一種智能實驗教學系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子技術和嵌入式系統領域，尤其涉及一種可編程的智能實驗教學系統。
【背景技術】
[0002]面包板(集成電路實驗板)是電路實驗中一種常用的具有多孔插座的插件板，在進行電路實驗時，可以根據電路連接要求，在相應孔內插入電子元器件的引腳以及導線等，使其與孔內彈性接觸簧片接觸，由此連接成所需的實驗電路。
[0003]但是，傳統面包板存在以下缺點:
[0004]1.—般需要外部導線連接輔助，導致線路不清晰，操作隨著電路復雜度提升而變得難以繼續。
[0005]2.基于行或列互通轉接的原理圖復現，電路行或列寬度往往固定，同時行之間或列之間完全斷路，使得電路實現靈活操作空間嚴重受限。
[0006]3.對連線質量沒有提供通斷檢測，更沒有線路阻抗分析與反饋控制，經常出現非原理性的連線質量問題引起的實驗故障，導致實驗操作成功率低。
[0007]4.對已有連線不能提供回朔記錄，不能對實驗操作過程進行追蹤，同時不能為調試提供有效提不。
[0008]5.不能分辨元器件管腳，對每一步操作步驟正確性不能提供有效評估，對可能導致器件損壞的錯誤連接不能提供報警與保護(管腳定義屬性)。
[0009]6.不能對實驗操作流程進行詳細記錄，為后續考核提供基礎數據支持。
[0010]7.沒有器件接插和連線的提示，不能實現實驗自主操作和智能引導的雙向實驗操作。
【發明內容】
[0011]為了解決現有技術中的問題，本發明提出了一種智能實驗教學系統，利用可編程控制的多維開關構成開關陣列，并結合元器件智能標識化技術，為實踐教育的信息化和智能化提供基礎硬件平臺。
[0012]本發明通過以下技術方案實現:
[0013]—種智能實驗教學系統，包括若干個通用器件管腳接插擴展裝置;所述通用器件管腳接插擴展裝置和任意通用器件轉接板電性連接;所述通用器件管腳接插擴展裝置包括連接插座、管腳標識數據讀出和寫入所使用的數據通道和接地通道，所述通用器件管腳接插擴展裝置通過連接線、可編程控制開關和可編程阻抗調節器構成K層多維開關陣列，所述連接插座用于插接元器件管腳，所述連接插座通過連接線和可編程控制開關與其它的連接插座互連，所述可編程阻抗調節器串接于可編程控制開關和連接插座之間;K層布線層中允許配置獨立的電源層、接地層和信號層，通過控制各層不同維度上的開關狀態，實現多種電路連接。
[0014]作為本發明的進一步改進，所述通用器件管腳接插擴展裝置還包括信號通道，依賴可編程開關陣列不同層的插座互通實現信號在陣列中的分配。
[0015]作為本發明的進一步改進，所述管腳標識數據讀出和寫入所使用的數據通道用于對元器件類型和具體管腳分布的實時讀取，并為實驗過程中器件管腳連通控制提供基礎通道。
[0016]作為本發明的進一步改進，所述系統基于單或多嵌入式處理器GP10管腳直接驅動或通過片外擴展電路或可編程器件實現智能面包板開關控制。
[0017]作為本發明的進一步改進，所述系統通過嵌入式模擬數字變換器對每個電路通道進行掃描測量，實現電路實際連通情況的閉環檢測。
[0018]作為本發明的進一步改進，所述系統通過LED或其它發光器件實現對面包板接入元器件類型、管腳類型及屬性的動態顯示，同時通過不同顏色或寬度或亮度或連線模式的光學通路顯示布線連接情況。
[0019]作為本發明的進一步改進，所述系統具備呈現為硬件按鍵的按鍵:器件擦除、布線擦除、撤銷操作(UnDo)、重做操作(ReDo)、復制(Copy)、粘貼(Paste)，便于實現無上位機現場操作;或者，上位機軟件通過讀取動態插入所述連接插座的管腳識別信息，實時檢測并發現元器件類型和位置，并在圖形界面中動態顯示面包板元器件接插連接狀態，其中，軟件操作界面提供以下功能按鍵:器件擦除、布線擦除、撤銷操作、重做操作、復制、粘貼，并通過上下文菜單和多功能按鍵實現智能實驗教學系統與上位機軟件交互操作界面。
[0020]作為本發明的進一步改進，所述系統基于無線(如藍牙、WIF1、NFC、ISM頻段射頻模塊等)或有線(如串口、并口、USB、以太網等)的方式實現上位機接口，完成所述智能實驗教學系統的操作過程及狀態信息上傳和上位機指令下發。
[0021]作為本發明的進一步改進，所述系統包括嵌入式處理器內核，通過無線或有線的方式對嵌入式系統軟件進行遠程網絡下載、燒寫及參數配置。
[0022]作為本發明的進一步改進，所述系統的可編程開關陣列單元與嵌入式處理器單元之間采用可拆卸數據接口插座連接，可方便地實現開關陣列和嵌入式處理單元的硬件升級替換;同時，元器件轉接板接口與元器件類型無關，可以方便地實現元器件規格升級。
[0023]本發明的有益效果是:本發明提出的智能實驗教學系統，避免飛線連接，簡化實驗操作，提高實驗效率;便于實現網絡化實踐教學;能夠智能適配新器件;可持續升級實踐教學平臺；通過實踐電路連接及其過程的數字化記錄，為評估考核提供基礎數據;線路連通動態顯示，便于檢錯糾錯;無線或有線上位機接口，便于復雜實踐方案的準備與實施。
【附圖說明】
[0024]圖1是實現本發明的可編程布線架構所需的開關陣列示意圖；
[0025]圖2是本發明的通用器件管腳接插擴展裝置連接示意圖；
[0026]圖3是本發明的通用器件管腳接插擴展裝置另一種連接示意圖；
[0027]圖4是本發明的通用器件管腳接插擴展裝置的結構框圖；
[0028]圖5是智能實驗教學系統的工作示意圖。
【具體實施方式】
[0029]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0030]本發明的智能實驗教學系統(又稱“智能面包板”)為實踐教育的信息化和智能化提供基礎硬件平臺。本發明技術方案通過對不同元器件進行管腳級智能標識化處理，利用多維可編程網絡連接控制方法，實現實驗過程的信息化記錄和實踐技能的智能化評估。
[0031]元器件智能標識化技術是指通過智能面包板的接插口，在實現管腳連通這一基本功能的基礎上，在接口設計中預留元器件管腳表示及屬性信息獲取通道，使用者在智能面包板上插入元器件后，系統能夠迅速讀取元器件管腳信息，獲取元器件的連接位置、朝向和每個管腳定義及電氣屬性。
[0032]多維可編程網絡連接控制方法是指利用多層多維度立體開關陣列實現智能面包板各節點將的網絡互連架構。這里的開關可以是繼電器，亦可使用半導體隔離器或光耦合器件或變壓器耦合器件或磁耦合器件等。這種面向實踐教學的可編程智能互聯系統，能夠根據不同元器件管腳連接需求，靈活配置連接通路，徹底避免傳統面包板飛線連接帶來的諸多問題，并可通過直觀的聲光提示通路連通狀況、連接質量和連接狀態。
[0033]附圖1為實現本發明的智能實驗教學系統的可編程布線架構所需的開關陣列，圖中包括3層，實際層數可擴展。每層繪制了 12個管腳連接插座，部件1為通用器件管腳接插擴展裝置的連接插座，插座之間用可編程電子開關實現通斷控制，圖中的省略號表明實際開關連接拓撲接口可進一步擴展。部件2為可編程控制開關，部件3為連接線，部件4為可配置在電路中的可編程阻抗調節器。未與插座相連的連接線交叉不意味短路。
[0034]附圖1中的K層L*N多維開關陣列(L為每一層的行數，N為列數)，K層布線層中允許配置獨立的電源層、接地層和信號層，通過控制各層不同維度上的開關狀態，實現多種電路連接，包括但不限于上拉、下拉、連同、斷開、差分、等距等。各可編程控制開關通路的阻抗通過可編程阻抗調節器進行控制。元器件管腳可不經電子開關直通各層疊擴展布線層，從而每個管腳可直接與4個以上電子開關通道相連。核心芯片管腳及外設芯片管腳之間不需要通過額外的板間層疊擴展插座或外設擴展插座即可靈活實現互聯及阻抗配置。
[0035]附圖2和附圖3中的部件6為任意通用器件轉接板，下方部件5為通用器件管腳接插擴展裝置。
[0036]任意通用器件轉接板實際上是一塊印刷電路板，在這塊印刷電路板上按照元器件封裝尺寸設計并實現其每個管腳相應的孔位或焊盤，把已有的實驗用元器件，如電阻、電容、芯片等，焊接在做好的對應焊盤上，通過電路引線把元器件管腳和轉接板的特定通用接插插頭制定連接隔斷相連。把通用器件轉接板插在本發明的智能面包板上，即可實現元器件的電路接入。同時，在通用轉接板的每個通用管腳插頭配置不同的管腳信息存儲芯片并連通到插頭的ID信息讀取通道，轉接板整體插入面包板后，智能面包板通過通用管腳ID信息通道實現每一個器件管腳的自動辨識。
[0037]附圖2中的部件5的每一連接隔斷可通過附圖1中的開關陣列不同層的插座接入當前層的電路開關陣列。所謂的連接隔斷，即把一個管腳信號分別連通到開關陣列不同層的接觸連接體，它可以配置為導體或絕緣體，實現管腳到特定層的連通和斷開。不同的連接隔斷間相互絕緣，這些分支連接隔斷數量可變，其中可包括管腳標識數據讀出和寫入所使用的數據通道和接地通道。例如，接插擴展裝置有K層，還包括m層的電源、接地和ID信息通道，K層之間可根據需要通過特定并可擴展連接隔斷實現連通或斷開，m層之間互不相通。
[0038]另一種實