梁 璐 ，潘 麗

（1.蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程系, 甘肅 蘭州 730070；2.西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)防科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710071 ）

單片機(jī)作為電子技術(shù)中經(jīng)典的器件歷經(jīng)數(shù)代發(fā)展，演進(jìn)之后，它的應(yīng)用已經(jīng)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域。如：智能家電；智能IC卡；智能儀表；汽車導(dǎo)航；高速列車控制系統(tǒng)；飛行器導(dǎo)航裝置；醫(yī)療儀器；物聯(lián)網(wǎng)通訊與數(shù)據(jù)終端；工業(yè)自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)處理、機(jī)器人等等。[1]單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)必須接軌行業(yè)的發(fā)展，緊跟先進(jìn)技術(shù)的腳步，為教學(xué)服務(wù)，為人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。早期我國(guó)引入單片機(jī)以Intel的MCS-51系列為主，因而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)多以51系列單片機(jī)為核心，然而電子技術(shù)的飛速發(fā)展使得僅僅掌握51單片機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)不能滿足實(shí)際領(lǐng)域的任務(wù)和功能需求，需要引入處理能力更強(qiáng)，兼容功能多的單片機(jī)才能適應(yīng)當(dāng)代單片機(jī)應(yīng)用的發(fā)展。設(shè)計(jì)兼容不同廠家系列的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱可以有效解決教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用的矛盾。多核心單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)要在架構(gòu)上兼容多種系列的單片機(jī)核心，能夠?qū)崿F(xiàn)不同核心工作電平的轉(zhuǎn)換和模塊的功能復(fù)用，形成可綜合，可裁剪的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 多核心架構(gòu)設(shè)計(jì)

多核心架構(gòu)的首要問題是確定實(shí)驗(yàn)箱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在眾多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，星形拓?fù)涫且环N性能穩(wěn)定，功能可多樣的實(shí)驗(yàn)箱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，向周邊輻射展開各功能模塊并接入電源等基本單元，便于單片機(jī)對(duì)于各功能模塊的管理和數(shù)據(jù)交互，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)時(shí)在實(shí)驗(yàn)箱上要布局好單片機(jī)實(shí)驗(yàn)或開發(fā)所需的電路模塊，并預(yù)留好與單片機(jī)引腳連接的端口。由于多核心是采用不同系列的單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)生在不同階段不同層次學(xué)習(xí)進(jìn)行核心的更換與選擇，所以需要針對(duì)單片機(jī)工作的電平要求進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保證在周邊功能模塊無須改動(dòng)的情況下能夠與多種單片機(jī)工作電平兼容。

設(shè)計(jì)過程中，外圍模塊接受單片機(jī)最小系統(tǒng)的控制，并接收或發(fā)送需要處理的數(shù)據(jù)完成某個(gè)特定任務(wù)的數(shù)據(jù)處理過程。作為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)的選擇非常多，多核心單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)兼顧教學(xué)與控制開發(fā)，根據(jù)不同任務(wù)和學(xué)習(xí)層次設(shè)計(jì)多款不同種類單片機(jī)最小系統(tǒng)板，選用的單片機(jī)及其資源如表1所示[2-4]。

圖1 星形拓?fù)鋯纹瑱C(jī)實(shí)驗(yàn)箱Fig.1 Star topology experiment case

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、電源、復(fù)位電路(含上電復(fù)位及按鍵復(fù)位)和時(shí)鐘電路。[5]在最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到單片機(jī)工作的穩(wěn)定性和針對(duì)特定任務(wù)的可移植性，將晶振和電源接口保留，I/O端口采用IDC封裝的接插件與實(shí)驗(yàn)箱底板對(duì)接。由于，選擇的單片機(jī)在程序下載時(shí)采取不同的方式，最小系統(tǒng)板上根據(jù)單片機(jī)的不同設(shè)計(jì)下載接口如ISP接口、JTAG接口等，如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

選用不同的單片機(jī)核心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制，設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱不同，由此帶來的硬件設(shè)計(jì)過程也發(fā)生了變化。本節(jié)主要討論多核心單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的硬件設(shè)計(jì)過程中的特殊部分，為此類設(shè)計(jì)提供參考。

在目前大多數(shù)電子系統(tǒng)中，對(duì)電壓電平轉(zhuǎn)換的需求非常普遍。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)（MCU）可能在電源電壓VCCA下工作，而功能模塊中的I/O 設(shè)備可能在電源電壓VCCB下工作。為了使這些器件間能夠互相通信，需要如圖3所示的電平轉(zhuǎn)換解決方案。

表1 最小系統(tǒng)單片機(jī)資源對(duì)照Tab.1 Microcontroller minimum system resource control

圖2 實(shí)驗(yàn)箱最小系統(tǒng)核心板原理圖Fig.2 Core plate minimum system diagram of the experimental box principle

圖3 電平轉(zhuǎn)換解決方案示意圖Fig.3 level conversion solution

該電平轉(zhuǎn)換方案是單片機(jī)控制核心能夠與各實(shí)驗(yàn)功能模塊無縫銜接的硬件保證。隨著控制核心的更換，電平轉(zhuǎn)換模塊也要根據(jù)其電平的不同進(jìn)行電平的匹配。常用的電平轉(zhuǎn)換方案如表2所示。

由表2可知，實(shí)現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換的方法有很多種，每種都具有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于大多數(shù)電平轉(zhuǎn)換應(yīng)用領(lǐng)域，使用雙電源電平轉(zhuǎn)換器通常是最佳選擇。本實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)選用德州儀器（TI）公司的雙電源轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC8T245進(jìn)行設(shè)計(jì)。

使用SN74LVC8T245根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)板和功能模塊工作電平不同，在VCCA和VCCB端連接相應(yīng)的電源，再由單片機(jī)控制SN74LVC8T245的DIR、/OE引腳即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由此使得電源的設(shè)計(jì)要能夠?qū)崿F(xiàn)多電平供給。電源作為電子設(shè)備的能量核心在多核心單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)中采用多電源模塊構(gòu)成電源單元，以匹配不同的電平要求。考慮到電源穩(wěn)定性，紋波，功耗，體積等因素，選用TI公司的PTH03050W作為電源核心。

表2 電平轉(zhuǎn)換方案比較Tab.2 Level conversion scheme comparison

圖4 3.3 V電源電路原理圖Fig.4 3.3 V power circuit diagram

PTH03050W是一款針對(duì)低功耗多電壓輸出電路設(shè)計(jì)的電源模塊，它提供高效率，高精度，大電流的電壓轉(zhuǎn)換。[6]工作時(shí)，輸入電壓為5 V，選擇不同的取樣電阻R SET，就可以得到0.8～3.6 V范圍內(nèi)的任意電壓值。據(jù)此，本實(shí)驗(yàn)箱的3.3 V電源設(shè)計(jì)如圖4所示，從圖中可以看出該模塊使用十分方便，配置了必要的輸入輸出電容后，RSET為710 Ω時(shí)，就可以在輸出端得到3.3 V的電壓。

實(shí)驗(yàn)箱控制核心采用不同類型的單片機(jī)，處理能力，可用I/O端口數(shù)量都不相同。尤其是在I/O資源有限的單片機(jī)系統(tǒng)中，I/O端口能夠分時(shí)復(fù)用將極大節(jié)約諸如AT89S51單片機(jī)的端口資源。常用的解決端口資源緊缺的方法包括減少外圍器件所需的控制總線的數(shù)目，采用端口復(fù)用技術(shù)增加端口數(shù)目。[7]實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)中采用增加鎖存器來實(shí)現(xiàn)端口的復(fù)用。如8位數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，8位段碼數(shù)據(jù)和8位位掃描數(shù)據(jù)需要占用16位I/O端口，若使用AT89S51作為控制核心來實(shí)現(xiàn)稍復(fù)雜的控制系統(tǒng)，資源將十分緊張。在電路設(shè)計(jì)時(shí)選用兩片74HC573連接到單片機(jī)的同一端口，分時(shí)接收段碼和位碼數(shù)據(jù)則數(shù)據(jù)線只使用8位，另外增加兩根口線分別使能兩個(gè)不同的芯片就可以在程序的配合下輕松完成數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的任務(wù)，即增加鎖存器可以使原本需要16位線完成的任務(wù)現(xiàn)在只需要10位端口就可以完成。實(shí)現(xiàn)這一過程的實(shí)際的工作電路如圖5所示。在單片機(jī)程序控制下某端口輸出高電平使得WELA信號(hào)有效，芯片U3接收位掃描碼并鎖存輸出，實(shí)現(xiàn)位掃描；下一時(shí)刻DULA有效，芯片U4接收位段碼數(shù)據(jù)并鎖存輸出，實(shí)現(xiàn)段碼顯示，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼的動(dòng)態(tài)顯示。

圖5 鎖存器實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管段碼位碼復(fù)用原理圖Fig.5 Latch the realization of digital tube segment coded multiplexing principle diagram

3 結(jié)束語

多核心單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)解決了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)分層次教學(xué)，為學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，思考創(chuàng)新性的突破搭建了平臺(tái)。通過規(guī)劃實(shí)驗(yàn)箱的架構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)為此類電路的設(shè)計(jì)提供了一些可參考的方案。

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