智能数字电子实验箱的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能数字电子实验箱，包括计算机接口、上位机、频率输出、电平指示、电平输出、译码显示、十六进制电路等功能模块。各功能模块由微控制器统一控制，增强了实验箱的可靠性与灵活性。通过实验箱上的计算机接口，实验箱亦可以与上位机进行全双工通信，方便了数据的分析处理，同时上位机亦可以进行对实验箱的控制。
【专利说明】智能数字电子实验箱
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种供教学使用的数字电子实验箱，可供完成数字电子电路实验，且具有更多的扩展功能。
【背景技术】
[0002]智能数字电子实验箱是电学类专业数字电子电路实验教学中必备的实验仪器，其性能的好坏直接影响教学的效果。目前，一般的数字实验箱均会包含电平指示、电平输出、译码显示、方波信号等模块。但是这些模块的电路相互独立，其功能由分立的电路及其器件各自实现，比如方波输出信号有单独的信号发生电路，逻辑开关有单独的去抖电路，同时数据开关与逻辑开关相互分开。实验箱的各个模块无法形成统一的整体进行管理，仪器的可靠性与性能均得不到保障。实验中得到的逻辑电平等数据往往需要借助示波器观察，分析处理不便。
【发明内容】
[0003]本发明提供了一种智能数字电子实验箱，各功能模块由微控制器统一控制，增强了实验箱的可靠性与灵活性。通过实验箱上的计算机接口，实验箱亦可以与上位机进行通信，实验箱上所得数据可以直接通过上位机显示并分析，同时上位机亦可以进行对实验箱的控制。
[0004]一种智能数字电子实验箱，所述的实验箱包括中央区域和四周区域，所述的中央区域为IC插座区，所述的四周区域分布多个模块，包括计算机接口、上位机、频率输出模块、电平指示模块、电平输出模块、译码显示模块、十六进制输出模块；上述各个模块均由微控制器统一控制。
[0005]所述的计算机接口为USB接口，经由USB接口，实现实验箱与上位机的通信。
[0006]所述的上位机与微控制器相互通信，实验箱上得到的数据直接传送到上位机，亦可以从上位机发送指令操作实验箱的。
[0007]所述的频率输出模块的方波信号由微控制器的时钟系统提供。
[0008]所述的频率输出模块包括基准频率输出与可调频率输出，可调频率经由微控制器处理得到移相90度输出，与原输出形成正交编码，从而可以实现测速功能。
[0009]所述的电平输出模块中逻辑按键的去抖由微控制器直接实现；所述的电平输出模块中逻辑按键在按下去的时刻提供高质量的下降沿或上升沿触发，按下去之后提供一个恒定的高电平或低电平，实现了数据开关与逻辑开关的合二为一。
[0010]所述的电平输出模块的电平指示发光二极管的阴极、十六进制输出模块的数码管的引脚、以及频率输出模块的数码管的引脚与频率单位指示发光二极管的阴极均同74HC595的8位并行输出端相连，74HC595共用移位输出时钟信号与存储时钟信号，通过串行输入口级联并最终连接到微控制器的一个输入输出引脚；而所述的电平指示模块的电平指示发光二极管的阴极、译码显示电路数码管的引脚连入另一组74HC595并行输入口，串行口级联到的另一个输入输出引脚。通过74HC595的串入并出移位寄存功能，经由串行口发送布尔数组，可以统一刷新显示数据。
[0011]所述的电平指示模块与译码显示模块的控制中，将输入的电平作为微控制器的中断源，通过中断程序发出指令，实现对相应电平指示发光二极管与数码管显示的控制。
[0012]所述的电平输出模块的逻辑按键、十六进制输出模块的数码管按键、以及频率输出模块的数码管按键均与74HC165的并行输入端相连，74HC165共用时钟输入信号与移位信号，并通过串行输出口级联，将键盘上读取的并行信号串行送入微控制器，微控制器处理得到的数据并发出指令，控制相应发光二极管以及数码管的显示。
[0013]所述的电平输出模块与十六进制输出模块的电平输出口均与74HC595的并行输出端相连，74HC595共用移位输出时钟信号与存储时钟信号，串行输入口级联并最终连接到微控制器的一个输入输出引脚；通过74HC595的串入并出移位寄存功能，微控制器经由串行口发送布尔数组，统一刷新电平输出。
[0014]本发明的有益效果是:
1、各功能模块由微控制器统一控制，增强了可靠性与灵活性；
2、将传统数电实验箱的逻辑开关与数字开关合二为一，节省了资源；
3、可以与上位机进行全双工通信，方便实验数据的处理和实验逻辑波形的显示，亦可利用上位机进行对实验箱的控制，实现了实验箱的智能化。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是智能数字电子实验箱的结构示意图；
图2是译码显示模块示意图；
图3是电平指示模块示意图；
图4是十六进制输出模块示意图；
图5是电平输出模块示意图；
图6是频率输出模块中的基准频率输出模块示意图；
图7是频率输出模块中的可调频率输出模块示意图；
图中，计算机接口 1，电平指示模块2，译码显示模块3，十六进制输出模块4，电平输出模块5，频率输出模块6，扬声器7，元件区8，直流电源9，IC插座区10，上位机11，电平插孔12，电平指示发光二极管13，译码器14，数码管15，数码管按键16，基准频率输出插孔17，接地插孔18，可调频率输出插孔19，移相频率输出插孔20，频率单位指示发光二极管21，频率单位选择按键22，频率量程选择按键23，电平反向输出插孔24，逻辑按键25。
【具体实施方式】
[0016]以下结合附图进行进一步说明。
[0017]图1所示，实验箱包括中央区域和四周区域，所述的中央区域为IC插座区10，所述的四周区域分布多个模块，包括计算机接口 1、上位机11、频率输出模块6、电平指示模块2、电平输出模块5、译码显示模块3、十六进制输出模块4 ;以上模块均由微控制器统一控制。IC插座区10提供多种芯片插座；直流电源9为实验箱供电；元件区8提供实验可能用到的电阻、电容等元件；扬声器7用以产生声音信号；计算机接口 I为USB接口，将实验箱与上位机11相连接；上位机11可以与下位机通信，并实现仪器控制。
[0018]图2所示，数码管15，译码器14，四个电平插孔12构成一个译码显示模块3的一个单元。电平插孔12用来接收输入的高电平或者低电平，形成四位二进制码，译码器14将四位二进制码转化为逻辑电平输出，作为微控制器的中断源，通过中断程序发出指令。而译码显示模块3的数码管15的引脚与74HC595的8位并行输出端相连，74HC595共用移位输出时钟信号与存储时钟信号，通过串行输入口级联并最终连接到微处理器的一个输入输出引脚。利用74HC595的串入并出移位寄存功能，微处理器进入中断后接经由串行口发送布尔数组，统一刷新数码管的显示。
[0019]图3所示，电平插孔12与发光二极管13构成一个电平指示模块2的一个单元。电平插孔12用来接收输入的高电平或者低电平，将电平输入作为微控制器的中断源，通过中断程序发出指令。而电平指示发光二极管13的阴极与74HC595的8位并行输出端相连，74HC595共用移位输出时钟信号与存储时钟信号，通过串行输入口级联并最终连接到微处理器的一个输入输出引脚。利用74HC595的串入并出移位寄存功能，微处理器进入中断后接经由串行口发送布尔数组，统一刷新发光二极管亮灭状态。
[0020]图4所示，数码管15、两个数码管按键16与四个电平插孔12组成十六进制输出模块4的一个单元。数码管按键16用以设置数码管15显示的十六进制数的数值，四个电平插孔12将设置的十六进制数以二进制形式输出。
[0021]图5所示，逻辑按键25、电平指示发光二极管13、电平插孔12与电平反向输出插孔24构成电平输出模块5的一个单元。逻辑按键25提供上升沿或下降沿触发、高电平或低电平。电平指示发光二极管13指示电平高低，电平插孔12可将电平信号输出，电平反向输出插孔24将电平信号反向输出。
[0022]图6所示，接地插孔18与基准频率输出插孔17构成频率输出模块6的基准频率输出部分。接地插孔18用以线路接地，基准频率输出插孔17输出固定基准频率的方波信号。
[0023]图7所示，可调频率输出插孔19，移相频率输出插孔20，接地插孔18构成频率输出模块6的可调频率信号的输出部分；频率单位指示发光二极管21、三个数码管15、六个数码管按键16、频率单位选择按键22、频率量程选择按键23构成频率输出模块6的可调频率信号的频率显示与设置部分。可调频率输出插孔19输出可调频率的方波信号，移相频率输出插孔20输出移项90度的可调频率方波，通过数码管按键16设置输出频率的频率数值，频率单位指示发光二极管21用以指示数码管显示的频率数值的单位，频率单位选择按键22用以选择输出频率的单位，频率量程选择按键23可以控制输出频率的数值范围。
[0024]图4、图5、图7所示，电平输出模块5的逻辑按键25、十六进制输出模块4的数码管按键16以及频率输出模块6的数码管按键16均与74HC165的并行输入端相连，74HC1655共用时钟输入信号与移位信号，并通过串行输出口级联，将由按键读取的并行信号串行送入微处理器，微处理器处理得到的数据并统一发出控制电平指示发光二极管13、频率单位指示发光二极管21以及数码管16的指令。而电平输出模块5的电平指示发光二极管13的阴极、十六进制输出模块4的数码管16的引脚、以及频率输出模块6的数码管16与频率单位指示发光二极管21引脚与74HC595的8位并行输出端相连，74HC595共用移位输出时钟信号与存储时钟信号，串行输入口级联并最终连接到微处理器的一个输入输出引脚。利用74HC595的串入并出移位寄存功能，微处理器接收到按键数据后，经由串行口发送布尔数组，统一刷新显示数据。电平输出模块5与十六进制输出模块4在刷新显示数据同时亦要将相应电平输出，同理将电平插孔12与74HC595的8位并行输出端相连，74HC595共用移位输出时钟信号与存储时钟信号，串行输入口级联并最终连接到微处理器的另一个输入输出引脚，微处理器接收到按键数据后，经由串行口发送布尔数组，统一刷新电平输出。
[0025]图6、图7所示，频率输出模块6主要输出基准频率与可调频率的方波信号。方波信号由微控制器的时钟系统提供，微控制器的时钟源经过自身分频、倍频等功能可以得到丰富的方波信号，完全可以满足基准频率与可调频率的要求。方波信号经过微控制器处理亦可得到移相90度的信号输出，与原输出形成正交编码，从而可以实现测速功能。
【权利要求】
1.一种智能数字电子实验箱，其特征是:所述的实验箱包括中央区域和四周区域，所述的中央区域为IC插座区(10)，所述的四周区域分布多个模块，包括计算机接口(I)、上位机(11)、频率输出模块(6)、电平指示模块(2)、电平输出模块(5)、译码显示模块(3)、十六进制输出模块(4 );上述各个模块均由微控制器统一控制。
2.根据权利要求1所述的智能数字电子实验箱，其特征是:所述的计算机接口(I)为USB接口，经由USB接口，实现实验箱与上位机(11)的通信。
3.根据权利要求1所述的智能数字电子实验箱，其特征是:所述的上位机(11)与微控制器相互通信，实验箱上得到的数据直接传送到上位机(11)，亦可以从上位机(11)发送指令操作实验箱的。
4.根据权利要求1所述的智能数字电子实验箱，其特征是:所述的频率输出模块(6)的方波信号由微控制器的时钟系统提供。
5.根据权利要求1所述的智能数字电子实验箱，其特征是:所述的频率输出模块(6)包括基准频率输出与可调频率输出，可调频率经由微控制器处理得到移相90度输出，与原输出形成正交编码，从而可以实现测速功能。
6.根据权利要求1所述的智能数字电子实验箱，其特征是:所述的电平输出模块(5)中逻辑按键(25)的去抖由微控制器直接实现；所述的电平输出模块(5)中逻辑按键(25)在按下去的时刻提供高质量的下降沿或上升沿触发，按下去之后提供一个恒定的高电平或低电平，实现了数据开关与逻辑开关的合二为一。
7.根据权利要求1所述的智能数字电子实验箱，其特征是:所述的电平输出模块(5)的电平指示发光二极管(13)的阴极、十六进制输出模块(4)的数码管(15)引脚、以及频率输出模块(6)的数码管(15)引脚与频率单位指示发光二极管(21)的阴极均同74HC595的8位并行输出端相连，74HC595共用移位输出时钟信号与存储时钟信号，通过串行输入口级联并最终连接到微控制器的一个输入输出引脚；而所述的电平指示模块(2)的电平指示发光二极管(13)阴极、译码显示模块(3)的数码管(15)引脚连入另一组74HC595并行输入口，串行口级联到另一个输入输出引脚，通过74HC595的串入并出移位寄存功能，经由串行口发送布尔数组，可以统一刷新显示数据。
8.根据权利要求1所述的智能数字电子实验箱，其特征是:所述的电平指示模块(2)与译码显示模块(3)的控制中，将电平输入作为微控制器的中断源，通过中断程序发出指令，实现对相应电平指示发光二极管(13 )与数码管(15 )显示的控制。
9.根据权利要求1所述的智能数字电子实验箱，其特征是:所述的电平输出模块(5)的逻辑按键(25)、十六进制输出模块(4)的数码管按键(16)以及频率输出模块(6)的数码管按键(16)均与74HC165的并行输入端相连，74HC165共用时钟输入信号与移位信号，并通过串行输出口级联，将键盘上读取的并行信号串行送入微控制器，微控制器处理得到的数据并发出指令，控制相应发光二极管以及数码管的显示。
10.根据权利要求1所述的智能数字电子实验箱，其特征是:所述的电平输出模块(5)与十六进制输出模块(4)的电平输出口均与74HC595的并行输出端相连，74HC595共用移位输出时钟信号与存储时钟信号，串行输入口级联并最终连接到微控制器的一个输入输出引脚；通过74HC595的串入并出移位寄存功能，微控制器经由串行口发送布尔数组，统一刷新电平输出。
【文档编号】G09B23/18GK103886794SQ201410122179
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月30日 优先权日:2014年3月30日
【发明者】赵东伟, 王晗, 黄阳彬, 张伟 申请人:浙江大学