專利名稱：多功能數(shù)據(jù)采集與輸出教學實驗裝置及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集與數(shù)字通信技術領域中的多功能教學儀器實 驗設備，具體地說是一種多功能數(shù)據(jù)釆集與輸出教學實驗裝置及其控制方 法。
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背景技術：
教學儀器是教學中的一項重要環(huán)節(jié)，它能使學生將課堂上所學的理論 知識得到實踐，但是由于常規(guī)的教學儀器是由專門的生產廠家開發(fā)的，出 于技術上的保密或其它方面的原因，整個教學儀器的開放性不是很強，只 能按照廠家規(guī)定好的步驟去操作，學生不能按照自己的想法去定制或實踐 所需要的實驗內容。學校由于資金方面的原因，也不可能購買多種實驗裝 置，只能做幾種多年不變的實驗。因此，學生在學習過程中對教學實驗的 興趣也不是很大，又由于學生在學習期間沒有多余的資金自己去實現(xiàn)教學 實驗，這使得教學和實驗在時間和空間上造成脫節(jié)。
伴隨教育向大眾化發(fā)展，學生數(shù)量急劇增加，原有的教學設備無法滿足現(xiàn) 有的使用要求，供需矛盾在逐漸加劇。同時隨著電子技術、傳感器技術、 通信技術的發(fā)展，實驗設備也需要進一步更新?lián)Q代，而教學設備要達到同 步的更新也是不現(xiàn)實的，無法滿足當代的教學實驗需求。另外，現(xiàn)在大學 畢業(yè)設計，由于經(jīng)費上的原因，很多畢業(yè)設計都停留在紙面上，沒有得到 實際檢驗，畢業(yè)生的實踐能力沒有得到提高和鍛煉，難于適應當今的就業(yè) 要求。

發(fā)明內容
為了克服上述不足，本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種具有多種信 號類型接口，并且具有多種通信接口的可由使用者自行配置所需功能的多 功能數(shù)據(jù)釆集與輸出教學實驗裝置及其控制方法。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是
包括單片機，存有控制程序，為整個裝置的控制核心，可釆集或輸
出數(shù)字量、模擬量信號；數(shù)字量輸入接口，由單片機通過i/o擴展模塊連接 到數(shù)字量輸入端子形成；數(shù)字量輸出接口，由單片機通過鎖存器接至數(shù)字 量輸出端子形成；模擬量輸入接口，由單片機通過模擬量釆集模塊接至模 擬量輸入端子形成；模擬量輸出接口，由單片機通過模擬量輸出模塊接至 模擬量輸出端子形成；顯示接口 ，由顯示端子與單片機的1/0管腳相連形成。
本發(fā)明裝置還具有CAN協(xié)議網(wǎng)絡接口 ，由單片機通過CAN協(xié)議模塊、 CAN驅動模塊連接到CAN總線端子形成。本發(fā)明裝置還具有RS _ 232接口 ，由單片機的串行通信接口經(jīng)RS - 232 協(xié)議模塊接于232串口端子形成；RS-485接口，由單片機的串行通信接 口經(jīng)RS-485協(xié)議模塊接于485串口端子形成；選擇開關，對RS - 232協(xié) 議模塊及RS - 485協(xié)議模塊以擇一方式選通接于單片機的串行通信接口 。
所述控制程序包括主程序和中斷服務處理程序，主程序的具體流程為
執(zhí)行初始化后處于循環(huán)狀態(tài)；
按程序設定的順序對DI采集標志、AI釆集完畢標志、CAN中斷標志 或串口通信模式進行判斷，若相應的判斷結果為真，則調用相應的程序處 理模塊進行處理，各程序處理模塊的功能為通過DI數(shù)據(jù)釆集模塊進行DI 數(shù)據(jù)釆集、通過AI數(shù)據(jù)采集模塊進行AI數(shù)據(jù)采集、通過CAN總線接收與 發(fā)送模塊進行CAN指令接收與CAN數(shù)據(jù)發(fā)送處理或通過接收串口指令和 回送串口數(shù)據(jù)模塊對串口通信數(shù)據(jù)進行處理；
若上述相應的程序處理模塊執(zhí)行完畢，或者與之相應的判斷結果為假， 則按程序設定的順序向下執(zhí)行；
執(zhí)行用戶應用程序；
按程序設定的順序判斷是否有DO輸出標志、AO輸出標志以及刷新顯 示標志，若上述相應的標志為真，則調用相應的程序處理模塊進行處理， 各語序處理模塊的功能為通過DO數(shù)據(jù)輸出模塊輸出DO數(shù)據(jù)、通過AO數(shù) 據(jù)輸出模塊輸出AO數(shù)據(jù)以及通過顯示數(shù)據(jù)刷新模塊刷新顯示數(shù)據(jù)；
若上述相應的程序處理模塊執(zhí)行完畢，或者與之相應的判斷結果為假, 則按程序設定的順序向下執(zhí)行。
所述用戶應用程序包括對釆集到的AI、 DI數(shù)據(jù)和通過串口或CAN 總線接收的命令根據(jù)用戶需求進行處理并置AO、 DO和刷新顯示數(shù)據(jù)的 輸出標志，生成對外通信輸出數(shù)據(jù)。
所述中斷服務處理程序分別為定時中斷、AD中斷、串口接收中斷、串 口發(fā)送中斷和CAN中斷，進入中斷后，單片機根據(jù)中斷類型轉到相應的中 斷處理程序，每個中斷處理程序處理完相應的任務后，返回到中斷時的主 程序，主程序繼續(xù)執(zhí)行。
如果判斷是否有DI采集標志、AI釆集完畢標志、CAN中斷標志以及 是否進入串口通信模式的結果若為真，則執(zhí)行相應的子程序模塊，若為假, 則分別順次執(zhí)行下一步驟。若判斷是否有DO輸出標志、AO輸出標志以及 刷新顯示標志的結果若為真，則執(zhí)行相應的子程序模塊，若為假，則分別 順次執(zhí)行下一步驟。 ■
本發(fā)明具有如下優(yōu)點.，
l.功能多用，靈活性強，經(jīng)濟實用。本發(fā)明裝置可根據(jù)教學或實驗的特 點進行定制，不用更改本裝置的硬件電路，在原來程序基礎上可由用戶自 己編寫程序，通過本裝置的接口 ISP進行下載，在不增加任何成本的前提 下，就可成為一種其它類型的獨立的控制裝置，非常適合學生的教學、畢業(yè)設計以及課外實踐使用，而且可以重復使用。
2. 接口豐富，應用廣泛。本發(fā)明裝置不但具有通用的數(shù)字量輸入/輸出、
模擬量輸入/輸出接口、標準的RS-232接口、 RS-485接口，而且還擴展了 學生易于理解和掌握的CAN總線接口以及具有一定顯示功能的液晶顯示接 口，因此該裝置既可作為教學和實驗用，又可作為學生畢業(yè)設計時使用， 也可在工程項目中使用。
3. 軟件通用性好。本發(fā)明控制方法釆用模塊化設計，具有開放式的架 構結構，組態(tài)靈活。本發(fā)明控制方法中的輸入/輸出、通信及中斷等子程序 模塊可以直接利用，無需再由用戶進行編寫，用戶在編寫程序時只需調用 相應的子程序模塊即可，節(jié)省了大量的編程時間。
4. 擴展性好。本裝置可以單獨使用，也可以將多個該裝置通過RS-485 接口或C AN總線接口進行擴展，組成 一 個分布式控制網(wǎng)絡。
5. 使用方便。由于本發(fā)明裝置具有液晶顯示接口，為該裝置增添了一個 信息顯示窗口，尤其是該裝置作為遠程采集和輸出控制中顯得非常便利。


圖l為本發(fā)明裝置的組成框圖； 圖2為本發(fā)明裝置電氣硬件原理圖； 圖3為本發(fā)明主程序流程圖； 圖4為本發(fā)明中斷服務程序流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。 如圖1、 2所示，本發(fā)明裝置以AVR單片機為控制核心，具有數(shù)字量 輸入接口、數(shù)字量輸出接口、'模擬量輸入接口、模擬量輸出接口、 CAN協(xié) 議網(wǎng)絡接口、 RS-232接口或RS-485接口以及顯示接口，其中數(shù)字量輸 入接口 DI由單片機MCU1 (采用MEGA64 )通過I/O擴展模塊連接到數(shù)字 量輸入端子形成，即通過第1、 21/0擴展模塊UD1、 UD2 (釆用74HC245) 從第1、 2數(shù)字量端子JDI—1、 JDI—2采集16路數(shù)字量輸入DI信號；數(shù)字 量輸出接口由單片機MCU1通過第1、 2鎖存器U1、 U2 (釆用74HC573 ) 輸出16路數(shù)字量輸出信號到第1、 2數(shù)字量輸出端子JDO—1、 JDO一2進行 DO信號的控制輸出；模擬量輸入接口由單片機MCU1 ^過模擬量釆集模 塊AD1 (釆用TLC2543 )接至模擬量輸入端子JAI一1形成，即從模擬量輸 入端子JAI—1釆集8路模擬量輸入信號；模擬量輸出接口由單片機MCU1 通過模擬量輸出模塊UAOl (釆用AD5628)接至模擬量輸出端子JAO—1 形成，即通過模擬量輸出芯片UAOl輸出8路模擬量信號到端子JAO—1;
單片機MCU1通過CAN協(xié)議模塊UT1(釆用MCP2510)和CAN驅動模 塊UT2 (采用82C250 )連接到CAN總線端子JCAN形成CAN協(xié)議網(wǎng)絡接 卩；
由單片機MCU1的串行通信接口 UART經(jīng)RS _ 232協(xié)議模塊US1 (釆用MAX232E )接于232串口端子J232形成標準的RS - 232接口 ；由單片機MCU1的串行通信接口 UART經(jīng)RS - 485協(xié)議模塊US2(釆用MAX483E )接于485串口端子J485形成標準的RS - 485接口 ； RS - 232協(xié)議模塊US1及RS-485協(xié)議模塊US2通過選擇開關Sl切換進行選擇，以擇一方式選通接于單片機MCU1的串行通信接口 UART;
單片機MCU1的1/0管腳連接到端子LCM1上，成為液晶顯示端口；另外接口 ISP用于單片機控制程序的下載。
單片機控制程序采用C語言編制，采用模塊化程序設計，每個子程序模塊對應一個功能，程序匯編后儲存在單片機的電可擦除存儲器里，上電后自動運行。所述模塊化子程序中包括DI數(shù)據(jù)釆集模塊、AI.教據(jù)釆集模塊、CAN總線接收與發(fā)送模塊、接收串口指令和回送串口數(shù)據(jù)模塊、DO數(shù)據(jù)輸出模塊、AO數(shù)據(jù)輸出模塊以及顯示數(shù)據(jù)刷新模塊。
單片機程序主要包括主程序和中斷處理程序。如圖3所示，主程序的具體流程為
先執(zhí)行初始化，然后處于循環(huán)狀態(tài)；
在循環(huán)中判斷是否有DI釆集標志，當有DI釆集標志時，調用DI數(shù)據(jù)采集模塊進行DI數(shù)據(jù)釆集；
'DI數(shù)據(jù)釆集完成后，或者沒有DI釆集標志時，判斷是否有AI釆集完畢標志，如有則調用AI數(shù)據(jù)釆集模塊進行AI數(shù)據(jù)釆集；
AI數(shù)據(jù)采集完成后，或者沒有AI釆集完畢標志，判斷是否有CAN中斷標志，如有則調用CAN總線接收與發(fā)送模塊進行CAN指令接收與CAN數(shù)據(jù)發(fā)送處理；
CAN指令接收與CAN數(shù)^發(fā)送處理完成后，或者沒有CAN中斷標志，判斷是否有串口通信模式，如有串口通信模式，則調用接收串口指令和回送串口數(shù)據(jù)模塊對串口通信數(shù)據(jù)進行處理；
接收串口指令和回送串口數(shù)據(jù)完成后，或者沒有串口通信模式，則執(zhí)行用戶應用程序；
判斷是否有DO輸出標志，有則調用DO數(shù)據(jù)輸出模塊輸出DO數(shù)據(jù)；
輸出DO數(shù)據(jù)完成后，或者沒有DO輸出標志，則判斷是否有AO輸出標志；如有AO輸出標志，則調用AO數(shù)據(jù)輸出模塊輸出AO數(shù)據(jù)；
輸出AO數(shù)據(jù)完成后，或者沒有AO輸出標志，則判斷是否有刷新顯示標志，如有則調用顯示數(shù)據(jù)刷新模塊對顯示數(shù)據(jù)進行刷新；，
刷新顯示數(shù)據(jù)完成后，或者沒有刷新顯示標志，則回到判斷是否有DI采集標志步驟，如此循環(huán)執(zhí)行。這樣做的好處是節(jié)省程序執(zhí)行.的時間。
上述用戶應用程序包括對釆集的AI和DI數(shù)據(jù)以及通過串口或CAN總線接收的命令，根據(jù)用戶需求進行處理，即計算DO輸出值、AO輸出值和顯示數(shù)據(jù)，并置DO、 AO和刷新顯示數(shù)據(jù)的輸出標志，生成對外通信輸出數(shù)據(jù)，為對外的輸出、顯示和通信命令準備好數(shù)據(jù)。如圖4所示，中斷服務處理程序主要執(zhí)行5個中斷服務程序，分別為
定時中斷、AD中斷、串口接收中斷、串口發(fā)送中斷以及CAN中斷，進入中斷后，單片機根據(jù)中斷類型轉到相應的中斷處理程序，每個中斷處理程序處理完相應的任務后，返回到中斷時的主程序，主程序繼續(xù)執(zhí)行。其中各中斷處理包括定時中斷，定時的時間間隔為200ms，定時中斷后，置DI采集標志；AD中斷，采集AD數(shù)據(jù)后置AI采集完畢標志；串口接收中斷，填充接收緩沖區(qū)；串口發(fā)送中斷，將發(fā)送緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)逐字節(jié)送出；CAN中斷，置CAN中斷標志。
權利要求
1.一種多功能數(shù)據(jù)采集與輸出教學實驗裝置，其特征在于包括單片機(MCU1)，存有控制程序，為整個裝置的控制核心，可采集或輸出數(shù)字量、模擬量信號；數(shù)字量輸入接口，由單片機(MCU1)通過I/O擴展模塊連接到數(shù)字量輸入端子形成；數(shù)字量輸出接口，由單片機(MCU1)通過鎖存器接至數(shù)字量輸出端子形成；模擬量輸入接口，由單片機(MCU1)通過模擬量采集模塊(AD1)接至模擬量輸入端子形成；模擬量輸出接口，由單片機(MCU1)通過模擬量輸出模塊(UAO1)接至模擬量輸出端子形成；顯示接口，由顯示端子(LCM1)與單片機(MCU1)的I/O管腳相連形成。
2. 按權利要求1所述的多功能數(shù)據(jù)釆集與輸出教學實驗裝置，其特征東 于還具有CAN協(xié)議網(wǎng)絡接口，由單片機(MCU1)通過CAN協(xié)議模塊(UT1)、 CAN驅動模塊(UT2),連接到CAN總線端子(JCAN)形成。
3. 按按權利要求1所述的多功能數(shù)據(jù)釆集與輸出教學實驗裝置，其特征 在于還具有 .RS-232接口，由單片機(MCU1)的串行通信接口經(jīng)RS-232協(xié)議 模塊(US1)接于232串口端子(J232)形成；RS-485接口，由單片機(MCU1)的串行通信接口經(jīng)RS-485協(xié)議 模塊(US2)接于485串口端子(J485)形成；選擇開關(Sl ),對RS - 232協(xié)議模塊(US1 )及RS - 485協(xié)議模塊(US2 ) 以擇一方式選通接于單片機(MCU1)的串行通信接口。
4. 按權利要求1所述的多功能數(shù)據(jù)采集與輸出教學實驗裝置的控制方 法，其特征在于所述控制程序包括主程序和中斷服務處理程序，主程序 的具體流程為執(zhí)行初始化后處于循環(huán)狀態(tài)； ' 按程序設定的順序對DI采集標志、AI釆集完畢標志、CAN中斷標志 -或串口通信模式進行判斷，若相應的判斷結果為真，則調用相應的程序處 理模塊進行處理，各程序處理模塊的功能為通過DI數(shù)據(jù)采集模塊進行DI 數(shù)據(jù)釆集、通過AI數(shù)據(jù)釆集模塊進行AI數(shù)據(jù)釆集、通過CAN總線接收與 發(fā)送模塊進行CAN指令接收與CAN數(shù)據(jù)發(fā)送處理或通過接收串口指令和回送串口數(shù)據(jù)模塊對串口通信數(shù)據(jù)進行處理；若上述相應的程序處理模塊執(zhí)行完畢，或者與之相應的判斷結果為假， 則按程序設定的順序向下執(zhí)行；執(zhí)行用戶應用程序；按程序設定的順序判斷是否有DO輸出標志、AO輸出標志以及刷新顯 示標志，若上述相應的標志為真，則調用相應的程序處理模塊進行處理，各語序處理模塊的功能為通過DO數(shù)據(jù)輸出模塊輸出DO數(shù)據(jù)、通過AO數(shù) 據(jù)輸出模塊輸出AO數(shù)據(jù)以及通過顯示數(shù)據(jù)刷新模塊刷新顯示數(shù)據(jù)；若上述相應的程序處理模塊執(zhí)行完畢，或者與之相應的判斷結果為假， 則按程序設定的順序向下執(zhí)行。
5. 按權利要求4所述的多功能數(shù)據(jù)釆集與輸出教學實驗裝置的控制方 法，其特征在于所述用戶應用程序包括對釆集到的AI、 DI數(shù)據(jù)和通過串 口或CAN總線接收的命令根據(jù)用戶需求進行處理，并置AO、 DO和刷新 顯示數(shù)據(jù)的輸出標志，生成對外通信輸出數(shù)據(jù)。
6. 按權利要求4所述的多功能數(shù)據(jù)釆集與輸出教學實驗裝置的控制方 法，其特征在于所述中斷服務處理程序分別為定時中斷、AD中斷、串口 接收中斷、串口發(fā)送中斷和CAN中斷，進入中斷后，單片機根據(jù)中斷類型 轉到相應的中斷處理程序，每個中斷處理程序處理完相應的任務后，返回 到中斷時的主程序，主程序繼續(xù)執(zhí)行。
7. 按權利要求4所述的多功能數(shù)據(jù)釆集與輸出教學實驗裝置的控制方 法，其特征在于如果判斷是否有DI采集標志、AI釆集完畢標志、CAN 中斷標志以及是否進入串口通信模式的結果若為真，則執(zhí)行相應的子程序 模塊，若為俊，則分別順次執(zhí)行下一步驟。 '
8. 按權利要求4所述的多功能數(shù)據(jù)釆集與輸出教學實驗裝置的控制方 法，其特征在于若判斷是否有DO輸出標志、AO輸出標志以及刷新顯示 標志的結果若為真，則執(zhí)行相應的子程序模塊，若為假，則分別順次執(zhí)行 下一步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多功能數(shù)據(jù)采集與輸出教學實驗裝置及其控制方法，裝置包括單片機，存有控制程序，為整個裝置的控制核心，可采集或輸出數(shù)字量、模擬量信號；數(shù)字量輸入接口，由單片機通過I/O擴展模塊連接到數(shù)字量輸入端子形成；數(shù)字量輸出接口，由單片機通過鎖存器接至數(shù)字量輸出端子形成；模擬量輸入接口，由單片機通過模擬量采集模塊接至模擬量輸入端子形成；模擬量輸出接口，由單片機通過模擬量輸出模塊接至模擬量輸出端子形成；顯示接口，由顯示端子與單片機的I/O管腳相連形成。所述控制程序包括主程序和中斷服務處理程序。本發(fā)明功能多，靈活性強，非常適合學生的教學、畢業(yè)設計以及課外實踐使用，可以重復使用，接口豐富，軟件通用性好，擴展性好。
文檔編號G05B19/042GK101526806SQ20081001056
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月7日 優(yōu)先權日2008年3月7日
發(fā)明者悅 周, 鳳 張, 李界家, 王燦平, 闞風龍 申請人:沈陽建筑大學