一种智能实验教学系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子技术和嵌入式系统领域，尤其涉及一种可编程的智能实验教学系统。
【背景技术】
[0002]面包板(集成电路实验板)是电路实验中一种常用的具有多孔插座的插件板，在进行电路实验时，可以根据电路连接要求，在相应孔内插入电子元器件的引脚以及导线等，使其与孔内弹性接触簧片接触，由此连接成所需的实验电路。
[0003]但是，传统面包板存在以下缺点:
[0004]1.—般需要外部导线连接辅助，导致线路不清晰，操作随着电路复杂度提升而变得难以继续。
[0005]2.基于行或列互通转接的原理图复现，电路行或列宽度往往固定，同时行之间或列之间完全断路，使得电路实现灵活操作空间严重受限。
[0006]3.对连线质量没有提供通断检测，更没有线路阻抗分析与反馈控制，经常出现非原理性的连线质量问题引起的实验故障，导致实验操作成功率低。
[0007]4.对已有连线不能提供回朔记录，不能对实验操作过程进行追踪，同时不能为调试提供有效提不。
[0008]5.不能分辨元器件管脚，对每一步操作步骤正确性不能提供有效评估，对可能导致器件损坏的错误连接不能提供报警与保护(管脚定义属性)。
[0009]6.不能对实验操作流程进行详细记录，为后续考核提供基础数据支持。
[0010]7.没有器件接插和连线的提示，不能实现实验自主操作和智能引导的双向实验操作。
【发明内容】
[0011]为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种智能实验教学系统，利用可编程控制的多维开关构成开关阵列，并结合元器件智能标识化技术，为实践教育的信息化和智能化提供基础硬件平台。
[0012]本发明通过以下技术方案实现:
[0013]—种智能实验教学系统，包括若干个通用器件管脚接插扩展装置;所述通用器件管脚接插扩展装置和任意通用器件转接板电性连接;所述通用器件管脚接插扩展装置包括连接插座、管脚标识数据读出和写入所使用的数据通道和接地通道，所述通用器件管脚接插扩展装置通过连接线、可编程控制开关和可编程阻抗调节器构成K层多维开关阵列，所述连接插座用于插接元器件管脚，所述连接插座通过连接线和可编程控制开关与其它的连接插座互连，所述可编程阻抗调节器串接于可编程控制开关和连接插座之间;K层布线层中允许配置独立的电源层、接地层和信号层，通过控制各层不同维度上的开关状态，实现多种电路连接。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述通用器件管脚接插扩展装置还包括信号通道，依赖可编程开关阵列不同层的插座互通实现信号在阵列中的分配。
[0015]作为本发明的进一步改进，所述管脚标识数据读出和写入所使用的数据通道用于对元器件类型和具体管脚分布的实时读取，并为实验过程中器件管脚连通控制提供基础通道。
[0016]作为本发明的进一步改进，所述系统基于单或多嵌入式处理器GP10管脚直接驱动或通过片外扩展电路或可编程器件实现智能面包板开关控制。
[0017]作为本发明的进一步改进，所述系统通过嵌入式模拟数字变换器对每个电路通道进行扫描测量，实现电路实际连通情况的闭环检测。
[0018]作为本发明的进一步改进，所述系统通过LED或其它发光器件实现对面包板接入元器件类型、管脚类型及属性的动态显示，同时通过不同颜色或宽度或亮度或连线模式的光学通路显示布线连接情况。
[0019]作为本发明的进一步改进，所述系统具备呈现为硬件按键的按键:器件擦除、布线擦除、撤销操作(UnDo)、重做操作(ReDo)、复制(Copy)、粘贴(Paste)，便于实现无上位机现场操作;或者，上位机软件通过读取动态插入所述连接插座的管脚识别信息，实时检测并发现元器件类型和位置，并在图形界面中动态显示面包板元器件接插连接状态，其中，软件操作界面提供以下功能按键:器件擦除、布线擦除、撤销操作、重做操作、复制、粘贴，并通过上下文菜单和多功能按键实现智能实验教学系统与上位机软件交互操作界面。
[0020]作为本发明的进一步改进，所述系统基于无线(如蓝牙、WIF1、NFC、ISM频段射频模块等)或有线(如串口、并口、USB、以太网等)的方式实现上位机接口，完成所述智能实验教学系统的操作过程及状态信息上传和上位机指令下发。
[0021]作为本发明的进一步改进，所述系统包括嵌入式处理器内核，通过无线或有线的方式对嵌入式系统软件进行远程网络下载、烧写及参数配置。
[0022]作为本发明的进一步改进，所述系统的可编程开关阵列单元与嵌入式处理器单元之间采用可拆卸数据接口插座连接，可方便地实现开关阵列和嵌入式处理单元的硬件升级替换;同时，元器件转接板接口与元器件类型无关，可以方便地实现元器件规格升级。
[0023]本发明的有益效果是:本发明提出的智能实验教学系统，避免飞线连接，简化实验操作，提高实验效率;便于实现网络化实践教学;能够智能适配新器件;可持续升级实践教学平台；通过实践电路连接及其过程的数字化记录，为评估考核提供基础数据;线路连通动态显示，便于检错纠错;无线或有线上位机接口，便于复杂实践方案的准备与实施。
【附图说明】
[0024]图1是实现本发明的可编程布线架构所需的开关阵列示意图；
[0025]图2是本发明的通用器件管脚接插扩展装置连接示意图；
[0026]图3是本发明的通用器件管脚接插扩展装置另一种连接示意图；
[0027]图4是本发明的通用器件管脚接插扩展装置的结构框图；
[0028]图5是智能实验教学系统的工作示意图。
【具体实施方式】
[0029]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0030]本发明的智能实验教学系统(又称“智能面包板”)为实践教育的信息化和智能化提供基础硬件平台。本发明技术方案通过对不同元器件进行管脚级智能标识化处理，利用多维可编程网络连接控制方法，实现实验过程的信息化记录和实践技能的智能化评估。
[0031]元器件智能标识化技术是指通过智能面包板的接插口，在实现管脚连通这一基本功能的基础上，在接口设计中预留元器件管脚表示及属性信息获取通道，使用者在智能面包板上插入元器件后，系统能够迅速读取元器件管脚信息，获取元器件的连接位置、朝向和每个管脚定义及电气属性。
[0032]多维可编程网络连接控制方法是指利用多层多维度立体开关阵列实现智能面包板各节点将的网络互连架构。这里的开关可以是继电器，亦可使用半导体隔离器或光耦合器件或变压器耦合器件或磁耦合器件等。这种面向实践教学的可编程智能互联系统，能够根据不同元器件管脚连接需求，灵活配置连接通路，彻底避免传统面包板飞线连接带来的诸多问题，并可通过直观的声光提示通路连通状况、连接质量和连接状态。
[0033]附图1为实现本发明的智能实验教学系统的可编程布线架构所需的开关阵列，图中包括3层，实际层数可扩展。每层绘制了 12个管脚连接插座，部件1为通用器件管脚接插扩展装置的连接插座，插座之间用可编程电子开关实现通断控制，图中的省略号表明实际开关连接拓扑接口可进一步扩展。部件2为可编程控制开关，部件3为连接线，部件4为可配置在电路中的可编程阻抗调节器。未与插座相连的连接线交叉不意味短路。
[0034]附图1中的K层L*N多维开关阵列(L为每一层的行数，N为列数)，K层布线层中允许配置独立的电源层、接地层和信号层，通过控制各层不同维度上的开关状态，实现多种电路连接，包括但不限于上拉、下拉、连同、断开、差分、等距等。各可编程控制开关通路的阻抗通过可编程阻抗调节器进行控制。元器件管脚可不经电子开关直通各层叠扩展布线层，从而每个管脚可直接与4个以上电子开关通道相连。核心芯片管脚及外设芯片管脚之间不需要通过额外的板间层叠扩展插座或外设扩展插座即可灵活实现互联及阻抗配置。
[0035]附图2和附图3中的部件6为任意通用器件转接板，下方部件5为通用器件管脚接插扩展装置。
[0036]任意通用器件转接板实际上是一块印刷电路板，在这块印刷电路板上按照元器件封装尺寸设计并实现其每个管脚相应的孔位或焊盘，把已有的实验用元器件，如电阻、电容、芯片等，焊接在做好的对应焊盘上，通过电路引线把元器件管脚和转接板的特定通用接插插头制定连接隔断相连。把通用器件转接板插在本发明的智能面包板上，即可实现元器件的电路接入。同时，在通用转接板的每个通用管脚插头配置不同的管脚信息存储芯片并连通到插头的ID信息读取通道，转接板整体插入面包板后，智能面包板通过通用管脚ID信息通道实现每一个器件管脚的自动辨识。
[0037]附图2中的部件5的每一连接隔断可通过附图1中的开关阵列不同层的插座接入当前层的电路开关阵列。所谓的连接隔断，即把一个管脚信号分别连通到开关阵列不同层的接触连接体，它可以配置为导体或绝缘体，实现管脚到特定层的连通和断开。不同的连接隔断间相互绝缘，这些分支连接隔断数量可变，其中可包括管脚标识数据读出和写入所使用的数据通道和接地通道。例如，接插扩展装置有K层，还包括m层的电源、接地和ID信息通道，K层之间可根据需要通过特定并可扩展连接隔断实现连通或断开，m层之间互不相通。
[0038]另一种实