秦 強(qiáng)，王富東

(蘇州大學(xué) 文正學(xué)院，江蘇 蘇州 215000 )

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作

秦 強(qiáng)，王富東

(蘇州大學(xué) 文正學(xué)院，江蘇 蘇州 215000 )

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是學(xué)習(xí)單片機(jī)及相關(guān)課程不可缺少的輔助手段。文中對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能和性能需求進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制作了針對(duì)MCS-51系列單片機(jī)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，設(shè)計(jì)制作的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)所期望的教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，并且可以大量節(jié)省系統(tǒng)購(gòu)置和維護(hù)的成本。

單片機(jī)；接口技術(shù)；教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

與單片機(jī)相關(guān)的課程包括單片機(jī)原理與應(yīng)用、單片機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用等，在高等學(xué)校的教學(xué)體系中具有重要的地位。首先，由于計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際系統(tǒng)差別很大，教學(xué)效果很不理想，單片機(jī)相關(guān)課程就成為替代課程;其次，單片機(jī)相關(guān)課程可以進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，甚至可以涉及其他很多課程的內(nèi)容，例如,電子電路、傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能控制等，這些相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫劐憻拰W(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。

單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備比其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單和廉價(jià)，但比較容易損壞，特別是提供學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。另外，各個(gè)學(xué)校的情況不同，一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往很難滿足所有學(xué)校的教學(xué)要求。因此，我們嘗試自制單片機(jī)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。經(jīng)過(guò)若干年的積累，我們自制的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不僅行之有效，而且能夠大量節(jié)省購(gòu)置和維護(hù)的成本。

1 功能與性能要求

1)單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備要能夠滿足單片機(jī)課程教學(xué)要求。具體來(lái)說(shuō)，就是匯編語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)與單片機(jī)內(nèi)部各個(gè)功能模塊的使用方法。這個(gè)要求一般不難做到，比較困難的是要考慮到其他課程的教學(xué)需求。

2)單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備要有足夠的硬件實(shí)驗(yàn)資源。單片機(jī)的純軟件實(shí)驗(yàn)可以采用軟件仿真進(jìn)行，這僅僅能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的需要。要使學(xué)生真正理解和掌握單片機(jī)，必須通過(guò)硬件實(shí)驗(yàn)。因此，所設(shè)計(jì)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)必須具備充分的硬件資源，除了單片機(jī)本身的硬件資源外，還應(yīng)該包括基本的鍵盤與顯示電路、串行接口的輸入輸出電路、多種存儲(chǔ)器、常用的A/D與D/A電路、新型的傳感器、簡(jiǎn)單的控制電路等。

3)良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境和編程下載手段。早期單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和編程下載手段都不是很理想，這在很大程度上影響了單片機(jī)的教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用。目前，大多數(shù)單片機(jī)的生產(chǎn)廠家都采用了第三方提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境，再配置自己開(kāi)發(fā)的編程下載工具，可以最大限度地?cái)U(kuò)大自己產(chǎn)品的適應(yīng)性，減少產(chǎn)品的市場(chǎng)成本。目前，廣泛采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Keil 公司的μVision系列軟件，對(duì)于MCS-51系列的單片機(jī)，該軟件能夠與各個(gè)公司生產(chǎn)的上千種產(chǎn)品兼容；對(duì)于某些公司的產(chǎn)品，該軟件還可以掛接下載工具，實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)試和下載功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于上述分析，我們自行設(shè)計(jì)了單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路板。該系統(tǒng)由CPU及其外圍電路、鍵盤與接口電路、靜態(tài)顯示與接口電路、LED顯示電路、A/D與D/A接口電路、EEPROM存儲(chǔ)器以及一個(gè)由555電路組成的頻率發(fā)生器電路等組成。

大多數(shù)單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用Atmel或宏晶公司的CPU。這兩個(gè)廠家的CPU內(nèi)部具有一定容量的Flash存儲(chǔ)器和RAM存儲(chǔ)器，足夠一般的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用；此外，也都具有IAP/ISP功能，通過(guò)專用的編程軟件可以實(shí)現(xiàn)程序的下載，以便用戶開(kāi)發(fā)使用。但是這兩個(gè)廠家的產(chǎn)品都需要使用專用的仿真器進(jìn)行仿真調(diào)試，很難適應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求[1]。有些資料中曾經(jīng)介紹過(guò)SST公司的單片機(jī)[2]，該單片機(jī)采用特殊的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，具有IAP/ISP功能。通過(guò)適當(dāng)?shù)能浖С郑梢院芎玫貙?shí)現(xiàn)單片機(jī)的仿真功能。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用SST89E564RD作為CPU。其內(nèi)部具有64 KB+8 KB的Flash存儲(chǔ)器，1 K字節(jié)的內(nèi)部RAM，增強(qiáng)型的MCS-51內(nèi)核，還額外包括一個(gè)PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列)模塊，足夠一般的教學(xué)與應(yīng)用系統(tǒng)使用。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Keil公司的μVision2[3]。這是目前廣泛流行的軟件，可以很容易購(gòu)買，也可以使用免費(fèi)的評(píng)估版軟件。該軟件與SST89E564RD可以實(shí)現(xiàn)良好的對(duì)接。在有關(guān)軟件的支持下，實(shí)驗(yàn)板與PC機(jī)之間可以通過(guò)串行通信接口實(shí)現(xiàn)程序的下載和調(diào)試。由于大多數(shù)個(gè)人電腦已經(jīng)取消了RS-232通信接口，我們又用USB轉(zhuǎn)串口的轉(zhuǎn)換器代替了原來(lái)的RS-232通信接口，并采用TTL電平接口直接與單片機(jī)連接。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在上述單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路板的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，并編寫了實(shí)驗(yàn)講義。單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)分為軟件實(shí)驗(yàn)(10個(gè))和硬件實(shí)驗(yàn)(10個(gè))兩個(gè)部分。軟件實(shí)驗(yàn)側(cè)重于使學(xué)生熟悉單片機(jī)的指令系統(tǒng)，訓(xùn)練學(xué)生的編程能力；硬件實(shí)驗(yàn)則側(cè)重于使學(xué)生了解和掌握單片機(jī)的功能模塊，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生使用單片機(jī)控制外部器件的技能。

3.1 軟件實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一 數(shù)據(jù)傳送實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)二 數(shù)據(jù)分類與校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)三 簡(jiǎn)單算術(shù)運(yùn)算實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)四 定點(diǎn)數(shù)算術(shù)運(yùn)算實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)五 邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)六 數(shù)制轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)七 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)八 數(shù)據(jù)排序?qū)嶒?yàn)。

實(shí)驗(yàn)九 查表與程序散轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)十 數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)。

3.2 硬件實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一 單個(gè)端口輸出控制實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)二 P1口輸出控制實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)三 定時(shí)器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)四 LED數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)五 計(jì)數(shù)器應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)六 定時(shí)中斷實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)七 外部中斷實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)八 D/A應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)九 A/D應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)十 綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾年的單片機(jī)及相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)踐，自制的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)取得了很好的實(shí)際應(yīng)用效果。由于是自制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，一旦發(fā)生損壞和故障，也可以自行維護(hù)，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的維護(hù)成本大大降低。

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)及其相關(guān)技術(shù)也在迅速發(fā)展?，F(xiàn)在的單片機(jī)和早期的單片機(jī)相比，無(wú)論是單片機(jī)本身的功能和性能，還是單片機(jī)的開(kāi)發(fā)手段和環(huán)境，都發(fā)生了翻天覆地的變化。這也會(huì)促使單片機(jī)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段發(fā)生變化。通過(guò)自制單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，我們能夠深刻地感受到這些變化，也能夠使我們不斷更新教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，跟上單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。

[1] 陳濤.單片機(jī)應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 徐愛(ài)鈞.智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì)[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]徐愛(ài)鈞.Keil Cx51V7.0單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程與uVision2應(yīng)用實(shí)踐[M]．2版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

Design and Manufacture of a MCU Experiment Board

QIN Qiang，WANG Fudong

( College of Wenzheng, Soochow University， Suzhou 215000, China)

A MCU experiment board is necessary for the course of single-chip computer and related curriculum. Based on the analysis for the function and need of MCU experiment board, we designed and fabricated an experiment board for MCS-51 micro-controller. The experiment application shows that the board can meet the expected need of the MCU course. The board cost of purchasing and maintenance can also be reduced greatly.

MCU;interfacing technology;teaching experiment system;design

2013-11-19

蘇州大學(xué)文正學(xué)院課程建設(shè)基金資助項(xiàng)目。

秦 強(qiáng)(1977-)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事電子技術(shù)、單片機(jī)與PLC等教學(xué)工作。

TP39

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.005