從知識點掌握到應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建的微機(jī)接口課程設(shè)計規(guī)劃及實現(xiàn)

楊　斌

摘要:本文介紹一款廉價的積木化微機(jī)接口課程設(shè)計組件,該組件緊密結(jié)合理論課教學(xué)內(nèi)容與進(jìn)度,貫穿實際應(yīng)用及工程設(shè)計知識,由淺入深,最終由微機(jī)功能部件的知識點逐步擴(kuò)展到微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建的知識面。

關(guān)鍵詞:微機(jī)接口;課程設(shè)計;知識點;設(shè)計模塊;系統(tǒng)構(gòu)建

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

1緒論

“微機(jī)原理與接口技術(shù)”課程既是一門原理性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)類課程,同時也是一門工程性很強(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)類課程。它要求學(xué)生在理解微型計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成、相關(guān)功能部件的基本結(jié)構(gòu)特點及工作原理的基礎(chǔ)上能夠掌握微型計算機(jī)內(nèi)主要功能部件與微處理器的硬件連接方法及編程。多年來,國內(nèi)的大部分高校在實踐環(huán)節(jié)的安排上都采用了基于某種實驗平臺(開發(fā)板或?qū)嶒炏?的實驗方法。而這些實驗平臺的一個共同特點是,內(nèi)部的全部或大部分的電路已經(jīng)連接好,盡管有些實驗平臺提供了少量的電路連線由學(xué)生連接,但由于主要的電路連接模式已經(jīng)固定,所以只能進(jìn)行一些驗證性實驗項目,幾乎沒有什么設(shè)計實現(xiàn)上的靈活性可供學(xué)生選擇。學(xué)生在按部就班完成各單元實驗后,主要理解和掌握的是各單元功能部件的工作原理、接口及編程方法,而無法從系統(tǒng)的角度明晰各功能部件的作用,例如我們在對傳統(tǒng)實驗完成較好的學(xué)生所進(jìn)行的調(diào)查中發(fā)現(xiàn),當(dāng)他們順利做完所有的實驗后基本上無法回答本微計算機(jī)實驗系統(tǒng)“哪些功能部件在什么情況下是必要的”等有關(guān)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方面的問題。為此,我們從2002年開始嘗試設(shè)計一套與理論教學(xué)同步進(jìn)行的課程設(shè)計實訓(xùn)體系,并且以最終完成一個小的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計為目標(biāo),分階段、分知識點模塊(積木模塊)實施的的課程設(shè)計方案。以下是具體的課程設(shè)計內(nèi)容及要求。

2基于知識點的各積木功能模塊劃分

由于不同的專業(yè)對于微機(jī)與接口技術(shù)這門課的要求有所不同,所以首先我們結(jié)合本校相關(guān)專業(yè)的要求,將實訓(xùn)體系的教學(xué)目標(biāo)定位為面向微計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成及其典型接口電路軟硬件設(shè)計基本原理和方法的掌握以及工程實現(xiàn)技能的培養(yǎng)。另外在考慮學(xué)生接受能力以及課時數(shù)限制等因素,規(guī)劃一套從知識點到知識面的實現(xiàn)線路,按照構(gòu)建一個微機(jī)小系統(tǒng)的主要功能模塊及實現(xiàn)順序,制定了以下的主要知識點:

(1) 微機(jī)硬件核心及獨立三總線形成,局部總線和系統(tǒng)總線,總線的共享

(2) 存儲器地址譯碼,I/O口地址譯碼

(3) 并行接口功能及應(yīng)用

(4) 定時器、計數(shù)器功能及應(yīng)用

(5) 中斷系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用

(6)A/D、D/A接口電路及應(yīng)用

(7) 串行通信接口電路及應(yīng)用

在確定知識點后的一個重要工作是規(guī)劃具體實施方案,主要考慮與理論課內(nèi)容的配合以及項目的可操作性和可實現(xiàn)性。

(1) 每個課程設(shè)計項目的實施在時間上盡量與理論課授課時間保持同步,時間為兩周。

(2) 設(shè)計項目需要的元器件都是市面上易于購買且價格低廉的常用器件。

(3) 每個項目的內(nèi)容保證大多數(shù)同學(xué)在規(guī)定時間可以設(shè)計制作完成。

基于以上知識點及實現(xiàn)原則規(guī)劃的各積木功能模塊見圖1。

3各積木功能模塊的設(shè)計實現(xiàn)要點

3.1微機(jī)硬件核心設(shè)計模塊

(1) 設(shè)計內(nèi)容及主要功能電路

8088最小工作模式選擇:MN/MX引腳=高電平

地址及數(shù)據(jù)線的分離及項相應(yīng)的電路實現(xiàn):地址鎖存器74373及獨立地址線A19~A0生成,數(shù)據(jù)收發(fā)器74245及數(shù)據(jù)D7～D0的選通和雙向傳輸,控制信號線ALE、DEN、DT/R的作用。

CPU時鐘、復(fù)位信號、READY信號的提供:時鐘發(fā)生器8284,晶振電路,復(fù)位電路,處理器主時鐘CLK及外設(shè)時鐘PCLK,READY信號作用。

(2) 工程設(shè)計知識

74LS到74LVC各系列器件的主要性能及應(yīng)用選擇,低電平驅(qū)動和高電平驅(qū)動的差別,電路無用引腳的處理,上拉、下拉電阻運(yùn)用,總線共享原則,微機(jī)硬件核心工作狀態(tài)判定,電路抗干擾常用措施,示波器及邏輯分析儀運(yùn)用。

3.2存儲器地址譯碼,I/O口地址譯碼

(1) 設(shè)計內(nèi)容及主要功能電路

存儲器地址空間與外設(shè)地址空間譯碼時的區(qū)分方法:M/IO信號運(yùn)用。

按照特定地址對地址信號進(jìn)行的片選及片內(nèi)選擇信號劃分:基于3/8譯碼器74138或GAL16V8的高位地址線片選信號譯碼方法,低位地址線提供片內(nèi)單元尋址。

存儲器地址譯碼實現(xiàn):一片128K×8位的FLASH ROM 29EE010和一片128K×8位的RAM HM628128由一片74138實現(xiàn)存儲器地址譯碼。

外設(shè)口地址譯碼實現(xiàn):A5~A3作為片選譯碼輸入,A2~A0片內(nèi)選擇。一片74138實現(xiàn)8個外設(shè)片選信號譯碼。

(2) 工程設(shè)計知識

GAL16V8編程語言的運(yùn)用及編程器燒寫操作方法,FLASH ROM編程操作。

3.3并行接口8255應(yīng)用設(shè)計模塊

(1) 設(shè)計內(nèi)容及主要功能電路

基于前面實現(xiàn)的微機(jī)硬件核模塊+存儲器模塊+擴(kuò)展總線+I/O片選信號

8255方式0應(yīng)用設(shè)計:C口實現(xiàn)4×4鍵盤接口,A口、B口實現(xiàn)8位8段共陰數(shù)碼管接口,數(shù)碼管驅(qū)動74273。

軟件擴(kuò)展設(shè)計:多功能數(shù)字鐘

(2) 工程設(shè)計知識

鍵盤防抖動處理,多位數(shù)碼管共段數(shù)據(jù)輪回顯示實現(xiàn)方法,共陰/共陽數(shù)碼管及驅(qū)動。

3.4定時/計數(shù)器及中斷控制器

(1) 設(shè)計內(nèi)容及主要功能電路

基于前面實現(xiàn)的微機(jī)硬件核模塊+存儲器模塊+擴(kuò)展總線+I/O片選信號

8254+8259實現(xiàn)的定時中斷電路及音樂產(chǎn)生電路:8254 + 1.19M有源晶振 + 小喇叭+ 8259。

(2) 工程設(shè)計知識

無源和有源晶振的區(qū)別及使用,上拉/下拉電阻使用及中斷輸入引腳的下拉處理。

3.5D/A、A/D接口電路及應(yīng)用

(1) 設(shè)計內(nèi)容及主要功能電路

基于前面實現(xiàn)的微機(jī)硬件核模塊+存儲器模塊+擴(kuò)展總線+I/O片選信號

由D/A變換器實現(xiàn)多功能函數(shù)發(fā)生器:DAC 0832+LM324運(yùn)放+示波器

由A/D變換器實現(xiàn)0~5V電壓采樣及8位LED顯示:ADC 0809+74393分頻器+7402或非門+74373鎖存器+8位LED+電位器。

A/D+D/A實現(xiàn)的模擬溫度閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng):先設(shè)定一A/D采樣值及對應(yīng)的D/A輸出值,當(dāng)調(diào)節(jié)A/D輸入電壓時(模擬溫度升高),D/A輸出值增大(模擬制冷加強(qiáng))。

(2) 工程設(shè)計知識

參考電壓的靈活運(yùn)用,A/D和D/A的量化誤差,運(yùn)放輸出電壓范圍的調(diào)整及調(diào)0技術(shù)。

3.6串行通信接口電路及應(yīng)用

(1) 設(shè)計內(nèi)容及主要功能電路

基于前面實現(xiàn)的微機(jī)硬件核模塊+存儲器模塊+擴(kuò)展總線+I/O片選信號

基于8250實現(xiàn)異步串行接口:8250+MAX232×2+1.8432MHz晶振

(2) 工程設(shè)計知識

異步串口的多種連接方式及應(yīng)用場合,邏輯分析儀在異步幀數(shù)據(jù)檢測中的應(yīng)用。

4綜合各積木化功能模塊的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

綜合前面實現(xiàn)的有關(guān)功能模塊設(shè)計實現(xiàn)一個微機(jī)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)。

要求:系統(tǒng)能實現(xiàn)可編程定時采樣輸入模擬電壓,可通過鍵盤預(yù)設(shè)特定的D/A輸出電壓值,四位數(shù)碼管顯示:一位顯示當(dāng)前采樣通道號,三位顯示輸出電壓值(兩位小數(shù)),采樣數(shù)據(jù)以十進(jìn)制ASCII碼形式定時通過串口發(fā)往PC機(jī)Windows下的超級終端顯示。

設(shè)計內(nèi)容及主要功能電路:

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成:硬件核心模塊 + 存儲器模塊 + 8255模塊(含鍵盤及數(shù)碼管)+ A/D、D/A模塊 + 8253、8259模塊 + 8250模塊。系統(tǒng)組成如圖2所示。

5結(jié)論

本課程設(shè)計在題目和內(nèi)容的規(guī)劃上,除了注重知識點和系統(tǒng)性的結(jié)合以及課堂理論教學(xué)知識和工程設(shè)計知識的結(jié)合,同時考慮了具體實施中的可操作性。首先在時間的安排上基本按照二到三周進(jìn)行一個設(shè)計題目,基本可完成規(guī)定的設(shè)計內(nèi)容。另外所采用的元器件都是在市場上易于購買且價格低廉的大眾化產(chǎn)品(設(shè)計中基本內(nèi)容部分所需的全部元器件都是200多元)。本課程設(shè)計從2001年開始規(guī)劃和實施,經(jīng)過多年的不斷改進(jìn)和完善取得了較好的教學(xué)效果。不僅加深了學(xué)生對所學(xué)理論知識的全面理解,更鍛煉了他們進(jìn)行微機(jī)接口軟硬件設(shè)計的實際動手能力,拓寬了知識面,為今后的工作和學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1] 楊斌. 微機(jī)系統(tǒng)及其接口設(shè)計原理[M]. 成都: 西南交通大學(xué)出版社,2006.

[2] 楊斌. 微機(jī)原理與接口技術(shù)實驗及課程設(shè)計[M]. 成都:西南交通大學(xué)出版社,2005.

The Course Projects Planning and Implementation of Micro-computer and Interfacing Technology

Based on Course key Points Mastering and Micro-computer Application System Construction

YANG Bin

(School of Computer and Communication Eng, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract: This paper introduces a set of low cost course project modules of Microcomputer & Interfacing Technology. Those modules which combine with practical engineering design skill will be consistent with the theory of teaching content and in line with the course schedule . By doing these projects step by step, students will go through the easy part to the complex part. As a result, they will gradually master the course key points, and moreover, extend to the Micro-computer Application System Construction at the end of the course. The goal of this project is for the students to have a specific and comprehensive understanding and mastering about the knowledge architecture at the same time. In addition, it will develop their practical skill.

Key words: micro-computer interface; course projects; course key points; design modules; system construction