DE202006011420U1

DE202006011420U1 - Experimentiersystem zur Modellierung von softwaregestützten Steuer- und Regelmechanismen

Info

Publication number: DE202006011420U1
Application number: DE200620011420
Authority: DE
Original assignee: KILGENSTEIN CHRISTOPH; LAEMMERZAHL UWE JENS; Lammerzahl Uwe-Jens; WEIGT ECKHARD
Current assignee: KILGENSTEIN CHRISTOPH; LAEMMERZAHL UWE JENS; Lammerzahl Uwe-Jens; WEIGT ECKHARD
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2016-07-27

Abstract

Experimentiersystem (1) zur Modellierung von softwaregestützten Steuer- oder Regelmechanismen, umfassend
– eine Steckplatte (2) mit einer Anzahl von Steckplätzen (4) zum Aufstecken von Modulen,
– ein Controllermodul (14) mit einem Mikrocontroller (20), das auf einen Steckplatz der Steckplatte (2) aufsteckbar oder in die Steckplatte (2) integriert ist,
– ein Sensor/Aktor-Modul (5), das einen Sensor (52, 55, 63, 67) zur Erfassung eines Messsignals und/oder einen Aktor (46, 49, 55, 59, 62, 69, 72, 73) umfasst, und das auf einen Steckplatz (4) der Steckplatte (2) aufsteckbar ist,
wobei mindestens ein Steueranschluss (25) des Mikrocontrollers (20) an einer Frontseite des Controllermoduls (14), und mindestens ein Signalanschluss (47, 50, 53, 57, 58, 60, 64, 65, 68, 70) des Sensors (52, 55, 63, 67) bzw. Aktors (46, 49, 55, 59, 62, 69, 72, 73) an einer Frontseite des Sensor/Aktor-Moduls (5) zugänglich sind, so dass zur Zuführung des Messsignals an den Mikrocontroller...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Experimentiersystem zur Modellierung von softwaregestützten Steuer- und Regelmechanismen, das insbesondere für den Einsatz als praxisnahes Lehrmittel bestimmt ist.
In der heutigen Technik werden Steuer- oder Regelmechanismen vielfach durch ein so genanntes „embedded system", d.h. einen Mikrocontroller mit einer darauf installierten Steuersoftware kontrolliert. Der Mikrocontroller steuert hierbei vorgesehene Aktoren nach Maßgabe der Steuersoftware an und/oder fragt von vorgesehenen Sensoren Messsignale ab, die im Rahmen der Steuersoftware verwertet werden. Die Aktoren und Sensoren des Regelmechanismus sind hierbei entweder Punkt-zu-punkt-weise mit dem Mikrocontroller verdrahtet oder über einen Datenbus mit dem Mikrocontroller verbunden.
Die in dem Mikrocontroller implementierte Steuersoftware wird üblicherweise aufgrund der beschränkten Ein- und Ausgabefunktionalität eines Mikrocontrollers nicht an diesem selbst programmiert. Vielmehr wird die Programmierung des Mikrocontrollers üblicherweise mit Hilfe so genannter höherer Programmiersprachen, insbesondere C++, über einen hierfür geeigneten Steuerrechner, insbesondere einen PC vorgenommen. Ein Steuerrechner kann alternativ hierzu – insbesondere für komplexere Aufgaben – auch direkt zur Kontrolle des Steuer- oder Regelmechanismus eingesetzt werden. In diesem Fall dient der Mikrocontroller lediglich als Zwischenglied zwischen dem Steuerrechner – auf dem in diesem Fall der eigentliche Steuer- oder Regelalgorithmus implementiert ist – und den Aktoren und/oder Sensoren des Steuer- oder Regelmechanismus.
Die Einrichtung eines solchen softwaregestützten Steuer- oder Regelmechanismus erfordert von dem Entwickler einerseits eine umfangreiche Kenntnis der Steuer- bzw. Regeltechnik als solcher, darüber hinaus aber auch detailliertes Wissen um das Zusammenspiel der im Rahmen des Steuer- oder Regelmechanismus vorgesehen Hardware und Software. Diese Fähigkeiten lassen sich erkanntermaßen besonders gut durch praktische Übung erlernen.
Zu diesem Zweck ist ein Experimentiersystem wünschenswert, mittels welchem typische Aufgabenstellungen der Steuer- und Regelungstechnik modellhaft nachbildbar sind. Für den Einsatz als Lehrmittel sollte das Experimentiersystem einen möglichst schnellen, einfachen und überschaubaren Aufbau von Steuer- und Regelmechanismen ermöglichen, wobei zweckmäßigerweise möglichst praxisnahe Technik zum Einsatz kommen sollte. Gleichzeitig sollte das Experimentiersystem möglichst flexibel und variabel einsetzbar und erweiterbar sein, um eine möglichst umfassende Menge relevanter Aufgabenstellungen modellieren zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vor diesem Hintergrund besonders geeignetes Experimentiersystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst das Experimentiersystem in einer Grundausstattung eine Steckplatte, ein Controllermodul sowie mindestens ein Sensor/Aktor-Modul.
Das Controllermodul umfasst einen Mikrocontroller. Das oder jedes Sensor/Aktor-Modul umfasst mindestens einen Sensor zur Erfassung eines Messsignals und/oder mindestens einen Aktor.
Als „Sensor" wird dabei allgemein jedes Bauteil verstanden, das anhand einer Umgebungsbedingung ein Messsignal erzeugt und als Eingangssignal für den Mikrocontroller zur Verfügung stellt. Die von dem Sensor abgetastete Umgebungsbedingung kann beliebiger Natur sein, insbesondere kann es sich dabei um eine mechanische, optische, akustische oder elektrische Größe, eine Temperatur, etc. handeln. Beispiele für Sensoren umfassen in diesem Sinne Temperatur-, Druck- und Lichtsensoren, aber auch Schalter, Lichtschranken und Kartenleser.
Als „Aktor" wird jedes Bauteil verstanden, das durch ein Steuersignal ansteuerbar ist und nach Maßgabe des Steuersignals eine bestimmte Reaktion vollzieht. Auch die von dem Aktor hervorgerufene Reaktion kann beliebiger Natur sein, insbesondere auf eine mechanische, optische, akustische oder elektrische Größe Einfluss nehmen. Beispiele für Aktoren sind in diesem Sinne Kontrollleuchten und sonstige Leuchtanzeigen, mechanische Stellsysteme, etc.
Die Steckplatte dient vorrangig als Montagerahmen für einen Versuchsaufbau zur Modellierung eines Steuer- oder Regelmechanismus und ist zu diesem Zweck mit einer Anzahl von Steckplätzen versehen, auf die jeweils ein Sensor/Aktor-Modul aufsteckbar ist. Als „Versuchsaufbau" wird in diesem Sinne das Ensemble der Hardwarekomponenten eines Steuer- oder Regelmechanismus einschließlich der Verschaltung dieser Komponenten bezeichnet.
Grundsätzlich kann auch das Controllermodul zum Aufstecken auf die Steckplatte konzipiert sein. Da aber das Controllermodul gewissermaßen den Kern eines jeden zu modellierenden Steuer- und Regelmechanismus bildet, ist es in zweckmäßiger Ausführung der Erfindung bereits von Haus aus in die Steckplatte integriert.
Eine besonders einfache Modellierung von Steuer- und Regelmechanismen wird bei dem Experimentiersystem dadurch erzielt, dass mindestens ein Steueranschluss, bevorzugt aber mehrere oder alle Steueranschlüsse des Mikrocontrollers an einer Frontseite des Controllermoduls zugänglich gemacht sind. Ebenso ist mindestens ein Signalanschluss des Sensor/Aktor-Moduls, über welchen das von dem Sensor erfolgte Messsignal abgegriffen bzw. das an den Aktor gerichtete Steuersignal zugeführt werden kann, an einer Frontseite des Sensor/Aktor-Moduls zugänglich gemacht. Ein Versuchsaufbau für einen Steuer- oder Regelmechanismus ist somit durch Verdrahten des bzw. eines Steueranschlusses mit dem bzw. einem Signalanschluss mittels einer Überbrückungsleitung einfach und übersichtlich realisierbar.
Als „Frontseite" ist dabei jede Seite des Kontroller- oder Sensor/Aktor-Moduls bezeichnet, die im Montagezustand des jeweiligen Moduls an bzw. in der Steckplatte für einen Benutzer sichtbar und zugänglich ist. Die Frontseite wird in diesem Sinne insbesondere gebildet durch eine Montagefläche der Steckplatte selbst oder eine hierzu parallele Oberseite eines auf die Steckplatte aufsteckbaren Moduls. Jedoch können im Rahmen der Erfindung auch ein oder mehrere Steuer- bzw. Signalanschlüsse an einer im aufgesteckten Zustand zugänglichen Seitenfläche oder einer der Steckplatte zugekehrten Unterseite eines Moduls angeordnet sein.
Aus Gründen der Vereinfachung sind der oder jeder Steueranschluss des Mikrocontrollers und der oder jeder Signalanschluss des Sensor/Aktor-Moduls in zweckmäßiger Ausführung der Erfindung in Form eines Steckkontaktes, insbesondere einer Steckbuchsen für die Verschaltung des Vesuchsaufbaus zugänglich gemacht.
Die Steckplatte und das oder jedes auf diese aufsteckbaren Modul sind vorteilhafterweise wiederum derart ausgebildet, dass das Modul beim Aufstecken auf die Steckplatte gleichzeitig an eine in der Steckplatte integrierte Spannungsversorgung angeschlossen wird. Dies kommt der Übersichtlichkeit des Versuchsaufbaus zugute, zumal die Spannungsversorgung, die für die eigentliche Struktur des Steuer- oder Regelmechanismus nur von nachrangiger Bedeutung ist, im Untergrund der Steckplatte verborgen ist. Für eine besonders hohe Variabilität des Experimentiersystems ist vorgesehen, dass die Steckplatte an jedem Steckplatz gleichzeitig mehrere Versorgungspotenziale zur Verfügung stellt, insbesondere +5 V, +12 V und –12 V gegen Masse sowie das Massepotenzial 0V.
Der Mikrocontroller umfasst in bevorzugter Ausgestaltung eine Anzahl von Analoganschlüssen sowie eine Anzahl von Digitalanschlüssen, wobei insbesondere die Digitalanschlüsse bevorzugt sowohl als Eingang als auch als Ausgang konfigurierbar sind. Der Mikrocontroller weist darüber hinaus vorzugsweise mindestens einem PWM-Ausgang zur Ausgabe eines pulsweitenmodulierten (PWM-)Signals auf.
Zusätzlich oder alternativ hierzu umfasst der Mikrocontroller mindestens eine Busschnittstelle, die insbesondere in Konformität mit einem gängigen Busstandard ausgebildet ist. Der Mikrocontroller umfasst hierbei insbesondere zusätzlich oder alternativ eine I²C-Busschnittstelle und/oder eine Can-Busschnittstelle. Der I²C (auch als IIC bezeichnet)-Busstandard ist insbesondere zur Realisierung von kurzreichweitigen, insbesondere geräteinternen Schaltnetzen etabliert. Der Can-Busstandard wird insbesondere zur Bildung von Bordnetzen im Fahrzeugbereich vielfach eingesetzt. Die Zurverfügungstellung der genannten Busschnittstellen – einzeln oder in Kombination – sind daher vorteilhaft, um praxisnahe Steuer- und Regelmechanismen modellieren zu können.
Wiederum zusätzlich oder alternativ umfasst der Mikrocontroller eine serielle Datenschnittstelle, insbesondere nach dem RS-232-Standard, die zur Kopplung des Mikrocontrollers mit einem Steuerrechner und/oder zur Kopplung mehrerer Mikrocontroller einsetzbar ist.
Für einen einfachen Versuchsaufbau sind zweckmäßigerweise alle Steueranschlüsse des Mikrocontrollers, insbesondere mindestens ein Busanschluss für jeden zur Verfügung stehenden Busstandard, sowie gegebenenfalls ein serieller Schnittstellenanschluss, an der Frontseite des Controllermoduls bzw. – wenn dieses in der Steckplatte integriert ist – an der Oberfläche der Steckplatte zugänglich gemacht. Bevorzugt ist die oder jede Busschnittstelle bzw. serielle Schnittstelle sowohl mittels eines üblichen Steckverbinders, insbesondere eines neunpoligen Sub-D-Steckverbinders (DE-9), als auch in Form vereinzelter Steueranschlüsse für jede Einzelleitung zugänglich gemacht. Dies ermöglicht es, die Busschnittstelle bzw. serielle Schnittstelle einerseits auf konventionelle Art zur Datenübertragung heranzuziehen, das an den einzelnen Busleitungen anliegende Signal aber andererseits besonders einfach zu Testzwecken abgreifen zu können.
Ein besonders übersichtlicher Versuchaufbau wird in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung dadurch ermöglicht, dass der Mikrocontroller etwa mittig in der Steckplatte integriert ist. Der Mikrocontroller kann so räumlich sternförmig mit den Sensor/Aktor-Modulen verschaltet werden, was kurze Leitungsstrecken und eine weitgehend parallele Leitungsführung ermöglicht.
Um mit vergleichsweise wenigen Bauteilen eine Vielzahl praxisrelevanter Steueroder Regelmechanismen aufbauen zu können, umfasst das Experimentiersystem vorteilhafterweise einzeln oder in beliebiger Kombination und jeweils beliebiger Anzahl insbesondere

– ein Temperaturmessmodul, das einen Temperaturfühler als Sensor umfasst,
– ein Lüftermodul, das einen Lüfter als Aktor umfasst,
– ein Kontrollleuchten-Modul, das mindestens eine Lampe oder Leuchtdiode als Aktor umfasst,
– ein Anzeigenmodul, das eine optische Anzeige durch Darstellung alphanumerischer Zeichen, insbesondere eine 7-Segment-Anzeige oder ein Punktdisplay, als Aktor umfasst,
– ein Kartenlesermodul, das einen Kartenleser als Sensor bzw. Aktor umfasst,
– ein Lichtregelungsmodul, das eine steuerbare Lichtquelle, insbesondere eine Halogenlampe, als Aktor und einen Helligkeitsmesser als Sensor umfasst,
– ein Lichtschrankenmodul, das mindestens eine Lichtschranke als Sensor umfasst,
– ein Signaleingabenmodul, das mindestens einen mechanischen Schalter, insbesondere Tastschalter oder Kippschalter, als Sensor umfasst, sowie
– ein Lüftungsregelungsmodul, das entlang eines Luftkanals räumlich hintereinander geschaltet einen Lüfter und eine mittels eines Schrittmotors verkippbare Lüftungsklappe als Aktoren umfasst.

Optional enthält mindestens eines der genannten Module den jeweiligen Sensor oder Aktor auch mehrfach. So sind insbesondere bei dem Kontrollleuchtenmodul und/oder dem Signaleingabemodul mehrere, insbesondere acht Leuchten bzw. Schalter vorgesehen, um in einer geschlossenen Anordnung ganze Bit-Worte anzeigen bzw. erzeugen zu können. Auch bei dem Lichtschrankenmodul sind in vorteilhafter Ausgestaltung zwei räumlich hintereinander geschaltete Lichtschranken als Sensoren vorgesehen, um beispielsweise anhand der Betätigungsreihenfolge dieser Lichtschranken eine Bewegungsrichtung ermitteln zu können.
Optional sind auch mehrere der vorstehend beschriebenen Module zu einer integralen Baueinheit kombiniert. So ist beispielsweise zweckmäßigerweise vorgesehen, dass das Temperaturmessmodul zusammen mit dem Kontrollleuchtenmodul und/oder dem Lüftermodul zu einer Baueinheit integriert ist, die sinnvoll zur Modellierung einer Temperaturüberwachung mit Alarmfunktion und/oder Notlüftung verwendbar ist. Auch das Kartenlesemodul ist zweckmäßigerweise mit einer Kontrollleuchte als zusätzlichem Aktor versehen, die ansteuerbar ist, um beispielsweise die Erkennung einer Speicherkarte, die Dauer des Lesevorgangs, einen Lesefehler, o.dgl. anzuzeigen.
Alle vorstehend beschriebenen Sensor/Aktor-Module können im Übrigen durch Verdrahtung auf der Steckplatte funktionell zum Aufbau des Steuer- oder Regelmechanismus miteinander kombiniert werden. Alle genannten Sensor/Aktor-Module sind dabei grundsätzlich zum Aufstecken auf die Steckplatte konzipiert. Zusätzlich oder alternativ können aber ein oder mehrere der genannten Sensor/Aktor-Module auch bereits von Haus aus in die Steckplatte integriert sein.
Im Sinne einer besonders hohen Variabilität des Experimentiersystems ist bezüglich des Lüftungsregelungsmoduls optional vorgesehen, dass der Schrittmotor dieses Moduls von dem Mikrocontroller wahlweise direkt oder über einen in das Modul integrierten Steuerschaltkreis ansteuerbar ist. Der Steuerschaltkreis ermöglicht hierbei eine vereinfachte Ansteuerung des Schrittmotors. Die Option zur Direktansteuerung des Schrittmotors ist dagegen insbesondere aus pädagogischen Gründen sinnvoll, um eine Low-Level-Steuerung von mechanischen Stellantrieben veranschaulichen zu können.
Um den Mikrocontroller in praxisnaher Weise mittels einer höheren Programmiersprache, insbesondere C++, ansteuern zu können, ist der Mikrocontroller vor zugsweise über die serielle Schnittstelle an einen Steuerrechner, insbesondere einen Personal Computer (PC), anschließbar. Für eine auf Hochspracheebene vereinfachte Ansteuerung des Mikrocontrollers umfasst das Experimentiersystem dabei zweckmäßigerweise eine auf dem Steuerrechner installierbare Treibersoftware, die in die Hochsprache einbindbare Funktionen zur Ansteuerung des Mikrocontrollers über die serielle Schnittstelle zur Verfügung stellt.
Um auch komplexe Steuer- und Regelvorgänge in praxisnaher Weise lösen zu können, ist der Mikrocontroller bevorzugt mit einem Multi-thread-fähigen Betriebssystem versehen, auf dem in asynchroner Weise mehrere einzelne Steuerprozesse gleichzeitig und unabhängig voneinander ausgeführt werden können.
Im Rahmen des baukastenartig zusammensetzbaren Experimentiersystems wird die obige Aufgabe ferner unabhängig gelöst durch die für das vorstehend beschriebene Experimentiersystem bestimmte Steckplatte, das in die Steckplatte integrierte oder auf diese aufsteckbare Controllermodul sowie durch jedes der vorstehend beschriebenen Sensor/Aktor-Module.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
1 in schematischer Draufsicht eine Steckplatte eines Experimentiersystems mit – darin integriert – einem Controllermodul, einem Temperaturmessmodul, einem Kontrollleuchtenmodul sowie einem Lüftermodul,
2 in vergrößerter Teildarstellung das Controllermodul gemäß 1,
3 in schematischer Draufsicht ein Kontrollleuchtenmodul zum Aufstecken auf die Steckplatte mit acht Aktoren in Form von Leuchtdioden,
4 in Darstellung gemäß 3 ein Anzeigenmodul zum Aufstecken auf die Steckplatte mit einem Aktor in Form einer 7-Segmentanzeige,
5 in Darstellung gemäß 3 ein Signaleingabemodul zum Aufstecken auf die Steckplatte mit acht Aktoren in Form von mechanischen Kippschaltern,
6 in Darstellung gemäß 3 ein Kartenlesemodul zum Aufstecken auf die Steckplatte mit einem Sensor bzw. Aktor in Form eines Kartenlesers und einem Aktor in Form einer Leuchtdiode,
7 in Darstellung gemäß 3 ein Lichtregelungsmodul zum Aufstecken auf die Steckplatte mit einem Aktor in Form einer Halogenlampe und einem Lichtsensor,
8 in Darstellung gemäß 3 ein Lichtschrankenmodul zum Aufstecken auf die Steckplatte mit zwei Sensoren in Form von räumlich hintereinandergeschalteten Lichtschranken sowie vier Aktoren in Form von Leuchtdioden,
9 in Darstellung gemäß 3 ein Lüftungsregelungsmodul zum Aufstecken auf die Steckplatte mit zwei Aktoren in Form eines Lüfters bzw. einer mittels eines Schrittmotors verkippbaren Lüftungsklappe,
10 in Darstellung gemäß 3 ein Schrittmotor-Steuerungsmodul mit einem integrierten Schaltkreis zur Ansteuerung eines Schrittmotors,
11 in schematischer Darstellung das Experimentiersystem nach 1 bis 9 mit dem Mikrocontrollermodul, einer Anzahl von Sensor/Aktor-Modulen nach 1 bzw. 3 bis 10 sowie mit einem Steuerrechner,
12 in schematischer Darstellung die Softwarearchitektur einer auf dem Steuerrechner gemäß 11 installierten Software zur Ansteuerung des Mikrocontrollermoduls.
Einander entsprechende Teile und Strukturen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 10 zeigen zunächst separat Bestandteile eines Experimentiersystems 1, die zur Modellierung von softwaregestützten Steuer- und Regelungsmechanismen baukastenartig miteinander kombinierbar sind. Die Basis des Experimentiersystems 1 wird gebildet durch eine in 1 dargestellte Steckplatte 2. Die Steckplatte 2 dient als Montagerahmen zum Aufbau des zu modellierenden Steuer- oder Regelungsmechanismus und kann beispielsweise auf einem Tisch aufgestellt werden. Die Steckplatte 2 umfasst eine in bestimmungsgemäßer Stellung horizontale Montagefläche 3, auf der zehn Steckplätze 4 vorgesehen sind.
Jeder Steckplatz 4 dient zum Aufstecken eines von mehreren nachfolgend beschriebenen Sensor/Aktor-Modulen 5 (3 bis 10). Die Steckplätze 4 sind im Wesentlichen identisch ausgeführt, so dass jedes der nachfolgend beschriebenen Sensor/Aktor-Module 5 auf einen beliebigen Steckplatz 4 aufsteckbar ist. So ist jeder Steckplatz 4 mit vier Steckbuchsen 6 versehen, die mit korrespondierenden Steckern an einer Unterseite eines jeden Sensor/Aktor-Moduls 5 korrespondieren. Die Steckbuchsen 6 dienen zum einen dazu, die Sensor/Aktor-Module 5 auf dem Steckplatz 4 mechanisch zu fixieren. Zum anderen wird über jede Steckbuchse 6 dem jeweils aufgesteckten Sensor/Aktor-Modul 5 eine elektrische Versorgungsspannung zugeführt. Hierbei wird durch jede der einem Steckplatz 4 zugeordneten Steckbuchsen 6 ein jeweils unterschiedliches elektrisches Potenzial zur Verfügung gestellt, nämlich +5V, +12V, –12V und 0V (GND) gegen Masse. Die Steckbuchsen 6 sind zu diesem Zweck innerhalb der Steckplatte 2 mit einer in diese integrierten Spannungsversorgung (nicht näher dargestellt) verbunden.
Um einen fehlerhaften Anschluss der Sensor/Aktor-Module 5 zu vermeiden, sind die Steckbuchsen 6 bezüglich des Steckplatzes 4 in einem unregelmäßigen Muster angeordnet, das ein Aufstecken eines Sensor/Aktor-Moduls 5 lediglich in einer eindeutigen Orientierung erlaubt.
Abweichend von dem vorstehend beschriebenen Grundmuster sind zwei der Steckplätze 4 zusätzlich mit einem Busanschluss 7 bzw. 8 in Form eines 9-poligen Sub-D-Steckverbinders versehen, der den automatischen Anschluss eines busfähigen Sensor/Aktor-Moduls 5 beim Aufstecken auf den jeweiligen Steckplatz 4 ermöglicht. Der Busanschluss 7 ist hierbei innerhalb der Steckplatte 2 mit einer Can-Busleitung 9 verbunden. Der Busanschluss 8 ist innerhalb der Steckplatte 2 an eine I²C-Busleitung 10 angeschlossen. Zu jeder der Busleitungen 9 und 10 umfasst die Steckplatte 2 jeweils zwei weitere Busanschlüsse 7' bzw. 8', die jeweils außerhalb des von den Steckplätzen 4 eingenommenen Bereichs der Montagefläche 3 angeordnet sind. Die jeweiligen Einzelleiter der Busleitungen 9 und 10 sind darüber hinaus auch separat über Steueranschlüsse 11 bzw. 12 in Form von einfachen Kontaktbuchsen an der Montagefläche 3 zugänglich gemacht.
Neben den auf die Steckplatte 2 aufsteckbaren Sensor/Aktor-Modulen 5 umfasst das Experimentiersystem 1 weitere Sensor/Aktor-Module 13, die bereits von Haus aus in die Steckplatte 2 integriert sind und auch intern der Steckplatte 2 an die Versorgungsspannung angeschlossen sind.
Zur Ansteuerung der Sensor/Aktor-Module 5 und 13 umfasst das Experimentiersystem 1 ein Controllermodul 14, das in der dargestellten Ausführung ebenfalls in die Steckplatte 2 integriert ist. Das Controllermodul 14 ist dabei etwa mittig bezüglich der Montagefläche 3 angeordnet, um einen Versuchsaufbau zur Modellierung eines Steuer- oder Regelmechanismus in übersichtlicher Weise sternförmig ausgehend von dem Controllermodul 14 verdrahten zu können.
Das in 2 nochmals vergrößert dargestellte Controllermodul 14 umfasst einen Mikrocontroller 20. Als Mikrocontroller 20 wird bevorzugt das kommerziell erhältliche System "C-Control II Station" der Firma Conrad Electronic verwendet.
Der Mikrocontroller 20 umfasst an einer in die Montagefläche 3 eingelassenen Bedienoberfläche 21 ein Tastenfeld 22 zur Eingabe von numerischen Steuerbefehlen, eine Anzahl von Kontrollleuchten 23 sowie ein Display 24 zur (zweizeiligen) Anzeige von alphanumerischen Zeichen.
Der Mikrocontroller 20 umfasst weiterhin eine Anzahl von Steueranschlüssen 25 (auch als Ports bezeichnet). Jeder Steueranschluss 25 ist zweifach in Form von paarweise parallel geschalteten Steckbuchsen an der Montagefläche 3 der Steckplatte 2 zugänglich gemacht. Die Steueranschlüsse 25 umfassen insbesondere

– sieben als Eingang konfigurierte Analoganschlüsse 26,
– dreizehn Digitalanschlüsse 27, von denen fünf nur als Ausgang, die übrigen wahlweise als Ein- und Ausgang betreibbar sind,
– Steueranschlüsse 11 und 12, die als Busschnittstelle des Mikrocontrollers 20 zu den Busleitungen 9 bzw. 10 dienen, sowie
– eine in Konformität mit dem Standard RS-232 ausgebildete serielle Schnittstelle 28.

Die serielle Schnittstelle 28 ist zusätzlich mittels eines Schnittstellenanschlusses 29 (1) in Form eines Sub-D-Steckverbinders an der Montagefläche 3 zugänglich gemacht, um einen externen Rechneranschluss zu ermöglichen.
Die in die Steckplatte 2 integrierten Steuer/Aktor-Module 13 umfassen ein Temperaturmessmodul 30, ein Kontrollleuchtenmodul 31 sowie ein Lüftermodul 32.
Das Temperaturmessmodul 30 umfasst als Sensor einen, insbesondere digitalen Temperatursensor 33. Als Temperatursensor wird insbesondere der kommerziell erhältliche Sensor DS-1621 des Herstellers Dallas-Semiconductor herangezogen. Der Temperatursensor 33 ist innerhalb der Steckplatte 2 über die I²C-Busleitung 10 permanent mit dem Mikrocontroller 20 verbunden. Der Temperatursensor 33 ist mit einer programmierbaren Schalthysterese ausgestattet und gibt ein über einen (nicht dargestellten) Hystereseausgang ein Schaltsignal aus, das von logisch Null (LOW) auf logisch Eins (HIGH) geschaltet wird, wenn die von dem Temperatursensor 33 erfasste Temperatur einen ersten Schwellwert überschreitet, und das von HIGH auf LOW zurückgeschaltet wird, wenn die erfasste Temperatur einen zweiten Schwellwert unterschreitet. Die beiden Schwellwerte sind über den I²C-Bus unabhängig voneinander festlegbar. Der Hystereseausgang ist intern der Steckplatte 2 fest mit einem als Eingang betreibbaren Digitalanschluss 27 verdrahtet, und kann diesem Digitalanschluss 27 mittels eines Kippschalters 34 reversibel zugeschaltet werden. Drei weitere Kippschalter 35, 36 und 37 sind mit dem Temperatursensor 33 derart verschaltet, dass durch die Kombination der Schalterstellungen eine Adresse des Temperatursensors 33 im Rahmen des I²C-Bus festgelegt ist.
Das Kontrollleuchtenmodul 31 umfasst als Aktoren zwei Kontrollleuchten in Form von Leuchtdioden 38. Jede Leuchtdiode 38 ist hierbei zur Ansteuerung mit einem an der Montagefläche 3 in Form einer Steckbuchse zugänglichen Signalanschluss 39 kontaktiert.
Das Lüftermodul 32 umfasst als Aktor einen Lüfter 40, der über einen in Form einer Steckbuchse an der Montagefläche 3 zugänglichen Signalanschluss 41 ansteuerbar ist.
Die Module 30 bis 32 können insbesondere durch Verschaltung des Kontrollleuchtenmoduls 31 und/oder des Lüftermoduls 32 mit je einem Digitalanschluss 27 des Mikrocontrollers 20 zur Modellierung einer Temperaturüberwachung kombiniert werden. Der Mikrocontroller 20 kann dabei beispielsweise derart programmiert werden, dass er die von dem Temperatursensor 33 gemessene Temperatur einliest und auswertet und die Leuchtdioden 38 und/oder den Lüfter 40 ansteuert, wenn die erfasste Temperatur vorgegebene Schwellwerte über- bzw. unterschreitet.
Die zum Aufstecken auf die Steckplatte 2 vorgesehenen Sensor/Aktor-Module 5 sind anhand der 3 bis 9 nachfolgend näher beschrieben. Jedes dieser Module weist einen im Wesentlichen quaderförmigen Grundkörper auf, in dem die jeweiligen Aktoren und/oder Sensoren des Sensor/Aktor-Moduls 5 gehaltert sind. An einer Unterseite dieses Grundkörpers, die in Montagestellung der Steckplatte 2 zugekehrt ist, sind die mit den Steckbuchsen 6 korrespondierenden Stecker angeordnet. An einer davon abgewandten, und damit einem Benutzer des Experimentiersystems 1 in Montagestellung zugewandten Oberseite des Grundkörpers sind die jeweiligen Signalanschlüsse des Sensor/Aktor-Moduls 5 in Form von Steckbuchsen zugänglich gemacht
3 zeigt ein als Kontrollleuchtenmodul 45 ausgebildetes Sensor/Aktor-Modul 5, das als Aktoren acht Kontrollleuchten in Form von Leuchtdioden 46 umfasst. Zur optischen Anzeige von Steuersignalen des Mikrocontrollers 20 ist jede Leuchtdiode 46 über einen korrespondierenden Signalanschluss 47 ansteuerbar.
Zur Signalanzeige dient auch ein in 4 dargestelltes Sensor/Aktor-Modul 5, das nachfolgend als Anzeigemodul 48 bezeichnet ist. Dieses Anzeigemodul 48 weist als Aktor eine 7-Segmentanzeige 49 auf, deren Segmente separat über jeweils einen Signalanschluss 50 ansteuerbar sind.
Zur Eingabe von Schaltsignalen dient dagegen ein in 5 dargestelltes Sensor/Aktor-Modul 5, das nachfolgend als Signaleingabemodul 51 bezeichnet ist. Dieses Signaleingabemodul 51 umfasst als Sensoren acht handbetätigbare Kippschalter 52. Das von einem jeden Kippschalter 52 erzeugte Schaltsignal ist hierbei über einen zugeordneten Signalanschluss 53 abgreifbar.
6 zeigt ein Sensor/Aktor-Modul 5, das als Kartenlesemodul 54 ausgebildet ist. Das Kartenlesemodul 54 enthält einen Kartenleser 55, der zum Auslesen einer Speicherkarte 56, insbesondere Chipkarte oder Magnetkarte, ausgebildet ist. Der Kartenleser 55 ist im Sinne der obigen Definition gleichzeitig Aktor und Sensor, indem er einerseits über einen Signalanschluss 57 mit einem Taktimpuls zum getakteten Auslesen der auf der Speicherkarte 56 enthaltenen Information ansteuerbar ist, und andererseits über einen Signalanschluss 58 die ausgelesenen Daten als Messsignal ausgibt. Das Kartenlesemodul 54 enthält als zusätzlichen Aktor eine Leuchtdiode 59, die über einen zugehörigen Signalanschluss 60 ansteuerbar ist. Die Leuchtdiode 59 kann im Rahmen eines Versuchsaufbaus beispielsweise dazu verwendet werden, die Erkennung der Speicherkarte und/oder die Beendigung des Auslesevorgangs optisch anzuzeigen.
7 zeigt ein Sensor/Aktor-Modul 5, das die Modellierung eines Lichtregelungsmechanismus ermöglicht und nachfolgend als Lichtregelungsmodul 61 bezeichnet ist. Das Lichtregelungsmodul 61 umfasst als Aktor eine hinsichtlich ihrer Helligkeit steuerbare Lichtquelle in Form einer Halogenlampe 62. Das Lichtregelungsmodul 61 umfasst weiterhin einen Lichtsensor 63, z.B. in Form eines Fotowiderstandes.
Der Lichtsensor 63 ist hierbei zur Erfassung der von der Halogenlampe 62 emittierten Lichtstärke der Halogenlampe 62 räumlich gegenübergestellt. Die Halogenlampe 62 ist über einen Signalanschluss 64 ansteuerbar. Das von dem Lichtsensor 63 erfasste Messsignal ist über einen zweiten Signalanschluss 65 abgreifbar.
Um mittels des Lichtregelungsmoduls 61 eine Lichtregelung zu modellieren, ist der Signalanschluss 64 mit einem als Ausgang konfigurierten Analoganschluss 26 und der Signalanschluss 65 mit einem als Eingang konfigurierten zweiten Analoganschluss 26 des Mikrocontrollers 20 zu verbinden. Ein Regelalgorithmus, der die Halogenlampe 62 derart ansteuert, dass das von dem Lichtsensor 63 als Istwert erfasste Messsignal an einen vorgegebenen Sollwert angepasst wird, ist in dem Mikrocontroller 20 oder in einem mit diesem verbundenen Steuerrechner zu implementieren.
8 zeigt ein als Lichtschrankenmodul 66 ausgebildetes Sensor/Aktor-Modul 5, das als Sensoren zwei Gabellichtschranken 67 umfasst. Die Gabellichtschranken 67 sind insbesondere räumlich einander hintereinandergeschaltet angeordnet, um z.B. die Bewegungsrichtung eines durch beide Gabellichtschranken hindurchgeführten Gegenstandes detektieren zu können. Jeder Gabellichtschranke 67 ist hierbei ein Signalanschluss 68 zugeordnet, über den ein Zustandssignal der zugeordneten Gabellichtschranke 67 abgreifbar ist. Das Lichtschrankenmodul 66 umfasst des weiteren als Aktoren vier Leuchtdioden 69 die über jeweils einen zugeordneten Signalanschluss 70 ansteuerbar sind. Hierbei sind jeweils zwei Leuchtdioden 69 räumlich eine Gabellichtschranke 67 zugeordnet. Die Leuchtdioden 69 lassen sich damit insbesondere dazu verwenden, den Zustand der zugehörigen Gabellichtschranke 67 anzuzeigen.
9 zeigt ein als Lüftungsregelungsmodul 71 ausgebildetes Sensor/Aktor-Modul 5. Das Lüftungsregelungsmodul 71 umfasst als Aktoren einen Lüfter 72 sowie einen Schrittmotor 73, mit dem eine Lüftungsklappe 74 über eine Stellmechanik 75 verkippbar ist.
Die Lüftungsklappe 74 ist hierbei dem Lüfter 72 entlang eines Luftkanals 76 strömungstechnisch nachgeschaltet und derart angeordnet, dass sie im Luftkanal 76 zwischen einer Freigabestellung und einer Sperrstellung verschwenkbar ist.
Der Schrittmotor 73 ist seinerseits über einen in das Lüftungsregelungsmodul 71 integrierten Treiber-Schaltkreis 77 angesteuert. Als Treiber-Schaltkreis 77 wird insbesondere der kommerziell erhältliche Baustein L298N der Fa. ST Microelectronics verwendet. Der Treiber-Schaltkreis 77 hat vier Signaleingänge 78 („ A", „B", „C" und „D"), über welche jeweils eine Phase des Schrittmotors 73 direkt ansteuerbar ist. Der Treiber-Schaltkreis 77 hat weiterhin zwei weitere Signaleingänge 79 („INH1” und „INH2"), über die für die Phasen A und B bzw. für die Phasen C und D ein Unterdrückungs-Signal (inhibit signal) zuführbar ist. Durch die Unterdrückungssignale kann der Treiber-Schaltkreis 77 in einen Betriebmodus versetzt werden, in dem er die den Phasenstrom in den jeweils zugeordneten Phasen besonders schnell abklingen lässt, wenn die Phasen nicht aktiv bestromt sind.
Das Lüftungsregelungsmodul 71 enthält zwei weitere Signaleingänge 80, über welche jeweils ein Positionssignal abgreifbar ist. Eines der beiden Positionssignale zeigt hierbei an, ob die Lüftungsklappe 74 vollständig geöffnet ist. Das andere Positionssignal zeigt an, ob die Lüftungsklappe 74 vollständig geschlossen ist. Jeder der beiden Signaleingänge 80 korrespondiert hierbei mit einem Positionssensor 81, insbesondere in Form einer Reflexions-Lichtschranke. Die beiden Positionssensoren 80 sind dabei derart bezüglich eines Auslösers 82 der Stellmechanik 75 – insbesondere eines Reflektorelements – angeordnet, dass der Auslöser 82 eine der beiden Positionssensoren bestätigt, wenn die Lüftungsklappe 74 die zugehörige Extremposition erreicht hat.
In 10 ist ein Schrittmotorsteuerungsmodul 83 offenbart, das eine vereinfachte Ansteuerung eines Schrittmotors ermöglicht. Das Schrittmotorsteuerungsmodul 83 kann hierbei insbesondere in Kombination mit dem Lüftungsregelungsmodul 71 eingesetzt werden, um den dortigen Schrittmotor 73 über den dortigen Treiber- Schaltkreis 77 anzusteuern. Kernbestandteil des Schrittmotorsteuerungsmodul 83 ist ein integrierter Steuer-Schaltkreis 84, der insbesondere in Form des kommerziell erhältlichen Baustein L297 der Fa. ST Microelectronics realisiert ist. Der Steuer-Schaltkreis 84 umfasst als Ausgänge vier Signalanschlüsse 85 (beschriftet mit „A", „B", „C" und „D"), die mit den entsprechenden Signalanschlüssen 78 des Lüftungsregelungsmoduls 71 korrespondieren. Der Steuer-Schaltkreis 84 umfasst zwei weitere Signalanschlüsse 86 (beschriftet mit „INH1" und „INH2"), die mit den entsprechenden Signalanschlüssen 79 des Lüftungsregelungsmoduls 71 korrespondieren.
Das Schrittmotorsteuerungsmodul 83 ist selbst ansteuerbar über drei weitere Signaleingänge 87, 88 und 89. Mittels eines ersten Signalanschlusses 87 („EIN") kann dabei der Steuer-Schaltkreis 84 aktiviert werden. Mittels eines zweiten Signalanschlusses 88 („R/L") kann ein Richtungsbit vorgegeben werden, das die Laufrichtung des angesteuerten Schrittmotors vorgibt. Mittels eines dritten Signalanschlusses 89 („R/L") kann ein Taktsignal vorgegeben werden.
Die Signalanschlüsse 85 bis 89 sind intern des Schrittmotorsteuerungsmoduls 83 mit entsprechenden Ports des Steuer-Schaltkreises 84 verdrahtet. Bei Vorgabe eines Taktsignals auf den Signalanschluss 89 steuert der Steuer-Schaltkreis 84 – sofern aktiviert – einen ausgangsseitig unter Zwischenschaltung eines Treiber-Schaltkreises angeschlossenen Schrittmotor derart an, dass der Schrittmotor pro Taktpuls um einen Schritt in die durch das Richtungsbit vorgegebene Richtung verstellt wird.
Zur Realisierung eines Steuer- oder Regelmechanismus kann das Experimentiersystem 1 mit Steckplatte 2, Controllermodul 14 sowie einem oder mehreren Sensor/Aktor-Modulen 5 bzw. 13 entweder als "Stand-Alone-Gerät" oder – wie in 11 schematisch angedeutet – mit einem externen Steuerrechner 90 betrieben werden.
In beiden Varianten werden die gegebenenfalls benötigten Sensor/Aktor-Module 5 auf der Steckplatte 2 aufgesteckt und durch elektrische Verbindung der jeweiligen Signalanschlüsse mit geeigneten Steueranschlüssen 25 des Mikrocontrollers 20 verdrahtet. Hierzu werden bevorzugt flexible isolierte Überbrückungsleitungen mit beidendseitig vorgesehenen Kontaktsteckern herangezogen.
Wird das Experimentiersystem 1 als "Stand-Alone"-Gerät verwendet, so wird ein geeigneter Steuer- oder Regelalgorithmus direkt in dem Mikrocontroller 20 implementiert. Dank eines multi-thread-fähigen Betriebssystems kann der Mikrocontroller 20 hierbei mehrere Prozesse unabhängig voneinander und gleichzeitig bearbeiten.
Zum Betrieb des Experimentiersystems 1 mit dem externen Steuerrechner 90 wird zwischen dem Schnittstellenanschluss 29 und einer seriellen Schnittstelle des Steuerrechners 90 zunächst gemäß 11 eine serielle Datenverbindung 91 gemäß dem RS-232-Standard hergestellt.
Auch in dieser Betriebsweise sind wiederum unterschiedliche Betriebsvarianten möglich. So kann der auf der Steckplatte 2 installierte Versuchsaufbau von einem auf dem Steuerrechner 90 installierten Anwendungsprogramm 92 aus direkt kontrolliert werden. Der Mikrocontroller dient in diesem Fall lediglich als Zwischenglied zur Herstellung einer Verbindung zwischen den Sensor/Aktor-Modulen 5 bzw. 13 und dem Anwendungsprogramm 92, in dem der eigentliche Steuer- oder Regelalgorithmus implementiert ist.
Alternativ hierzu kann das Anwendungsprogramm 84 dazu ausgebildet sein, den Mikrocontroller 20 zu programmieren, so dass der Steuer- oder Regelalgorithmus in dem Mikrocontroller 20 implementiert ist. Zur Durchführung des zu modellierenden Steuer- oder Regelvorgangs kann der Steuerrechner 82 in diesem Fall entweder wieder abgeklemmt werden – das Experimentiersystem 1 arbeitet dann wiederum als Stand-Alone-Gerät – oder der Steuerrechner 82 wird als Befehlskonsole zum Starten, Beenden und Konfigurieren des auf dem Mikrocontroller 20 implementierten Algorithmus und/oder als Monitor zum Anzeigen von Messdaten zu Test- oder Überwachungszwecken herangezogen.
Es ist ferner auch eine Kombination der vorstehend beschriebenen Betriebsvarianten denkbar, bei der ein mehrschichtiger Steuer- oder Regelalgorithmus teilweise in dem Mikrocontroller 20, und teilweise in dem Anwendungsprogramm 92 implementiert ist.
Das Anwendungsprogramm 92 sowie der Steuer- oder Regelalgorithmus – sei er nun im Rahmen des Anwendungsprogramms 92 oder in dem Mikrocontroller 20 implementiert – ist zur Inbetriebnahme eines Versuchsaufbaus von dem Benutzer des Experimentiersystems 1 zu programmieren. Hierin liegt einer der Lerninhalte, die mit dem Experimentiersystem 1 bestimmungsgemäß vermittelt werden sollen.
Der Benutzer bedient sich zur Programmierung des Anwendungsprogramms 92 bestimmungsgemäß einer höheren Programmiersprache, insbesondere C++. Um mittels eines solchen hochsprachlich programmierten Anwendungsprogramms 92 den Zugriff über die serielle Datenverbindung 91 auf den Mikrocontroller 20 zu erleichtern, wird im Rahmen des Experimentiersystems 1 eine Treibersoftware 93 zur Verfügung gestellt, die auf dem Steuerrechner 90 installierbar ist und entsprechende Funktionen zur Einbindung in das Anwendungsprogramm 92 zur Verfügung stellt.
Eine Softwarearchitektur, in die seitens des Steuerrechners 90 das Anwendungsprogramm 92 und die Treibersoftware 93 eingebunden sind, ist in 12 schematisch dargestellt. Aus der Darstellung ist erkennbar, dass das Anwendungsprogramm 92 auf der Treibersoftware 93 aufsetzt, die ihrerseits auf einen in das Betriebssystem 94 des Steuerrechners 90 eingebetteten Schnittstellentreiber (nachfolgend kurz als Schnittstelle 95 bezeichnet) aufsetzt.
Die Treibersoftware 93 setzt sich ihrerseits aus einer sogenannten physischen Schicht 96 (physical layer) und einer sogenannten logischen Schicht 97 (logical layer) zusammen. Die physische Schicht 96 enthält hierbei Funktionen zur Initialisierung und Deinitialisierung der seriellen Schnittstelle 95 für die Kommunikation mit dem Mikrocontroller 20 sowie zur Überwachung der seriellen Schnittstelle 95. Die logische Schicht 97 enthält dagegen die eigentlichen Funktionen zur Ansteuerung des Mikrocontrollers 20. Die logische Schicht 97 umfasst insbesondere Funktionen zum Senden von Befehlen und Daten an den Mikrocontroller 20, insbesondere zum Aktivieren, Deaktivieren und Konfigurieren von Steueranschlüssen 25 des Mikrocontrollers 20 sowie zum Lesen von Daten von dem Mikrocontroller 20.
Die Vorteile des vorstehend beschriebenen Experimentiersystems 1 bestehen insbesondere darin, dass praxisnahe Lösungen für typische Probleme der softwaregestützten Steuer- und Regelungstechnik mit einfachen Mitteln schnell und übersichtlich modellierbar und didaktisch sinnvoll darstellbar sind. So sind Prozesssteuerungen und -regelungen in ihrer Gesamtheit auf unterschiedlichstem Niveau vermittelbar. Eine hohe Praxisnähe des Experimentiersystems 1 wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Kommunikation der Module und Boards untereinander über industrieübliche Bussysteme und Schnittstellen erfolgt, und dass andererseits die Programmierung der Kommunikation zwischen Modulen/Boards und gegebenenfalls einem Steuerrechner auf Hochspracheebene erfolgen kann, dass aber andererseits die Kommunikation zwischen Modulen und Board auch auf Mikrocontrollerebene erfolgen kann. Didaktische Vorteile des Experimentiersystems 1 bestehen weiterhin insbesondere darin, dass das Experimentiersystem 1 äußerst variabel an verschiedenste Aufgabestellungen anpassbar ist. Zudem bildet das Experimentiersystem 1 ein hoch integratives System, das mit nahezu jedem elektro- und informationstechnischen System koppelbar ist. Dies bietet besonders aus didaktischer Sicht mannigfaltige Möglichkeiten der Vernetzung verschiedenster Lerninhalte.

1: Experimentiersystem
39: Signalanschluss
2: Steckplatte
40: Lüfter
3: Montagefläche
41: Signalanschluss
4: Steckplatz
45: Kontrollleuchtenmodul
5: Sensor/Aktor-Modul
46: Leuchtdiode
6: Steckbuchse
47: Signalanschluss
7, 7': (Can-)Busanschluss
48: Anzeigemodul
8, 8': (I²C-)Busanschluss
49: 7-Segmentanzeige
9: (Can-) Busleitung
50: Signalanschluss
10: (I²C-)Busleitung
51: Signaleingabemodul
11: Steueranschluss
52: Kippschalter
12: Steueranschluss
53: Signalanschluss
13: Sensor/Aktor-Modul
54: Kartenlesemodul
14: Controllermodul
55: Kartenleser
20: Mikrocontroller
56: Speicherkarte
21: Bedienoberfläche
57: Signalanschluss
22: Tastenfeld
58: Signalanschluss
23: Kontrollleuchte
59: Leuchtdiode
24: Display
60: Signalanschluss
25: Steueranschluss
61: Lichtregelungsmodul
26: Analoganschluss
62: Halogenlampe
27: Digitalanschluss
63: Lichtsensor
28: serielle Schnittstelle
64: Signalanschluss
29: Schnittstellenanschluss
65: Signalanschluss
30: Temperaturmessmodul
66: Lichtschrankenmodul
31: Kontrollleuchtenmodul
67: Gabellichtschranke
32: Lüftermodul
68: Signalanschluss
33: Temperatursensor
69: Leuchtdiode
34 bis 37: Schalter
70: Signalanschluss
38: Leuchtdiode
71: Lüftungsregelungs
: modul
72: Lüfter
73: Schrittmotor
74: Lüftungsklappe
75: Stellmechanik
76: Luftkanal
77: Treiber-Schaltkreis
78: Signalanschluss
79: Signalanschluss
80: Signalanschluss
81: Positionssensor
82: Auslöser
90: Steuerrechner
91: serielle Datenverbin
: dung
92: Anwendungsprogramm
93: Treibersoftware
94: Betriebssystem
95: Schnittstellentreiber
96: (physische) Schicht
97: (logische) Schicht

Claims

Experimentiersystem (1) zur Modellierung von softwaregestützten Steuer- oder Regelmechanismen, umfassend – eine Steckplatte (2) mit einer Anzahl von Steckplätzen (4) zum Aufstecken von Modulen, – ein Controllermodul (14) mit einem Mikrocontroller (20), das auf einen Steckplatz der Steckplatte (2) aufsteckbar oder in die Steckplatte (2) integriert ist, – ein Sensor/Aktor-Modul (5), das einen Sensor (52, 55, 63, 67) zur Erfassung eines Messsignals und/oder einen Aktor (46, 49, 55, 59, 62, 69, 72, 73) umfasst, und das auf einen Steckplatz (4) der Steckplatte (2) aufsteckbar ist, wobei mindestens ein Steueranschluss (25) des Mikrocontrollers (20) an einer Frontseite des Controllermoduls (14), und mindestens ein Signalanschluss (47, 50, 53, 57, 58, 60, 64, 65, 68, 70) des Sensors (52, 55, 63, 67) bzw. Aktors (46, 49, 55, 59, 62, 69, 72, 73) an einer Frontseite des Sensor/Aktor-Moduls (5) zugänglich sind, so dass zur Zuführung des Messsignals an den Mikrocontroller (20) bzw. zur Ansteuerung des Aktors (46, 49, 55, 59, 62, 69, 72, 73) durch den Mikrocontroller (20) der Steueranschluss (25) und der Signalanschluss (47, 50, 53, 57, 58, 60, 64, 65, 68, 70) durch eine Überbrückungsleitung miteinander verbindbar sind.
Experimentiersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steueranschluss (25) des Mikrocontrollers (20) und der Signalanschluss (47, 50, 53, 57, 58, 60, 64, 65, 68, 70) des Sensor/Aktor-Moduls (5) als Steckkontakte ausgebildet sind.
Experimentiersystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (20) als Steueranschluss (25) eine Anzahl von Analoganschlüsse (26), eine Anzahl von Digitalanschlüsse (27) umfasst.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (20) als Steueranschluss mindestens eine Busschnittstelle (11, 12), insbesondere nach dem I²C- und/oder dem Can-Bus-Standard, umfasst.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (20) eine serielle Schnittstelle (28), insbesondere nach dem RS-232-Standard umfasst.
Experimentiersystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle Steueranschlüsse (25) des Mikrocontrollers, insbesondere die oder jede Busschnittstelle (11, 12) bzw. serielle Schnittstelle (28) an der Frontseite des Controllermoduls (14) zugänglich sind.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das der Mikrocontroller (20) etwa mittig in die Steckplatte (2) integriert ist.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Sensor/Aktor-Modul (13), das einen Sensor (33) zur Erfassung eines Messsignals und/oder einen Aktor (38, 40) umfasst, und das in die Steckplatte (2) integriert ist.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor/Aktor-Modul (5, 13) ein Temperaturmessmodul (30) mit einem Temperatursensor (33) vorgesehen ist.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor/Aktor-Modul (5, 13) ein Lüftermodul (32) mit einem Lüfter (40) als Aktor vorgesehen ist.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor/Aktor-Modul (5, 13) ein Kontrollleuchten-Modul (31, 45) mit mindestens einer Leuchtdiode (38, 46) als Aktor vorgesehen ist.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor/Aktor-Modul (5, 13) ein Anzeigenmodul (48) mit einer optischen Anzeige, insbesondere 7-Segment-Anzeige (49), als Aktor vorgesehen ist.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor/Aktor-Modul (5, 13) ein Kartenlesemodul (54) mit einem Kartenleser (55) als Sensor vorgesehen ist.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor/Aktor-Modul (5, 13) ein Lichtregelungsmodul (61) mit einer steuerbaren Lichtquelle (62) als Aktor und einem Helligkeitsmesser (63) als Sensor vorgesehen ist.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, das als Sensor/Aktor-Modul (5, 13) ein Lichtschrankenmodul (66) mit mindestens einer Lichtschranke (67) als Sensor vorgesehen ist.
Experimentiersystem (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtschrankenmodul (66) zwei räumlich hintereinandergeschaltete Lichtschranken (67) als Sensoren umfasst.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor/Aktor-Modul (5, 13) ein Signaleingabemodul (51) mit mindestens einem mechanischen Schalter (52) als Sensor vorgesehen ist.
Experimentiersystem (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Signaleingabemodul (51) mehrere, insbesondere acht Schalter (52) als Sensoren umfasst.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor/Aktor-Modul (5, 13) ein Lüftungsregelungsmodul (71) mit entlang eines Luftkanals (76) räumlich hintereinandergeschaltet einem Lüfter (72) und einer über einen Schrittmotor (73) verkippbaren Lüftungsklappe (74) als Aktoren vorgesehen ist.
Experimentiersystem (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (73) derart mit dem Mikrocontroller (20) verschaltbar ist, dass der Schrittmotor (73) von dem Mikrocontroller (20) wahlweise direkt oder über einen Steuer-Schaltkreis ansteuerbar ist.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (20) über die serielle Schnittstelle (28) an einen Steuerrechner (30), insbesondere einen PC, anschließbar ist.
Experimentiersystem (1) nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine auf dem Steuerrechner (30) installierbare Treibersoftware (93) für den Mikrocontroller (20), die Funktionen zur Ansteuerung des Mikrocontrollers (20) über die serielle Schnittstelle (28) zur Einbindung in ein in einer Hochsprache, insbesondere C++, kodiertes Anwendungsprogramm (92) enthält.
Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (20) ein multi-thread-fähiges Betriebssystem aufweist.
Steckplatte (2) für ein Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 23.
Controllermodul (14) für ein Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 23.
Sensor/Aktormodul (5) zum Aufstecken auf eine Steckplatte (2) eines Experimentiersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 23.