专利名称：单板机局部网络教学演示系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以TP801-Z80单板计算机为主体，辅以IBM-PC系列微型计算机作为软、硬件共享资源站，构成的一套局部网络教学演示系统，属于数字计算机小型局部网络技术领域。
计算机联成局部网络的技术已经相当成熟，但据申请人了解，现有技术中都是以配置有多种外设(如键盘、CRT显示器、软盘驱动器等)的微型计算机(也称系统机)为主体构成的高层次局部网络。其功能齐全，但价格昂贵，透明性差，并不完全适合我国目前大中专院校在《微机原理与应用》等相关课程教学实践中的需要。囿于中国目前经济条件，许多大中专工科院校和厂矿院所在近几年内添置了很多类似TP801-Z80的单板计算机作为教学实践手段，开展微机、控制和通信等课程知识的教育与再教育。现在的实践教学中各单板机都处于单机操作的实验环境，有些单位经过开发，目前也只能进行一些点对点的简单通信，尚不能联成网络。所以，在一些相关课程的理论教学中，只是采用计算机、通信与网络相互分割的教学方法，这一状况已远远不能适应微机技术的发展和现代化教学的需要。
本发明的目的是提供一种利用目前许多院校、厂矿和科研院所已拥有的TP801-Z80单板计算机为主体，辅以IBM-PC系列微型计算机作为软、硬件共享的资源站，构成一个简单、实用、低成本、高效益的局部网络教学演示系统。
本发明的另一目的是设计一种解决网络冲突的争用技术方法，也就是本发明采用的各单板机在使用总线前，先测试表示网络总线是否占用的总线忙/闲单稳电路状态的响应屏蔽技术。
本发明的又一目的是为工业生产的过程控制提供一种简便、价廉、实用的集中管理，分散控制的技术装备。
本发明是由多台分布在不同座位上的学生机和一台进行教学并管理整个系统的教师机所组成。教师机是一台带有软盘驱动器、CRT显示器、键盘、打印机等外设和RS-232串行通信接口的IBM-PC系列微型计算机，学生机是带有6位LED七段显示器和简易键盘的TP801-Z80单板计算机。通过各单板机的数据线D7、D6和GND线与PC机的RS-232通信接口的RXD、TXD和GND分别连接组成一个以单板机为主体、由总线连接的局部网络。本发明还提供一种在硬件上增设一个表示网络总线是否占用的忙/闲单稳电路(该电路也是利用原单板机上的器件改装而成，以减少硬件开销)，就实现各单板机在使用总线前先测试其忙闲的争用方式来解决网络冲突的简单、实用技术方法。
以学生为主体，以教师为主导，这是教学活动的显著特点。本发明在组网思想及实施技术上都充分考虑了这个特点，所以，它在很大程度上改善了微型计算机理论和实践的教学环境。不仅改变了原来单机独立操作的实验条件，引入了通信和网络的概念，从而可以扩充课程教学内容，把微机、控制、通信和网络概念融合贯通，顺应了微机技术发展形势的需要，使学生更直观、更形象地接受理论教学;也为教师改善教学环境、减轻教学辅助劳动和进行科研课题开发提供了条件。在网络功能设置上充分考虑了教学特点，使该网络可用于微机教学的各个环节。由于学生机可以共享教师机(主机)丰富的软件(Z-80源程序的编辑、汇编、反汇编，Z-80程序的动态调试等)和硬件(软盘驱动器、显示器、打印机等外设)资源，使原来价廉而结构简单的单板机功能得到很大的扩充可以在PC机中随意存取文件、查询目录、打印清单;各学生机之间不能相互直接通信，必要时可在教师协助下完成;而教师机则可以点对点或广播方式向学生机发送程序、数据;可以随时中断某台或某些台学生机程序的运行，而命令其运行新的程序;可以随时读取任一台单板机的内存数据或显示内容;可以向学生机发送一些显示短语，而学生机也可向教师机的屏幕上发送“完成作业”、“请求帮助”等中文信息。由于学生的程序作业可贮存的教师的磁盘里，教师在批改作业时，可在PC机或单板机上直接运行该程序来验证其正确性，既快捷又可靠。总之，使用本发明可使学员学习主动灵活，步调合适，学得多而效率高;使教师能根据学员的个人特点进行因材施教，服务面宽，且减轻教学、备课劳动;对提高微机原理课程的教学质量大有裨益。
本发明摒弃昂贵的网络卡或专用网络接口芯片作为单板机与网络连接点的传统方法，而直接用TP-801单板机的数据总线D7、D6作为与网络的连接点。由于尽量利用单板机上原有的硬件结构，使整个网络的硬件开销降低到每个学生机仅花费数元人民币的最低限度。甚至为解决网络冲突问题而专门设计的总线忙/闲单稳电路，也是利用单板机上的芯片改装而成，没有增加新的电路器件开支。
本发明的软件设计新颖巧妙，把网络通信软件与单板机的监控程序一体化，使各单板机加电后即入网在线，只要它不向主机发出通信请求或主机没有向它发出联络信号，该单板机完全处于正常独立的操作状态;而一旦出现上述两种情况，该机即自动进入联网。本发明的软件还使得单板机能够共享PC机众多的软、硬件资源，进行诸如在PC机磁盘中存取文件、检索目录、利用PC机编辑、汇编、打印、反汇编、交叉运行、动态调试Z-80程序等操作，所以，本发明又是一个TP-801单板机的高级开发系统，可极大地缩短科研课题的开发周期。
总之，尽管本系统的组成极为简单，两种机型结构、功能、售价差异很大，但由它们组成的本发明却具备了一般网络的主要特征由通信线路互连构成网络，能可靠地实现信息传输与信息处理，各用户能共享网络中的硬件、程序和数据等资源。该网络不仅能满足学校教学演示实践的需要，也可作为教师、工程技术人员在科研课题开发中的重要手段，还可在工业生产过程中作为集中管理、分散控制的具有很高性能价格比优势的新装备。
图1是本发明硬件总体框图。
图2是本发明接口电路原理简图。
图3A、B、C分别是本发明通信协议中规定的异步通信字结构、屏蔽信息块结构和文件数据块结构的示意图。
图4是学生机<工作站>网络接收软件流程图。
图5是学生机<工作站>网络发送软件流程图。
图6是教师机<主机>的网络软件流程图。
图1中，1是教师机<主机>TM，通常为IBM-PC系列微型计算机，应配置有CRT显示器、软盘驱动器、打印机、键盘等外设。
2是学生机<工作站>SM，为TP801-Z80单板计算机。
如图所示，本发明由一台主机和多台学生机组成，图中只画出了四台，实际应用时，由用户根据需要选用台数，通常一个教学班可配置20～30台。在本系统中，一台TM主机最多可管理225台分布在不同位置上的单板机SM，并用两位16进制数的码分多址信号(又称“站址”-如图中＃11H、＃1FH、＃F1H、＃FFH)来识别之。编码方法上采用以0为统配符，即00是所有工作站的选通站号;01是11、21……F1等15个站的选通站号;20则是21、22……2F等15个站的选通站号。这样可以使教师机能随意选择与一个(发一具体站号)、一组(发某行或某列站号)或全体(发00站号)学生机进行通信。图1还表明了网络总线是由主机RS-232通信接口的RXD、TXD和GND线分别与各单板机的数据线D7、D6和GND线相连接而成。
图2给出本发明接口电路的硬件原理简图，在学生机SM中诸如U33或U15/2等编号均为TP-801单板计算机原来的元器件代号。图中表明各学生机的数据线D7经74LS74进行数据锁存、74LS33缓冲并接后，经电平转换电路(MC1488)接至教师机RS-232通信口的RXD线。而教师机RS-232通信口的TXD线经电阻分压后接至各学生机的EAR PHONE端，再经单板机内部线路将该信号分别接至U15/2的4端和经U13的三态门与数据线D6相连通。前者是一个由教师机控制的表示网络总线是否占用的总线忙/闲状态单稳电路，它是利用TP801-Z80单板机上的U15(MC14538)芯片改装的。后者则是单板机的数据接收线。所以，本发明用于网络接口电路上的硬件花费很少对于每个单板机只用了1/2个74LS74和1/2个74LS33芯片(另有1/4个74LS33芯片用于把PS7和IOW信号相与后作为锁存器的触发脉冲)，其他信号则尽量使用单板机原来富裕的芯片设计或改装获得。整个系统只用了一个把TTL单极性电平转换成双极性信号的MC1488芯片，接在RS-232接口的RXD端，在TXD端采用两个分压电阻，然后借助单板机原来的内部电路把双极性信号转换成TTL电平。
本发明各单板机的网络接口直接挂在单板机内部总线上，数据发送线由D7引出，自定义网络输出口地址为9FH;要传送的数据经D触发器(74LS74)和缓冲器(74LS33)后合路，再由MC1488电平转换后发至PC机。单板机中原I/O口90H作为网络输入口，PC机发送的数据由RS-232口的TXD端发出，先由分压电阻转换电平，再分别接至各单板机的EAR PHONE端，经单板机原机内电路转换后由90H口的D6数据线接收。
PC机发送的数据同时被接至U15/2芯片的4端，U15/2单板机内原有的一个单稳电路，经改装后成为总线忙/闲单稳，可被单板机接收的信号所触发而处于暂态。它有两个功能1是由Q端电平标志网络总线的忙、闲(高电平为闲，低电平为忙)，其状态由单板机通过90H口的数据线D7进行监测。2是由Q端电平作为单板机进入网络状态的非屏蔽中断源，低电平产生入网中断申请，单板机通过中断程序进入网络状态;高电平不产生中断申请，单板机处于单机工作状态。
本发明采用异步通信方式，信号的传送为起止式(参见图3A所示)，并采用核对累加和校验技术。信号传输速率为9600bps，传输距离可达1000米以上。传送的屏蔽信息数据块结构和文件数据块结构如图3B、3C所示。屏蔽信息数据块(图3B)由同步字5、站号字6、命令字7三个字节组成。文件数据块则由文件长度8(2字节)、起始地址9(2字节)、文件内容10、累加和11(2字节)组成。
网络冲突是计算机联网的难题之一。现有技术在解决由总线联网的网络冲突上有三种方式预约、争用和预约-争用综合三种。它们的实现都需要有大量的软、硬件支持。本发明则采用一种称之为响应屏蔽技术来解决网络冲突。该技术在硬件上只使用了一个总线忙/闲单稳电路(由U15/2改装而成)，就实现在使用总线前先测试其忙闲的争用策略。具体步骤如下各学生机发送信息前，先测试忙/闲单稳电路的状态若“忙”，则显示总线已占用;若“闲”则先发送由同步字、站号字、命令字组成的屏蔽信息数据块。教师机在收到屏蔽信息块后，原样发回该屏蔽信息块，将所有学生机上的忙/闲单稳电路都置成“忙”态，此时，其他学生机就不会再占用网络总线。原发送屏蔽信息块的学生机在接收核对教师机发出的屏蔽信息块内容正确无误后，就可作发送或接收等下一步操作;如核对有误，则退出。该技术的实施，不仅有效的降低了网络冲突发生的概率，而且，硬件开销极省，又是利用单板机上已有器件改装，几乎没有硬件支出;软件设计简单、实用、构思巧妙，有效的解决了网络冲突问题。
本发明把网络软件作为单板机监控程序的一个模块而与监控程序融为一体。其优越之处是不仅能有效的利用单板机极其有限的内存空间，更重要的是使挂在网络上的各个单板机省去了入网撤网手续，加电开机后既能单机独立作业，又能直接在网络状态下工作;特别适合学生使用，同时为扩充到自动化车间实现遥控开机创造了条件。
图4、5介绍了学生机网络接收和发送的软件流程。其中接收软件是在判定确认通信中断后才进入接收程序的初始化，进而判断是否与本机通信若不是(站址不符)，就中断返回，退出网络状态;若是，则根据命令代码，转去执行相应的命令处理程序(参见图示)。其中“发送屏幕显示信息”有“××号单板机已完成指定作业，请老师审查！”、“××号单板机遇到疑难问题无法解决，请老师帮助！”、“××号单板机申请打印文件！”、“××号单板机请教师提供示范程序！”……，上述汉字信息均可在教师机的CRT显示屏上显示。发送软件则由操作员通过命令键启动首先是检查总线的忙闲，若总线忙，则在LED显示器上显示“
;若总线闲，则发屏蔽信息块并显示“
”，等待教师机响应。若发送的是简短信息，将在教师机的屏幕上显示出来。
教师机的网络软件功能很强，采用汉字菜单提示，大大方便和简化了操作。具体过程如图6所示。首先是对RS-232进行初始化，在屏幕上显示汉字菜单，开设Z-80文件目录窗口及网络运行信息提示窗口，然后教师机就反复查询键盘及RS-232口两者的状态若有命令键按下，即转向相应的命令处理程序(详见图6);若RS-232口有输入信号，则进入接收状态，根据收到的同步字转相应处理程序(详见图6)。在通信过程中，教师机的显示器上随时有网络运行的动态信息提示，方便了教师的管理和教学工作。
利用单板机的六位LED七段显示器进行目录检索，也是本发明的一个特色当单板机接收到PC机发送来的目录内容后，自动统计出目录总数，在显示器上显示
(后两位为16进制表示的目录总数)。此时，操作员按LAST、NEXT键可以顺序向下、向上查询所要的文件，这时显示器的前四位为文件名，后两位为16进制的顺序号。查到所需要的文件后，按LOAD′键就可以将此文件从PC机磁盘中取出，装入单板机直接运行。如果已知文件名，单板机可用两种方式从PC机磁盘中取出文件若是本站存放的文件，只需键入两位文件名，按LOAD键，单板机会自动在该文件名前加上本站站号，然后取出文件;若不是本站存放的文件，需要键入4位文件名，按LOAD键取出文件。
本发明虽然是一个为教学演示开发的局部网络，但由于各学生机是通用性很强的TP-801单板计算机，因此，它的硬件结构和联网主体思想及软件特别适宜推广到分散控制、集中管理的工业生产的过程控制中使用。各单板机(工作站)可以作为某程控机床或程控生产线的控制主体，而PC机作为中心控制站，总体协调和集中管理整个生产现场中各个工作站的操作运行。生产管理人员只需通过操纵PC机就可以协调指挥各道工序的工作与配合，也可随时更改某台或某些台机器的控制程序，还可随时查询了解各台机器的工作现状。
本发明已在我校实施，用20台TP-801单板机和1台IBM-PC微机构成教学演示实验网络，经师生试用，取得了预期的发明效果。
权利要求
1.一种单板机局部网络教学演示实验系统，是由多台分布在不同座位上的学生机<工作站>和一台进行教学并管理整个系统的教师机<主机>所组成，其特征在于(1)教师机<主机>是一台带有软盘驱动器、CRT显示器、键盘、打印机等外设和RS-232串行通信接口的IBM-PC系列微型计算机，学生机是带有6位LED七段显示器和简易键盘的TP801-Z80单板计算机，网络总线是由各单板机并接的数据总线D7、D6和地线分别与PC主机的RS-232通信接口的RXD、TXD、地线相连接而成；(2)教师机<主机>用两位16进制数的码分多址信号来识别各学生机<工作站>，主机与工作站之间传送的数据和控制信号是起止式异步数字信号；(3)在各学生机上都设置有一个由教师机控制的表示网络总线是否占用的总线忙/闲状态单稳电路，教师机和各学生机都处于在线联网工作状态。
2.根据权利要求1所述的单板机局部网络教学演示实验系统，其特征在于各学生机的数据线D7经74LS74进行数据锁存、74LS33缓冲并接后，经电平转换电路(MC1488)接至教师机RS-232通信口的RXD线。
3.根据权利要求1所述的单板机局部网络教学演示实验系统，其特征在于教师机的RS-232通信口的TXD线经电阻分压后接至各学生机的EAR PHONE端，再经学生机内线路与数据线D6连通。
4.根据权利要求1所述的单板机局部网络教学演示实验系统，其特征在于教师机可管理、监督多达225个分布在不同座位上的学生机，并采用以0为统配符的编码方法，以便教师机可选择与一个、一组或全体学生机进行通信。
5.根据权利要求1所述的单板机局部网络教学演示实验系统，其特征在于表示网络总线忙/闲状态单稳电路是利用TP801-780单板机上的U15(MC14538)芯片改装的。
6.一种单板机局部网络教学演示实验系统，采用响应屏蔽技术来解决网络冲突，该方法的特征是包括以下步骤(1)各学生机发送信息前，先测试忙/闲单稳电路的状态若“忙”，则暂停发送并显示“ЕггД”;若“闲”，则先发送由同步字、站号字、命令字组成的屏蔽信息块;(2)教师机收到屏蔽信息块后，原样发回屏蔽信息块，将所有学生机上的忙/闲单稳电路都置成“忙”态，此时其他学生机就不会再占用网络总线;(3)原发送屏蔽信息块的学生机在接收、核对教师机发出的屏蔽信息块内容正确无误后，就可进行发送、接收等下一步工作;若核对有误，则退出。
7.一种单板机局部网络教学演示实验系统，还可扩充到工业生产的过程控制中使用，其特征在于用各学生机(工作站)作为某程控机床或程控生产线的控制主体，而教师机(主机)作为中心控制站，总体协调指挥整个生产现场中各个端机的操作运行。
全文摘要
本发明是以多台分布在不同位置上的TP-801单板计算机为主体，辅以一台管理整个系统的IBM-PC系列微型计算机作为软、硬件共享资源站构成的一套教学演示局部网络系统。软件功能齐全；网络接口设计巧妙、简单、实用，硬件成本极低。该系统将微机、通信、控制和网络概念融合贯通，可用于微机教学的各个环节，提高教学质量、减轻教师劳动；可极大的缩短科研课题开发周期；可扩充到集中管理、分散控制的工业生产过程控制中使用。
文档编号G09B7/00GK1054682SQ9110215
公开日1991年9月18日 申请日期1991年4月11日 优先权日1991年4月11日
发明者马常兴, 杨宝秀 申请人:北京市电信学校