块外接被控对象，并与运动控制扩展口连接，用以获取被控对象的运动位置信号，并将位置信号反馈至核心板；运动控制扩展板进一步包括用于为驱动模块、电流监测模块、编码器检测模块供电的电源模块。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

本实用新型提供了一种综合性的教学实验平台。实验基板具有丰富的扩展接口，实验人员可以根据实际教学或学习需求，选用不同的基板、核心板和扩展板，来开展综合性的教学实验，解决了现有技术中各种实验需要分别依赖不同的实验台进行实验的问题。综合教学实验平台采用的为开放式的结构，灵活性高，集成性强，可以丰富实验教学内容，能够激发学生的学习积极性，并且降低了开发和维护的成本。

附图说明

图1为本实用新型电子实验教学平台的结构示意图；

图2为本实用新型电子实验方法流程图。

其中：1-实验基板；101-电源模块；102-键盘模块；103-高精度A/D模块；104-晶振模块；105-日历时钟模块；106-JTAG下载模块；107-SD卡存储模块；108-显示模块；109-高精度D/A模块；110-CAN总线模块；111-RS232收发模块；112-外接扩展口；2-核心板接口；3-运动控制扩展板；301-电源模块；302-电流监测模块；303-驱动模块；304-编码器检测模块；305-控制板扩展口；4-过程控制扩展板；401-电源模块；402-标准控制信号模块；403-检测电路模块；404-控制板扩展口；5-外接控制终端；6-过程控制被控对象；7-对象传感单元；8-运动控制被控对象；

具体实施方式

以下，结合附图对本实用新型的具体实施方式进行进一步的描述。

本实用新型提供了一种电子实验用教学平台，主要用于本科电子实验的教学，该平台与传统的电子实验教学平台相比，该教学平台集成度高，能够满足多门课程的综合性实践教学。

一种电子实验教学平台，包括实验基板1，实验基板1上设置有用以外接实验扩展板的外接扩展接口112；进一步包括设置在实验基板1上的可更换的核心板，核心板主要用于对外部电路的控制以及相关算法的计算。核心板经外接扩展接口112与实验扩展板通信，实验基板1上设置有核心板接口2，核心板通过核心板接口2安装在实验基板1上。

其中，实验基板1作为整个实验教学平台的基础板，用于核心板的安装及外围实验扩展板的外接。此外，实验基板1上还设置有电源模块101，键盘模块102、高精度A/D模块103、高精度D/A模块109、时钟模块105、晶振模块104、显示模块108、信号收发模块、SD卡存储模块107等，并配置有下载接口，连接有JTAG下载模块106。其中，电源模块101用于为实验基础板1和设置在实验基础板1上的核心板供电；键盘模块102用于人机交互信息输入，输入的指令将经实验基板传递至核心板；A/D模块103用于模拟信号到数字信号的转换，D/A模块104用于数字信号到模拟信号的转换，根据实验需求，核心板可外接需要的电路，模拟信号和数字信号可来自外接电路，也可以由A/D模块103和D/A模块104产生；时钟模块105用于为整个实验平台提供时钟信号；显示模块108用于实验结果的显示；信号收发模块用于外接控制终端5，例如，可以外接计算机，通过计算机下达实验指令；存储模块107用于存储实验结果。

核心板包括第一核心板和第二核心板，实验基板上设置有核心板接口，第一核心板和第二核心板可各自通过核心板接口连接在实验基板上。需要说明的是，每次进行实验时，可根据实验需求选择采用第一核心板或第二核心板来进行实验。需要说明的是，核心板用于实现外围电路的控制和外部控制算法的计算，核心板的选择不限于第一核心板和第二核心板，可以根据需求设计多种类型的控制板来作为核心板，根据实验需求，也可以进一步设置第三核心板等。本实施例中，第一核心板采用FPGA核心板，第二核心板采用ARM核心板。若进一步包括第三核心板，可以采用DSP核心板或其他类型MCU作为核心处理器的核心板等。

ARM核心板包括电源模块、ARM核心芯片、EPROM以及晶振模块。

FPGA核心板包括包括电源模块、FPGA核心芯片、FLASH芯片、SDRAM芯片、晶振模块以及EPCS存储芯片。

ARM核心板或FPGA核心板的选取，取决于教学实验的需求。两种核心板的地位是相同的。不管是采用哪种类型的核心板，实验基板上的各模块均与核心板具有如下的连接结构。

实验基板1的电源模块101，键盘模块102与核心板通信，用以为核心板供电，或经键盘输入实验指令。

实验基板1的显示模块108，与核心板连接，用以获取并显示实验结果；存储模块107，与核心板连接，用于存储实验结果；下载接口，与核心板连接，用于下载核心板的驱动程序等。

实验基板1经信号收发模块与外接人机交互控制终端通信，考虑到信号类型的多样性，信号收发模块包括RS232收发模块111和CAN总线模块110，用于实验时经外接控制终端输入实验信号并反馈实验结果。为了可以进行多种实验，外接控制终端内安装有与实验教学相应的软件，实验软件包括于选择实验类型的实验选择单元、用于下达与实验类型对应控制信号的控制信号发送单元和用于接收实验结果信号的信号接收单元。进行实验时，用户通过实验选择单元选择实验类型，软件将自动调用与该种实验类型相对应的实验界面，可通过实验界面下达实验指令，并接收被控对象反馈的指令，并自动计算生成实验结果。

扩展板主要用于进行实验时，作为实验基板与被控对象之间的转接。扩展板可以根据不同的实践教学需求进行扩展，当前主要包括用于进行运动控制实验的运动扩展板3和用于进行过程控制实验的过程扩展板4。扩展板的选择不限于运动扩展板3和过程扩展板4，可以进一步根据实验需求设计其他类型的扩展板。

过程控制板4主要用于过程控制实验，例如：温度控制实验、流量控制实验等。过程控制板包括控制板扩展口404、标准控制信号模块402、检测电路模块403；其中控制板扩展口404与实验基板外接扩展口112进行双向通信，以获取实验基板的过程控制实验信号或将实验结果反馈至核心板；标准控制信号模块402与控制板扩展口404和过程控制被控对象6连接，用于向被控对象6发送控制信号，信号传递过程中，准控制信号模块402将控制信号转换为标准的电压或电流信号，用于控制被控对象；检测电路模块403外接对象传感单元7，并与控制板扩展口404连接，用于获取被控对象的反馈信号，并将反馈信号反馈至核心板；过程控制板进一步包括用于为标准控制信号模块402和检测电路模块403供电的电源模块401。

运动控制扩展板3主要用于运动控制实验，例如：直流电机调速实验、交流电PWM调功实验等。运动控制扩展板3包括控制板扩展口305、驱动模块303、电流监测模块302和编码器检测模块304；其中控制板扩展口305与实验基板外接扩展口112进行双向通信，以获取实验基板的运动控制实验信号或将实验结果反馈至核心板；驱动模块303与控制板扩展口305和运动控制被控对象8连接，驱动模块的主要作用为对信号进行功率放大，以实现可以驱动外围电路的目的，驱动信号获取运动控制实验信号，进行功率放大后将信号传递至被控对象8；电流监测模块302外接被控对象，并与运动控制扩展口305连接，用于获取被控对象反馈的电流信号，并将电流信号反馈至核心板；编码器检测模块304外接被控对象，并与运动控制扩展口305连接，用以获取被控对象的运动位置信号，并将位置信号反馈至核心板；运动控制扩展板3进一步包括用于为驱动模块303、电流监测模块302、编码器检测模块304供电的电源模块。

教学平台接口种类丰富，可扩展性强，为开放式的系统结构，可以适用于多种综合性的实训方案，根据实训方案连接好各部件后，在控制终端上选择相应实验内容，然后通过人机交互界面接收用户下达的控制参数，同时获取被控对象的状态参数；也可以不使用显控计算机，仅基于开发板进行嵌入式综合性实验的开发。通过本实用新型实施例的综合性电子教学实验平台可完成自动化多门课程相关的常用的典型综合性实验教学，扩展性好，很好的满足了自动化大类专业对综合性实践教学的需求；同时本实用新型结构模块化设计，可根据需求进行进一步的扩展开发。学生可以根据需求自行设计综合性实验的方案，并进行实验，提高了学生对自动化课程的直观认知能力，有利于提高自动化专业学生站在系统的角度分析问题和解决问题的能力。

本实用新型进一步提供一种电子实验教学方法，该教学方法基于上述的电子实验教学平台而实现。

电子实验教学方法，基于上述的电子实验教学平台而实现，包括以下步骤：

根据需进行的实验选择核心板安装在实验基板上；学生根据需要开展的实验选择相应的扩展板，例如，进行ARM相关的实验，选择ARM核心板，进行FPGA相关的实验，选择FPGA核心板；

根据需进行的实验选择实验扩展板，实验扩展板经外接扩展口与实验基板连接；具体的说，先判断需要进行的实验为过程控制实验或者运动控制实验，进行过程控制实验时，选择过程控制扩展板，进行运动控制实验时，选择运动控制扩展板；

配置好实验教学平台的硬件结构后，启动实验开始。下达实验控制指令，并获取实验扩展板反馈的被控对象的反馈信号。可以通过外部控制终端或者实验基板的键盘输入端下达控制指令。

经外部控制终端下达控制指令的具体方法为：首先通过外部控制终端选择具体的实验类型以及实验内容，启动外部控制终端与被控对象之间的连接。通过外部控制终端下达控制指令，控制指令通过核心板、实验基板的外接扩展接口传递至扩展板，并经扩展板传递至被控对象。被控对象接收到控制信号之后将作出反应，产生反馈信号，反馈信号传递至核心板，并经核心板反馈至外部控制终端。

具体的说，对于过程控制实验，控制指令将经标准控制信号模块传递至被控对象，并经传感单元反馈到检测电路模块，最终经检测电路模块传递至核心板；对于运动控制实验，控制指令经驱动模块传递至被控对象，并经电流监测模块和编码器检测模块反馈到核心板。

基于此，可以完成各类的过程控制实验和运动控制实验。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种电子实验教学平台，其特征在于：包括实验基板，实验基板上设置有用以外接实验扩展板的外接扩展接口；进一步包括设置在实验基板上的可更换的核心板，核心板经外接扩展接口与实验扩展板通信。

2.如权利要求1所述的电子实验教学平台，其特征在于：所述核心板包括第一核心板和第二核心板，所述实验基板上设置有核心板接口，第一核心板和第二核心板可各自通过核心板接口连接在实验基板上。

3.如权利要求2所述的电子实验教学平台，其特征在于：所述第一核心板采用FPGA板，所述第二核心板采用ARM板。

4.如权利要求1所述的电子实验教学平台，其特征在于：所述实验基板包括可与核心板进行双向通信的外部通信单元，外部通信单元进一步连接外部控制终端，并可与外部控制终端进行双向通信；

外接控制终端内安装有实验软件，实验软件包括用于选择实验类型的实验选择单元、用于下达与实验类型对应控制信号的控制信号发送单元和用于接收实验结果信号的信号接收单元。

5.如权利要求1或3所述的电子实验教学平台，其特征在于：所述扩展板包括用于进行运动控制实验的运动扩展板和用于进行过程控制实验的过程扩展板。

6.如权利要求5所述的电子实验教学平台，其特征在于：所述过程控制板包括控制板扩展口、标准控制信号模块、检测电路模块；其中控制板扩展口与实验基板外接扩展口进行双向通信，以获取实验基板的过程控制实验信号或将实验结果反馈至核心板；标准控制信号模块与控制板扩展口和被控对象连接，用于向被控对象发送控制信号；检测电路模块外接对象传感单元，并与控制板扩展口连接，用于获取被控对象的反馈信号，并将反馈信号反馈至核心板；过程控制板进一步包括用于为标准控制信号模块和检测电路模块供电的电源模块。

7.如权利要求5所述的电子实验教学平台，其特征在于：所述运动控制扩展板包括控制板扩展口、驱动模块、电流监测模块和编码器检测模块；其中控制板扩展口与实验基板外接扩展口进行双向通信，以获取实验基板的运动控制实验信号或将实验结果反馈至核心板；驱动模块与控制板扩展口和被控对象连接，用以获取运动控制实验信号并将信号传递至被控对象；电流监测模块外接被控对象，并与运动控制扩展口连接，用于获取被控对象反馈的电流信号，并将电流信号反馈至核心板；编码器检测模块外接被控对象，并与运动控制扩展口连接，用以获取被控对象的运动位置信号，并将位置信号反馈至核心板；运动控制扩展板进一步包括用于为驱动模块、电流监测模块、编码器检测模块供电的电源模块。