一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统和方法，该实验系统包括具有显示、触控和网络通信技术的平板电脑，还包括实验设备主机和实验模块。实验设备主机结构采用模块化的设计，其具有通用性，可以安装符合总线标准的各类实验模块。本发明的一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统和方法，充分利用平板电脑的便携性和易开发性，在平板电脑上显示实验设备的实验内容及其开发与实验过程，使整个实验系统可以提供多层次的实验项目。

说明书

技术领域

本发明涉及信息处理技术领域，具体涉及一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统及方法。 

背景技术

实验设备是电子信息类学生必不可少的实践工具。根据不同的专业和课程安排，实验室需要不同的实验设备。现有的实验设备主要利用PC机和系统自带的CPU（如嵌入式系统）进行数据分析和结果显示，系统自带的CPU（如嵌入式系统）往往比较简单，不具备让学生二次开发的能力，实验箱的实验内容确定后，只能进行固定的操作，使用者没有开发的空间，影响系统的使用价值。利用附带PC机进行数据显示处理和开发的方法比较传统，其二次开发能力强，但PC机价格较贵，不易移动，且必须附带专门的数据采集器才能进行工作，也逐渐被淘汰。 

随着嵌入式技术和软件技术的发展，平板电脑得到了的大量使用，平板式电脑集移动商务、移动通信和移动娱乐为一体，具有手写识别和无线网络通信功能，利用平板电脑作为实验设备的主控机已经成为技术发展的方向。同时在电子信息类多专业群建设的基础上，多专业和学科的知识交融，要求在一款实验设备中包含移动软件编程、硬件设计开发、传感器技术、无线通信等多个技术点的实践。在这样的大背景下，本发明设计了一款基于平板电脑的模块化信息处理实验系统，该系统包括通用平板电脑、实验主机和实验模块三大部分。系统以商用平板电脑作为设备的数据处理核心，通过实验主机搭配不同的实验模块的方式来完成不同专业的实验内容。 

现有还没有类似的专利或产品出现，相接近的专利包括申请号为200920167638.9的中国实用新型专利，它提供了一种传感器实验系统，包括：测控单元，用于对被测对象进行测试并获取模拟测试信号；传感器单元，用于将来自测控单元的模拟测试信号转换为数字测试信号；还包括第一控制单元和第二控制单元。在本发明的优选方案中，设置无线收发单元能够将有线技术和无线技术结合起来，从而能够在实验中对传感器技术进行综合应用。虽然该技术方案的特点是利用无线技术进行数据采集，但还是利用PC机作为主要的数据显示和处理器，没有通用实验平台的概念，而且并没有使用平板电脑作为设备的主控。 

另外，申请号为201010518718.1的中国发明专利公开了一种一站式实验室控制系统，集显示、触控、网络通讯技术为一体的平板电脑及触摸屏，触摸屏上显示有时钟、空调系统、灯光操、报警状态、事件记录、主画面主操作等触摸按键，通过触摸按键和主机相应的程序控制各实验室的灯光、空调、警铃或红绿灯，并对各个程序进行的时间、事件描述、事件类型进行记录。控制屏中可以完全控制实验房间环境的所有要求，如温度、湿度、压力等，并可为事件进行详细记录，为实验的条件分析保存和积累了数据，方便查询。对设备运行状态电脑屏幕显示，发生故障会安全报警，使实验安全得到充分的保障。实验结束后,通过显示屏方便地关闭灯光或空调等设备，避免出现忘记关闭电器的情况发生,有效节约了电能。虽然该一站式实验室控制系统利用平板电脑作为主要的控制器，但主要是利用平板电脑进行实验室环境的监控，并没有涉及到具体实验的完成。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种新的实验系统，以集显示器、触控、网络通讯技术为一体的平板电脑和实验主机、实验模块三部分为核心，充分利用平板电脑的便携性和易开发性，在平板电脑上显示实验设备的实验内容及其开发与实验过程，使整个实验系统可以提供多层次的实验项目。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。 

一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统，包括具有显示、触控和网络通信技术的平板电脑，还包括实验设备主机和实验模块。实验设备主机结构采用模块化的设计，其具有通用性，可以安装符合总线标准的各类实验模块。 

优选的是，所述实验设备主机包括主机数据调理模块。 

在上述任一方案中优选的是，所述实验设备主机还包括模拟总线、数字总线、数据采集与WIFI模块。 

在上述任一方案中优选的是，所述主机数据调理模块包括主机模拟数据调理模块和主机数字数据调理模块。 

在上述任一方案中优选的是，所述主机模拟数据调理模块模拟总线上数据采集通道的信号调理。 

在上述任一方案中优选的是，所述主机数字数据调理模块控制数字IO接口的电平转换和传输方向。 

在上述任一方案中优选的是，所述模拟总线配置成具有电源供给、接地、数据采集通道和其它控制信号通道。 

在上述任一方案中优选的是，所述模拟总线的AD采样幅度为0-5V，其最大输入频率为100kHz。 

在上述任一方案中优选的是，所述数字总线配置成具有电源供给、接地和数字IO接口。 

在上述任一方案中优选的是，所述数据采集与WIFI模块选用带EP2C5T144C8芯片的FPGA器件，以实现数据通道选择、AD采样控制、数字IO接口控制和WIFI模块的串行通信及命令解析工作。 

在上述任一方案中优选的是，所述数据采集与WIFI模块的FPGA器件通过编程模拟串行通信接口，直接与WIFI模块的串行口进行通信，传输ADC数据和数字IO接口控制命令。 

在上述任一方案中优选的是，所述WIFI模块选用WifimodII核心板,以实现WIFI与UART接口的数据转换。 

在上述任一方案中优选的是，所述WIFI模块的串行口是异步双向通信格式，设置为115200波特率，一帧8位数据位，1位起始位，无校验位，1位停止位。 

在上述任一方案中优选的是，所述WIFI模块与平板电脑的通信采用专用通信协议，所述专用通信协议包括握手命令、AD控制命令、数字IO接口控制命令、数字通道批量数据传输指令。 

在上述任一方案中优选的是，所述模拟总线配置联通四个模拟模块插槽，每个插槽设置两个AD采样通道。 

在上述任一方案中优选的是，所述数字总线配置联通两个数字模块插槽，共有24BIT数字IO接口连接到每个插槽。 

在上述任一方案中优选的是，所述数据采集及WIFI模块配置为可控制数字IO接口的选通和数据传输方向。 

在上述任一方案中优选的是，所述WIFI模块配置为支持点对点连接及基础模式连接，WIFI模块的点对点连接可实现与终端设备直接连接，WIFI模块的基础模式连接可实现连接至已有无线网络。 

在上述任一方案中优选的是，所述WIFI模块的基础模式连接可实现连接至AP、WLan无线网络中的一种。 

在上述任一方案中优选的是，所述平板电脑与WIFI模块通过无线路由器连接，其设置无线网络名称SSID为test，取消网络接入时连接用户名和密码。 

在上述任一方案中优选的是，该实验系统选用AD7888转换器。 

在上述任一方案中优选的是，该实验系统选用LM324通用运算放大器构成转换电路。

按照本发明的一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统完成一个实验的整体工作流程步骤如下： 

实验开始；

确定实验要求，连接硬件模块，设计实验方案；

在平板电脑上进行软件开发，设计实验界面；

根据系统传输协议，编写控制命令；

通过平板电脑WIFI发送控制指令给实验设备主机WIFI模块；

实验设备主机通过WIFI成功接收指令；

实验设备主机通过WIFI串口发送指令给FPGA芯片；

FPGA启动AD采样或数字信号传输；

AD采样结束或信号传输结束；

通过WIFI回传AD数据或结果给平板电脑显示；

开始新的实验：如果“是”，再一次实验开始，如果“否”，实验结束。

在上述方案中优选的是，当实验设备主机通过WIFI未成功（即出现“否”）接收指令，则根据系统传输协议编写控制命令，再次通过平板电脑WIFI发送控制指令给实验设备主机WIFI模块。 

在上述方案中优选的是，当AD采样或信号传输未结束（即出现“否”），则实验设备主机通过WIFI串口发送指令给FPGA芯片，FPGA再次启动AD采样或数字信号传输。 

本发明的一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统，分为平板电脑、实验设备主机和实验模块三部分，其中，平板电脑（推荐使用安卓系统）和无线网关均使用现有商业产品。利用平板电脑显示并控制实验设备的设备状态，其难点在于平板电脑和实验设备之间的数据和命令传输接方法，以及通用总线的设计方法。实验设备中的数据分模拟和数字两种，模拟信号需要数字化后再传输给平板电脑。目前，基于PC的数据采集器已经比较成熟，但基于平板电脑的数据采集设备基本没有，本发明的一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统，利用WIFI无线方式，设计了一款基于FPGA芯片的数据采集与传输系统，很好的解决了这个问题。 

本发明提供的一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统和方法，其最大特点和创新点是： 

1. 该实验系统第一次利用平板电脑作为整个实验系统的主控制器，主要解决了平板电脑在实验中的应用；

    2. 利用WIFI无线方式完成实验主机和平板电脑间的数据和命令传输；

3. 该系统具有通用模拟和数据总线，按照总线标准可可扩展完成多学科的综合实验。

    本发明的一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统和方法，提供了多层次的实验项目，使得软件工程、计算机专业的学生可利用平板电脑针对实验箱硬件开发软件程序，通信工程的同学可利用平板电脑和实验箱的WIFI模块通信进行通信传输程序开发，以及电子专业的同学可以利用按照系统总线标准开发实验模块。改进现有实验设备的不足，提供新的基于平板电脑的模块化信息处理实验系统，实用性强，避免了资源浪费，同时也锻炼了学生们的综合设计能力。 

附图说明

图1为本发明的一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统的一优选实施例的系统结构框图； 

图2为本发明的一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统的一优选实施例的实验设备主机结构框图；

图3为图2中主机的模拟总线接线示意图；

图4和图5为图2中主机的数字总线接线示意图；

图6为图2中主机的模拟数据调理模块图；

图7为图2中主机的数字数据调理模块图；

图8为图2中主机的数据采集与WIFI模块示意图；

图9为利用本发明的一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统来完成一个实验的整体工作流程图；

图10和图11为利用本发明的一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统完成“交通灯实验”的实验过程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明，以下描述仅作为示范和解释，并不对本发明作任何形式上的限制。 

一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统，如图1所示，分为平板电脑、实验主机和实验模块三部分。平板电脑推荐使用安卓系统，平板电脑和无线网关均使用现有商业产品。该实验系统利用平板电脑显示并控制实验设备的设备状态，采用通用总线的设计方法。实验设备中的数据分模拟和数字两种，模拟信号需要数字化后再传输给平板电脑。同时，如图3所示，该实验系统还利用了WIFI无线方式，以及基于FPGA芯片的数据采集与传输系统。 

实验设备主机结构采用模块化的设计，具有通用性，可以安装符合总线标准的各类实验模块。如图2所示，该实验系统的实验设备主机主要包括：模拟总线、数字总线、数据采集与WIFI模块、主机数据调理模块。其中，图3显示的是主机的模拟总线，共20针，包括电源供给（+5V、-5V、+12V、-12V）、接地、数据采集通道（CHA1_IN0、CHA1_IN1）、其它控制信号等。AD采样的幅度为0-5V，最大输入频率100kHz。图4和图5显示的是主机的数字总线，包括电源供给（+5V）、接地、数字IO接口（CH2_D0----CH2_D23），共24路数字IO接口。图6显示的是主机模拟数据调理模块，其主要负责模拟总线上数据采集通道的信号调理，将总线上0-5V的采样电压范围调理为0-3.3V的AD采样输入范围，并加以电压保护。图7显示的是主机数字数据调理模块，它主要负责数字IO接口的电平转换和传输方向控制。 

该实验系统中的数据采集和WIFI模块的结构框图如图8所示，该模块是系统的核心，整个模块以ALTRA 公司FPGA器件的EP2C5T144C8芯片为主体。FPGA芯片有助于提高实验系统的集成度和可靠性，由FPGA芯片完成数据通道选择、AD采样控制、数字IO控制以及和WIFI模块的串行通信及命令解析工作。 

其一，与WIFI模块的串行通信和平板电脑的通信协议： 

主机中的WIFI模块采样商用的WIFI（802.11b/g）WifimodII核心板，该核心板符合IEEE 802.11b/g标准，实现WIFI与UART接口的数据转换。系统数据采集与WIFI控制模块中的FPGA通过编程模拟串行通信接口，直接与WIFI模块的串行口（低电平为地，高电平为+3.3V）进行通信，传输ADC数据和IO口控制命令。WIFI异步双向通信格式，115200波特率，一帧8位数据位，1位起始位，无校验位，1位停止位。模块通过商用的WIFI模块和平板电脑进行通信，并设计了专用的通信协议，该协议共包括握手类命令、AD控制命令、数字IO控制命令、数字通道批量数据传输指令等共20条指令。

其二，模拟总线的数据通道选择与解析： 

模拟总线共联通4个模拟模块插槽，每个插槽有2个AD采样通道，这样整个模拟通道共有8个模拟采样通道。由于系统采用Ad7888（12位8通道）转换器，所以在模拟通道到AD芯片之间需要通道选择和电平转换电路。本发明采用LM324通用运算放大器构成转换电路。

其三，数字总线的IO数据传输： 

数字总线联通两个数字模块插槽，共有24BIT数字IO连接到每个插槽。数据采集及WIFI模块可控制数字IO的选通和数据传输方向。

其四，AD转换： 

模块中采用Ad7888（8-Channel, 125 kSPS, 12-Bit ADC）转换器作为整个系统的数据转换核心。

关于该实验系统的WIFI与平板电脑连接方式，首先总体上来说，WIFI模块相当于提取终端设备（笔记本、手机等）的WIFI模块完成，其支持点对点连接及基础模式连接，其中点对点连接可实现与终端设备直连，基础模式连接可实现连接至已有无线网络（如AP、WLan），因平板电脑本身一般不支持点对点连接（某些手机支持），因此需配置成基础模式连接，也就是通过无线网路将WIFI模块与平板电脑连接到一起。其次，对于路由设置，进入路由器设置页面，设置无线网络名称SSID，比如设置成test，取消网络接入时连接用户名、密码。第三，对于WIFI模块设置，WIFI模块上电，在地址栏输入192.168.1.254，回车进入配置界面，便可以看到浏览器提示用户登录，输入缺省用户名admin 与密码admin，即可登录至配置界面，在配置界面的无线设置中，输入上面路由器设置的无线网络名称，比如test，接入模式选择基础模式，加密设置选择无，接着选择保存，并重启模块即可。第四，对于平板电脑配置，进入平板电脑设置模块，选择无线连接，并选择接入路由器的无线网络，如test，此时平板电脑与WIFI模块共同接入到了路由所设置的无线网络中。 

按照该实验系统完成一个实验的整体工作流程如图9所示： 

实验开始；

确定实验要求，连接硬件模块，设计实验方案；

在平板电脑上进行软件开发，设计实验界面；

根据系统传输协议，编写控制命令；

通过平板电脑WIFI发送控制指令给实验设备主机WIFI模块；

实验设备主机通过WIFI成功接收指令；

实验设备主机通过WIFI串口发送指令给FPGA芯片；

FPGA启动AD采样或数字信号传输；

AD采样结束或信号传输结束；

通过WIFI回传AD数据或结果给平板电脑显示；

开始新的实验：如果“是”，再一次实验开始，如果“否”，实验结束。

其中，如果实验设备主机通过WIFI未成功（即出现“否”）接收指令，则根据系统传输协议编写控制命令，再次通过平板电脑WIFI发送控制指令给实验设备主机WIFI模块。 

如果AD采样或信号传输未结束（即出现“否”），则实验设备主机通过WIFI串口发送指令给FPGA芯片，FPGA再次启动AD采样或数字信号传输。 

接下来，再以一个“交通灯实验”为例，按照本发明的一种基于平板电脑的模块化信息处理实验系统完成整个的实验过程，如图10所示： 

该实验内容为：（1）关闭实验箱电源，插上热敏电阻实验模块，注意插模拟插槽。开启实验箱电源，此时可以看到模块电源指示灯亮；（2）打开平板电脑主界面，选择交通灯电阻实验图标，进入实验；（3）设计任务：设计一个十字路口的交通灯控制系统，用模块上的LED发光二极管显示车辆通过的方向（东西和南北各两组），要求：工作顺序为东西方向红灯亮45秒，前40秒南北方向绿灯亮，后5秒黄灯亮，然后南北方向红灯亮45秒，前40秒东西方向绿灯亮，后5秒黄灯亮，依次重复；（4）在平板电脑上按上面的要求设置LED亮灭及时间，并保存为响应的数据文件；（5）将形成的数据文件下载到主机中运行；（6）观察交通灯模块上的实验效果是否同设计一样。

紧接着，如图11所示，在平板电脑上进行实验设计，并形成发送命令，完成本实验的整个系统工作过程。 

以上所述仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非是对本发明的范围进行限定。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。