摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和可編程邏輯器件的模式化綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用電路可動(dòng)態(tài)重組的設(shè)計(jì)方案，在一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上既可同時(shí)滿足“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”、“可編程邏輯器件與應(yīng)用”、“單片機(jī)原理與應(yīng)用”三門課程的教學(xué)需要，也能完成綜合性設(shè)計(jì)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共8個(gè)模式，預(yù)留擴(kuò)展接口，且EDA核心板和單片機(jī)均可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行更換。綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用方便、靈活、可升級(jí)性好。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生反映良好，極大地提升了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 可編程邏輯器件； 模式化； 電路動(dòng)態(tài)重組； 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）02?0134?04

0 引 言

“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”、“可編程邏輯器件與應(yīng)用”、“單片機(jī)原理與應(yīng)用”是電子類相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)課程，在電工電子教學(xué)中占有非常重要的地位，也是現(xiàn)代EDA技術(shù)的重要組成部分。一方面，三門課程都具有很強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用性，學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在于通過(guò)實(shí)踐，真正掌握軟硬件的有機(jī)結(jié)合和實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用能力[1]。另一方面，三門課程聯(lián)系緊密，其中“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”課程是“可編程邏輯器件與應(yīng)用”課程的基礎(chǔ)，且隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的采用分立元件完成數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的方法也逐漸被可編程邏輯器件所替代。同時(shí)，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)需要利用74系列器件和可編程邏輯器件對(duì)單片機(jī)外圍電路進(jìn)行擴(kuò)展。因此，三門課程在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可分割。

雖然目前市場(chǎng)上有各式各樣的數(shù)字電路、EDA或單片機(jī)的教學(xué)設(shè)備，但大多是獨(dú)立的、“單板式”的設(shè)計(jì)模式，即使有少量綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也只是簡(jiǎn)單的把幾門課程的實(shí)驗(yàn)資源集成到一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后根據(jù)需要采用導(dǎo)線連接，和獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。此外，不同實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的某些功能模塊的硬件電路是相同的；但在不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，相同的模塊并不能共享，存在資源的浪費(fèi)。最后，一體化的設(shè)計(jì)難于進(jìn)行功能的擴(kuò)展，不利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)[2?3]。 在這種情況下，從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和提高綜合利用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力出發(fā)，迫切需要一種既能完成每門課程的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，又能完成綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)上述問(wèn)題，采用電路動(dòng)態(tài)重組的方式，提供0～7共8個(gè)模式，在一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上既含有數(shù)字電路常用邏輯芯片的功能，也含有可編程邏輯器件、單片機(jī)的硬件資源，可同時(shí)滿足三門課程的教學(xué)需要。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還預(yù)留擴(kuò)展接口，可以將設(shè)計(jì)的擴(kuò)展電路連接到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有利于訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用電路可動(dòng)態(tài)重組的設(shè)計(jì)方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)分為：主控電路模塊、單片機(jī)模塊、PLD模塊、人機(jī)交互模塊、顯示模塊、矩陣按鍵模塊以及預(yù)留擴(kuò)展接口模塊。

主控電路模塊是完成電路動(dòng)態(tài)配置的核心，能夠?qū)崿F(xiàn)所有資源之間的任意連接。

人機(jī)交互模塊通過(guò)LCD12864顯示器和按鍵提供友好的配置界面，實(shí)現(xiàn)模式的選擇、設(shè)置信號(hào)的參數(shù)以及觀察測(cè)量結(jié)果等功能。

顯示模塊、矩陣按鍵模塊又可統(tǒng)稱為基本外設(shè)模塊，提供基本的輸入輸出資源。綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還配備信號(hào)發(fā)生和檢測(cè)功能，能夠產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號(hào)，并能測(cè)量輸入信號(hào)的頻率和電壓。

1.1 主控電路模塊

主控電路模塊采用Altera公司的MAXⅡ系列EPM570T144C5N作為控制芯片，MAXⅡ系列器件既具有FPGA的查找表的體系結(jié)構(gòu)和性能，又具有CPLD存儲(chǔ)數(shù)據(jù)非易失性、易于編程和瞬時(shí)接通的功能，應(yīng)用更加靈活、方便。該系列器件由于編程時(shí)不需要外部存儲(chǔ)器件這一在用戶看來(lái)更容易識(shí)別的特性，所以被Altera公司歸入CPLD。主控電路實(shí)現(xiàn)電路的動(dòng)態(tài)重組，可按需配置成不同的連接，實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不同模式，連接示意如圖2所示。單片機(jī)模塊、PLD模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊、基本外設(shè)模塊等通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I/O口直接和主控電路中的CPLD器件EPM570T144C5N連接（實(shí)線雙向箭頭所示）。由于器件內(nèi)部具有豐富的互連線，只需簡(jiǎn)單的硬件編程即可實(shí)現(xiàn)不同I/O接口之間的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)發(fā)，即實(shí)現(xiàn)片上數(shù)據(jù)路由的功能。因此，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言HDL（Hardware Description Language）對(duì)該CPLD進(jìn)行編程，即可完成其他功能模塊之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)這些模塊之間的間接連接（虛心雙向箭頭所示）。對(duì)用戶而言，用戶只需要通過(guò)人機(jī)交互模塊進(jìn)行配置控制，選擇需要的模式，就能調(diào)用預(yù)先存儲(chǔ)好的不同連接配置信息，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同模塊之間的動(dòng)態(tài)連接。具體說(shuō)來(lái)，有三種形式的連接：

（1） 把基本外設(shè)模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊、信號(hào)產(chǎn)生和測(cè)量連接到PLD模塊，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立可編程邏輯器件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。同時(shí)可編程邏輯器件還可模擬74系列數(shù)字芯片，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。

（2） 把基本外設(shè)模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊、信號(hào)產(chǎn)生和測(cè)量連接到單片機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。

（3） 把單片機(jī)模塊與PLD模塊進(jìn)行連接，再通過(guò)PLD模塊連接基本外設(shè)模塊、預(yù)留擴(kuò)展接口模塊等，實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能。

對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，這些模塊之間是直接連接的，用戶只能接觸到基于動(dòng)態(tài)重組電路之上的各個(gè)功能模塊。

主控電路EPM570T144C5的具體連接電路如圖3所示。

1.2 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊目前選用器件為SST89E516RD，是SST公司生產(chǎn)的一款基于8051內(nèi)核的8位單片機(jī)，最大特點(diǎn)是具有在線下載和在線調(diào)試功能。其管腳兼容AT89C51，時(shí)鐘頻率0～40 MHz，集成1 KB片內(nèi)RAM，64 KB+8 KB的FLASH E2PROM。此外，單片機(jī)模塊還配置溫度傳感器DS18B20，8 KB串行E2PROM AT24C08。單片機(jī)器件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接插件連接到EPM570T144C5N，可根據(jù)需要隨時(shí)更換。

1.3 PLD模塊

該模塊可根據(jù)需要更換不同的EDA核心板。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用自行設(shè)計(jì)的EDA核心板，選用Altera公司的CycloneⅢ系列EP3C10E144C8，含有10 320個(gè)邏輯單元（LE）、46個(gè)M9K模塊、423Mbit的RAM、以及23個(gè)18×18硬件乘法器、2個(gè)PLL、10個(gè)Gclks。該EDA核心板還提供8個(gè)獨(dú)立按鍵，1個(gè)40 MHz的有源晶振。

及外圍硬件的連接示意

1.4 其他外圍硬件資源

在人機(jī)交互模塊、顯示模塊、以及矩陣按鍵模塊還提供一些常用的硬件資源，包括：10位高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS7822、12位高精度D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615、8個(gè)發(fā)光二極管、8個(gè)共陰7段數(shù)碼管、字符液晶1602、帶字庫(kù)點(diǎn)陣液晶12864、蜂鳴器、4×4矩陣按鍵等。

1.5 擴(kuò)展接口

可通過(guò)P3、P4兩個(gè)40針雙排插座實(shí)現(xiàn)與其他電路的連接，靈活支撐各類設(shè)計(jì)項(xiàng)目，有利于學(xué)生綜合、創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模式

綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模式化結(jié)構(gòu)，有0～7共8個(gè)模式，可通過(guò)人機(jī)交互模塊中的按鍵S0～S4進(jìn)行選擇。其中模式0～4是單片機(jī)模式，模式5～7是可編程邏輯器件模式。不同模式下，電路的結(jié)構(gòu)以及外圍硬件資源均有不同。

2.1 單片機(jī)模式

的P0口，控制信號(hào)RS、RW和E分別連接到P2.5口，P2.6口，P2.7口。為了簡(jiǎn)化編程，在模式1下，LCD1602被禁止讀“忙”。這意味著，如果選用模式1對(duì)1602進(jìn)行操作時(shí)，只能通過(guò)延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。TLC5615的控制信號(hào)nCS和SCK分別連接到P3.2口和P3.6口，而串行數(shù)據(jù)則通過(guò)P3.7口進(jìn)行傳輸。

模式2與模式1基本一致，區(qū)別在于將LCD1602換為12864。同樣，模式2也不允許對(duì)12864進(jìn)行讀“忙”操作。

模式3是單片機(jī)I/O擴(kuò)展模式，通過(guò)P0口和P2口進(jìn)行I/O擴(kuò)展；其中P0口用作數(shù)據(jù)通道，P2口用作控制通道。如：P2.0口用于使能發(fā)光二極管，P2.1口用于使能數(shù)碼管的段選信號(hào)，P2.2口用于使能數(shù)碼管的位選信號(hào)，P2.3和P2.4控制矩陣按鍵，P2.5和P2.6控制液晶顯示器。在模式3下，單片機(jī)可以使用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的所有外圍硬件資源。

模式4是單片機(jī)總線模式，所有外圍硬件資源通過(guò)總線與單片機(jī)相連，外圍硬件資源地址為0x0400～0x0600。

2.2 可編程邏輯器件模式

圖7所示為模式5電路結(jié)構(gòu)，即可編程邏輯器件模式。在模式5下，連接有發(fā)光二極管、數(shù)碼管、4×4矩陣按鍵、TLC5615以及蜂鳴器。SW0～SW7是EDA核心板上的8個(gè)獨(dú)立按鍵，按下為邏輯“0”。其中SW5連接在EP3C10E144C8芯片的多功能管腳nCEO上，需要通過(guò)軟件將該管腳設(shè)置為普通I/O腳，否則按鍵SW5不能使用。提供三個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，clk0連接EDA核心板上的40 MHz有源晶振，clk1和clk2可在人機(jī)交互模塊進(jìn)行選擇。

模式6與模式5基本一致，所不同的是模式6沒(méi)有連接數(shù)碼管，而是連接LCD1602。同樣，在模式6下，1602不允許“讀忙”操作。模式7將模式6的1602換為12864，其他連接完全相同。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制為實(shí)驗(yàn)箱的形式，如圖8所示。目前已在我校承擔(dān)了“單片機(jī)原理與應(yīng)用”和“可編程邏輯器件與應(yīng)用”兩門課程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

（1） “單片機(jī)原理與應(yīng)用”相關(guān)實(shí)驗(yàn)

包括流水燈的實(shí)現(xiàn)、數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)、接口技術(shù)——按鍵、串口通信、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)、數(shù)控信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)、數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)、彩燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電子萬(wàn)年歷的設(shè)計(jì)等[4]。

（2） “可編程邏輯器件原理與應(yīng)用”相關(guān)實(shí)驗(yàn)

包括：計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)、LPM模塊的應(yīng)用、數(shù)控分頻器的設(shè)計(jì)、數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)、數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)、硬件電子琴的設(shè)計(jì)、矩陣鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì)、直接數(shù)字頻率合成器（DDS）的設(shè)計(jì)、D/A轉(zhuǎn)化控制、字符型LCD顯示、數(shù)字調(diào)制模塊的設(shè)計(jì)、循環(huán)冗余校驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計(jì)等[5]。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)良好的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)提供優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[6]。該綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模式化結(jié)構(gòu)、電路動(dòng)態(tài)重組、預(yù)留擴(kuò)展接口，較好地適應(yīng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。從2009年投入批量生產(chǎn)以來(lái)，學(xué)生反映良好，極大地提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。此外，還為本科畢業(yè)生提供了畢業(yè)設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠滿足多種教學(xué)需求。

參考文獻(xiàn)

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