智能數(shù)字電子實驗箱的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種智能數(shù)字電子實驗箱，包括計算機接口、上位機、頻率輸出、電平指示、電平輸出、譯碼顯示、十六進制電路等功能模塊。各功能模塊由微控制器統(tǒng)一控制，增強了實驗箱的可靠性與靈活性。通過實驗箱上的計算機接口，實驗箱亦可以與上位機進行全雙工通信，方便了數(shù)據(jù)的分析處理，同時上位機亦可以進行對實驗箱的控制。
【專利說明】智能數(shù)字電子實驗箱
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種供教學(xué)使用的數(shù)字電子實驗箱，可供完成數(shù)字電子電路實驗，且具有更多的擴展功能。
【背景技術(shù)】
[0002]智能數(shù)字電子實驗箱是電學(xué)類專業(yè)數(shù)字電子電路實驗教學(xué)中必備的實驗儀器，其性能的好壞直接影響教學(xué)的效果。目前，一般的數(shù)字實驗箱均會包含電平指示、電平輸出、譯碼顯示、方波信號等模塊。但是這些模塊的電路相互獨立，其功能由分立的電路及其器件各自實現(xiàn)，比如方波輸出信號有單獨的信號發(fā)生電路，邏輯開關(guān)有單獨的去抖電路，同時數(shù)據(jù)開關(guān)與邏輯開關(guān)相互分開。實驗箱的各個模塊無法形成統(tǒng)一的整體進行管理，儀器的可靠性與性能均得不到保障。實驗中得到的邏輯電平等數(shù)據(jù)往往需要借助示波器觀察，分析處理不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供了一種智能數(shù)字電子實驗箱，各功能模塊由微控制器統(tǒng)一控制，增強了實驗箱的可靠性與靈活性。通過實驗箱上的計算機接口，實驗箱亦可以與上位機進行通信，實驗箱上所得數(shù)據(jù)可以直接通過上位機顯示并分析，同時上位機亦可以進行對實驗箱的控制。
[0004]一種智能數(shù)字電子實驗箱，所述的實驗箱包括中央?yún)^(qū)域和四周區(qū)域，所述的中央?yún)^(qū)域為IC插座區(qū)，所述的四周區(qū)域分布多個模塊，包括計算機接口、上位機、頻率輸出模塊、電平指示模塊、電平輸出模塊、譯碼顯示模塊、十六進制輸出模塊；上述各個模塊均由微控制器統(tǒng)一控制。
[0005]所述的計算機接口為USB接口，經(jīng)由USB接口，實現(xiàn)實驗箱與上位機的通信。
[0006]所述的上位機與微控制器相互通信，實驗箱上得到的數(shù)據(jù)直接傳送到上位機，亦可以從上位機發(fā)送指令操作實驗箱的。
[0007]所述的頻率輸出模塊的方波信號由微控制器的時鐘系統(tǒng)提供。
[0008]所述的頻率輸出模塊包括基準頻率輸出與可調(diào)頻率輸出，可調(diào)頻率經(jīng)由微控制器處理得到移相90度輸出，與原輸出形成正交編碼，從而可以實現(xiàn)測速功能。
[0009]所述的電平輸出模塊中邏輯按鍵的去抖由微控制器直接實現(xiàn)；所述的電平輸出模塊中邏輯按鍵在按下去的時刻提供高質(zhì)量的下降沿或上升沿觸發(fā)，按下去之后提供一個恒定的高電平或低電平，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)開關(guān)與邏輯開關(guān)的合二為一。
[0010]所述的電平輸出模塊的電平指示發(fā)光二極管的陰極、十六進制輸出模塊的數(shù)碼管的引腳、以及頻率輸出模塊的數(shù)碼管的引腳與頻率單位指示發(fā)光二極管的陰極均同74HC595的8位并行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，通過串行輸入口級聯(lián)并最終連接到微控制器的一個輸入輸出引腳；而所述的電平指示模塊的電平指示發(fā)光二極管的陰極、譯碼顯示電路數(shù)碼管的引腳連入另一組74HC595并行輸入口，串行口級聯(lián)到的另一個輸入輸出引腳。通過74HC595的串入并出移位寄存功能，經(jīng)由串行口發(fā)送布爾數(shù)組，可以統(tǒng)一刷新顯示數(shù)據(jù)。
[0011]所述的電平指示模塊與譯碼顯示模塊的控制中，將輸入的電平作為微控制器的中斷源，通過中斷程序發(fā)出指令，實現(xiàn)對相應(yīng)電平指示發(fā)光二極管與數(shù)碼管顯示的控制。
[0012]所述的電平輸出模塊的邏輯按鍵、十六進制輸出模塊的數(shù)碼管按鍵、以及頻率輸出模塊的數(shù)碼管按鍵均與74HC165的并行輸入端相連，74HC165共用時鐘輸入信號與移位信號，并通過串行輸出口級聯(lián)，將鍵盤上讀取的并行信號串行送入微控制器，微控制器處理得到的數(shù)據(jù)并發(fā)出指令，控制相應(yīng)發(fā)光二極管以及數(shù)碼管的顯示。
[0013]所述的電平輸出模塊與十六進制輸出模塊的電平輸出口均與74HC595的并行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，串行輸入口級聯(lián)并最終連接到微控制器的一個輸入輸出引腳；通過74HC595的串入并出移位寄存功能，微控制器經(jīng)由串行口發(fā)送布爾數(shù)組，統(tǒng)一刷新電平輸出。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
1、各功能模塊由微控制器統(tǒng)一控制，增強了可靠性與靈活性；
2、將傳統(tǒng)數(shù)電實驗箱的邏輯開關(guān)與數(shù)字開關(guān)合二為一，節(jié)省了資源；
3、可以與上位機進行全雙工通信，方便實驗數(shù)據(jù)的處理和實驗邏輯波形的顯示，亦可利用上位機進行對實驗箱的控制，實現(xiàn)了實驗箱的智能化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是智能數(shù)字電子實驗箱的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是譯碼顯示模塊示意圖；
圖3是電平指示模塊示意圖；
圖4是十六進制輸出模塊示意圖；
圖5是電平輸出模塊示意圖；
圖6是頻率輸出模塊中的基準頻率輸出模塊示意圖；
圖7是頻率輸出模塊中的可調(diào)頻率輸出模塊示意圖；
圖中，計算機接口 1，電平指示模塊2，譯碼顯示模塊3，十六進制輸出模塊4，電平輸出模塊5，頻率輸出模塊6，揚聲器7，元件區(qū)8，直流電源9，IC插座區(qū)10，上位機11，電平插孔12，電平指示發(fā)光二極管13，譯碼器14，數(shù)碼管15，數(shù)碼管按鍵16，基準頻率輸出插孔17，接地插孔18，可調(diào)頻率輸出插孔19，移相頻率輸出插孔20，頻率單位指示發(fā)光二極管21，頻率單位選擇按鍵22，頻率量程選擇按鍵23，電平反向輸出插孔24，邏輯按鍵25。
【具體實施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖進行進一步說明。
[0017]圖1所示，實驗箱包括中央?yún)^(qū)域和四周區(qū)域，所述的中央?yún)^(qū)域為IC插座區(qū)10，所述的四周區(qū)域分布多個模塊，包括計算機接口 1、上位機11、頻率輸出模塊6、電平指示模塊2、電平輸出模塊5、譯碼顯示模塊3、十六進制輸出模塊4 ;以上模塊均由微控制器統(tǒng)一控制。IC插座區(qū)10提供多種芯片插座；直流電源9為實驗箱供電；元件區(qū)8提供實驗可能用到的電阻、電容等元件；揚聲器7用以產(chǎn)生聲音信號；計算機接口 I為USB接口，將實驗箱與上位機11相連接；上位機11可以與下位機通信，并實現(xiàn)儀器控制。
[0018]圖2所示，數(shù)碼管15，譯碼器14，四個電平插孔12構(gòu)成一個譯碼顯示模塊3的一個單元。電平插孔12用來接收輸入的高電平或者低電平，形成四位二進制碼，譯碼器14將四位二進制碼轉(zhuǎn)化為邏輯電平輸出，作為微控制器的中斷源，通過中斷程序發(fā)出指令。而譯碼顯示模塊3的數(shù)碼管15的引腳與74HC595的8位并行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，通過串行輸入口級聯(lián)并最終連接到微處理器的一個輸入輸出引腳。利用74HC595的串入并出移位寄存功能，微處理器進入中斷后接經(jīng)由串行口發(fā)送布爾數(shù)組，統(tǒng)一刷新數(shù)碼管的顯示。
[0019]圖3所示，電平插孔12與發(fā)光二極管13構(gòu)成一個電平指示模塊2的一個單元。電平插孔12用來接收輸入的高電平或者低電平，將電平輸入作為微控制器的中斷源，通過中斷程序發(fā)出指令。而電平指示發(fā)光二極管13的陰極與74HC595的8位并行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，通過串行輸入口級聯(lián)并最終連接到微處理器的一個輸入輸出引腳。利用74HC595的串入并出移位寄存功能，微處理器進入中斷后接經(jīng)由串行口發(fā)送布爾數(shù)組，統(tǒng)一刷新發(fā)光二極管亮滅狀態(tài)。
[0020]圖4所示，數(shù)碼管15、兩個數(shù)碼管按鍵16與四個電平插孔12組成十六進制輸出模塊4的一個單元。數(shù)碼管按鍵16用以設(shè)置數(shù)碼管15顯示的十六進制數(shù)的數(shù)值，四個電平插孔12將設(shè)置的十六進制數(shù)以二進制形式輸出。
[0021]圖5所示，邏輯按鍵25、電平指示發(fā)光二極管13、電平插孔12與電平反向輸出插孔24構(gòu)成電平輸出模塊5的一個單元。邏輯按鍵25提供上升沿或下降沿觸發(fā)、高電平或低電平。電平指示發(fā)光二極管13指示電平高低，電平插孔12可將電平信號輸出，電平反向輸出插孔24將電平信號反向輸出。
[0022]圖6所示，接地插孔18與基準頻率輸出插孔17構(gòu)成頻率輸出模塊6的基準頻率輸出部分。接地插孔18用以線路接地，基準頻率輸出插孔17輸出固定基準頻率的方波信號。
[0023]圖7所示，可調(diào)頻率輸出插孔19，移相頻率輸出插孔20，接地插孔18構(gòu)成頻率輸出模塊6的可調(diào)頻率信號的輸出部分；頻率單位指示發(fā)光二極管21、三個數(shù)碼管15、六個數(shù)碼管按鍵16、頻率單位選擇按鍵22、頻率量程選擇按鍵23構(gòu)成頻率輸出模塊6的可調(diào)頻率信號的頻率顯示與設(shè)置部分。可調(diào)頻率輸出插孔19輸出可調(diào)頻率的方波信號，移相頻率輸出插孔20輸出移項90度的可調(diào)頻率方波，通過數(shù)碼管按鍵16設(shè)置輸出頻率的頻率數(shù)值，頻率單位指示發(fā)光二極管21用以指示數(shù)碼管顯示的頻率數(shù)值的單位，頻率單位選擇按鍵22用以選擇輸出頻率的單位，頻率量程選擇按鍵23可以控制輸出頻率的數(shù)值范圍。
[0024]圖4、圖5、圖7所示，電平輸出模塊5的邏輯按鍵25、十六進制輸出模塊4的數(shù)碼管按鍵16以及頻率輸出模塊6的數(shù)碼管按鍵16均與74HC165的并行輸入端相連，74HC1655共用時鐘輸入信號與移位信號，并通過串行輸出口級聯(lián)，將由按鍵讀取的并行信號串行送入微處理器，微處理器處理得到的數(shù)據(jù)并統(tǒng)一發(fā)出控制電平指示發(fā)光二極管13、頻率單位指示發(fā)光二極管21以及數(shù)碼管16的指令。而電平輸出模塊5的電平指示發(fā)光二極管13的陰極、十六進制輸出模塊4的數(shù)碼管16的引腳、以及頻率輸出模塊6的數(shù)碼管16與頻率單位指示發(fā)光二極管21引腳與74HC595的8位并行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，串行輸入口級聯(lián)并最終連接到微處理器的一個輸入輸出引腳。利用74HC595的串入并出移位寄存功能，微處理器接收到按鍵數(shù)據(jù)后，經(jīng)由串行口發(fā)送布爾數(shù)組，統(tǒng)一刷新顯示數(shù)據(jù)。電平輸出模塊5與十六進制輸出模塊4在刷新顯示數(shù)據(jù)同時亦要將相應(yīng)電平輸出，同理將電平插孔12與74HC595的8位并行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，串行輸入口級聯(lián)并最終連接到微處理器的另一個輸入輸出引腳，微處理器接收到按鍵數(shù)據(jù)后，經(jīng)由串行口發(fā)送布爾數(shù)組，統(tǒng)一刷新電平輸出。
[0025]圖6、圖7所示，頻率輸出模塊6主要輸出基準頻率與可調(diào)頻率的方波信號。方波信號由微控制器的時鐘系統(tǒng)提供，微控制器的時鐘源經(jīng)過自身分頻、倍頻等功能可以得到豐富的方波信號，完全可以滿足基準頻率與可調(diào)頻率的要求。方波信號經(jīng)過微控制器處理亦可得到移相90度的信號輸出，與原輸出形成正交編碼，從而可以實現(xiàn)測速功能。
【權(quán)利要求】
1.一種智能數(shù)字電子實驗箱，其特征是:所述的實驗箱包括中央?yún)^(qū)域和四周區(qū)域，所述的中央?yún)^(qū)域為IC插座區(qū)(10)，所述的四周區(qū)域分布多個模塊，包括計算機接口(I)、上位機(11)、頻率輸出模塊(6)、電平指示模塊(2)、電平輸出模塊(5)、譯碼顯示模塊(3)、十六進制輸出模塊(4 );上述各個模塊均由微控制器統(tǒng)一控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字電子實驗箱，其特征是:所述的計算機接口(I)為USB接口，經(jīng)由USB接口，實現(xiàn)實驗箱與上位機(11)的通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字電子實驗箱，其特征是:所述的上位機(11)與微控制器相互通信，實驗箱上得到的數(shù)據(jù)直接傳送到上位機(11)，亦可以從上位機(11)發(fā)送指令操作實驗箱的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字電子實驗箱，其特征是:所述的頻率輸出模塊(6)的方波信號由微控制器的時鐘系統(tǒng)提供。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字電子實驗箱，其特征是:所述的頻率輸出模塊(6)包括基準頻率輸出與可調(diào)頻率輸出，可調(diào)頻率經(jīng)由微控制器處理得到移相90度輸出，與原輸出形成正交編碼，從而可以實現(xiàn)測速功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字電子實驗箱，其特征是:所述的電平輸出模塊(5)中邏輯按鍵(25)的去抖由微控制器直接實現(xiàn)；所述的電平輸出模塊(5)中邏輯按鍵(25)在按下去的時刻提供高質(zhì)量的下降沿或上升沿觸發(fā)，按下去之后提供一個恒定的高電平或低電平，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)開關(guān)與邏輯開關(guān)的合二為一。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字電子實驗箱，其特征是:所述的電平輸出模塊(5)的電平指示發(fā)光二極管(13)的陰極、十六進制輸出模塊(4)的數(shù)碼管(15)引腳、以及頻率輸出模塊(6)的數(shù)碼管(15)引腳與頻率單位指示發(fā)光二極管(21)的陰極均同74HC595的8位并行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，通過串行輸入口級聯(lián)并最終連接到微控制器的一個輸入輸出引腳；而所述的電平指示模塊(2)的電平指示發(fā)光二極管(13)陰極、譯碼顯示模塊(3)的數(shù)碼管(15)引腳連入另一組74HC595并行輸入口，串行口級聯(lián)到另一個輸入輸出引腳，通過74HC595的串入并出移位寄存功能，經(jīng)由串行口發(fā)送布爾數(shù)組，可以統(tǒng)一刷新顯示數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字電子實驗箱，其特征是:所述的電平指示模塊(2)與譯碼顯示模塊(3)的控制中，將電平輸入作為微控制器的中斷源，通過中斷程序發(fā)出指令，實現(xiàn)對相應(yīng)電平指示發(fā)光二極管(13 )與數(shù)碼管(15 )顯示的控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字電子實驗箱，其特征是:所述的電平輸出模塊(5)的邏輯按鍵(25)、十六進制輸出模塊(4)的數(shù)碼管按鍵(16)以及頻率輸出模塊(6)的數(shù)碼管按鍵(16)均與74HC165的并行輸入端相連，74HC165共用時鐘輸入信號與移位信號，并通過串行輸出口級聯(lián)，將鍵盤上讀取的并行信號串行送入微控制器，微控制器處理得到的數(shù)據(jù)并發(fā)出指令，控制相應(yīng)發(fā)光二極管以及數(shù)碼管的顯示。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能數(shù)字電子實驗箱，其特征是:所述的電平輸出模塊(5)與十六進制輸出模塊(4)的電平輸出口均與74HC595的并行輸出端相連，74HC595共用移位輸出時鐘信號與存儲時鐘信號，串行輸入口級聯(lián)并最終連接到微控制器的一個輸入輸出引腳；通過74HC595的串入并出移位寄存功能，微控制器經(jīng)由串行口發(fā)送布爾數(shù)組，統(tǒng)一刷新電平輸出。
【文檔編號】G09B23/18GK103886794SQ201410122179
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月30日
【發(fā)明者】趙東偉, 王晗, 黃陽彬, 張偉 申請人:浙江大學(xué)