教育机器人作为一种集成了电子、机械、计算机等多种学科技术的产品,逐步在各种科技创新竞赛以及课堂教学中普及开来。教育机器人的应用使得学生既可以全面地了解并学习科学知识,同时又锻炼了学生的动手能力、想象力及创新思维。目前教育机器人产品众多,已在美国、欧洲、日本等国家得到大力发展,同样国内教育机器人产品也是层出不穷。但是作为一种开放式的教学工具,教育机器人产品价格昂贵、接口功能单一并且固定式的外接端口设计不利于外围组件的使用与拓展。在这种背景下,本文基于"MCU+FPGA""作为控制核心,以端口资源可重构功能为特色,设计了一种适用于中小学的教育机器人硬件控制系统。主要研究内容如下:首先,根据教育机器人硬件控制系统的国内外研究现状及特点,提出了教育机器人硬件控制系统的总体设计要求及软硬件系统整体设计方案。其次,根据功能需求设计出基于"MCU+FPGA"的硬件控制器。利用FPGA实现新颖的资源可重构端口,通过与MCU联动,实现了同一个控制器外部输出端口的多种接口类型自定义功能(如通用I/O、UART、定时器输出等)。学生可根据自已的创意需求自由配置端口资源类型。硬件控制器在保证接口通用性的同时,又增加了硬件平台的应用灵活性和可扩展性。接着,重点阐述了下位机软件设计,包括支持图形化编程的MCU下位机软件设计与端口资源重构功能的FPGA软件设计两个方面,主要包括系统引导程序、人机交互程序、底层模块函数库的开发、端口资源重构程序和相关工程配置文件。实例测试结果表明了本文设计的端口可重构功能的有效性。本文设计的教育机器人硬件系统与现有产品相比,因采用"MCU+FPGA"作为控制核心,整个平台端口功能更加完善,端口种类更加丰富,更好地提高了硬件平台资源的开放性,并且支持配套图形化编程软件进行编程、配置及在线下载等功能,在学生使用过程中取得良好的效果。