本實(shí)用新型屬于自動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種單擺畫線控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

單擺運(yùn)動是我們常見的運(yùn)動，單擺系統(tǒng)屬于力學(xué)系統(tǒng)，實(shí)際的單擺系統(tǒng)處于自然空間中，運(yùn)動過程中不僅僅受重力分量提供的恢復(fù)力作用，而且系統(tǒng)還要受到空氣的粘滯性阻力的作用，當(dāng)在較長的時間內(nèi)研究單擺的運(yùn)動時，這種粘滯性阻尼就不能忽略。研究單擺的運(yùn)動，會發(fā)現(xiàn)擺球的振幅隨測量時間的延長衰減的較快，嚴(yán)格的研究單擺運(yùn)動規(guī)律，必須對這些因素加以考慮，研究單擺運(yùn)動在理論和實(shí)踐中都具有重要的意義，它可以幫助我們改造自然，提高創(chuàng)新意識?，F(xiàn)有的一種單擺畫線控制就是一個實(shí)例。目前，教學(xué)使用的單擺畫線控制裝置是由以下幾種平臺：一是，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的；二是，由DSP控制實(shí)現(xiàn)的；三是，由CPLD控制實(shí)現(xiàn)的；現(xiàn)有的單擺畫線控制裝置存在以下不足：結(jié)構(gòu)尺寸大，攜帶不方便；電路復(fù)雜，每一種平臺的功能多，需要元器件較多；設(shè)計(jì)集成度不夠，一個控制終端可以有多種實(shí)現(xiàn)電路，未整合；設(shè)計(jì)成本較高，浪費(fèi)設(shè)計(jì)材料，整合電路成本少于獨(dú)立電路成本和；調(diào)試不方便，不能在線調(diào)試，需要借助其它手段；電路設(shè)計(jì)不完善，未能設(shè)置一些故障電路，考察學(xué)生分析能力；不利于學(xué)生學(xué)習(xí)，未能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識；未能提高學(xué)生認(rèn)識，具有認(rèn)識的片面性；未能充分鍛煉學(xué)生實(shí)際動手能力；未能擴(kuò)充學(xué)生知識面，引導(dǎo)學(xué)生檢索知識，提高學(xué)習(xí)的興趣；未能鍛煉學(xué)生綜合分析，應(yīng)用知識的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有單擺畫線控制裝置的缺點(diǎn)，提供一種電路簡單、集成度高、成本低、擴(kuò)展能力強(qiáng)的、有利于學(xué)生學(xué)習(xí)的單擺畫線控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置。

解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是它具有：對整個裝置進(jìn)行控制的FPGA電路；通信電路，該電路的輸出端接FPGA電路；PCI電路，該電路的輸出端接FPGA電路；控制電路，該電路的輸出端接FPGA電路；直流電機(jī)控制電路，該電路的輸入端接FPGA電路。

本實(shí)用新型的FPGA電路為：插座J2上連接有角度傳感器，角度傳感器的型號為GY-25，插座J2的2腳和6腳接地、3腳接5V電源、4腳通過電阻R1接集成電路U6的120腳、5腳通過電阻R2接集成電路U6的87腳，集成電路U6的55腳、57腳、58腳、92～94腳、96腳、99～101腳、104腳、40～45腳、48腳、51腳、52腳、73腳、119腳、143～139腳、137～132腳、129腳、126腳、22腳、21腳、18腳、86腳、79腳、76～74腳依次接集成電路U7的92～94腳、46～49腳、63腳、64腳、68腳、127腳、128腳、123～126腳、129～132腳、91～82腳、79～73腳、137～133腳，集成電路U6的63～65腳、67腳、69腳、70～72腳依次接集成電路U8的26～23腳、58腳、57腳、46腳、45腳，集成電路U6的17腳接晶體振蕩器Y1的4腳、31腳接按鍵S1的一端并通過電阻R4接3V電源、30腳接按鍵S2的一端并通過電阻R5接3V電源、32腳接按鍵S3的一端并通過電阻R6接3V電源，集成電路U6的13腳、10腳、12腳、11腳、14腳、85腳、84腳、16腳、15腳、83腳、20腳、82腳依次接插座J3的14～3腳，集成電路U6的5腳、23腳、29腳、116腳、127腳、138腳、77腳、95腳、102腳、46腳、54腳、66腳接3V電源，集成電路U6的37腳、109腳、107腳、35腳、131腳、124腳、81腳、62腳、50腳、26腳接1.2V電源，集成電路U6的6腳、19腳、27腳、33腳、39腳、49腳、56腳、61腳、68腳、78腳、140腳、130腳、128腳、123腳、117腳、111腳、105腳、98腳、80腳、106腳、108腳、110腳、34腳、36腳、38腳接地，集成電路U6的24腳接集成電路U5的11腳、集成電路U6的25腳接集成電路U5的12腳，集成電路U6的47腳、97腳、103腳、4腳接集成電路U1的1～4腳，集成電路U6的3～1腳、144腳接集成電路U3的1～4腳，集成電路U6的118腳、115～113腳接集成電路U2的1～4腳，集成電路U6的112腳、125腳、122腳、121腳接集成電路U4的1～4腳，晶體振蕩器Y1的1腳接3V電源、3腳接地，插座J3的1腳接地，按鍵S1～S3的另一端接地；集成電路U1～集成電路U4的型號為ULN2003A，集成電路U5的型號為MAX232，集成電路U6的型號為EP2C8T144C6，集成電路U7的型號為PCI9052，集成電路U8的型號為C8051F001。

本實(shí)用新型外圍元器件較少，電路簡單，將不同平臺整合到一塊，集成度高，元器件都是常用的，成本較低，配套調(diào)整方便，使用方便，具有PCI接口，便于與外圍設(shè)備高速傳輸數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)不同接口對接，擴(kuò)展能力強(qiáng)，采用硬件實(shí)現(xiàn)算法，數(shù)據(jù)處理速度快，調(diào)試方便，可在線調(diào)試，具有多種控制手段，方便，快捷。本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)性功能強(qiáng)，可用于學(xué)生學(xué)習(xí)使用，拓展學(xué)生的思路，引導(dǎo)設(shè)計(jì)靈活學(xué)生發(fā)散思維，提高學(xué)生的認(rèn)識，理解算法等不僅僅是由軟件實(shí)現(xiàn)可以由硬件電路實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的電氣原理方框圖。

圖2是圖1中FPGA電路和通信電路的電子原理線路圖。

圖3是圖1中PCI電路和控制電路的電子原理線路圖。

圖4是圖1中直流電機(jī)控制電路的電子原理線路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型不限于下述的實(shí)施方式。

在圖1、2、3、4中，本實(shí)施例的一種單擺畫線控制綜合實(shí)驗(yàn)裝置由FPGA電路、通信電路、PCI電路、控制電路、直流電機(jī)控制電路連接構(gòu)成，PCI電路的輸出端接FPGA電路，控制電路的輸出端接FPGA電路，通信電路的輸入端接FPGA電路，直流電機(jī)控制電路的輸入端接FPGA電路。

本實(shí)施例的PCI電路由集成電路U7、插座J4連接構(gòu)成，集成電路U7的型號為PCI9052。集成電路U7的43腳、42腳、39～34腳、32～28腳、25～23腳、11腳、8～2腳、157～150腳、33腳、22腳、12腳、158腳、21～19腳、44腳、18～13腳、159腳、149腳、148腳依次接插座J3的57～9腳，集成電路U7的81腳、103腳、50腳、66腳、41腳、121腳、146腳、27腳、10腳、1腳接3V電源，集成電路U7的26腳、40腳、9腳、104腳、120腳、65腳、51腳、80腳、147腳、160腳接地，集成電路U7的92～94腳、46～49腳、63腳、64腳、68腳、127腳、128腳、123～126腳、129～132腳、91～82腳、79～73腳、137～133腳接FPGA電路，插座J3的1～8腳接地。

本實(shí)施例的控制電路由集成電路U8、電容C5～C7、晶體振蕩器Y2、電阻R3連接構(gòu)成，集成電路U8的型號為C8051F001。集成電路U8的18腳接晶體振蕩器Y2的一端和電容C5的一端、19腳接晶體振蕩器Y2的另一端和電容C6的一端、20腳接電容C7的一端并通過電阻R3接3V電源，集成電路U8的26～23腳、58腳、57腳、46腳、45腳接FPGA電路，集成電路U8的16腳、17腳、40腳、31腳、62腳接3V電源，集成電路U8的5腳、15腳、61腳、41腳、30腳接地，電容C5～C7的另一端接地。

本實(shí)施例的FPGA電路由集成電路U6、晶體振蕩器Y1、按鍵S1～S3、電阻R1、電阻R2、電阻R4～R6、插座J2、插座J3連接構(gòu)成，集成電路U6的型號為EP2C8T144C6。插座J2上連接有角度傳感器，角度傳感器的型號為GY-25，插座J2的2腳和6腳接地、3腳接5V電源、4腳通過電阻R1接集成電路U6的120腳、5腳通過電阻R2接集成電路U6的87腳，集成電路U6的55腳、57腳、58腳、92～94腳、96腳、99～101腳、104腳、40～45腳、48腳、51腳、52腳、73腳、119腳、143～139腳、137～132腳、129腳、126腳、22腳、21腳、18腳、86腳、79腳、76～74腳依次接集成電路U7的92～94腳、46～49腳、63腳、64腳、68腳、127腳、128腳、123～126腳、129～132腳、91～82腳、79～73腳、137～133腳，集成電路U6的63～65腳、67腳、69腳、70～72腳依次接集成電路U8的26～23腳、58腳、57腳、46腳、45腳，集成電路U6的17腳接晶體振蕩器Y1的4腳、31腳接按鍵S1的一端并通過電阻R4接3V電源、30腳接按鍵S2的一端并通過電阻R5接3V電源、32腳接按鍵S3的一端并通過電阻R6接3V電源，集成電路U6的13腳、10腳、12腳、11腳、14腳、85腳、84腳、16腳、15腳、83腳、20腳、82腳依次接插座J3的14～3腳，集成電路U6的5腳、23腳、29腳、116腳、127腳、138腳、77腳、95腳、102腳、46腳、54腳、66腳接3V電源，集成電路U6的37腳、109腳、107腳、35腳、131腳、124腳、81腳、62腳、50腳、26腳接1.2V電源，集成電路U6的6腳、19腳、27腳、33腳、39腳、49腳、56腳、61腳、68腳、78腳、140腳、130腳、128腳、123腳、117腳、111腳、105腳、98腳、80腳、106腳、108腳、110腳、34腳、36腳、38腳接地，集成電路U6的24腳和25腳接通信電路，集成電路U6的47腳、97腳、103腳、4～1腳、144腳、118腳、115～112腳、125腳、122腳、121腳接直流電機(jī)控制電路，晶體振蕩器Y1的1腳接3V電源、3腳接地，插座J3的1腳接地，按鍵S1～S3的另一端接地。

本實(shí)施例的通信電路由集成電路U5、電容C1～C4、插座J1連接構(gòu)成，集成電路U5的型號為MAX232。集成電路U5的1腳接電容C3的一端、3腳接電容C3的另一端、4腳接電容C4的一端、5腳接電容C4的另一端、集成電路U5的11腳接集成電路U6的24腳、12腳接集成電路U6的25腳、2腳接電容C2的一端、6腳接電容C1的一端、14腳接插座J1的1腳、13腳接插座J1的2腳、16腳接5V電源，電容C1的另一端接地，電容C2的另一端接5V電源，插座J1的3腳接地。

本實(shí)施例的直流電機(jī)控制電路由集成電路U1～集成電路U4、直流電機(jī)M1～直流電機(jī)M8連接構(gòu)成，集成電路U1～集成電路U4的型號為ULN2003A。集成電路U1的1～4腳依次接集成電路U6的47腳、97腳、103腳、4腳，集成電路U1的15腳和16腳接直流電機(jī)M1的一端、13腳和14腳接直流電機(jī)M3的一端、8腳接地、9腳接12V電源，集成電路U3的1～4腳依次接集成電路U6的3腳、2腳、1腳、144腳，集成電路U3的15腳和16腳接直流電機(jī)M3的一端、13腳和14腳接直流電機(jī)M5的一端、8腳接地、9腳接12V電源，集成電路U2的1～4腳依次接集成電路U6的118腳、115～113腳，集成電路U2的15腳和16腳接直流電機(jī)M2的一端、13腳和14腳接直流電機(jī)M4的一端、8腳接地、9腳接12V電源，集成電路U4的1～4腳依次接集成電路U6的112腳、125腳、122腳、121腳，集成電路U4的15腳和16腳接直流電機(jī)M6的一端、13腳和14腳接直流電機(jī)M8的一端、8腳接地、9腳接12V電源，直流電機(jī)M1～直流電機(jī)M8的另一端接12V電源。

本實(shí)用新型的工作原理如下：

系統(tǒng)上電，電路開始初始化工作。此后，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按下開關(guān)S1，不按下開關(guān)S2和開關(guān)S3，控制器電路被選用。此時，用控制器進(jìn)行單擺畫線控制，數(shù)據(jù)信號從集成電路U8的引腳26～23，58，57，46，45輸出，輸入到集成電路U6，集成電路U6啟動數(shù)據(jù)采集的控制邏輯，接收從集成電路U8發(fā)送的數(shù)據(jù)；此后，集成電路U6啟動角度傳感器的控制邏輯，數(shù)據(jù)信號從插座J2的引腳4輸出，經(jīng)電阻R1，輸入的集成電路的引腳120，集成電路U6讀取傳感器數(shù)據(jù)，并計(jì)算處理，產(chǎn)生PWM波控制邏輯，啟動4個直流電機(jī)動作，信號輸出到集成電路U1、集成電路U2、集成電路U3、集成電路U4的引腳1～4，進(jìn)而控制電機(jī)動作。

當(dāng)按下開關(guān)S2，不按下開關(guān)S1和開關(guān)S3，PCI電路被選用。此時，用PCI電路進(jìn)行單擺畫線控制。PCI的控制數(shù)據(jù)從插座J4輸入，由插座J4的引腳9～57輸出，輸入到集成電路U7，經(jīng)集成電路U7的PCI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榫植靠偩€數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信號從U7的引腳91～82，79～69，62～52輸出，輸入到集成電路U6，集成電路U6內(nèi)部產(chǎn)生PCI的控制邏輯，接收從插座J4發(fā)送的數(shù)據(jù)；此后，集成電路U6啟動角度傳感器的控制邏輯，數(shù)據(jù)信號從插座J2的引腳4輸出，經(jīng)電阻R1，輸入的集成電路的引腳120，集成電路U6讀取傳感器數(shù)據(jù)，并計(jì)算處理，產(chǎn)生PWM波控制邏輯，啟動4個直流電機(jī)動作，信號輸出到信號輸出到集成電路U1、集成電路U2、集成電路U3、集成電路U4的引腳1～4，進(jìn)而控制電機(jī)動作。

當(dāng)按下開關(guān)S3，不按下開關(guān)S1和開關(guān)S2，F(xiàn)PGA電路被選用。此時，用FPGA電路進(jìn)行單擺畫線控制。集成電路U6啟動PWM波的控制邏輯，及角度傳感器的控制邏輯，分析傳感器數(shù)據(jù)，并微調(diào)PWM波形，控制4個直流電機(jī)動作，信號從集成電路U6的引腳47，97，103，4輸出，輸入的集成電路U1；信號從集成電路U6的引腳3，2，1，144輸出，輸入的集成電路U3；信號從集成電路U6的引腳118，115～113輸出，輸入的集成電路U2；信號從集成電路U6的引腳112，125，122，121輸出，輸入的集成電路U4；進(jìn)而控制電機(jī)動作。