基于模塊化技術(shù)的單片機(jī)實驗基礎(chǔ)電路板設(shè)計與實現(xiàn)

綦志勇　魯立

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)再次激發(fā)了單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，但是當(dāng)前的單片機(jī)技術(shù)對于實驗與驗證有較大局限性，這體現(xiàn)在只完成核心板設(shè)計但是電源引出不足，或者是跳線復(fù)雜；并且在模塊化、集成化方面仍然很受限。因此本文提出了一種使用模塊化的設(shè)計技術(shù)來設(shè)計實驗基礎(chǔ)電路底板，這便于在前期技術(shù)驗證的時候有較靈活的驗證電路來支撐基本功能模塊的測試，并為后續(xù)產(chǎn)品化電路設(shè)計提供前期驗證的支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；單片機(jī)；模塊化；驗證

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）35-8548-03

目前，單片機(jī)技術(shù)伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]迎來了二次發(fā)展機(jī)遇期。這主要依賴物聯(lián)網(wǎng)的計算元節(jié)點[2]無一例外地采用了單片機(jī)技術(shù)。并且在很多應(yīng)用場合，單片機(jī)技術(shù)仍然有很大的想象空間。但是，需要看到的問題也非常突出，綜合起來有如下幾個方面。

1） 很多用戶需要在前期驗證其電路的正確性，采用的辦法就是自行搭建一個單片機(jī)核心板，并在此基礎(chǔ)上外接其他接口與應(yīng)用電路模塊。但是需要看到的是，復(fù)雜的連線，電源接口提供有限，模塊與模塊之間跳線眾多、導(dǎo)致接觸不良頻發(fā)。

2） 如果一旦制版，發(fā)現(xiàn)錯誤又再次改版、再錯再改這樣會陷入制版次數(shù)太多的問題，導(dǎo)致成本增加。如果肯能，在早期能夠直接通過模塊化較為固定的搭接電路來驗證原型功能，則改版的概率將大大降低。

3） 如果有可能使用某種單片機(jī)模塊化底板技術(shù)，則在初步驗證、學(xué)生使用、教學(xué)使用等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹欠浅Ｓ行У氖侄巍?/p>

1 研究背景

模塊化技術(shù)一直以來常用于軟硬件開發(fā)過程，軟件上采用中間件技術(shù)[3]，硬件上采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化技術(shù)[4]。模塊化對設(shè)計而言產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，從嵌入式技術(shù)角度出發(fā)，模塊化減少了設(shè)計技術(shù)中的復(fù)雜性，并且增加了設(shè)計靈活性。因此在產(chǎn)品設(shè)計過程中，采用模塊化技術(shù)實現(xiàn)前期的驗證是一個很好的手段。一般而言，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[4]當(dāng)中，尤其是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，很多模塊是常用并且用了很多年的技術(shù)，已經(jīng)非常成熟了。物聯(lián)網(wǎng)概念提出之后，對于基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計也就是增加了通訊模塊與協(xié)議軟件。其中比較重要的是協(xié)議軟件，通訊模塊也能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。該文在此僅討論使用宏晶科技公司的STC12C5A60S2芯片[5]作為單片機(jī)主控制核心來完成模塊化設(shè)計工作。

單片機(jī)底板設(shè)計對很多嵌入式開發(fā)用戶來說是一件很簡單的事情，但是對于產(chǎn)品開發(fā)而言，為了降低成本的前期系統(tǒng)搭建是必要的。這種系統(tǒng)的搭建可以在后期降低改版次數(shù)，并實現(xiàn)初步技術(shù)上的驗證工作[6]。但是需要看到的是，由于工程師的個體差異性與核心板搭建過程中的隨意性，問題百出。典型的情況就是采用多孔實驗板搭建的單片機(jī)系統(tǒng)核心，由于前期布線考慮不周，以至于后期需要搭建外部模塊化電路的時候，跳線多、電源分布不均勻、線路板分布電容雜散電容問題突出、沒有考慮EMC等等問題，導(dǎo)致前期驗證工作耗時耗力效果不一定理想，并且延誤工程周期[7]。所以本文提出一種基于模塊化技術(shù)的單片機(jī)核心板設(shè)計思路，希望對前期嵌入式技術(shù)驗證工程師而言起到一定參考作用，并希望本文的設(shè)計思路對行業(yè)當(dāng)中從事單片機(jī)教學(xué)的工作者有一定參考作用。

2 基于模塊化技術(shù)的單片機(jī)核心板設(shè)計

基于模塊化技術(shù)的單片機(jī)核心板設(shè)計方法源于模塊化設(shè)計思維。首先，模塊化是現(xiàn)代軟硬件設(shè)計的基本方法。軟件設(shè)計當(dāng)中采用基于中間件的模塊化設(shè)計技術(shù)，而硬件設(shè)計當(dāng)中采用標(biāo)準(zhǔn)的硬件模塊來快速搭建應(yīng)用電路。第二，模塊化技術(shù)有助于快速定位問題。在現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，實際應(yīng)用電路總會在調(diào)試階段出現(xiàn)某些問題，采用模塊化設(shè)計之后，定位、隔離、修改、更新問題成為較為方便的手段。當(dāng)找到問題之后，通常只需對模塊進(jìn)行替換、修改或重新設(shè)計有助于減小問題的規(guī)模。第三，模塊化技術(shù)在本專業(yè)的教學(xué)當(dāng)中能夠使得學(xué)生逐步從簡到繁，一步一步掌握接口技術(shù)應(yīng)用電路設(shè)計的設(shè)計與實現(xiàn)。該文采用的模塊化方法為預(yù)留方式，預(yù)留方式為各種模塊預(yù)留一定位置，用戶可以依據(jù)自身需求來進(jìn)行模塊的添加與卸載?？傮w的設(shè)計思路分為幾個步驟：設(shè)計核心電路模塊、設(shè)計外部模塊接口、設(shè)計底板預(yù)留部分。以下就依照這幾個步驟來完成模塊化技術(shù)的單片機(jī)核心板設(shè)計。

2.1設(shè)計核心電路模塊

本文采用的核心為STC12C5A60S2芯片，用戶也可以借鑒本文的思維開發(fā)其他的核心來作為主控。核心的總體設(shè)計為幾個部分：電源部分、晶振部分、復(fù)位部分、核心單片機(jī)部分等。

1） 電源部分設(shè)計

考慮到外部模塊采用何種供電方式是不確定的，這里的設(shè)計僅考慮輸出5V與3.3V。由于輸入電源可以直接采用5V電源，則如果采取此方式則直接引出5V；如果輸入電源為220V交流，則需要進(jìn)行交流轉(zhuǎn)5V電源模塊的設(shè)計。為簡化問題，該文采用輸入電源為外部電源5V直流輸入的方式。則應(yīng)用設(shè)計的原理圖如圖1所示：

圖1中（a）為輸入電源接頭，為直流5V，1A；圖（b）為DIP-6的6腳輸入電源開關(guān)，用于STC單片機(jī)的冷啟動[8]操作。圖（c）為USB連接接口，用于計算機(jī)為核心板提供電源?？紤]到輸出為5V與3.3V則輸出電路設(shè)計如圖2所示：

（c）

圖2 輸出3.3V電源電路與輸出電源組部分

圖2中，（a）為輸出3.3V提供電路，（b）為輸出5V電源組接口部分電路，（c）圖為輸出5V與3.3V電源接口部分電路。這樣，核心板上提供了眾多的輸出電源以便于后續(xù)用戶擴(kuò)展其需要的模塊電路提供充足的電源組?？紤]到擴(kuò)展電源模塊問題，也就是有些用戶希望自行擴(kuò)展自己的電源模塊，所以在電路設(shè)計過程中需要擴(kuò)展外部電源模塊，其接口設(shè)計如圖3所示：

預(yù)留該接口則用戶可以自行設(shè)計電源模塊，并將其輸出設(shè)計為5V直流，則核心板仍然可以正常工作。

2） 晶振部分設(shè)計

為滿足核心單片機(jī)部分的三大工作條件之一時鐘電路，該文設(shè)計時鐘電路（晶振部分）如圖4所示：

圖4中的晶振電路采用了18.432Mhz的晶體振蕩器，使用18.432Mhz晶振的優(yōu)勢在于：如果希望單片機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行通訊，則當(dāng)采用該參數(shù)的晶振計算波特率時，某些速率的誤碼率為0相對適合。

3） 復(fù)位部分設(shè)計

為滿足核心單片機(jī)部分的三大工作條件之一復(fù)位電路，該文設(shè)計復(fù)位電路如圖5所示。

4） 核心電路模塊部分設(shè)計

核心電路模塊部分設(shè)計包含：核心處理器部分、芯片濾波部分、系統(tǒng)電源指示燈部分、P0口上拉部分。具體設(shè)計電路如圖6所示：

5） 設(shè)計底板預(yù)留部分

設(shè)計底板預(yù)留部分主要為預(yù)留各種基本接口。此部分一般應(yīng)依據(jù)用戶需求來設(shè)計，但是此處可以采用預(yù)留幾種標(biāo)準(zhǔn)方式來完成：預(yù)留流水燈、預(yù)留USB外部模塊接口、預(yù)留232模塊接口、預(yù)留全部I/O接口。見圖7所示：

圖7中（a）顯示了USB外接模塊與RS232外接模塊的接口，圖（b）顯示了LED流水燈的模塊，該模塊主要用戶在使用I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中的人為狀態(tài)可視化判定，圖（c）顯示了外部I/O接口模塊。

綜上所述，在原理圖設(shè)計上的模塊化工作基本上圍繞著核心電路設(shè)計與外部模塊引出兩個方面。其中，電源組的接口希望盡可能地多；其他部分接口應(yīng)該盡可能引出，以滿足用戶擴(kuò)展需求。原理圖部分顯示的僅僅是一個概念性的設(shè)計，實際電路對于模塊化的支持在機(jī)械路板布局方面應(yīng)予以充分支持。因此，下一節(jié)重點介紹實際電路布局中對模塊化的支持。

3 實現(xiàn)與驗證

通過上述的原理圖設(shè)計可見，在原理圖層面對模塊化的支持是充分預(yù)留各種接口，以備用戶未來的模塊擴(kuò)展用；但是，僅有原理圖層次的模塊化支持遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這是由硬件模塊本身就是一個實體模塊決定的。實體模塊存在機(jī)械尺寸、電源支持、信號連接以及在電路板上如何穩(wěn)定地固定等問題存在。因此對機(jī)械電路板設(shè)計當(dāng)中應(yīng)當(dāng)充分考慮這些因素并盡可能規(guī)避某些影響上述因素的問題。

1） 支撐模塊化硬件結(jié)構(gòu)的底板布局

硬件模塊以模塊功能為劃分基礎(chǔ)，通常有電源與復(fù)位部分電路模塊、通訊電路模塊、USB電源與3.3V供電模塊、核心控制底板模塊、其他預(yù)留模塊等部分。整個底板的PCB圖如圖8所示：

由圖8（a）可見七個任意擴(kuò)充均有機(jī)械安裝孔的模塊預(yù)留，允許用戶采用通用連接件任意固定各種需要的自由設(shè)計模塊。（a）圖左側(cè)剩余三個模塊為：電源與復(fù)位模塊，用于外部電源模塊用戶設(shè)計輸入、或是直接5V直流輸入，并提供一個復(fù)位、一個總電源開關(guān)、一個外部5V電源輸入接頭、3組5V輸出、3組3.3V輸出；串行通訊模塊，用于外部用戶自定義RS232電平轉(zhuǎn)換輸入，或是USB轉(zhuǎn)232電平轉(zhuǎn)換模塊輸入，并附帶了安裝孔，允許用戶采用通用連接件任意固定這些模塊；3.3V 電源轉(zhuǎn)換模塊，允許用戶直接使用USB電源作為輸入，并轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電源5V直流為3.3V直流輸出。（b）圖上絲印層有版權(quán)標(biāo)記。以上就是模塊化設(shè)計的底板PCB結(jié)構(gòu)圖全貌。

2） 實際電路板與測試驗證

實際制版之后的電路需要經(jīng)過測試驗證，實際制版并焊接元器件之后的實際電路圖如圖9所示：

連接RS232模塊到電腦的串口后，通訊成功。該文的測試分別使用了RS232連接線連接到電腦與USB轉(zhuǎn)串口（分別測試了CH340主控、PL2303主控、FT232主控等串行轉(zhuǎn)USB）連接到電腦，經(jīng)測試下載正常、運行測試代碼（跑馬燈，測試10片主板）均正常。

通過上述設(shè)計與實現(xiàn)過程可見，硬件的模塊化設(shè)計技術(shù)在于依照功能的模塊劃分。且在底板設(shè)計過程中，重點需要考慮的是模塊的電源支持、機(jī)械固定方式、接口連接等問題。充分考慮這些問題可以設(shè)計出具有一定范圍內(nèi)適用性的單片機(jī)底板，并具支持前提模塊化驗證工作。

4 總結(jié)與展望

本文提出了一種基于模塊化的電路設(shè)計技術(shù)，主要為滿足制版之前的前期技術(shù)驗證工作。文中重點介紹了采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心處理單元的原理圖、線路板設(shè)計方法，著重強(qiáng)調(diào)了原理圖上的模塊接口預(yù)留問題并推薦了PCB的機(jī)械模塊預(yù)留方法，使用該方法可以簡單設(shè)計單片機(jī)的主控制底板，并能較好地支持模塊化前期驗證工作。由于經(jīng)驗與技術(shù)有限，在原理圖與PCB布局方面本設(shè)計仍略顯不足，在后續(xù)的研究中將加入常用的接口模塊電路到各個模塊部分中，使得該基礎(chǔ)電路設(shè)計更具針對性、與擴(kuò)展性。

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