【摘要】：教育機器人作為一種集成了電子、機械、計算機等多種學(xué)科技術(shù)的產(chǎn)品,逐步在各種科技創(chuàng)新競賽以及課堂教學(xué)中普及開來。教育機器人的應(yīng)用使得學(xué)生既可以全面地了解并學(xué)習(xí)科學(xué)知識,同時又鍛煉了學(xué)生的動手能力、想象力及創(chuàng)新思維。目前教育機器人產(chǎn)品眾多,已在美國、歐洲、日本等國家得到大力發(fā)展,同樣國內(nèi)教育機器人產(chǎn)品也是層出不窮。但是作為一種開放式的教學(xué)工具,教育機器人產(chǎn)品價格昂貴、接口功能單一并且固定式的外接端口設(shè)計不利于外圍組件的使用與拓展。在這種背景下,本文基于"MCU+FPGA""作為控制核心,以端口資源可重構(gòu)功能為特色,設(shè)計了一種適用于中小學(xué)的教育機器人硬件控制系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容如下:首先,根據(jù)教育機器人硬件控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及特點,提出了教育機器人硬件控制系統(tǒng)的總體設(shè)計要求及軟硬件系統(tǒng)整體設(shè)計方案。其次,根據(jù)功能需求設(shè)計出基于"MCU+FPGA"的硬件控制器。利用FPGA實現(xiàn)新穎的資源可重構(gòu)端口,通過與MCU聯(lián)動,實現(xiàn)了同一個控制器外部輸出端口的多種接口類型自定義功能(如通用I/O、UART、定時器輸出等)。學(xué)生可根據(jù)自已的創(chuàng)意需求自由配置端口資源類型。硬件控制器在保證接口通用性的同時,又增加了硬件平臺的應(yīng)用靈活性和可擴展性。接著,重點闡述了下位機軟件設(shè)計,包括支持圖形化編程的MCU下位機軟件設(shè)計與端口資源重構(gòu)功能的FPGA軟件設(shè)計兩個方面,主要包括系統(tǒng)引導(dǎo)程序、人機交互程序、底層模塊函數(shù)庫的開發(fā)、端口資源重構(gòu)程序和相關(guān)工程配置文件。實例測試結(jié)果表明了本文設(shè)計的端口可重構(gòu)功能的有效性。本文設(shè)計的教育機器人硬件系統(tǒng)與現(xiàn)有產(chǎn)品相比,因采用"MCU+FPGA"作為控制核心,整個平臺端口功能更加完善,端口種類更加豐富,更好地提高了硬件平臺資源的開放性,并且支持配套圖形化編程軟件進(jìn)行編程、配置及在線下載等功能,在學(xué)生使用過程中取得良好的效果。
【學(xué)位授予單位】：北方工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2545040