一種適用于課堂使用的便攜式數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

郭以賀 張寧 何玉鈞

摘? 要 目前，大多數(shù)高等院校數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)滯后于課堂講授，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容占講授內(nèi)容的比例偏低。為了實(shí)現(xiàn)在課堂上邊講授邊實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并幫助學(xué)生及時(shí)掌握授課內(nèi)容，設(shè)計(jì)一種便攜式數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其核心由邏輯分析儀和各種基本數(shù)字電子電路組成，采用STM32F103處理器作為主控芯片，采用液晶顯示屏和按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。實(shí)踐表明，采用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，有效提高了課堂教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 邏輯分析儀;數(shù)字電子技術(shù);微處理器;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）20-0027-02

Design of Portable Digital Electronic Technology Experimental Platform with Classroom//GUO Yihe， ZHANG Ning， HE Yujun

Abstract At present， the experimental teaching of the course “Digital Electronic Technology Basis” in most universities lags behind the classroom teaching， and the proportion of the experimental content in the teaching content is low. In order to realize the experiment while teaching in class， stimulate interest in learning and help stu-dents grasp the teaching content in time， this paper designs a portabledigital electronic technology experimental platform， which consists of logic analyzer and various basic digital electronic circuits. The STM32F103 processor is used as the main control chip， and the hu-man-machine interaction is realized by LCD and keys. Practice showsthat the experimental platform can effectively improve the quality of?classroom teaching.

Key words logic analyzer; digital electronic technology; micro-pro-cessor; experimental platform

1 前言

高等院校數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程包括課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在課堂教學(xué)中，一般通過(guò)板書或幻燈片等方式呈現(xiàn)電路的輸入和輸出邏輯關(guān)系。受實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)限制，大部分高校只能讓學(xué)生對(duì)課程講授的部分電路在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，實(shí)驗(yàn)滯后于講授，當(dāng)學(xué)生在課堂遇到難以理解的問(wèn)題時(shí)，往往不能進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)的效果也就難以保證。由于實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和學(xué)時(shí)有限，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將主要時(shí)間花在導(dǎo)線連接上，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和思考反而不足。

本文旨在設(shè)計(jì)一種便攜式的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，供學(xué)生在課堂及課下進(jìn)行電路邏輯功能驗(yàn)證。教師可以一邊講授一邊讓學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，從而及時(shí)消化所學(xué)知識(shí)，遇到問(wèn)題后可以及時(shí)反饋給教師，從而實(shí)現(xiàn)師生間及時(shí)有效的互動(dòng)，將講授的知識(shí)消化在課堂中。這樣在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中就不必再進(jìn)行基本電路的功能驗(yàn)證，從而通過(guò)設(shè)計(jì)綜合性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

2 設(shè)計(jì)思路

數(shù)字電路輸入輸出引腳往往較多，輸入和輸出之間具有特定的邏輯關(guān)系，傳統(tǒng)的示波器一般只有兩個(gè)通道，不適于對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行同步觀察。數(shù)字電路往往只關(guān)注邏輯電平的高低，而不在意具體的電平數(shù)值，因此，邏輯分析儀應(yīng)運(yùn)而生[1]。時(shí)至今日，邏輯分析儀已經(jīng)是分析數(shù)字系統(tǒng)不可或缺的儀器。邏輯分析儀有三個(gè)重要參數(shù)，分別是閾值電壓、采樣率和存儲(chǔ)深度。隨著后兩個(gè)參數(shù)要求的提高，邏輯分析儀實(shí)現(xiàn)的難度越大，成本也越高。而針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的便攜式邏輯分析儀對(duì)采樣率和存儲(chǔ)深度的要求并不太高，如采樣率1 MHz、存儲(chǔ)深度1 kB就能滿足要求。

隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，基于微處理器實(shí)現(xiàn)便攜式邏輯分析儀成為可能。本文采用STM32F103處理器，該芯片基于Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz[2-3]，內(nèi)置256 kB的Flash存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)代碼的固化，內(nèi)置48 kB的 RAM存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，不需要外置RAM就能滿足便攜式邏輯分析儀的采樣和存儲(chǔ)要求。軟件設(shè)計(jì)則基于MDK5開發(fā)平臺(tái)和C語(yǔ)言開發(fā)[4]，程序包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等幾個(gè)部分。

3 實(shí)現(xiàn)方案

為滿足課堂實(shí)驗(yàn)的需求，所設(shè)計(jì)邏輯分析儀采用常見(jiàn)的手機(jī)充電寶供電，因此，本系統(tǒng)5 V電源采用Mini USB供電，由于STM32F103等芯片需要3.3 V供電，故使用一片LDO芯片AMS1117-3.3實(shí)現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)3.3 V。處理器采用8 MHz的無(wú)源晶振，通過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻至64 MHz作為處理器的時(shí)鐘。邏輯波形通過(guò)屏幕分辨率為320×240的TFT-LCD顯示，每個(gè)像素點(diǎn)支持16位色。TFT-LCD模塊接口的數(shù)據(jù)端口采用16位的并口，可以提供足夠快的傳輸速率，處理器通過(guò)FSMC接口連接LCD。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置六個(gè)按鍵，分別提供上、下、左、右、確定和取消功能，在不同的界面下可以通過(guò)六個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置和功能選擇。為實(shí)現(xiàn)配置參數(shù)掉電不丟失，外擴(kuò)一片閃存芯片W25Q64，將重要的參數(shù)存儲(chǔ)到該芯片中。同時(shí)設(shè)置四個(gè)LED，提供必要的電平指示功能。

和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程有關(guān)的測(cè)試電路，如基本門電路、觸發(fā)器、譯碼器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器等，采用體積較小的貼片封裝，輸入和輸出連接至處理器的IO口，通過(guò)按鍵可靈活地設(shè)置不同的輸入模式，通過(guò)液晶實(shí)現(xiàn)輸入和輸出的顯示。這樣一來(lái)，學(xué)生可以準(zhǔn)確地了解相關(guān)電路的輸入輸出邏輯關(guān)系，并通過(guò)不同的配置，全面測(cè)試電路的功能。此外，通過(guò)硬件設(shè)置相應(yīng)的跳線帽，學(xué)生可以手動(dòng)修改電路的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行豐富的嘗試和電路設(shè)計(jì)。

軟件基于STM32的固件庫(kù)進(jìn)行開發(fā)，將需要讀取的IO口配置成下拉輸入高速模式，輸出IO口設(shè)置為推挽輸出，測(cè)試電路的時(shí)鐘由處理器輸出。設(shè)置定時(shí)器的中斷頻率最高為1 MHz，即最快每1 μs翻轉(zhuǎn)一次時(shí)鐘電平，并在中斷服務(wù)函數(shù)中同步讀取測(cè)試電路各個(gè)輸出口的電平，保存在RAM中。

以74HC163計(jì)數(shù)器電路為例，電路如圖1所示。其中時(shí)鐘CLK、置數(shù)輸入端P0-P3接處理器輸出IO口;計(jì)數(shù)輸出Q0-Q3、進(jìn)位TC接處理器輸入IO口;S1為撥碼開關(guān)，可手動(dòng)控制，計(jì)數(shù)輸出經(jīng)4輸入與非門SN74HC20反饋到置數(shù)端，實(shí)現(xiàn)小于16的其他進(jìn)制計(jì)數(shù)器[5]。學(xué)生可以設(shè)定不同的置數(shù)數(shù)值和撥碼開關(guān)位置并通過(guò)液晶觀察電路的各種輸出結(jié)果，從而全面準(zhǔn)確地理解電路的工作原理。與采用LED或數(shù)碼管方式觀察電路輸出相比，邏輯分析儀可以清楚地顯示各個(gè)觀察波形的相位關(guān)系。教師也可以在課堂上提出設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目，根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果，及時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容。而在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以安排更為復(fù)雜的兩片163計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)100進(jìn)制、60進(jìn)制計(jì)數(shù)等綜合性題目。

液晶顯示屏呈現(xiàn)的邏輯波形效果如圖2所示，同時(shí)通過(guò)按鍵控制可以對(duì)顯示波形進(jìn)行縮放，滿足不同情況下的觀察需求。在待機(jī)界面中可以通過(guò)選擇不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)入不同的顯示界面，滿足各個(gè)實(shí)驗(yàn)的特定需求。同時(shí)利用處理器內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能，可以測(cè)量各個(gè)波形的頻率，幫助學(xué)生更好地理解計(jì)數(shù)器的分頻功能。

4 結(jié)語(yǔ)

以便攜式數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出一種以STM32F103處理器為核心的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)邏輯分析儀功能與數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程常見(jiàn)電路的有機(jī)結(jié)合。便攜式數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體積小、成本低，可以在課堂教學(xué)中發(fā)放給學(xué)生使用，通過(guò)邊講邊練，提高課堂教學(xué)效率，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1]徐杰.電子測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用[M].2版.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2018.

[2]鄭亮，鄭士海.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)踐：基于STM32F10x系列[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[3]陳啟軍，余有靈，張偉.嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用：基于Cortex-M3內(nèi)核和STM32F系列微控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2014.

[4]李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]謝志遠(yuǎn)，尚秋峰.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.