計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)儀器研制及應(yīng)用

劉新平，徐俊鵬，宋繼志

（中國石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，山東青島 266580）

高校電器信息類專業(yè)實(shí)驗(yàn)室中需配備多種測試儀器，如萬用表、直流穩(wěn)壓電源、示波器、信號(hào)發(fā)生器等，購置的儀器多為單功能測試或信號(hào)發(fā)生儀器，需要的種類多，不便于實(shí)驗(yàn)室擺放與使用，且總費(fèi)用較高，需要花費(fèi)較多的人力物力進(jìn)行維護(hù)和維修。

我校在為學(xué)生開設(shè)硬件綜合實(shí)習(xí)課程的同時(shí)，研究開發(fā)了一種集多種測試及信號(hào)發(fā)生于一體的簡易綜合儀器，可實(shí)現(xiàn)基本的電壓測試、電流測試、虛擬示波器、波形發(fā)生器、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、脈沖計(jì)數(shù)器、數(shù)字溫度計(jì)等功能，滿足了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本需求。另外，將該綜合測試儀做成一個(gè)開放式平臺(tái)，學(xué)生可通過電路設(shè)計(jì)及在線編程實(shí)現(xiàn)儀器的所有功能，鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。該平臺(tái)不僅可以承擔(dān)高年級(jí)本科生硬件綜合實(shí)驗(yàn)和自選課題的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也可參加多種大學(xué)生競賽，如電子設(shè)計(jì)大賽、嵌入式設(shè)計(jì)競賽等，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力及創(chuàng)新意識(shí)具有積極意義；同時(shí)，可作為普通實(shí)驗(yàn)室測試及信號(hào)發(fā)生儀器，為學(xué)校節(jié)約資金，方便實(shí)驗(yàn)室管理及使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及組成

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，外加必要的擴(kuò)展接口電路［1］。STC12C5A60S2／AD／PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，內(nèi)部有8 KB Flash 程序存儲(chǔ)器、1280BRAM 和2KB EEPROM，內(nèi)置監(jiān)視定時(shí)器（看門狗）電路，具有超強(qiáng)的抗干擾能力，可直接在用戶系統(tǒng)上用ISP在線下載方式，將用戶程序下載進(jìn)STC 單片機(jī)運(yùn)行，這樣可省去編程器和仿真器、降低實(shí)驗(yàn)成本［2］。利用宏晶科技提供的免費(fèi)下載軟件STC－ISP.EXE，學(xué)生可將實(shí)驗(yàn)板帶回宿舍編程調(diào)試。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STC12C5A60S2自帶的12位串行 A／D 轉(zhuǎn)換器和8 位串行D／A 轉(zhuǎn)換器DAC0832，實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；設(shè)計(jì)有4 個(gè)獨(dú)立鍵盤，采用液晶顯示屏或LED 數(shù)碼顯示器顯示輸出。系統(tǒng)功能包括數(shù)字時(shí)鐘和定時(shí)器、溫度控制器、波形發(fā)生器、脈沖計(jì)數(shù)器、可調(diào)節(jié)輸出電源、簡易數(shù)字萬用表等。具體功能可通過對(duì)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，將多種功能集成為一臺(tái)開放的數(shù)字測試和調(diào)試用的多功能儀器。編程時(shí)單片機(jī)和上位機(jī)之間用RS232串口相連，傳送數(shù)據(jù)和命令。

2 主要功能模塊設(shè)計(jì)及原理

2.1 與PC機(jī)通信模塊

單片機(jī)通過串口與PC 機(jī)進(jìn)行通信。這里，單片機(jī)串口輸出的是TTL 電平，而PC 機(jī)串口輸出的是RS232電平，兩者之間需要外加接口電路進(jìn)行電平匹配，故采用專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232 來實(shí)現(xiàn)。MAX232 芯片內(nèi)部有電源電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的＋5V 電壓變換為RS232 輸出電平所需的－10～＋10V 電壓，故僅需要單一＋5V 電源［3］。圖2是單片機(jī)和PC機(jī)之間的串行接口電路。通過串口通信，可實(shí)現(xiàn)用戶程序的在線下載。

2.2 定時(shí)時(shí)鐘及數(shù)字溫度計(jì)

用鍵盤設(shè)定當(dāng)前時(shí)間及定時(shí)時(shí)間，采用一片HC162L字符液晶模塊或6個(gè)LED 數(shù)碼管顯示當(dāng)前時(shí)間，到達(dá)設(shè)定的定時(shí)時(shí)間后蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示方式，以P0口輸出段碼和位碼，用2個(gè)74LS373鎖存器驅(qū)動(dòng)段碼和位碼。HC162L 字符液晶顯示驅(qū)動(dòng)及LED 數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)均采用常規(guī)電路［4－5］，本文不再詳述。

圖2 單片機(jī)與PC機(jī)之間串口通信電路

采用DS18B20 芯片作為數(shù)字溫度傳感器。DS18B20的最大的特點(diǎn)是單線接口方式，在與微處理器連接時(shí)只需要一條線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與芯片的雙向通信。DS18B20的測溫范圍為－55～＋125 ℃，固有測溫分辨率0.5℃。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。另外，因?yàn)槊恳粋€(gè)DS18B20都有一個(gè)獨(dú)特的序號(hào)，多個(gè)DS18B20可以同時(shí)連接在一條總線上，因此溫度傳感器可放置在許多不同的地方。采用此芯片的缺點(diǎn)是：較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。DS18B20在外部電源供電方式下，工作電源由VDD 引腳接入，此時(shí)I／O 線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論上可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)［6］。多點(diǎn)測溫電路如圖3所示。

圖3 DS18B20多點(diǎn)測溫電路圖

2.3 波形發(fā)生器及脈沖計(jì)數(shù)器

波形發(fā)生器及脈沖計(jì)數(shù)器主要用到D／A 轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器，選用美國TI公司生產(chǎn)的DAC0832芯片。該DA 芯片以其價(jià)格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D／A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D／A 轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成?？梢圆捎脝危?V～＋15V 供電，本系統(tǒng)中采用＋5V 電壓供電，DAC0832的D／A 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過DI0—DI7并行輸入。在波形發(fā)生器中，對(duì)電壓的大小沒有要求，可以采用任意基準(zhǔn)電壓。

由于DAC0832的輸出為電流輸出，利用運(yùn)算放大器可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，得到期望波形，具體轉(zhuǎn)換電路見圖4。通過編程可實(shí)現(xiàn)方波、三角波、鋸齒波、正弦波等波形輸出，改變輸出延遲時(shí)間，可改變其輸出頻率，具體編程時(shí)可通過按鍵增加或減小輸出頻率。

圖4 D／A轉(zhuǎn)換及放大輸出電路

脈沖計(jì)數(shù)器電路較為簡單，可直接采用單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0／T1對(duì)外部輸入脈沖計(jì)數(shù)，并由數(shù)碼管顯示。

2.4 鍵盤中斷及交通燈控制

設(shè)計(jì)4個(gè)獨(dú)立按鍵，一端接地，另一端與P3口相連。有鍵按下時(shí)單片機(jī)采集到的電壓為低信號(hào)。該功能模塊主要練習(xí)中斷及鍵盤檢測與消抖的編程方法。

設(shè)計(jì)一個(gè)交通信號(hào)燈控制器，在十字路口每個(gè)入口處設(shè)置紅、黃、綠三色信號(hào)燈，紅燈亮禁止通行，綠燈亮允許通行。主干道每次放行45s，支干道每次放行25s，在每次由綠燈轉(zhuǎn)紅燈的過程中，黃燈閃爍3s作為過渡，使行駛中的車輛有時(shí)間停到禁行線外。分別用數(shù)碼管顯示45s、25s倒計(jì)時(shí)，用紅、黃、綠發(fā)光二極管作信號(hào)燈。發(fā)光二極管電路由鎖存器和限流電阻共同組成，發(fā)光二極管正常工作電流為3～10mA，所以通過限流電阻就可以使發(fā)光二極管正常工作。本功能模塊旨在練習(xí)定時(shí)器的編程與設(shè)計(jì)方法。

2.5 系統(tǒng)供電電源及直流電壓源、電流源模塊

電路中用到多種供電電源，比如芯片LM324 屬于非軌對(duì)軌的元件，所以在放大電壓信號(hào)時(shí)需要加上±12V 的電壓才能使運(yùn)算放大器正常工作；在電壓源部分，希望得到0～24V 的電壓，運(yùn)算放大器只有加上＋30V 電壓才能正常工作；另外還有需要設(shè)置＋5V基準(zhǔn)電壓等?？梢岳靡幌盗械脑M(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換。如圖5所示，可實(shí)現(xiàn)＋30V 電壓轉(zhuǎn)換成1.25～30 V 之間任意電壓［7］。輸出電壓VOUT＝1.25（1＋R4／R3），調(diào)節(jié)R4的值就可以得到不同的電壓值，所需要的＋5V、＋12V、都可以由芯片LM317轉(zhuǎn)換得到，只需要將R4分別設(shè)置為450Ω 和1.29kΩ。

圖5 LM317電源轉(zhuǎn)換原理圖

－5 V 和－12 V 電壓可通過 MAX660 和MC34063芯片轉(zhuǎn)換［8］。電荷泵反極性開關(guān)集成穩(wěn)壓器MAX660可以把正輸入電壓變換成負(fù)輸出電壓，也可以把負(fù)輸入電壓變換成正輸出電壓，還可以產(chǎn)生二倍壓，即輸出電壓為輸入電壓的2倍。圖6可實(shí)現(xiàn)＋5 V 電壓轉(zhuǎn)換為－5V 電壓。

圖6 MAX660電源轉(zhuǎn)換原理圖

MC34063是一單片雙極型線性集成電路，專用于直流—直流變換器控制部分。片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個(gè)占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5A 的開關(guān)電流。它能用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。＋5V 轉(zhuǎn)換輸出－12V 電源電路如圖7所示。

圖7 MC34063電源轉(zhuǎn)換原理

數(shù)控直流電壓源主要利用運(yùn)算放大器LM324，其原理是將可控的數(shù)字信號(hào)通過DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再利用運(yùn)算放大器的放大作用，將模擬信號(hào)放大到期望得到的信號(hào)。數(shù)控電壓源的原理如圖8所示?；鶞?zhǔn)電壓通過DA轉(zhuǎn)換輸出，2個(gè)晶體三極管的作用是擴(kuò)流，電阻R7和R8的作用是對(duì)輸出電壓進(jìn)行采集。采集后的電壓送到自帶AD的單片機(jī)中，可用PID控制算法或模糊控制算法實(shí)現(xiàn)電壓輸出的閉環(huán)控制。

圖8 數(shù)控電壓源電路

數(shù)控直流電流源的原理和電壓源類似，都是通過DAC0832將可控的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，然后利用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，將模擬信號(hào)放大到期望得到的電流值。數(shù)控電流源電路如圖9所示，2個(gè)晶體三極管的作用是擴(kuò)流，電阻R15—R18是4個(gè)并聯(lián)的采樣電阻，其作用是在不降低輸出功率的前提下降低采樣電壓。這個(gè)電路也可用PID 控制算法或模糊控制算法實(shí)現(xiàn)電流輸出的閉環(huán)控制。

圖9 數(shù)控電流源原理圖

2.6 簡易數(shù)字萬用表

電壓表的測量原理很簡單，將待測電壓直接輸給帶AD 轉(zhuǎn)換的單片機(jī)中，就可以直接在單片機(jī)中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值大小就是待測電壓值。將待測電壓送給低通濾波器，濾除高頻干擾，可以獲得比較穩(wěn)定的電壓值［9］。如圖10 所示，采用運(yùn)算放大器LM324，負(fù)向輸入端與輸出端直接相連，輸出端的電壓等于正相輸入端輸入的電壓值，待測電壓的大小沒有變化。

電流表原理如下：首先通過串接電阻將待測電流通過AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓值，串接的電阻必須很小，否則會(huì)影響電流的準(zhǔn)確性。電流表原理如圖11，其中電阻R20和電阻R22可以決定電流的測量范圍，根據(jù)電阻R21兩端的電壓差可以計(jì)算出待測電流的大小。因?yàn)殡娮韬苄?，需要將電壓進(jìn)行放大，先后經(jīng)過反相緩沖、差分放大和同相放大電路獲得電壓值，然后將電壓值送到帶AD 轉(zhuǎn)換的單片機(jī)中，就可以計(jì)算出待測電流的大小。

測量電阻的原理如圖12所示，可以由單獨(dú)一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，這就要求運(yùn)算放大器的反相輸入端的電壓值為－5V；也可以由2個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，前運(yùn)算放大器的主要作用是產(chǎn)生一個(gè)－5V 的電位，作為后一級(jí)放大電路的反相輸入端，而后一級(jí)的正相輸入端接地。所以運(yùn)放的輸出端電壓與反相輸入端的電壓之比和待測電阻與電阻R19之比相等，根據(jù)輸出端的電壓，可以計(jì)算出待測電阻值的大小。調(diào)節(jié)電阻R19的大小可以改變待測電阻的測量范圍。

3 系統(tǒng)在硬件綜合實(shí)習(xí)中的應(yīng)用

圖10 電壓表原理圖

圖11 電流表原理圖

圖12 電阻測量原理圖

為提高學(xué)生動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生社會(huì)適應(yīng)性，開設(shè)了“硬件綜合實(shí)習(xí)”課程，讓學(xué)生親自設(shè)計(jì)一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件和功能，“麻雀雖小，五臟俱全”，旨在讓學(xué)生真真切切感受到如何設(shè)計(jì)一個(gè)可獨(dú)立工作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本實(shí)習(xí)安排在第六學(xué)期末，是一門綜合性設(shè)計(jì)實(shí)踐課程，也是對(duì)前面所學(xué)課程的一個(gè)全面應(yīng)用和總結(jié)。該課程綜合運(yùn)用了“組成原理”、“匯編語言”、“接口技術(shù)”、“單片機(jī)原理”、“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”等硬件課程中的知識(shí)，在硬件課程群建設(shè)中起著“總練兵”的作用，能進(jìn)一步強(qiáng)化和提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力［10－13］。

本課程面向計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生開設(shè)，實(shí)習(xí)時(shí)間共安排4周。具體任務(wù)為：設(shè)計(jì)電路原理圖和印刷電路圖，進(jìn)行電路制版；完成電路板的焊接與調(diào)試；用匯編語言或C 語言編寫下位機(jī)程序，包括數(shù)據(jù)采集與處理程序、鍵盤監(jiān)測與顯示輸出程序、PID 或模糊控制算法程序、串口通信程序等；將各功能模塊程序進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，用鍵盤程序?qū)⑵涔δ苓B接起來，通過按鍵可選擇不同的功能；最后將用戶程序下載至STC 單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器，使其上電獨(dú)立工作；最后完成系統(tǒng)測試，撰寫實(shí)習(xí)總結(jié)報(bào)告。上位機(jī)程序采用VC 編程，利用NI的Component Works 控件實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口界面，包括設(shè)置參數(shù)與顯示輸出程序、串口通信程序等，用以輸出顯示、傳送數(shù)據(jù)和命令等。

為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)僅提出任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)要求，具體器件型號(hào)不給出，而是由學(xué)生自主設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出的電路原理圖及制版圖由教師評(píng)判打分。由于實(shí)驗(yàn)室條件及時(shí)間所限，學(xué)生實(shí)際使用的電路板及器件是由教師統(tǒng)一制作和采購的，具體的電路板焊接及編程調(diào)試則全部由學(xué)生獨(dú)立完成。

4 結(jié)束語

該硬件綜合實(shí)習(xí)方案經(jīng)過精心準(zhǔn)備，迄今已在4屆計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生中開設(shè)，取得了令人滿意的效果。由于系統(tǒng)既有硬件設(shè)計(jì)，也有軟件編程，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力和綜合實(shí)踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。設(shè)計(jì)期間，從資料的查找，到設(shè)計(jì)方案的論證，再到系統(tǒng)的最終調(diào)試，學(xué)生都投入了極大的熱情和精力。學(xué)生經(jīng)常為一個(gè)問題爭得面紅耳赤，經(jīng)常到了吃飯時(shí)間被教師趕幾遍才依依不舍地離開實(shí)驗(yàn)室。從學(xué)生的實(shí)習(xí)總結(jié)報(bào)告可以看出，學(xué)生做完硬件綜合實(shí)習(xí)后，普遍充滿自豪感和成就感，感到硬件設(shè)計(jì)及底層軟件開發(fā)不再可怕。參加完實(shí)習(xí)的學(xué)生每年都有多人在各種創(chuàng)新競賽中獲獎(jiǎng)，在2008 至2011 年的“博創(chuàng)杯”全國大學(xué)生嵌入式設(shè)計(jì)大賽中，共獲得一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng)；在全國大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽中獲得全國二等獎(jiǎng)2 項(xiàng)，華北賽區(qū)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng)；第七屆“挑戰(zhàn)杯”山東省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)競賽中獲特等獎(jiǎng)。

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