CN217467520U - 单片机虚拟仿真控制器及虚拟仿真控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种单片机虚拟仿真控制器及虚拟仿真控制系统，涉及单片机技术领域，该单片机虚拟仿真控制器包括MCU控制器，以及功能模拟模块(至少包括CAN模块和/或RS485模块)和人机交互模块，功能模拟模块与单片机开发板连接；人机交互模块用于响应用户输入的设置参数，并将设置参数发送至MCU控制器；MCU控制器用于将设置参数通过CAN模块和/或RS485模块发送至单片机开发板，以及接收单片机响应设置参数发送的目标数据；人机交互模块显示MCU控制器响应目标数据生成的模拟效果。本实用新型可以直观真实的模拟实际设备的运行状态，使单片机学习者更容易地学习单片机，同时编写出来的程序可直接应用于真实设备，具有较强的实用性。

Description

单片机虚拟仿真控制器及虚拟仿真控制系统

技术领域

本实用新型涉及单片机技术领域，尤其是涉及一种单片机虚拟仿真控制器及虚拟仿真控制系统。

背景技术

单片机学习者使用单片机开发板进行实操学习。为了更好地学习，通常采用单片机应用于某种情景，但实际应用中无法将一台真实设备(例如，电梯)放置在学习者旁边，通常采用单片机开发板模拟实物进行编程，然而这种方式模拟的实验结果通常教学效果不佳；相关技术中也有利用电脑软件虚拟仿真出一台设备，学习者需要增加通讯程序将设备控制指令从单片机开发板传输到电脑虚拟仿真软件，但是真实设备的编程是不需要这段通讯程序，因此当将该程序在真实设备上运行时，容易产生通讯失败的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种单片机虚拟仿真控制器及虚拟仿真控制系统，可以直观真实的模拟实际设备的运行状态，使单片机学习者更容易地学习单片机，同时编写出来的程序可直接应用于真实设备，具有较强的实用性。

第一方面，本实用新型提供一种单片机虚拟仿真控制器，包括：MCU控制器，以及与MCU控制器连接的功能模拟模块和人机交互模块，功能模拟模块与单片机开发板连接；其中，功能模拟模块至少包括CAN模块和/或RS485模块；

人机交互模块用于响应用户输入的设置参数，并将设置参数发送至MCU控制器；

MCU控制器用于将设置参数通过CAN模块和/或RS485模块发送至单片机开发板，以及接收单片机响应设置参数发送的目标数据；

人机交互模块还用于显示MCU控制器响应目标数据生成的模拟效果。

在可选的实施方式中，CAN模块和/或RS485模块还设置有保护电路；

保护电路包括依次连接的采样电路、差分运算电路、增益电路、比较电路和延时电路，与采样电路连接的至少一个瞬态二极管，以及分别与采样电路和延时电路连接的开关电路；

保护电路用于为CAN模块和/或RS485模块通信时进行过流保护。

在可选的实施方式中，功能模拟模块还包括I/O模块，I/O模块与MCU控制器的连接方式包括直连、通过施密特触发器连接或者通过RC滤波器连接；

I/O模块用于模拟I/O功能的设备，I/O功能的设备至少包括LED灯、继电器、蜂鸣器、直流电机。

在可选的实施方式中，功能模拟模块还包括ADC模块和/或DAC模块；ADC模块和/或DAC模块与MCU控制器的连接方式包括直连或者通过增益放大器连接。

在可选的实施方式中，功能模拟模块还包括1-Wire模块；

1-Wire模块用于模拟DS18B20温度传感器。

在可选的实施方式中，功能模拟模块还包括I2C模块；

I2C模块用于模拟BH1750光照度传感器。

在可选的实施方式中，功能模拟模块还包括SPI模块；

SPI模块用于模拟W25Q128 FLASH存储器。

在可选的实施方式中，功能模拟模块还包括PWM模块；

PWM模块用于模拟超声波模块的输出信号。

在可选的实施方式中，功能模拟模块还包括输入捕捉模块；

输入捕捉模块用于模拟舵机。

第二方面，本实用新型提供一种虚拟仿真控制系统，虚拟仿真控制系统包括前述实施方式任一项的单片机虚拟仿真控制器，以及与单片机虚拟仿真控制器连接的单片机开发板。

本实用新型提供的单片机虚拟仿真控制器及虚拟仿真控制系统，该单片机虚拟仿真控制器包括MCU控制器，以及与MCU控制器连接的功能模拟模块和人机交互模块，功能模拟模块与单片机开发板连接；其中，功能模拟模块至少包括CAN模块和/或RS485模块；人机交互模块用于响应用户输入的设置参数，并将设置参数发送至MCU控制器；MCU控制器用于将设置参数通过CAN模块和/或RS485模块发送至单片机开发板，以及接收单片机响应设置参数发送的目标数据；人机交互模块还用于显示MCU控制器响应目标数据生成的模拟效果。通过功能模拟模块可以模拟相应的设备，学习者将单片机开发板连接到单片机虚拟仿真控制器，通过编程进行控制，从而可以直观真实的模拟实际设备的运行状态，使单片机学习者更容易地学习单片机，同时编写出来的程序可直接应用于真实设备，具有较强的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种单片机虚拟仿真控制器的结构图；

图2为本实用新型实施例提供的一种功能模拟模块的连接示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种保护电路的结构图；

图4为本实用新型实施例提供的一种RS485模块的结构图；

图5为本实用新型实施例提供的一种采样电路的结构图；

图6为本实用新型实施例提供的一种差分运算电路的结构图；

图7为本实用新型实施例提供的一种增益电路的结构图；

图8为本实用新型实施例提供的一种比较电路的结构图；

图9为本实用新型实施例提供的一种延时电路的结构图；

图10为本实用新型实施例提供的一种开关电路的结构图；

图11为本实用新型实施例提供的一种I/O模块连接示意图；

图12为本实用新型实施例提供的一种ADC模块和/或DAC模块的连接示意图；

图13为本实用新型实施例提供的一种具体的单片机虚拟仿真控制器的结构图；

图14为本实用新型实施例提供的一种虚拟仿真控制系统的结构图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

单片机学习者使用单片机开发板进行实操学习，为了提升教学及学习效果，通常采用单片机开发板模拟实物进行编程，例如，利用单片机开发板模拟一台电梯，通过LED灯的状态模拟电梯运行情况，诸如LED灯亮表示电梯上升，该LED灯灭表示电梯停止。但是很多学习者无法将这种非直观的实验现象与真实电梯相结合，造成学习单片机难度较大，教学效果不佳。也有的利用电脑软件虚拟仿真出一台设备，学习者需要增加通讯程序将设备控制指令从单片机开发板传输到电脑虚拟仿真软件，但是真实设备的编程是不需要这段通讯程序。该程序在真实设备上运行，出现通讯失败的问题。

基于上述问题，本实施例提供了一种单片机虚拟仿真控制器及虚拟仿真控制系统，可以直观真实的模拟实际设备的运行状态，使单片机学习者更容易地学习单片机，同时编写出来的程序可直接应用于真实设备，具有较强的实用性。

为便于理解，首先对本实用新型实施例提供的一种单片机虚拟仿真控制器进行说明，参见图1所示，该单片机虚拟仿真控制器包括：MCU控制器，以及与MCU控制器连接的功能模拟模块和人机交互模块。功能模拟模块与单片机开发板连接，该单片机虚拟仿真控制采集单片机开发板的数据，并同步到人机交互模块，利用虚拟仿真技术，展示真实设备的运行状态。

上述功能模拟模块至少包括CAN模块和/或RS485模块。在实际应用中，可以根据需要选择CAN模块以及RS485模块的设置，也即“和/或”可以包括仅设置CAN模块、仅设置RS485模块以及既设置CAN模块又设置RS485模块3种情况。

以功能模拟模块同时包括CAN模块和RS485模块为例，参见图2所示，单片机虚拟仿真控制器的CAN模块与单片机开发板的CAN模块连接，单片机虚拟仿真控制器的RS485模块与单片机开发板的RS485模块连接。

在一种实施方式中，上述人机交互模块用于响应用户输入的设置参数，并将设置参数发送至MCU控制器。在实际应用中，该人机交互模块可以为带触摸的液晶显示屏，以实现模拟效果的显示及用户触发指令的接收。

在一种实施方式中，上述MCU控制器用于将设置参数通过CAN模块和/或RS485模块发送至单片机开发板，以及接收单片机响应设置参数发送的目标数据；

在一种实施方式中，人机交互模块还用于显示MCU控制器响应目标数据生成的模拟效果。

本申请实施例提供的单片机虚拟仿真控制器，通过功能模拟模块可以模拟相应的设备，学习者将单片机开发板连接到单片机虚拟仿真控制器，通过编程进行控制，从而可以直观真实的模拟实际设备的运行状态，使单片机学习者更容易地学习单片机，同时编写出来的程序可直接应用于真实设备，具有较强的实用性。

考虑到RS485和CAN两种总线是利用电流传输信号，需要过流保护、防雷保护。相关技术中采用保险丝和TVS管实现这两种保护时，仍然存在烧坏RS485和CAN芯片的现象。因此在一可选的实施方式中，CAN模块和/或RS485模块还设置有保护电路，以对CAN模块和RS485模块进行过流保护。

具体的，参见图3所示，该保护电路包括依次连接的采样电路、差分运算电路、增益电路、比较电路和延时电路，与采样电路连接的至少一个瞬态二极管，以及分别与采样电路和延时电路连接的开关电路，保护电路用于为CAN模块和/或RS485模块通信时进行过流保护。上述至少一个瞬态二极管(Transient Voltage Suppressor，TVS)可以通过并联的方式与采样电路连接，在实际应用中，瞬态二极管可以设置为3个。

考虑到RS485和CAN总线的电流通讯回路具有电流值小、单向传输的特点，电流值变化会影响传输信号值。因此在具体实施时，上述采样电路既要实现电流值采集，又不能从电流通讯回路窃取电流值。因为电流值很小，无法使用电流互感器实现采集，只能串联一个采样电阻(例如，可以为10欧的电阻)，采样电路检测采样电阻两端的电压值，传输给差分运算电路，并计算出电压差，然后将该电压差经过增益电路提升电压值，该电压值与电位器进行比较，得到控制信号；控制信号经过延时电路，控制开关电路。

图4示出了RS485模块的结构图，CAN模块与RS485模块类似，只需将RS485芯片换成CAN芯片。RS485模块和CAN模块的电流都是从485A+流入，从485B流出。485A+先经过采样电阻R1，再经过开关电路，才能到达485A。当电流值越大时，V1和V2之间的电压差越大。

上述采样电路的结构图参见图5所示，为了不从通讯电路窃取电流，又能测量采样电阻两端电压差，利用射极跟随器电路，在一可选的实施方式中，将采样电阻两端电压V1和V2转换成V11和V21，也即V11＝V1。V21＝V2。

上述差分运算电路的结构图参见图6所示，当R3＝R4＝R5＝R6时，减法运算电路V3＝V11-V21，实现采样电阻两端电压差的测量。

上述增益电路的结构图参见图7所示，利用同相比例运算放大电路V4＝V3*(R8+R9)/R8，实现等比例提高V3电压。

上述比较电路的结构图参见图8所示，调节电位器RV1，可以调节反向端的电压值V4-，间接调节电流通迅回路的电流保护值。当通讯回路的电流越大时，采集电阻两端的电压值增加，差分运算电压差V3也增加，增益电压值V4也增加。当V4大于V4-时，比较运算放大器LM393的输出端V5为高电平，DS1灯熄灭。当V4小于V4-时，比较运算放大器LM393的输出端V5为低电平，DS1灯点亮。

上述延时电路的结构图参见图9所示，V5为低电平时，三极管Q1截止，三极管Q2截止，反向端电压V6-为0V，V6+大于V6-，比较运算放大器LM393的输出端V7为高电平，DS2灯熄灭。V5为高电平时，三极管Q1导通，三极管Q2导通，电容C1充电，反向端电压V6-提高，V6+小于V6-，比较运算放大器LM393的输出端V7为低电平，DS2灯点亮。调节电位器RV2，可以调节V7输出低电平的时间。

上述开关电路的结构图参见图10所示，延时电路的输出端V7输出高电平时，Q3导通，继电器闭合，通讯回路为通路，RS485通讯正常。延时电路的输出端V7输出低电平时，Q3截止，继电器断开，通讯回路为断路，电流变成0，从而可以在通讯回路存在过大的异常电能(包括雷电)时，通过TVS电路吸收异常电能，起到电流过大保护作用。此时，采样电阻两端电压差为0V，经过差分运算电路和增益电路还是0V，比较电路输出V5为低电平，延时电路Q1截止，电容C1放电，三极管Q2导通。随着电容C1两端电压下降，三极管Q2变成截止，V7输出高电平，继电器闭合，通讯回路为通路。如果没有延时电路，在开关断开后，电流为0，开关又立即闭合，短时间内反复断开与闭合，没有起到电流保护作用。有了延时电路，在开关断开后，电流为0，延时一段时间，开关才自动闭合，电流保护作用效果更好。

在一可选的实施方式中，上述功能模拟模块还包括I/O模块，I/O模块与MCU控制器的连接方式包括直连、通过施密特触发器连接或者通过RC滤波器连接，连接方式参见图11所示。其中，采用施密特触发器的整形效果，可以令外部不规则波形变成波形良好的方波。RC滤波器可以包括一阶RC滤波器和二阶RC滤波器，通过一阶、二阶RC滤波器可以令机械抖动的波形变成波形良好。I/O模块用于模拟I/O功能的设备，I/O功能的设备至少包括LED灯、继电器、蜂鸣器、直流电机。

在一可选的实施方式中，上述功能模拟模块还包括ADC模块和/或DAC模块；ADC模块和/或DAC模块与MCU控制器的连接方式包括直连或者通过增益放大器连接，参见图12所示。

ADC模块用于模拟ADC功能的设备，例如，0-10V控制一台电机转速，0V表示转速为0，10V表示电机最大转速，ADC模块测量单片机开发板传递过来的电压，计算出电机的转速值，同步到人机交互模块，软件以此转速值展示电机转动动画。ADC模块有两种连接方式，第一种是直连；第二种是增益放大器，利用有源或无源的比例运算放大器将外部信号按比例降低，令外部信号的电压降到MCU控制器可测量的范围。例如，MCU控制器可测量范围是0-3.3V，外部信号的电压范围是0-12V，利用比例运算放大器降低4倍，变成0-3V。

DAC模块用于模拟DAC功能的设备，例如，0-10V表示风速传感器测量的风速数值。0V表示风速为0m/s，10V表示最大测量风速数值。学习者通过人机交互模块设置风速数值，单片机虚拟仿真控制器计算该风速对应的电压值，利用DAC模块输出该电压值。单片机开发板测量该电压值就计算出当前风速数值。DAC模块有两种连接方式，第一种是直连；第二种是增益放大器，利用有源比例运算放大器将外部信号按比例升高，令DAC信号升高指定倍数再往外输出。例如，MCU控制器的DAC信号的测量范围是0-3.3V，增益放大器升高4倍，变成0-13.2V。

在一可选的实施方式中，上述功能模拟模块还包括电流输出模块和电流输入模块。电流输出模块用于模拟电流输出功能的设备。例如，4-20mA表示液压传感器测量的液体深度。4mA表示液体深度为0，20mA表示液体深度为最大测量值。学习者通过人机交互模块设置液体深度值，单片机虚拟仿真控制器计算该深度值对应的电流值，利用电流输入模块输出该电流值。单片机开发板测量该电流值就计算出当前液体深度值。电流输入模块用于模拟电流输入功能的设备。例如，4-20mA控制一台电机转速，4mA表示转速为0，20mA表示电机最大转速。电流输入模块测量单片机开发板传递过来的电流，计算出电机的转速值，显示到人机交互模块，以此转速展示电机转动动画。

在一可选的实施方式中，上述功能模拟模块还包括1-Wire模块；1-Wire模块用于模拟DS18B20温度传感器。学习者通过触发人机交互模块设置温度值，通过单片机虚拟仿真控制器进行处理后，单片机开发板通过该1-Wire模块读出当前温度值。

在一可选的实施方式中，功能模拟模块还包括I2C模块，I2C模块用于模拟BH1750光照度传感器。学习者通过触发人机交互模块设置光照度值，单片机开发板利用I2C模块读出当前光照度值。

在一可选的实施方式中，上述功能模拟模块还包括SPI(串行外设接口，SerialPeripheral Interface)模块，SPI模块用于模拟W25Q128 FLASH存储器。单片机开发板可以通过该SPI模块读取内容，也可以利用SPI模块写入新内容，单片机虚拟仿真控制器将新内容同步到人机交互模块，显示出新内容。

在一可选的实施方式中，功能模拟模块还包括PWM(脉冲宽度调制，Pulse widthmodulation)模块，PWM模块用于模拟超声波模块。学习者通过人机交互模块设置距离值，单片机虚拟仿真控制器计算该距离对应的高电平时间(高电平时间长度用于表征超声波模块测量的距离)，利用PWM模块输出该脉冲，单片机开发板测量该脉冲波形可以计算得到当前距离值。

在一可选的实施方式中，上述功能模拟模块还包括输入捕捉模块，输入捕捉模块用于模拟舵机。输入捕捉模块捕捉单片机开发板传递过来的PWM波，计算出PWM波的周期和占空比，同步到人机交互模块，以此周期值和占空比值调整舵机的转动角度。

综上，本申请实施例提供了一种具体的单片机虚拟仿真控制器的结构图，参见图13所示，在实际应用中，功能模拟模块可以根据实际需要进行设置，此处不作具体限定。

本实用新型还提供了一种虚拟仿真控制系统，参见图14所示，该虚拟仿真控制系统包括前述实施方式任一项的单片机虚拟仿真控制器，以及与单片机虚拟仿真控制器连接的单片机开发板。

本实用新型提供的虚拟仿真控制系统，可以模拟相应的设备，学习者将单片机开发板连接到单片机虚拟仿真控制器，通过编程进行控制，从而可以直观真实的模拟实际设备的运行状态，使单片机学习者更容易地学习单片机，同时编写出来的程序可直接应用于真实设备，具有较强的实用性。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种单片机虚拟仿真控制器，其特征在于，包括：MCU控制器，以及与所述MCU控制器连接的功能模拟模块和人机交互模块，所述功能模拟模块与单片机开发板连接；其中，所述功能模拟模块至少包括CAN模块和/或RS485模块；

所述人机交互模块用于响应用户输入的设置参数，并将所述设置参数发送至所述MCU控制器；

所述MCU控制器用于将所述设置参数通过所述CAN模块和/或所述RS485模块发送至单片机开发板，以及接收所述单片机响应所述设置参数发送的目标数据；

所述人机交互模块还用于显示所述MCU控制器响应所述目标数据生成的模拟效果。

2.根据权利要求1所述的单片机虚拟仿真控制器，其特征在于，所述CAN模块和/或所述RS485模块还设置有保护电路；

所述保护电路包括依次连接的采样电路、差分运算电路、增益电路、比较电路和延时电路，与所述采样电路连接的至少一个瞬态二极管，以及分别与所述采样电路和所述延时电路连接的开关电路；

所述保护电路用于为所述CAN模块和/或RS485模块通信时进行过流保护。

3.根据权利要求1所述的单片机虚拟仿真控制器，其特征在于，所述功能模拟模块还包括I/O模块，所述I/O模块与所述MCU控制器的连接方式包括直连、通过施密特触发器连接或者通过RC滤波器连接；

所述I/O模块用于模拟I/O功能的设备，所述I/O功能的设备至少包括LED灯、继电器、蜂鸣器、直流电机。

4.根据权利要求1所述的单片机虚拟仿真控制器，其特征在于，所述功能模拟模块还包括ADC模块和/或DAC模块；所述ADC模块和/或DAC模块与所述MCU控制器的连接方式包括直连或者通过增益放大器连接。

5.根据权利要求1所述的单片机虚拟仿真控制器，其特征在于，所述功能模拟模块还包括1-Wire模块；

所述1-Wire模块用于模拟DS18B20温度传感器。

6.根据权利要求1所述的单片机虚拟仿真控制器，其特征在于，所述功能模拟模块还包括I2C模块；

所述I2C模块用于模拟BH1750光照度传感器。

7.根据权利要求1所述的单片机虚拟仿真控制器，其特征在于，所述功能模拟模块还包括SPI模块；

所述SPI模块用于模拟W25Q128 FLASH存储器。

8.根据权利要求1所述的单片机虚拟仿真控制器，其特征在于，所述功能模拟模块还包括PWM模块；

所述PWM模块用于模拟超声波模块。

9.根据权利要求1所述的单片机虚拟仿真控制器，其特征在于，所述功能模拟模块还包括输入捕捉模块；

所述输入捕捉模块用于模拟舵机。

10.一种虚拟仿真控制系统，其特征在于，所述虚拟仿真控制系统包括权利要求1至9任一项所述的单片机虚拟仿真控制器，以及与所述单片机虚拟仿真控制器连接的单片机开发板。

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