嵌入式实验系统的制作方法

本申请涉及计算机控制技术领域，尤其涉及一种嵌入式实验系统。

背景技术：

随着科学技术的发展，社会对高校学生的实践能力的要求越来越高，高校对学生实践能力的培养变得越来越重要。各高校不仅加强了各种常规性的实验内容，增多了实验项目，更是将项目实训作为重点进行建设。

在现有的基于嵌入式系统的实验系统中，包含如图1所示的嵌入式系统运行设备11、嵌入式系统外围接口12、输入信号调理板和输出信号驱动板13、以及与输入信号调理板和输出信号驱动板13分别连接的外围设备14这四个部分，外围设备14通常包括传感器、执行器等，开发人员可以直接通过该实验系统与应用环境中的受控设备进行交互、编程和调试。但是在实验系统中，实验箱内部器件繁多，容易损坏，不方便维修，且由于实际受控设备通常成本较高，难以在实验室中为每个实验系统都搭建一台，至多只能搭建有限的几台供教师进行演示，因而学生只能够做一些验证性实验，无法执行整个程序的编写和调试操作。由于缺乏真实的应用环境，因而学生的学习兴趣不高，而且由于整个实验系统并未与实际应用场景相结合，因而实训效果不够理想。

现有技术中还提出了一种全虚拟的基于嵌入式系统的实验系统，包括虚拟的开发设备、虚拟的运行设备、虚拟的接口板及虚拟仿真的应用设备。但全虚拟的实验系统与实际场景具有较大的区别，学生使用这种实验系统完全不能接触到真实的开发和运行环境，全虚拟仿真环境下所编写的程序、所获得的开发和调试经验与实际应用场景有较大出入，不能很好的锻炼、提升学生的实际开发能力。

技术实现要素：

为克服相关技术中的实验系统建设和维护真实应用场景的成本太高、全虚拟实验系统缺乏真实应用设备及应用场景，不能够较好的锻炼学生的实际开发能力等缺点，本申请提供了一种嵌入式实验系统。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种嵌入式实验系统，包括：

嵌入式程序开发设备，用于编写用于控制虚拟受控设备的嵌入式程序，并将所述嵌入式程序写入嵌入式程序运行设备；

所述嵌入式程序运行设备，与所述嵌入式程序开发设备连接，用于运行所述嵌入式程序，并将运行过程中产生的第一运行数据通过虚拟场景接口板发送给虚拟场景运行设备；

所述虚拟场景运行设备，与所述虚拟场景接口板连接，用于基于所述第一运行数据虚拟演示所述虚拟受控设备的运行：

可选的，所述虚拟场景运行设备还用于将所述虚拟演示的过程中产生的第二运行数据通过所述虚拟场景接口板发送给所述嵌入式程序运行设备；

所述嵌入式程序运行设备还用于基于所述第二运行数据调整运行所述嵌入式程序。

可选的，所述虚拟场景接口板用于将所述第一运行数据或第二运行数据进行转换处理和封装处理，并将处理后的第一运行数据发送给所述虚拟场景运行设备，将处理后的第二运行数据发送给所述嵌入式程序运行设备；

所述虚拟场景运行设备用于基于所述处理后的第一运行数据虚拟演示所述虚拟受控设备的运行；

所述嵌入式程序运行设备用于基于所述处理后的第二运行数据调整运行所述程序。

可选的，所述嵌入式程序运行设备包括计算机、可编程控制器、嵌入式设备中的任一种。

可选的，所述虚拟场景运行设备包括计算机、平板电脑、笔记本、手机、嵌入式设备中的任一种。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请提供的嵌入式实验系统，将应用场景采用虚拟仿真的方法进行实现，能够保证学生在实际的开发、运行环境下对实验程序进行开发和调试，而嵌入式实验程序编写完成后的应用场景环境则是虚拟、可共享、可重用、以及可扩展的，这有利于锻炼学生实际开发的能力、降低实验的建设和维护成本。由于应用场景是虚拟的，具有较高的可扩展性，可以进一步结合实际的产品项目，将这些项目的应用环境虚拟化，就能够打造与实际产品项目一致的升级的、新的实训平台；学生的学习时间、场所也不会像现有技术中那样被禁锢在上课时间和实验室内，可以带着便携的基于计算机控制技术的程序开发设备、运行设备、虚拟场景接口板及虚拟场景运行设备，回宿舍、回家学习研究。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是现有技术中基于嵌入式系统的实验系统的结构示意图；

图2是本申请根据一示例性实施例示出的一种嵌入式实验系统的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

如图2所示，图2是根据一示例性实施例示出的一种嵌入式实验系统的框图，该嵌入式实验系统可以包括：嵌入式程序开发设备21、嵌入式程序运行设备22、虚拟场景接口板23以及虚拟场景运行设备24，其中虚拟场景运行设备24可以用于虚拟演示虚拟受控设备，而非实际设备，因而本申请提供的嵌入式实验系统为半虚拟化的实验系统。

其中，嵌入式程序开发设备21，用于进行嵌入式程序的开发和编写，该嵌入式程序用于控制受控设备，并将编写的嵌入式程序写入到运行设备22中。

本申请实施例中，嵌入式程序开发设备21可以为电脑，用于教师、学生对基于嵌入式技术的实验程序进行开发、编写，该嵌入式程序用于控制虚拟受控设备的运行，该虚拟受控设备可以为在虚拟场景运行设备24上虚拟的例如阀门、机械臂、电机等受控设备。

嵌入式程序运行设备22，与嵌入式程序开发设备21连接，用于运行嵌入式程序开发设备21所写入的嵌入式程序。

本申请实施例中，嵌入式程序运行设备22可以为例如嵌入式系统开发板、51单片机、计算机、PLC(Programmable Logic Controller，可编程控制器)等，并且嵌入式程序运行设备22可以包括传感器、执行器、开关以及调节器等外围设备。其中传感器用于检测当前的温度、电流、电压等数据，这些检测的数据可以用于作为该嵌入式程序的输入，执行器用于将该嵌入式程序的运行数据作为控制信息，该运行数据可以包括数字信号、模拟信号等，并基于该控制信息对虚拟受控对象施加控制作用。

例如，虚拟受控对象为阀门，控制信息为开关量1，那么该控制信息用于控制阀门打开，控制信息为开关量0，那么该控制信息用于控制阀门关闭；再例如，虚拟受控对象为机械臂，在控制信息为抬高时，用于控制机械臂抬高设定的高度，在控制信息为降低时，用于控制机械臂降低设定的高度。

虚拟场景接口板23，与嵌入式程序运行设备22相连接，用于接收嵌入式程序运行设备22发送的运行数据，并且将该运行数据进行封装，以及将这些数据转换为虚拟场景运行设备24能够识别的格式或类型，然后通过串口线或者USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)将处理之后的运行数据发送给虚拟场景运行设备24。

虚拟场景运行设备24，用于将接收到的运行数据作为控制指令控制虚拟受控设备进行虚拟运行演示。

本申请实施例中，虚拟受控对象可以基于虚拟仿真技术来实现，例如基于虚拟仿真技术实现的阀门、电机、机械臂等。

本申请实施例中的虚拟场景运行设备24可以包括：终端，例如PC(Personal Computer，个人计算机)、平板电脑、笔记本、手机、或嵌入式系统设备等。

本申请实施例中，虚拟受控对象在虚拟演示过程中的运行数据，例如阀门的开关量、电机的转速等运行数据也可以被检测到，并通过虚拟场景接口板23传回嵌入式程序运行设备22，嵌入式程序运行设备22可以将收到的反馈数据调整输入条件，继续运行。

学生和教师能够通过嵌入式程序运行设备22上的运行过程以及虚拟场景运行设备24上演示的运行过程确定程序编写的是否正确，是否需要调试。

举例而言，通过程序开发设备21所编写的程序为用于运行电风扇的程序，以使风扇吹向某设备并冷却某设备，程序运行设备22运行该程序，并将运行过程中产生的数据通过虚拟场景接口板23发送给虚拟场景运行设备24，虚拟场景运行设备24基于该程序控制虚拟电风扇的运行，并实时检测被冷却设备的温度，将电风扇速度、被冷却设备的当前温度信息回传给程序运行设备22，程序运行设备22基于该温度信息来调整电风扇的转速、电风扇的运转时间等。

下面通过具体的实施例对本申请提供的嵌入式实验系统进行说明。

实施例1

本实施例中，嵌入式实验系统应用于控制虚拟水表的应用场景。

学生使用笔记本电脑开发编写了用于控制水表的嵌入式程序，然后通过通讯线将该嵌入式程序写入到嵌入式系统开发板上进行运行，嵌入式系统开发板将嵌入式程序的运行过程中产生的读表指令发送给虚拟场景接口板，虚拟场景接口板将该读表指令进行转换，再基于RS232串口通讯协议将转换后的读表指令发送给PC机，该PC机上安装有虚拟水表应用场景软件，PC机基于读表指令运行虚拟水表，能够真实的模拟远程抄表环境中的多块水表。在该实施例中，学生编写的用于控制水表的嵌入式系统实验程序，与实际环境下嵌入式系统开发的程序是相同的，调试过程也是相同的，与传统的全虚拟实验系统相比，学生能够接触到真实的单片机、接口板等操作设备，能够贴合实际的锻炼学生的实验能力和程序开发能力。

实施例2

本实施例中，嵌入式实验系统应用于控制虚拟二自由度自动进样器应用场景软件。

学生使用PC机开发编写了用于控制二自由度自动进样器(具体可以例如离子色谱仪配套的自动进样器)的嵌入式程序，并将该嵌入式程序写入到PLC中进行运行，PLC将运行过程中的运行数据(如开关量信号、模拟量信号等)作为控制指令发送给虚拟场景接口板，虚拟场景接口板将该控制指令封装打包，转换为PC机能够识别和处理的格式，然后基于USB通讯协议将处理后的控制指令发送给PC机，PC机上安装有二自由度自动进样器的虚拟应用场景软件，PC机基于接收到的控制指令控制二自由度自动进样器的虚拟运行演示，并且PC机将虚拟运行过程中检测到的数据例如位置数据等通过虚拟场景接口板反馈给PLC，以使PLC将反馈数据作为新的输入条件执行下一步动作。

在学校的实际应用中，每个半虚拟化的嵌入式实验系统可供一个实验小组使用，小组人数一般为2人。在进行实验时，可以为每个小组分配一套虚拟场景软件及其运行设备、虚拟场景接口板、程序运行设备、程序开发设备(PC)。这样，既可以充分锻炼学生的实际程序开发能力、调试能力，也充分降低了嵌入式实验系统的开发成本。例如在学生需要编写控制电机的程序的情况下，每个实验小组都配备一台电机成本太高，不易实现，而通过本申请实施例提供的半虚拟化的方式，不仅能够容易的搭建实验系统，也有利于锻炼学生实际开发的能力。

本申请提供的嵌入式实验系统，将应用场景采用虚拟仿真的方法进行实现，能够保证学生在实际的开发、运行环境下对嵌入式实验程序进行开发、调试，而对于实验程序编写完成后的应用场景环境则是虚拟、可共享、可重用、以及可扩展的，这有利于锻炼学生实际开发的能力、降低实验的建设和维护成本；由于应用场景是虚拟的，具有较高的可扩展性，可以进一步结合实际的产品项目，将这些项目的应用环境虚拟化，就可以打造与实际产品项目一致的升级的、新的实训平台；学生甚至可以带着便携的嵌入式技术实验程序运行设备、虚拟场景接口板及虚拟应用场景软件，回宿舍研究，学习时间、场所并不被禁锢在上课时间和实验室内。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。