模塊化單片機實驗系統(tǒng)的研制

包建華,張興奎,丁啟勝

(徐州師范大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院,江蘇徐州 221116)

“單片機系統(tǒng)”課程是高等院校自動化、儀器儀表、電子通信等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。目前,國內(nèi)高校在單片機實驗教學(xué)方面建立了單片機技術(shù)實驗室或?qū)嵱?xùn)室。但現(xiàn)有商品化的單片機實驗系統(tǒng)硬件固定且不完全透明,學(xué)生只能進(jìn)行有限的驗證性實驗。為使單片機課程教學(xué)既適應(yīng)當(dāng)前人才市場的需求,又能體現(xiàn)我院辦學(xué)特色,我們已研制成功XZNU MCUS-Ⅰ型單片機實驗系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

我院開發(fā)的單片機實驗系統(tǒng)由用戶板、V8/L型仿真器和開關(guān)電源三大部分組成。用戶板由CPU模塊和若干單元電路組成。由于采用開放式設(shè)計思路,使用者可以結(jié)合用戶板的各種單元電路自由設(shè)計實驗方案,提高對單片機的整體認(rèn)識及綜合設(shè)計能力。V8/L偉福仿真器的插針直接插入CPU模塊的40腳插座,實驗時就可以借助上位機的偉福Window s集成調(diào)試軟件進(jìn)行在線仿真與調(diào)試。開關(guān)電源為用戶板上的單元電路供電:+5V/2A 、+12V/0.5A 、-12V/0.5A 。

XZNU MCUS-Ⅰ型單片機實驗系統(tǒng)的所有資源完全公開透明,能靈活組建多種實驗及實訓(xùn)項目,可以讓學(xué)生從軟硬件兩方面了解單片機設(shè)計應(yīng)用的全過程,從而快速掌握單片機應(yīng)用設(shè)計技術(shù)[2]。

2 硬件設(shè)計

本單片機實驗系統(tǒng)擁有豐富的單元電路和靈活的實驗方案組合方法。它包含了CPU模塊、I/O擴展模塊、串行A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、微型打印機接口模塊、LCD顯示器模塊、LED顯示器模塊、鍵盤模塊、串-并和并-串轉(zhuǎn)換模塊、RS-232/485接口模塊、語音模塊、時鐘日歷模塊、溫度采集模塊和直流電機驅(qū)動模塊等功能電路,能很好地滿足單片機課程教學(xué)所安排的基本實驗、綜合實驗和系統(tǒng)實訓(xùn)要求,同時也能為教師的科研或?qū)W生畢業(yè)設(shè)計提供硬軟件平臺。其原理框圖如圖1所示。

圖1 單片機實驗系統(tǒng)原理框圖

1)CPU模塊電路

CPU模塊電路是單片機實驗系統(tǒng)的核心,它通過總線驅(qū)動、地址鎖存、地址譯碼為外圍擴展電路提供三總線,進(jìn)而構(gòu)建完整的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。其電路原理圖如圖2所示。MCS-51系列單片機的P0口中,每一位I/O口線都能驅(qū)動8個LS TT L門電路。圖中74LS245總線收發(fā)器可以加強數(shù)據(jù)總線(D0-D7)的驅(qū)動能力。74LS244用來提高控制總線/WR 、/RD 、/INT0、/INT1、T0 、T1 、ALE 以及 用戶板內(nèi)1MHz時鐘信號CLK的驅(qū)動能力,以提高CPU模塊與其它單元電路間信號傳送的可靠性。

圖2 CPU模塊電路原理圖

CPU對外部接口芯片進(jìn)行讀/寫操作時,在任何時刻只能有一個外部接口芯片享有向總線傳送數(shù)據(jù)的權(quán)利,即在任何時刻,只能有一個外部接口芯片的片選端(/CS端)被選中,否則就要發(fā)生總線沖突。為此,在圖2中用2片3/8譯碼器74LS138提供16個譯碼片選信號,可分時選用的外圍接口器件數(shù)最大可達(dá)16個。

圖2中的J1、J2、J3等表示接插件,可以通過專用連接導(dǎo)線將CPU模塊和實驗箱中其它單元電路連接起來,同時也能為用戶自主開發(fā)的電路板提供連接服務(wù)。

2)其它模塊電路

其它模塊電路按功能分為I/O接口擴展單元、人機交互單元、數(shù)字量輸入單元、數(shù)字量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元和串行通信單元等,這些電路單元按類布置于實驗箱的不同區(qū)域,便于用戶使用。

(1)I/O接口擴展單元

I/O接口擴展單元包括I/O擴展模塊、串-并和并-串轉(zhuǎn)換模塊。I/O擴展模塊分為簡單并行I/O口電路和可編程并行接口電路,簡單并行I/O口電路由8位數(shù)據(jù)緩沖器和鎖存器實現(xiàn),可編程并行接口電路由8155實現(xiàn);串-并和并-串轉(zhuǎn)換模塊分別由移位寄存器74LS164和74LS165實現(xiàn)。

(2)人機交互單元

人機交互單元用于擴展人機界面,包括微型打印機接口模塊、語音模塊、LCD顯示器模塊、LED顯示器模塊、鍵盤模塊和鍵盤/顯示器驅(qū)動模塊。微型打印機接口與Cemtronics標(biāo)準(zhǔn)接口兼容,通過25芯連接器(DB25)外掛 TP UP-AT系列打印機;語音模塊采用高品質(zhì)語音錄放芯片ISD25120,持續(xù)錄放音時間可達(dá)120s,錄放次數(shù)在10萬次以上;LCD顯示器模塊采用 YM12864F,器件內(nèi)核為 T6963C控制器,可以顯示字符和漢字;LED顯示器模塊為8位共陰極數(shù)碼管,其段碼由74LS244驅(qū)動后提供,而位碼由75451驅(qū)動后提供[5];鍵盤模塊采用3×8矩陣式鍵盤電路,按鍵在實驗箱上排列成4×6矩陣式小鍵盤;為減輕CPU對鍵盤或顯示器的管理負(fù)擔(dān),單片機實驗箱上還設(shè)計了專用鍵盤/顯示器控制芯片,如 8279、MAX7219 等 。

(3)數(shù)字量輸入和輸出單元

數(shù)字量輸入單元用于開關(guān)量的輸入,實驗箱上有8只開關(guān)K0-K7,并有與之相對應(yīng)的K0-K7引線孔為邏輯電平輸出端。數(shù)字量輸出單元用于開關(guān)量的輸出與顯示,包括繼電器控制模塊、LED電平顯示模塊和蜂鳴器報警電路。主要提供開關(guān)量控制或聲光報警。

(4)模擬量輸入和輸出單元

模擬量輸入部分包括溫度采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊。溫度采集模塊由溫度傳感器AD590和調(diào)理電路構(gòu)成,調(diào)理電路輸出0-5V直流電壓信號;A/D轉(zhuǎn)換模塊將0-5V電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送單片機處理。模擬量輸出單元包含D/A轉(zhuǎn)換模塊和直流電機驅(qū)動模塊。通過軟件編程控制D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832輸出相應(yīng)的電流值,經(jīng)過運放處理電路可以提供單極性或雙極性模擬電壓值;改變直流電機電樞電壓的極性和占空比,可以很容易控制電機轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速。

(5)串行通信單元

串行通信單元包括如下的接口電路:RS-232接口采用MAX232芯片,可以進(jìn)行符合RS-232電氣通信標(biāo)準(zhǔn)的實驗;RS-485接口采用MAX485芯片,可以進(jìn)行符合RS-485電氣通信標(biāo)準(zhǔn)的實驗。通過專用連接線纜,可以實現(xiàn)單片機之間、單片機與PC之間的串行數(shù)據(jù)通信。

3 軟件平臺

單片機實驗系統(tǒng)的軟件平臺能運行PC機上的偉福V系列集成調(diào)試軟件,這是與偉福V8/L型仿真器相配套的VW IDE環(huán)境,它集成了編輯器、編譯器、調(diào)試器,使源程序編輯、編譯、下載和調(diào)試等功能,全部運行可以在這一個環(huán)境下完成。偉福V系列集成調(diào)試軟件已內(nèi)嵌匯編編譯器(偉福匯編器),同時留有第三方編譯器的接口,以方便用戶使用高級語言調(diào)試程序,如Keil C。

4 結(jié)語

我們研制的XZNU MCUS-Ⅰ型單片機實驗系統(tǒng)已于2008年通過成果鑒定。該裝置能較好滿足單片微機測控系統(tǒng)的實驗教學(xué)、課程設(shè)計、系統(tǒng)實訓(xùn)、科研和創(chuàng)新活動的需要,對培養(yǎng)學(xué)生提高解決實際工程問題的能力提供了平臺支持。本實驗平臺可開展數(shù)字式電壓表、電子萬年歷、數(shù)字式溫度計、電動機轉(zhuǎn)速測定及顯示、簡易計算器和數(shù)據(jù)采集等綜合性實驗項目。在投入使用后的近兩年時間內(nèi),通過該平臺開展的各種基礎(chǔ)實驗、綜合實驗和學(xué)生的自主創(chuàng)新實驗。為學(xué)生以后學(xué)習(xí)單片嵌入式系統(tǒng)的高端應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

[1] 仲玉芳,黃克強,吳明光.面向嵌入式系統(tǒng)的單片機集成實驗平臺的研制[J].北京:實驗技術(shù)與管理,2008,25(9):77-78

[2] 劉海寬,包建華,張興奎.單片機實驗與實訓(xùn)教程[M].南京:東南大學(xué)出版社,2009

[3] 于復(fù)生,高翔,李凡冰,等.基于單片機的機電綜合實驗系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,2003,25(6):91-92

[4] 李朝青,劉艷玲,沈怡麟,等.單片機與PC機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007

[5] 包建華,劉海寬.單片機系統(tǒng)中 LED顯示譯碼驅(qū)動技術(shù)[J].重慶:重慶工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,21(8):50-53

[6] 張萬里,魯長海,宋家駒.單片機實踐教學(xué)系統(tǒng)的研制[J].長春:長春大學(xué)學(xué)報,2008,18(5):45