基于單片機(jī)及FPGA的多功能實驗教學(xué)平臺*

◆周文輝 鄧春健

作者：周文輝，電子科技大學(xué)中山學(xué)院副教授，主要研究方向為自動化技術(shù)與應(yīng)用；鄧春健，電子科技大學(xué)中山學(xué)院（528402）。

1 引言

由于數(shù)字邏輯電路和單片機(jī)在實際工程應(yīng)用中的重要性，目前，全國大多數(shù)理工類院校自動化專業(yè)把以上兩門課程列為重點課程，并配以28學(xué)時以上的教學(xué)實驗，以提高學(xué)生的動手與設(shè)計能力。受到傳統(tǒng)實驗設(shè)備的限制，兩門課程的實驗只能單獨開展，但在實際的電子設(shè)備設(shè)計過程中，單片機(jī)控制和數(shù)字邏輯電路設(shè)計具有不可分割的特點，造成學(xué)生對課程知識點的掌握無法融會貫通[1]。

基于單片機(jī)/FPGA雙核心實驗教學(xué)平臺的研制和應(yīng)用是解決上述問題的有效途徑。實驗教學(xué)平臺以硬件實驗軟件化的設(shè)計思想，通過對可編程邏輯器件FPGA的編程，實現(xiàn)數(shù)字邏輯電路的設(shè)計與驗證以及單片機(jī)的開發(fā)與控制。實驗教學(xué)平臺既能夠支持?jǐn)?shù)字電路實驗，也能支持單片機(jī)實驗教學(xué)，并通過實驗教學(xué)平臺實現(xiàn)兩課程教學(xué)與實踐的無縫銜接，將大幅提高教師課程教學(xué)的效率和學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。

2 平臺設(shè)計

總體結(jié)構(gòu) 實驗教學(xué)平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用底板和核心板組成的模塊化結(jié)構(gòu)，底板通用，核心板為FPGA和單片機(jī)雙核心模式，主要包括三個部分。

1）FPGA/單片機(jī)實驗核心板。選擇ALTERA Cyclone II或更高級，I/O口兼容3.3 V/5.0 V TTL電平的FPGA芯片作為主控板，在EDA軟件設(shè)計好的硬件電路可以通過下載電纜（AS和JTAG下載接口）下載到核心板，實現(xiàn)對外圍功能底板各外設(shè)的控制；單片機(jī)選擇具有16 KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的8位AVR微控制器ATmega16，也可根據(jù)教材內(nèi)容選型。

2）外圍功能底板。設(shè)計多個外圍設(shè)備作為核心板的控制對象，包括10 M或100 M以太網(wǎng)接口、VGA接口、串口、PS/2鍵鼠接口、紅外接口、I2C接口、SD卡媒體接口、液晶屏接口、A/D和D/A、七段碼顯示器、LED點陣顯示器、矩陣鍵盤、撥碼開關(guān)、555電路、RAM、蜂鳴器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動等。

3）BBII下載電纜。實現(xiàn)計算機(jī)上設(shè)計的硬件電路下載到核心板的數(shù)據(jù)傳輸功能。

系統(tǒng)功能 實驗平臺的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在它的綜合教學(xué)功能，既可作為數(shù)字電路的實驗教學(xué)平臺，又可用作單片機(jī)的教學(xué)開發(fā)板?？砷_設(shè)的數(shù)字邏輯電路實驗包括門電路、撥碼開關(guān)、編碼器、譯解碼器、多路復(fù)用器、比較器、加法器、移位寄存器、計數(shù)器、數(shù)字鐘、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等。學(xué)生通過QuartusII進(jìn)行形象的數(shù)字電路設(shè)計并定義FPGA的引腳后，將程序下載到FPGA，即可直觀地觀察實驗結(jié)果，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

進(jìn)入單片機(jī)學(xué)習(xí)階段，通過實驗平臺進(jìn)行以單片機(jī)為核心、電子電路為外圍設(shè)備的應(yīng)用實例實驗，將單片機(jī)的知識點和數(shù)字電路知識點貫通起來，有利于提高學(xué)生對課程知識的綜合運用能力。平臺可進(jìn)行單片機(jī)的最小系統(tǒng)實驗，包括發(fā)光二極管試驗、流水燈、七段數(shù)碼管靜態(tài)與動態(tài)顯示、單片機(jī)定時器運用、單片機(jī)中斷、矩陣鍵盤檢測、溫度顯示、紅外收發(fā)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動等。此外，學(xué)生還可根據(jù)個人特點，發(fā)揮主動性和創(chuàng)造性，依托實驗平臺設(shè)計以單片機(jī)為核心，結(jié)合數(shù)字邏輯電路和外圍設(shè)備的綜合性控制實驗，進(jìn)一步鍛煉創(chuàng)新能力。

3 實驗案例

數(shù)字邏輯電路綜合實驗 采用74LS90構(gòu)成模10計數(shù)器，通過顯示譯碼器74LS47和七段數(shù)碼管組成的一位數(shù)碼顯示電路，顯示0～9的十進(jìn)制計數(shù)過程。該實驗綜合運用了組合邏輯電路和時序邏輯電路的基礎(chǔ)知識，具有較強(qiáng)的代表性。但在以往的實驗教學(xué)中，該實驗完成的情況一直不太理想。究其原因，主要是實驗涉及的電路模塊和芯片較多，在傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗箱上完成，學(xué)生需要在實驗面板上大量連線。這些導(dǎo)線縱橫交錯，容易出現(xiàn)錯接、漏接，接觸不良等問題，學(xué)生課堂實驗時間往往耗費在查線、查漏等非專業(yè)知識問題上，實驗效果受到極大影響。

本實驗平臺綜合了仿真實驗和硬件實驗的優(yōu)勢，實驗箱提供了CP計數(shù)脈沖產(chǎn)生電路、七段共陰數(shù)碼管顯示電路等硬件模塊，在所設(shè)計電路的輸入和輸出兩個關(guān)鍵位置給予學(xué)生直觀的操作和結(jié)果顯示。而計數(shù)器、譯碼器等容易損耗的器件芯片以及連線較為復(fù)雜的電路部分，則通過計算機(jī)仿真軟件來實現(xiàn)電路的設(shè)計和連接，充分體現(xiàn)了實驗平臺在數(shù)字電路實驗教學(xué)中的優(yōu)越性。具體實驗步驟如下。

在QuartusII中建立一個工程，把異步計數(shù)器74LS90的QA輸出端連接到CLKB輸入端，然后把計數(shù)脈沖CP加到CLKA輸入端，同時SET9A、SET9B、CLRA和CLRB引腳接地，即可實現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)功能；顯示譯碼器74LS47把8421BCD碼轉(zhuǎn)換為低電平有效的譯碼信號，驅(qū)動七段共陽數(shù)碼管，顯示0～9十個數(shù)字。把74LS47的A、B、C、D輸入引腳分別與74LS90的QA、QB、QC、QD 輸出引腳相連，同時74LS47的LTN、RBIN、BIN引腳接高電平，OA、OB、OC、OD、OE、OF、OG引腳分別與數(shù)碼管的A、B、C、D、E、F、G引腳相連，從而構(gòu)成一位數(shù)碼顯示電路[2]。

電路設(shè)計完成后，即可點擊QuartusII菜單中的“Processing|Start ComPilation”進(jìn)行編譯，并對FPGA中的I/O相應(yīng)的輸入和輸出管腳進(jìn)行定義。單擊QuartusII菜單中的“Assignments|Pinplanner”，根據(jù)圖2所示各引腳對應(yīng)關(guān)系完成電路輸入和輸出的定義。對定義好引腳的電路重復(fù)一次編譯工作，再通過ByteBlasterII下載電纜的Jtag口下載編譯好的sof文件到FPGA電路板中，即可開始實驗操作[3]。

單片機(jī)溫度檢測與顯示實驗 實驗平臺集成了具有I2C接口的LM75A溫度傳感器，在-55～+125 ℃的溫度范圍內(nèi)將溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，顯示精度可達(dá)0.125 ℃。單片機(jī)通過I2C總線直接讀取其內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，并通過I2C接口對4個數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行操作，以設(shè)置為不同的工作模式[4]。平臺設(shè)置了LM75A的SDA和SCL引腳與單片機(jī)的P1.3和P1.4引腳硬件相連，七段數(shù)碼管的片選引腳與4-16線譯碼器74HC154的輸出端硬件相連，當(dāng)74HC154的選通端（OE1、OE2）均為低電平時，可將地址輸入端（ABCD）的二進(jìn)制編碼在譯碼器對應(yīng)的輸出端以低電平有效的形式譯出，則電路可通過地址端（ABCD）實現(xiàn)對七段數(shù)碼管的片選控制。

由于在實驗平臺中，數(shù)碼管顯示模塊的A～G引腳與FPGA的相應(yīng)引腳是硬件相連的，因此，本實驗最小系統(tǒng)只要按圖3所示對FPGA的相應(yīng)引腳進(jìn)行分配，即可進(jìn)行單片機(jī)程序的燒寫和實驗。

4 小結(jié)

實驗教學(xué)平臺的成功研制和應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)數(shù)字電路實驗箱和單片機(jī)實驗箱只能單獨開出本門課程實驗，兩門課程教學(xué)無法實現(xiàn)有效關(guān)聯(lián)的缺點，為電類各專業(yè)學(xué)生提供了一個創(chuàng)新實驗平臺。目前，實驗平臺已在計算機(jī)學(xué)院嵌入式專業(yè)開展示范應(yīng)用，并逐步推廣到自動化、電子信息工程等多個專業(yè)。通過平臺實訓(xùn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)和動手能力大幅提高，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

近年來，在校學(xué)生積極參加科技競賽活動，獲得國家級獎勵50余項，省級獎勵40余項。其中，示范應(yīng)用的嵌入式專業(yè)學(xué)生獲得國家獎勵15項，省級獎勵26項。此外，通過實驗平臺進(jìn)行教學(xué)的專任教師，教學(xué)效果備受同行和學(xué)生的好評。其中，2名教師獲得省級優(yōu)秀教師稱號，5名教師獲得市級優(yōu)秀教師稱號。實驗平臺無論是在提升學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力，還是在教師教學(xué)手段的改變和教學(xué)能力的提升方面，均取得令人滿意的效果。

[1]熊正鵬.基于PLC與單片機(jī)雙平臺控制的開放式機(jī)電教學(xué)實驗設(shè)備的研制[J].實驗室研究與探索,2004,23(12):40-41.

[2]鄧元慶,關(guān)宇,賈鵬.數(shù)字設(shè)計基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3]江國強(qiáng).數(shù)字電路的Verilog HDL設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4]蘇變玲.基于Proteus的單片機(jī)仿真教學(xué)的研究[J].實驗室研究與探索,2009,28(4):75-78.