一种模块化多模态电路实验系统的制作方法

本发明涉及电路实验，具体为一种模块化多模态电路实验系统。

背景技术：

1、在现代教学体系中，技术与教学的深度融合已成为提升教学效率和质量的关键因素。通过电子实验，学生能够直观地观察和操作电路，从而深入理解电路原理及其功能，帮助学生将抽象的理论知识转化为具体的实践经验，激发他们的学习兴趣，培养他们的创新思维和解决问题的能力。在众多学科领域，可采集多模态信号的电子实验已成为不可或缺的教学环节，为学生提供了一个高效、可互动的学习平台。

2、现有并行式多模态生理信号采集系统将多个为不同模态的生理信号设计的特定传感电路进行集成来采集的系统，例如mindware bionex产品，它是一款8插槽主机，可以配置8个模块。提供了一系列专用信号采集模块，用户可以根据研究需求选择不同的信号采集模块，如心电(ecg)、肌电(emg)、眼电(eog)、皮电(gsr)等，一个模块专门用于一种信号的采集。提供了pc端biolab软件与每个bionex单元一起使用，进行信号采集、显示和时间捕捉的界面显示。biolab可以提供线性滤波、缩放、信号处理、实时趋势和信号分析。但是其仍然存在如下缺点：1.在实验教学环境中，多模态采集系统由多个专用的独立模块组成，这种设计虽然能够提供高度专业化的信号采集，但可能导致学生难以全面理解系统的整合性和各组件分别的作用。缺乏对系统整体架构和信号处理流程的直观认识可能会影响学生对生理信号采集原理的深入理解；2.当前系统的设计可能过于侧重于功能性，而未能提供充分的用户交互界面，使得学生在实验过程中难以直观地参与到信号采集参数的调整和优化中。这种缺乏交互性的特点可能会限制学生对信号处理技术的实践操作能力，减少他们对系统内部工作机制的探索和学习机会；3.软件显示端依赖于pc端，这限制了系统的便携性。在教学或现场实验中，这种依赖性可能会阻碍学生在不同环境或移动场景中灵活地进行实验操作和数据监测。

3、同时也有与课程匹配的实验箱，集成多个实验模块电路，即每个学科都配备了专用的实验箱，这些实验箱为特定学科的实验需求量身定制，内部集成了多个专门设计的实验模块电路。每个模块电路针对一项特定的实验任务，确保了实验操作的标准化和流程化，从而为学生提供了一个高度统一、稳定且不易出错的实验环境。但是其仍然存在如下缺点：1.由于实验箱的模块化电路是固定的，它限制了实验的可变性和适应性，抑制学生在实验过程中进行创新和自主探索的能力；2.各模块之间可能存在功能重叠的情况，增加了实验箱的体积的同时空间利用效率较低；3.如果有多个课程的实验，则需要配备多个专用实验箱来满足不同的科目的实验需求，增加了成本且利用率较低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种模块化多模态电路实验系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种模块化多模态电路实验系统，包括模块化多模态信号采集电路板和存储在主控芯片esp32中的屏幕交互软件程序。

4、优选的，所述模块化多模态信号采集电路板包括esp32-s3主控芯片、信号调节模块、可变电阻电容模块、adc模块、cpu模块和屏幕。

5、优选的，所述信号调节模块具有8个插槽、一个信号输入端和一个信号输出端，用于插入各种信号处理模块，每个插槽配备的接触金属条提供±5v电源、地、输入输出、以及iic通信的数据线和时钟线引脚，插槽间以级联的方式连接，前一个插槽的输出可以直接作为后一个插槽的输入，形成一个信号传递的序列，从而实现连续的信号处理，当插槽中没有插入模块时，信号可以通过金手指直接传输，保证信号路径的连续性；

6、所述信号调节模块处理信号时的模拟前端信号链由插入插槽的模拟前端模块组成，每个模拟前端模块底部的插入插槽部分配备了与插槽对应引脚相匹配的接触金属条，确保信号输入输出模块的传输，模拟前端信号链专门负责处理输入的模拟信号，其中输入的模拟信号包括信号放大、滤波、右腿驱动、缓冲等功能模块，这些模块支持即插即用功能，用户可根据具体需求添加、移除或替换各模块灵活调整模拟前端电路，以提高信号质量，组成针对不同信号的采集系统。

7、优选的，每个所述模拟前端模块的参数数值可调，从而控制同一个模块通过调节参数来适用于采集不同的信号的场景，可调参模块有一阶有源低通滤波器、一阶有源高通滤波器、二阶有源低通滤波器、二阶有源高通滤波器和放大电路，其中一阶有源高通和一阶有源低通具有一个可调电阻和一个可调电容，二阶有源低通和二阶有源高通具有两个可变电阻和两个可变电容，放大电路具有一个可变电阻，其中电阻电容可变的原理为：由atmega328p作为主控制器通过spi通信控制adgs1612bcpz芯片，其与电容矩阵实现电容可变，adgs1612bcpz是具备4个串行控制的单刀单掷开关，动态地将不同的电容连接到电路中，通过开关的不同组合，可以选择性地将电容并联或串联，从而合成所需的等效电容值，实现电容可调，adgs1612bcpz芯片和电容矩阵的组合可以创建一个高度可配置的信号处理平台，能够适应多种不同的电气环境和动态变化的要求，电阻的调控同样由adgs1612bcpz芯片和电阻矩阵实现，与可变电容同理。

8、优选的，所述可变电阻电容模块为可堆叠模块，其底座包含+5v电源、地以及iic通信的数据线和时钟线引脚，最多可堆叠十层，每个可变电阻电容堆叠模块包含一个可变电阻和一个可变电容，由atmega328p担任主控制器，负责通过其i/o口控制可变电阻和可变电容，atmega328p利用两个i/o口输出片选信号，分别连接至可变电容和可变电阻的芯片选端口，可变电容模块由adgs1612bcpz芯片搭配电容矩阵构成，而可变电阻模块同样采用adgs1612bcpz芯片，配合的是电阻矩阵，通过精确的片选信号控制，atmega328p能够灵活调节电容和电阻的值，输出的电容和电阻由端口引出，可以根据需求选择合适的电阻电容接入电路使用。

9、优选的，所述adc模块的输入为模拟信号链，能够将模拟信号转换为数字信号，选用ads131m02芯片作为主要芯片，提供了spi接口，允许ads131m02与各种微控制器和处理器进行高效的数据交换，采用贴片晶体振荡器作为一种高精度、高稳定性的时钟源，能够提供稳定的时钟信号，满足ads131m02对时钟信号的需求，将贴片晶振与ads131m02时钟端相连，确保ads131m02在准确的时钟信号驱动下工作，从而实现模拟信号到数字信号的精确转换。

10、优选的，所述cpu模块选用可编程esp32微控制器作为主控芯片，通过spi通信协议与adc模块进行数据交换，cpu模块和adc模块的数据线和时钟线都通过外部上拉电阻连接到vdd，确保iic总线在没有设备驱动时能够维持稳定的高电平状态，防止数据线在空闲时因浮空而产生不确定的电压状态，从而避免通信错误，通过将cpu模块的spi接口的mosi线、miso线、sclk线与ads131m02芯片的spi相应端口相连，esp32微控制器能够向ads131m02发送控制命令并接收其转换后的数字信号，sclk线提供同步时钟信号，mosi线用于从esp32微控制器向ads131m02发送数据或命令，而miso线则用于从ads131m02读取转换后的数字信号。

11、优选的，所述主控芯片esp32的两个引脚分别承担iic总线的数据线和时钟线的功能，这两个引脚通过上拉电阻与电源相连，确保在没有数据传输时，线路能够维持高电平状态，随后，这些引脚与可变电阻电容模块底座相连，该模块可能用于信号的调节或滤波，以适应后续的信号处理需求，同时通过tca9548a芯片多路复用与8个模拟插槽相连，这些插槽以级联的方式连接，形成一个信号传递的序列，每个模拟插槽都设计有输入和输出接口，使得前一个插槽的输出可以直接作为后一个插槽的输入，从而实现连续的信号处理，这种设计允许信号在通过各个模拟组件时，可以进行必要的放大、滤波、调制或其他形式的信号调理，以优化信号质量，在信号链的末端，最后一个模拟插槽的输出被直接送往adc模块，adc模块的iic、spi等通信端口与cpu模块相连，cpu模块通过两个专用引脚分别作为串口的txd和rxd的与主控芯片esp32通信，实现反馈，主控芯片esp32同时有两个io口被用作与屏幕串口通信的txd和rxd，与串口屏相连，用于显示系统状态、用户交互或其他信息。

12、优选的，所述屏幕交互软件程序包括数据接收与发送系统和串口屏幕界面交互，通过iic轮询机制检测各模块设备在线状态，采用界面设计，以图片化方式展示设备状态，提升用户界面的直观性和易用性，软件监测并响应用户在触摸屏幕上的操作，实现人机交互，通过调用iic库和分析串口屏通信协议，软件能够读取设备地址和数据，更新屏幕布置，并实时发送新数据给相应模块，完成触摸式电路参数设置等功能；

13、所述屏幕选用大彩串口屏m系列dc32960m046，屏幕显示部分分为三个模块，分别为可变电阻电容显示模块、信号调节显示模块、用户曲线显示模块，主要功能为主控芯片esp32根据iic读取的设备数据，通过串口对布置好的软件界面进行控制，并根据用户的屏幕操作进行屏幕更新和iic设备数据更新，主界面包含为三个图标，对应三个模块，每个图标都含有两帧表示亮灭两种状态，可变电阻电容界面有十个图标，对应十层堆叠模块，每个图标同样含有两帧表示亮灭两种状态，八层电阻电容设置共用一个画面id，它的标题图标有8帧，可灵活切换表示当前所调层数，数值设置由两个滑块及其对应的显示文本框组成，信号调节模块界面同样包含八个图标，分别对应八个插槽中的设备，图标的设计考虑了已开发模块的数量，并额外有一个表示无模块的状态帧，每个可调模块根据其特定功能，配置有专门的调节画面，电阻和电容的调节既可以通过滑块控件进行，也可以通过键盘输入，输入结果会在文本框中展示，此外，用户曲线模块采用曲线控件来动态展示数据变化，为用户提供了一种图形化的数据分析方式；

14、所述用户曲线显示模块的用户曲线界面设计允许外置cpu模块通过spi协议与adc模块进行高效通信，并通过api提供数据交互能力，依据串口通信协议，用户可以将从adc模块获取的所需数据通过串口发送给主控芯片esp32，主控芯片esp32作为数据处理和界面显示的核心，接收这些数据后，将调用内置的绘制曲线函数，将用户选定的数据以图形化曲线的形式展现在屏幕上的用户曲线模块。

15、优选的，所述iic轮询机制检测的各模块设备包括信号调节模块和可变电阻电容模块的设备，为iic通信时可区别可变电阻电容模块和信号调节模块两个模块设备，定义16位iic地址，前8位全为0则代表可变电阻电容模块，此模块为堆叠模块，其后8位从0x03到0x0a之间代表由下往上堆叠的第几个设备，信号调节模块按位选通前8位，代表设备所在8个槽位中的第几个槽位，后8位代表设备类型，从0x23到0x53可拓展，这种地址方案允许在一个iic总线上通过不同的槽位和设备类型来识别和通信不同的模块设备，每个模块设备都有一个唯一的16位地址，确保通信的准确性和区分性；

16、所述iic通信中的可变电阻电容模块定义了一个stackdevice类主要用于管理设备栈，该模块为堆叠模块，设备具有连续的iic地址，该类通过_deviceaddresses数组来跟踪一系列预定义iic地址范围内的设备在线状态，_deviceinfo数组则保存了每个设备的信息，包括设备id、地址、设置数量等，这些信息有助于跟踪每个设备的状态和配置，stackdevice类的核心功能包括定期扫描iic总线上的设备、封装iic通信细节以发送命令和读取设备响应、创建任务来处理设备逻辑和消息队列管理，以及循环地检查这个队列，处理新消息的设备设置或读取设备状态等操作，信号调节模块定义了一个listdevice类代表设备列表，其大部分功能与stackdevice类相同，主要区别在于stackdevice类管理的是具有连续地址的设备栈，而listdevice专注于管理一系列可能具有不同地址的设备，该类通过_deviceaddresses数组来存储每个槽位的设备地址，这些地址用于iic通信，以识别和访问特定的设备，通过tca9548aopenchannel函数向tca9548a多路复用器发送槽位号，以选择正确的iic通道进行通信；

17、所述串口屏幕界面交互主要为可变电阻电容模块和信号调节模块的交互，通过数据记录机制，实现了用户界面的直观反馈和精确交互，可变电阻电容模块采用recordarray二维数组记录设备状态和参数，通过设备地址识别和层数转换，动态更新界面显示，并利用light函数控制图标状态，反映设备在线情况，用户通过点击层数图标，可进入电阻电容调控界面，系统根据recordarray信息设置标题和元件数值，并通过滑块回调函数实时响应用户操作，通过iic通信更新设备数值，信号调节模块则通过recordinsertarray二维数组扩展了设备类型信息的记录，系统根据设备地址识别模块归属，并通过setinsertlight函数控制槽位图标显示，反映设备在线状态，用户点击图标后，系统依据元件类型切换至相应界面，利用全局变量记录用户操作路径，可通过拖动滑块和键盘输入两种方式对电阻电容参数进行设置，提高调节灵活性，同时，系统设计了错误状态纠正机制，确保在意外断开设备时，能够自动恢复至安全状态，防止错误操作。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、1、本系统采用创新的模块化模拟信号链设计理念，允许用户基于特定实验需求，自由组合与重构系统模块，这一策略有效解决了传统实验设备功能单一性的问题，实现了跨学科实验的灵活性和适应性，极大扩展了实验设备的应用范围；

20、2、系统设计允许用户通过更换信号链中的小模块或调整模块参数，以适应多模态生理信号的采集需求，这种灵活性消除了为采集单一信号而必须购买专用系统的限制；

21、3、模块重复利用率高，避免了功能重叠，这种设计优化了空间配置，提升了系统整体的效率和实用性，减少了资源浪费；

22、4、系统支持参数的实时调节功能，用户可以即时观察到调节参数对系统功能的影响，这种即时反馈机制加深了学生对模块工作原理的理解，增强了对参数调整影响的认识，促进了学生对系统功能的综合掌握；

23、5、系统配备了触控屏幕，实现了数据的实时显示和用户操作的即时响应，直观的用户界面和交互反馈机制，提升了学生的实验参与度，打破了传统实验教学中学生参与度不足的局限，有效激发了学生的探索兴趣和创新思维。