CN211149874U - 嵌入式系统实验箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种嵌入式系统实验箱，包括树莓派开发板、摄像头、LED显示模块、电位器、电源模块、电机驱动模块、接线柱、按键模块、发光二极管模块、带编码器的直流电机、AD/DA模块、RFID模块、温湿度传感器模块、蓝牙模块、超声波模块；本实用新型可以直接连接鼠标键盘并运行linux操作系统，不需要另外的PC机，就可以在开发板上进行编程开发，所有的外围器件都是电子模块，学会这些模块使用方法，学生很容易将其用于实际系统的开发，可以将实验箱提前发给学生，通过笔记本电脑，可以连到开发板，其效果相当于开发板将笔记本电脑作为显示屏，后期维护方便，成本低廉。

Description

嵌入式系统实验箱

技术领域

本实用新型涉及“嵌入式系统”教育培训领域，具体是一种进行嵌入式系统培训的实验箱。

背景技术

嵌入式系统(Embedded system)，是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电气工程师协会(U.K.Institution of ElectricalEngineer)的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。

嵌入式系统已广泛用于移动通信、工业控制、交通管理、智能家居、消费电子、航空航天、医疗设备、汽车电子、船舶航海、安防监控、机器人等领域，可以说嵌入式技术无所不在，嵌入式技术和设备的应用在我国国民经济和国防建设的各个方面存在着广泛的应用，有着巨大的市场。可以说它是信息技术的一个新的发展，是信息产业的一个新的亮点，也成为当前最热门的技术之一。

目前我国对嵌入式系统设计人才需求较大的行业被调查者主要从事消费电子、汽车电子、医疗电子、信息家电、通信通讯、手持设备、工业控制、安防监控等领域产品的设计开发。消费类电子产品开发是当前最热门，从业工程师最多的行业，占到62％，其次是53％在通信通讯领域，46％在工业控制领域。

现有嵌入式系统实验箱的缺点有：

1集成硬件。现有的实验箱将开发板和被控对象集成到一个板子上，学生对底层硬件的接线方式、驱动方式均不了解，只能浮于表面，无法深入了解硬件，也不知道在实际项目中该如何连接、使用这些硬件。即使做完全部实验，学生也无法利用这些硬件组建自己的应用。

2集成软件。由于学生做实验的时间很有限，而对硬件的底层驱动，学生没有那么多时间去做深入了解，为了方便实验，厂家一般会把硬件驱动做成库函数或者类，让学生去调用，即使做完一个实验，学生也不知道硬件究竟是怎么驱动的，而且这些硬件驱动程序是厂家特有的，并没有兼容性，如果换一个开发板，这些驱动就不能用，学生还是不知道该如何去驱动硬件。

3需交叉编译。现有的实验箱不能运行完整的操作系统，不能直接连接鼠标和键盘，需要一台PC机，通过串口与开发板相连，在PC机上编程，然后再下载到开发板上运行，这样做的后果是开发效率低下，调试困难，无法开发大型项目。

4维护困难。现有的实验箱将所有硬件集成到一个电路板上，当某个器件出现故障，将影响到整个实验箱的使用，特别是过了保修期以后，对实验箱的维修变得十分困难，实验指导老师无法对其进行修复，交给厂家维修，价格昂贵。如果弃用，大部分其他部件又是好的，将变得十分浪费。

5学生收获有限。实践证明，采用软件、硬件都集成的实验箱、学生到实验室做实验，这种模式，学生只能浮在表面，无法深入到开发板的内部，只能进行一些半验证实验，学生也学到一些短期记忆的知识，等实验课程一结束，学生真正掌握的技能非常少，收获极其有限。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于解决现有嵌入式实验箱存在的问题。

本实用新型提供了一款模块化的嵌入式系统实验箱，包括开发板和外围器件都是由电子积木构成的，它们被集成到一个电路板上，但它们之间并没有连线连接，在做实验时，学生需要了解开发板接口和外围器件的接口说明，利用杜邦线，自行连线，自行编程，才能进行实验。

为实现上述实用新型目的，本实用新型技术方案如下：

一种嵌入式系统实验箱，包括树莓派开发板1、摄像头2、LED显示模块3、电位器4、电源模块5、电机驱动模块6、接线柱7、按键模块8、发光二极管模块9、带编码器的直流电机10、AD/DA模块11、RFID模块12、温湿度传感器模块13、蓝牙模块14、超声波模块15；

其中树莓派开发板1作为主开发板，用于运行程序；摄像头2与树莓派开发板1相连，用于人脸识别；4位LED显示模块3与树莓派开发板1、电源模块5连接，用于给定速度和反馈速度的显示；电位器4与电源模块5、树莓派开发板1连接，用于以分压的形式设定直流电机给定转速；电源模块5用于为各模块提供电源；电机驱动模块6用于驱动直流电机10，与树莓派开发板1、电源模块5、接线柱7连接；接线柱7用于连接直流电机10与电机驱动模块6之间的信号线；按键模块8用于提供按钮功能，与树莓派开发板1、电源模块5连接；发光二极管模块9用于发光二极管控制，与树莓派开发板1、电源模块5连接；直流电机10用于电机恒速控制；AD/DA模块11用于模数/数模转换，与树莓派开发板1、温湿度传感器模块13连接；RFID模块12用于刷卡通信，与树莓派开发板1、电源模块5连接；温湿度传感器模块13用于环境温湿度数据采集，并通过AD/DA模块11将数据传至树莓派开发板1，温湿度传感器模块13与树莓派开发板1、电源模块5相连；蓝牙模块14通过蓝牙协议与树莓派开发板1蓝牙通信，通过传输的数据控制发光二极管工作，蓝牙模块与树莓派开发板1、电源模块5相连；超声波模块15将其和障碍物的距离传输给树莓派开发板1，并通过4位LED显示模块3显示，超声波模块15与树莓派开发板1、电源模块5相连。

作为优选方式，树莓派开发板1位于主板的左下侧，摄像头2位于主板的左上侧，4位LED显示模块3在树莓派开发板1的右侧，电位器4位于4位LED显示模块3上方，电源模块5位于电位器4上方，电机驱动模块6位于4位LED显示模块3右侧，接线柱7位于电机驱动模块6上方，按键模块8位于接线柱7上方，发光二极管模块9位于按键模块8上方，直流电机10位于电机驱动模块6右侧，AD/DA模块11位于直流电机10上方，RFID模块12位于主板的右上部，温湿度模块13位于RFID模块12下方，蓝牙模块14位于主板右下部，超声波模块15位于蓝牙模块14上方。

作为优选方式，所有的模块通过铜柱和螺丝固定在母版上，母版上没有走线，各模块与树莓派开发板1之间通过杜邦线相连。

本实用新型的有益效果为：

1、开发板就是一台卡片式电脑，可以直接连接鼠标键盘并运行linux操作系统，不需要另外的PC机，就可以在开发板上进行开发。

2、所有的外围器件都是电子模块，学生必须弄清楚其接口定义，才能进行连线并编程。学会这些模块使用方法，学生很容易将其用于实际系统的开发。

3、对这些模块的控制，通过开发板的GPIO来完成，使用的库函数是通用的、可兼容的，学生很容易利用库函数，开发自己的应用系统。

4、因为系统自成体系，可以将实验箱提前发给学生，通过笔记本电脑，可以连到开发板，其效果相当于开发板将笔记本电脑作为显示屏。

5、后期维护方便，若某个器件损坏，管理老师可自行采购器件更换，无需等候厂家维护。因此，后期维护方便，成本低廉。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

1为树莓派开发板；2为摄像头；3为4位LED显示模块；4为电位器；5为电源模块；6为电机驱动模块；7为接线柱；8为按键模块；9发光二极管模块；10为直流电机；11为AD/DA模块；12为RFID模块；13为温湿度传感器模块；14为蓝牙模块；15为超声波模块。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

一种嵌入式系统实验箱，包括树莓派开发板1、摄像头2、LED显示模块3、电位器5、电源模块6、电机驱动模块7、接线柱8、按键模块9、发光二极管模块10、带编码器的直流电机11、AD/DA模块12、RFID模块13、温湿度传感器模块14、蓝牙模块15、超声波模块16；

其中树莓派开发板1作为主开发板，用于运行程序；摄像头2与树莓派开发板1相连，用于人脸识别；4位LED显示模块3与树莓派开发板1、电源模块5连接，用于给定速度和反馈速度的显示；电位器4与电源模块5、树莓派开发板1连接，用于以分压的形式设定直流电机给定转速；电源模块5用于为各模块提供电源；电机驱动模块6用于驱动直流电机10，与树莓派开发板1、电源模块5、接线柱7连接；接线柱7用于连接直流电机10与电机驱动模块6之间的信号线；按键模块8用于提供按钮功能，与树莓派开发板1、电源模块5连接；发光二极管模块9用于发光二极管控制，与树莓派开发板1、电源模块5连接；直流电机10用于电机恒速控制；AD/DA模块11用于模数/数模转换，与树莓派开发板1、温湿度传感器模块13连接；RFID模块12用于刷卡通信，与树莓派开发板1、电源模块5连接；温湿度传感器模块13用于环境温湿度数据采集，并通过AD/DA模块11将数据传至树莓派开发板1，温湿度传感器模块13与树莓派开发板1、电源模块5相连；蓝牙模块14通过蓝牙协议与树莓派开发板1蓝牙通信，通过传输的数据控制发光二极管工作，蓝牙模块与树莓派开发板1、电源模块5相连；超声波模块15将其和障碍物的距离传输给树莓派开发板1，并通过4位LED显示模块3显示，超声波模块15与树莓派开发板1、电源模块5相连。

树莓派开发板1位于主板的左下侧，摄像头2位于主板的左上侧，4位LED显示模块3在树莓派开发板1的右侧，电位器4位于4位LED显示模块3上方，电源模块5位于电位器4上方，电机驱动模块6位于4位LED显示模块3右侧，接线柱7位于电机驱动模块6上方，按键模块8位于接线柱7上方，发光二极管模块9位于按键模块8上方，直流电机10位于电机驱动模块6右侧，AD/DA模块11位于直流电机10上方，RFID模块12位于主板的右上部，温湿度模块13位于RFID模块12下方，蓝牙模块14位于主板右下部，超声波模块15位于蓝牙模块14上方。

所有的模块通过铜柱和螺丝固定在母版上，母版上没有走线，各模块与树莓派开发板1之间通过杜邦线相连。

本试验箱开展的实验有：跑马灯控制实验、数码管控制实验、按键检测实验、超声波测距实验、直流电机恒速控制实验、温湿度数据采集实验、蓝牙通信实验、Pygame小游戏制作实验、人脸识别实验、基于Tkinter的图形化编程实验、RFID读卡器实验、MP3播放器设计实验。

实验箱的编程语言可以是C、C++、java、python等流行的开发语言，但实验指导书默认使用python语言进行开发。

本实验箱可以通过HDMI线连接显示器，可以直接使用USB键盘、鼠标，也可以利用笔记本电脑，采用SSH连接开发板。

可以在课前将该实验箱发放给学生，使其有充分的时间做实验，然后在实验课上检查结果。

本项目开发的实验箱，采用模块化、开发式设计，成本低、后期维护方便，学生收获更大，有望在各高校相关课程中推广。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种嵌入式系统实验箱，其特征在于：包括树莓派开发板(1)、摄像头(2)、LED显示模块(3)、电位器(4)、电源模块(5)、电机驱动模块(6)、接线柱(7)、按键模块(8)、发光二极管模块(9)、带编码器的直流电机(10)、AD/DA模块(11)、RFID模块(12)、温湿度传感器模块(13)、蓝牙模块(14)、超声波模块(15)；

其中树莓派开发板(1)作为主开发板，用于运行程序；摄像头(2)与树莓派开发板(1)相连，用于人脸识别；4位LED显示模块(3)与树莓派开发板(1)、电源模块(5)连接，用于给定速度和反馈速度的显示；电位器(4)与电源模块(5)、树莓派开发板(1)连接，用于以分压的形式设定直流电机给定转速；电源模块(5)用于为各模块提供电源；电机驱动模块(6)用于驱动直流电机(10)，与树莓派开发板(1)、电源模块(5)、接线柱(7)连接；接线柱(7)用于连接直流电机(10)与电机驱动模块(6)之间的信号线；按键模块(8)用于提供按钮功能，与树莓派开发板(1)、电源模块(5)连接；发光二极管模块(9)用于发光二极管控制，与树莓派开发板(1)、电源模块(5)连接；直流电机(10)用于电机恒速控制；AD/DA模块(11)用于模数/数模转换，与树莓派开发板(1)、温湿度传感器模块(13)连接；RFID模块(12)用于刷卡通信，与树莓派开发板(1)、电源模块(5)连接；温湿度传感器模块(13)用于环境温湿度数据采集，并通过AD/DA模块(11)将数据传至树莓派开发板(1)，温湿度传感器模块(13)与树莓派开发板(1)、电源模块(5)相连；蓝牙模块(14)通过蓝牙协议与树莓派开发板(1)蓝牙通信，通过传输的数据控制发光二极管工作，蓝牙模块与树莓派开发板(1)、电源模块(5)相连；超声波模块(15)将其和障碍物的距离传输给树莓派开发板(1)，并通过4位LED显示模块(3)显示，超声波模块(15)与树莓派开发板(1)、电源模块(5)相连。

2.根据权利要求1所述的嵌入式系统实验箱，其特征在于：树莓派开发板(1)位于主板的左下侧，摄像头(2)位于主板的左上侧，4位LED显示模块(3)在树莓派开发板(1)的右侧，电位器(4)位于4位LED显示模块(3)上方，电源模块(5)位于电位器(4)上方，电机驱动模块(6)位于4位LED显示模块(3)右侧，接线柱(7)位于电机驱动模块(6)上方，按键模块(8)位于接线柱(7)上方，发光二极管模块(9)位于按键模块(8)上方，直流电机(10)位于电机驱动模块(6)右侧，AD/DA模块(11)位于直流电机(10)上方，RFID模块(12)位于主板的右上部，温湿度传感器模块(13)位于RFID模块(12)下方，蓝牙模块(14)位于主板右下部，超声波模块(15)位于蓝牙模块(14)上方。

3.根据权利要求1所述的嵌入式系统实验箱，其特征在于：所有的模块通过铜柱和螺丝固定在母版上，母版上没有走线，各模块与树莓派开发板(1)之间通过杜邦线相连。

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