专利名称：多功能数据采集与输出教学实验装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种数据采集与数字通信技术领域中的多功能教学仪器实 验设备，具体地说是一种多功能数据釆集与输出教学实验装置及其控制方 法。
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背景技术：
教学仪器是教学中的一项重要环节，它能使学生将课堂上所学的理论 知识得到实践，但是由于常规的教学仪器是由专门的生产厂家开发的，出 于技术上的保密或其它方面的原因，整个教学仪器的开放性不是很强，只 能按照厂家规定好的步骤去操作，学生不能按照自己的想法去定制或实践 所需要的实验内容。学校由于资金方面的原因，也不可能购买多种实验装 置，只能做几种多年不变的实验。因此，学生在学习过程中对教学实验的 兴趣也不是很大，又由于学生在学习期间没有多余的资金自己去实现教学 实验，这使得教学和实验在时间和空间上造成脱节。
伴随教育向大众化发展，学生数量急剧增加，原有的教学设备无法满足现 有的使用要求，供需矛盾在逐渐加剧。同时随着电子技术、传感器技术、 通信技术的发展，实验设备也需要进一步更新换代，而教学设备要达到同 步的更新也是不现实的，无法满足当代的教学实验需求。另外，现在大学 毕业设计，由于经费上的原因，很多毕业设计都停留在纸面上，没有得到 实际检验，毕业生的实践能力没有得到提高和锻炼，难于适应当今的就业 要求。
发明内容
为了克服上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种具有多种信 号类型接口，并且具有多种通信接口的可由使用者自行配置所需功能的多 功能数据釆集与输出教学实验装置及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是
包括单片机，存有控制程序，为整个装置的控制核心，可釆集或输
出数字量、模拟量信号；数字量输入接口，由单片机通过i/o扩展模块连接 到数字量输入端子形成；数字量输出接口，由单片机通过锁存器接至数字 量输出端子形成；模拟量输入接口，由单片机通过模拟量釆集模块接至模 拟量输入端子形成；模拟量输出接口，由单片机通过模拟量输出模块接至 模拟量输出端子形成；显示接口 ，由显示端子与单片机的1/0管脚相连形成。
本发明装置还具有CAN协议网络接口 ，由单片机通过CAN协议模块、 CAN驱动模块连接到CAN总线端子形成。本发明装置还具有RS _ 232接口 ，由单片机的串行通信接口经RS - 232 协议模块接于232串口端子形成；RS-485接口，由单片机的串行通信接 口经RS-485协议模块接于485串口端子形成；选择开关，对RS - 232协 议模块及RS - 485协议模块以择一方式选通接于单片机的串行通信接口 。
所述控制程序包括主程序和中断服务处理程序，主程序的具体流程为
执行初始化后处于循环状态；
按程序设定的顺序对DI采集标志、AI釆集完毕标志、CAN中断标志 或串口通信模式进行判断，若相应的判断结果为真，则调用相应的程序处 理模块进行处理，各程序处理模块的功能为通过DI数据釆集模块进行DI 数据釆集、通过AI数据采集模块进行AI数据采集、通过CAN总线接收与 发送模块进行CAN指令接收与CAN数据发送处理或通过接收串口指令和 回送串口数据模块对串口通信数据进行处理；
若上述相应的程序处理模块执行完毕，或者与之相应的判断结果为假， 则按程序设定的顺序向下执行；
执行用户应用程序；
按程序设定的顺序判断是否有DO输出标志、AO输出标志以及刷新显 示标志，若上述相应的标志为真，则调用相应的程序处理模块进行处理， 各语序处理模块的功能为通过DO数据输出模块输出DO数据、通过AO数 据输出模块输出AO数据以及通过显示数据刷新模块刷新显示数据；
若上述相应的程序处理模块执行完毕，或者与之相应的判断结果为假, 则按程序设定的顺序向下执行。
所述用户应用程序包括对釆集到的AI、 DI数据和通过串口或CAN 总线接收的命令根据用户需求进行处理并置AO、 DO和刷新显示数据的 输出标志，生成对外通信输出数据。
所述中断服务处理程序分别为定时中断、AD中断、串口接收中断、串 口发送中断和CAN中断，进入中断后，单片机根据中断类型转到相应的中 断处理程序，每个中断处理程序处理完相应的任务后，返回到中断时的主 程序，主程序继续执行。
如果判断是否有DI采集标志、AI釆集完毕标志、CAN中断标志以及 是否进入串口通信模式的结果若为真，则执行相应的子程序模块，若为假, 则分别顺次执行下一步骤。若判断是否有DO输出标志、AO输出标志以及 刷新显示标志的结果若为真，则执行相应的子程序模块，若为假，则分别 顺次执行下一步骤。 ■
本发明具有如下优点.，
l.功能多用，灵活性强，经济实用。本发明装置可根据教学或实验的特 点进行定制，不用更改本装置的硬件电路，在原来程序基础上可由用户自 己编写程序，通过本装置的接口 ISP进行下载，在不增加任何成本的前提 下，就可成为一种其它类型的独立的控制装置，非常适合学生的教学、毕业设计以及课外实践使用，而且可以重复使用。
2. 接口丰富，应用广泛。本发明装置不但具有通用的数字量输入/输出、
模拟量输入/输出接口、标准的RS-232接口、 RS-485接口，而且还扩展了 学生易于理解和掌握的CAN总线接口以及具有一定显示功能的液晶显示接 口，因此该装置既可作为教学和实验用，又可作为学生毕业设计时使用， 也可在工程项目中使用。
3. 软件通用性好。本发明控制方法釆用模块化设计，具有开放式的架 构结构，组态灵活。本发明控制方法中的输入/输出、通信及中断等子程序 模块可以直接利用，无需再由用户进行编写，用户在编写程序时只需调用 相应的子程序模块即可，节省了大量的编程时间。
4. 扩展性好。本装置可以单独使用，也可以将多个该装置通过RS-485 接口或C AN总线接口进行扩展，组成 一 个分布式控制网络。
5. 使用方便。由于本发明装置具有液晶显示接口，为该装置增添了一个 信息显示窗口，尤其是该装置作为远程采集和输出控制中显得非常便利。
图l为本发明装置的组成框图； 图2为本发明装置电气硬件原理图； 图3为本发明主程序流程图； 图4为本发明中断服务程序流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。 如图1、 2所示，本发明装置以AVR单片机为控制核心，具有数字量 输入接口、数字量输出接口、'模拟量输入接口、模拟量输出接口、 CAN协 议网络接口、 RS-232接口或RS-485接口以及显示接口，其中数字量输 入接口 DI由单片机MCU1 (采用MEGA64 )通过I/O扩展模块连接到数字 量输入端子形成，即通过第1、 21/0扩展模块UD1、 UD2 (釆用74HC245) 从第1、 2数字量端子JDI—1、 JDI—2采集16路数字量输入DI信号；数字 量输出接口由单片机MCU1通过第1、 2锁存器U1、 U2 (釆用74HC573 ) 输出16路数字量输出信号到第1、 2数字量输出端子JDO—1、 JDO一2进行 DO信号的控制输出；模拟量输入接口由单片机MCU1 ^过模拟量釆集模 块AD1 (釆用TLC2543 )接至模拟量输入端子JAI一1形成，即从模拟量输 入端子JAI—1釆集8路模拟量输入信号；模拟量输出接口由单片机MCU1 通过模拟量输出模块UAOl (釆用AD5628)接至模拟量输出端子JAO—1 形成，即通过模拟量输出芯片UAOl输出8路模拟量信号到端子JAO—1;
单片机MCU1通过CAN协议模块UT1(釆用MCP2510)和CAN驱动模 块UT2 (采用82C250 )连接到CAN总线端子JCAN形成CAN协议网络接 卩；
由单片机MCU1的串行通信接口 UART经RS _ 232协议模块US1 (釆用MAX232E )接于232串口端子J232形成标准的RS - 232接口 ；由单片机MCU1的串行通信接口 UART经RS - 485协议模块US2(釆用MAX483E )接于485串口端子J485形成标准的RS - 485接口 ； RS - 232协议模块US1及RS-485协议模块US2通过选择开关Sl切换进行选择，以择一方式选通接于单片机MCU1的串行通信接口 UART;
单片机MCU1的1/0管脚连接到端子LCM1上，成为液晶显示端口；另外接口 ISP用于单片机控制程序的下载。
单片机控制程序采用C语言编制，采用模块化程序设计，每个子程序模块对应一个功能，程序汇编后储存在单片机的电可擦除存储器里，上电后自动运行。所述模块化子程序中包括DI数据釆集模块、AI.教据釆集模块、CAN总线接收与发送模块、接收串口指令和回送串口数据模块、DO数据输出模块、AO数据输出模块以及显示数据刷新模块。
单片机程序主要包括主程序和中断处理程序。如图3所示，主程序的具体流程为
先执行初始化，然后处于循环状态；
在循环中判断是否有DI釆集标志，当有DI釆集标志时，调用DI数据采集模块进行DI数据釆集；
'DI数据釆集完成后，或者没有DI釆集标志时，判断是否有AI釆集完毕标志，如有则调用AI数据釆集模块进行AI数据釆集；
AI数据采集完成后，或者没有AI釆集完毕标志，判断是否有CAN中断标志，如有则调用CAN总线接收与发送模块进行CAN指令接收与CAN数据发送处理；
CAN指令接收与CAN数^发送处理完成后，或者没有CAN中断标志，判断是否有串口通信模式，如有串口通信模式，则调用接收串口指令和回送串口数据模块对串口通信数据进行处理；
接收串口指令和回送串口数据完成后，或者没有串口通信模式，则执行用户应用程序；
判断是否有DO输出标志，有则调用DO数据输出模块输出DO数据；
输出DO数据完成后，或者没有DO输出标志，则判断是否有AO输出标志；如有AO输出标志，则调用AO数据输出模块输出AO数据；
输出AO数据完成后，或者没有AO输出标志，则判断是否有刷新显示标志，如有则调用显示数据刷新模块对显示数据进行刷新；，
刷新显示数据完成后，或者没有刷新显示标志，则回到判断是否有DI采集标志步骤，如此循环执行。这样做的好处是节省程序执行.的时间。
上述用户应用程序包括对釆集的AI和DI数据以及通过串口或CAN总线接收的命令，根据用户需求进行处理，即计算DO输出值、AO输出值和显示数据，并置DO、 AO和刷新显示数据的输出标志，生成对外通信输出数据，为对外的输出、显示和通信命令准备好数据。如图4所示，中断服务处理程序主要执行5个中断服务程序，分别为
定时中断、AD中断、串口接收中断、串口发送中断以及CAN中断，进入中断后，单片机根据中断类型转到相应的中断处理程序，每个中断处理程序处理完相应的任务后，返回到中断时的主程序，主程序继续执行。其中各中断处理包括定时中断，定时的时间间隔为200ms，定时中断后，置DI采集标志；AD中断，采集AD数据后置AI采集完毕标志；串口接收中断，填充接收缓冲区；串口发送中断，将发送缓冲区中数据逐字节送出；CAN中断，置CAN中断标志。
权利要求
1.一种多功能数据采集与输出教学实验装置，其特征在于包括单片机(MCU1)，存有控制程序，为整个装置的控制核心，可采集或输出数字量、模拟量信号；数字量输入接口，由单片机(MCU1)通过I/O扩展模块连接到数字量输入端子形成；数字量输出接口，由单片机(MCU1)通过锁存器接至数字量输出端子形成；模拟量输入接口，由单片机(MCU1)通过模拟量采集模块(AD1)接至模拟量输入端子形成；模拟量输出接口，由单片机(MCU1)通过模拟量输出模块(UAO1)接至模拟量输出端子形成；显示接口，由显示端子(LCM1)与单片机(MCU1)的I/O管脚相连形成。
2. 按权利要求1所述的多功能数据釆集与输出教学实验装置，其特征东 于还具有CAN协议网络接口，由单片机(MCU1)通过CAN协议模块(UT1)、 CAN驱动模块(UT2),连接到CAN总线端子(JCAN)形成。
3. 按按权利要求1所述的多功能数据釆集与输出教学实验装置，其特征 在于还具有 .RS-232接口，由单片机(MCU1)的串行通信接口经RS-232协议 模块(US1)接于232串口端子(J232)形成；RS-485接口，由单片机(MCU1)的串行通信接口经RS-485协议 模块(US2)接于485串口端子(J485)形成；选择开关(Sl ),对RS - 232协议模块(US1 )及RS - 485协议模块(US2 ) 以择一方式选通接于单片机(MCU1)的串行通信接口。
4. 按权利要求1所述的多功能数据采集与输出教学实验装置的控制方 法，其特征在于所述控制程序包括主程序和中断服务处理程序，主程序 的具体流程为执行初始化后处于循环状态； ' 按程序设定的顺序对DI采集标志、AI釆集完毕标志、CAN中断标志 -或串口通信模式进行判断，若相应的判断结果为真，则调用相应的程序处 理模块进行处理，各程序处理模块的功能为通过DI数据采集模块进行DI 数据釆集、通过AI数据釆集模块进行AI数据釆集、通过CAN总线接收与 发送模块进行CAN指令接收与CAN数据发送处理或通过接收串口指令和回送串口数据模块对串口通信数据进行处理；若上述相应的程序处理模块执行完毕，或者与之相应的判断结果为假， 则按程序设定的顺序向下执行；执行用户应用程序；按程序设定的顺序判断是否有DO输出标志、AO输出标志以及刷新显 示标志，若上述相应的标志为真，则调用相应的程序处理模块进行处理，各语序处理模块的功能为通过DO数据输出模块输出DO数据、通过AO数 据输出模块输出AO数据以及通过显示数据刷新模块刷新显示数据；若上述相应的程序处理模块执行完毕，或者与之相应的判断结果为假， 则按程序设定的顺序向下执行。
5. 按权利要求4所述的多功能数据釆集与输出教学实验装置的控制方 法，其特征在于所述用户应用程序包括对釆集到的AI、 DI数据和通过串 口或CAN总线接收的命令根据用户需求进行处理，并置AO、 DO和刷新 显示数据的输出标志，生成对外通信输出数据。
6. 按权利要求4所述的多功能数据釆集与输出教学实验装置的控制方 法，其特征在于所述中断服务处理程序分别为定时中断、AD中断、串口 接收中断、串口发送中断和CAN中断，进入中断后，单片机根据中断类型 转到相应的中断处理程序，每个中断处理程序处理完相应的任务后，返回 到中断时的主程序，主程序继续执行。
7. 按权利要求4所述的多功能数据釆集与输出教学实验装置的控制方 法，其特征在于如果判断是否有DI采集标志、AI釆集完毕标志、CAN 中断标志以及是否进入串口通信模式的结果若为真，则执行相应的子程序 模块，若为俊，则分别顺次执行下一步骤。 '
8. 按权利要求4所述的多功能数据釆集与输出教学实验装置的控制方 法，其特征在于若判断是否有DO输出标志、AO输出标志以及刷新显示 标志的结果若为真，则执行相应的子程序模块，若为假，则分别顺次执行 下一步骤。
全文摘要
本发明涉及一种多功能数据采集与输出教学实验装置及其控制方法，装置包括单片机，存有控制程序，为整个装置的控制核心，可采集或输出数字量、模拟量信号；数字量输入接口，由单片机通过I/O扩展模块连接到数字量输入端子形成；数字量输出接口，由单片机通过锁存器接至数字量输出端子形成；模拟量输入接口，由单片机通过模拟量采集模块接至模拟量输入端子形成；模拟量输出接口，由单片机通过模拟量输出模块接至模拟量输出端子形成；显示接口，由显示端子与单片机的I/O管脚相连形成。所述控制程序包括主程序和中断服务处理程序。本发明功能多，灵活性强，非常适合学生的教学、毕业设计以及课外实践使用，可以重复使用，接口丰富，软件通用性好，扩展性好。
文档编号G05B19/042GK101526806SQ20081001056
公开日2009年9月9日 申请日期2008年3月7日 优先权日2008年3月7日
发明者悦 周, 凤 张, 李界家, 王灿平, 阚风龙 申请人:沈阳建筑大学