李學海，曲文敬，李 影

（石家莊郵電職業(yè)技術學院 電信系，河北 石家莊 050021）

單片機原理及應用技術的學習是一個實踐性強、環(huán)節(jié)多的復雜過程，基于單片機的項目開發(fā)則是一項極富挑戰(zhàn)性、創(chuàng)造性、開拓性和趣味性的工作。筆者在自己的專著中最先提出了關于單片機的“三鏈條”概念——全程知識鏈、軟件工具鏈、硬件工具鏈。它高度概括了初學者要想學好、用好單片機所必須遵循的三條主線［1-2］。知識鏈用于指引初學者的理論學習過程；軟件工具鏈和硬件工具鏈用于支撐學習者或應用者的實戰(zhàn)訓練或項目開發(fā)流程。為了更好地滿足企業(yè)的用人需求，在高校的單片機實踐教學中，必須直接面向單片機的工具鏈。

1 軟硬件工具鏈的概念、意義與關系

對于那些僅僅想了解單片機基本概念、學習單片機基本原理的初學者，也許只利用免費的KEIL軟件包也能達到學習單片機的最低需求。不過，對于那些想把單片機應用于自己的課程設計、畢業(yè)設計、電子制作、科研項目或電子產品之中的應用者來說，就遠不能滿足需要了。

雖然在單片機的集成開發(fā)軟件平臺μVision上，可以實現(xiàn)“純軟件”方式的項目調試，但是畢竟與實際的單片機應用開發(fā)還有相當大的距離，往往解決不了真實問題、收獲不到實際經驗、學習不到硬工夫、理解和記憶也不夠深刻。

“工欲善其事，必先利其器”。在單片機的學習和應用過程中，除了需要掌握一個系統(tǒng)的“軟件工具鏈”之外，還需要掌握一個完整的“硬件工具鏈”。換言之，為了能夠全面地學習到比較專業(yè)的單片機應用開發(fā)技術，除了要學會運用軟件工具鏈當中的各種軟件工具之外，還需要熟悉硬件工具鏈中所包含的3種必備硬件裝備：實時在線仿真器、程序燒寫器和單片機目標板。

筆者高度概括的一種工具流程圖（見圖1），它描繪了軟件工具鏈和硬件工具鏈的工作流程及其關系。其中，調試器（Debugger）能夠支持軟件模擬器和硬件仿真器2種工作模式：（1）當Debugger工作于硬件仿真器模式時，它擔當了仿真器的驅動程序或支持軟件的角色，這時需要仿真器硬件的配合（圖1中的Debugger和仿真器之間是連通的）；（2）當Debugger工作于軟件模擬器模式時，則是以“純軟件”方式來實現(xiàn)非實時、非在線的程序調試，這時不需要仿真器硬件的配合（圖1中的仿真器可以被省略）。

圖1 軟件工具鏈和硬件工具鏈及兩者關系

2 “三合一型”單片機實驗儀的自行設計

一般軟件工具鏈可以免費獲取，而硬件工具鏈則是需要購買。購置一套完整的專業(yè)級的硬件工具鏈往往需要上千元；而自行研制的成本有較大彈性，通過優(yōu)化設計甚至可以把制作成本降到幾十元，學生自己完全負擔得起。

為此，筆者結合多年的教學和單片機應用項目開發(fā)經驗，精心設計制作了一套功能豐富、用途廣泛、性價比高的DH2013型單片機綜合學習應用開發(fā)實驗儀（簡稱單片機實驗儀）。

2.1 實驗儀電路的規(guī)劃特色

在設計DH2013實驗儀的電路時，盡量選用市場上常見、工程上常用，或功能上最基本、適合搭配或補充80C51內部模塊功能的器件，例如：

模擬 器 件：LM324、LM339、NE555、NE567、LM7805、LM317、TL431；

數(shù)字器件：CD4013、CD4040、CD40106、74HC575；

多功能器件：EM91410、DS1232；

通信接口器件：MAX232；

電／聲和聲／電轉換器件：有源蜂鳴器、微型揚聲器、壓電陶瓷揚聲器、麥克風；

電／光 和 光／電 轉 換 器 件：單 色 LED、雙 色LED、PC817；

紅外光通信器件：紅外發(fā)射二極管、紅外接收二極管；

傳感器器件：熱敏電阻、光敏電阻。

2.2 實驗儀電路的布局

DH2013實驗儀的電路功能比較豐富，元器件布局比較緊湊（見圖2（a）），各單元電路和模塊電路的布局如圖2（b）所示，其中 A7—A0為開關、L7—L0為LED。

圖2 DH2013實驗儀布局圖

雖然該單片機實驗儀的成本比較低，但是在硬件功能上卻可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的三件套：簡易型實時在線仿真器＋串行下載程序燒寫器＋單片機應用開發(fā)目標板。在實驗過程中基本可以代替這3種經典硬件工具的全部功能。

借助于該實驗儀，能夠讓學生學習和體驗到仿真器、燒寫器的使用方法，以及電路規(guī)劃、模塊組合、器件連接、功能搭配等實際硬件的設計技巧，單片機初學者可以進行實際練習，單片機應用者可以進行單片機項目的開發(fā)和評估。

3 實驗儀主要模塊的電路設計

DH2013單片機實驗儀的電路采用模塊化設計，包含25個硬件模塊電路，可以實現(xiàn)50余個實驗項目，其中比較有特色的模塊介紹如下。

3.1 直流穩(wěn)壓電源

布局印制電路板（PCB）時預留了焊盤位置，既可以焊裝一片LM7805作為5V直流穩(wěn)壓電源，也可以焊裝一片LM317作為可調節(jié)輸出直流穩(wěn)壓電源。經過巧妙設計，電源開關S1又可以作為電源切換開關，用于選擇USB供電（5V，可取自PC機或者手機充電器）或9V供電（可選用電源適配器或者層疊電池）。當外接電源適配器接入時，電路可自動切斷USB電源。電路如圖3所示［3-5］。

圖3 多用途穩(wěn)壓電源電路

3.2 MAX232電平轉換串行通信接口

實現(xiàn)TTL電平與RS232電平的轉換，可以被用作單片機UART串口與微機COM串口之間的橋梁，實現(xiàn)在線調試（ICD）、在線編程（ISP）功能，還可實現(xiàn)系統(tǒng)之間的串行通信功能。該電路還可以提供一個-9V（＞10mA）電源。芯片型號可以選擇MAX232、HIN232、DS232、AMD232等（見圖4）。

圖4 串行通信接口電路

3.3 LM324通用四運算放大器

可以用作增益可調的電壓放大器、電壓跟隨器、RC方波振蕩器、電壓比較器、施密特觸發(fā)器、功率驅動器（吞、吐電流可分別達到20mA和40mA）、信號調理電路等。芯 片 型 號 可 以 選 擇LM 3 2 4、LA 6 3 2 4、NJM324、TA75324等（見圖5）。

圖5 LM324四運放電路

3.4 LM339通用四電壓比較器

圖6中，2個比較器U3A和U3B用于構建一個邏輯筆，用于探測邏輯電平或周期性脈沖信號。當從H3端子引入的信號為邏輯電平時，可以通過雙色LED的發(fā)光顏色來判斷測試電平的高或低；當引入的信號為周期性脈沖時，還可以通過顏色來估測信號的占空比。2個比較器開放全部引腳，以備用作電壓比較器、RC振蕩器、簡易ADC、施密特觸發(fā)器、集電極開路（OC）型功率驅動器（吞入電流可達16mA）等。芯片型號可以選擇LM339、LA6339、TA75339等。

圖6 LM339四電壓比較器電路

3.5 CD40106六施密特觸發(fā)器

在圖7中，用U5A和U5B搭建一個按鍵觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，用于單脈沖產生或按鍵消抖；U5D用于晶體振蕩器；U5E用于啟／?？煽氐腞C振蕩器；U5C用于構建一個周期和占空比都可調的RC振蕩器；U5F以備用作信號整形、信號緩沖器、反相器等。

圖7 CD40106六施密特觸發(fā)器電路

3.6 NE555模擬定時器

NE555是用途廣泛、廉價易得的8腳通用芯片，單片機實驗儀為它保留了可以任意組合的插接點。它可以被搭建成觸摸觸發(fā)或按鍵觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路、頻率可變的方波振蕩器、施密特觸發(fā)器、反相功率驅動器（吞入電流達100mA）、壓控脈寬振蕩器（VFC）、電流／頻率轉換器等（電路見圖8）。

圖8 NE555模擬定時器電路

3.7 EM91410鍵盤編碼＋多功能信號發(fā)生器

在電路中創(chuàng)造性地選用了一片矩陣鍵盤編碼器和多種信號發(fā)生器芯片EM91410，可以提供脈沖個數(shù)（1～10個）可控的序列脈沖信號、雙音多頻（DTMF）信號、報鍵音信號、模擬UART發(fā)送的幀信號等［6-7］（電路見圖9）。

圖9 多功能信號發(fā)生器電路

3.8 DS1232復位＋看門狗

設計了2種為單片機提供復位信號的復位電路：一種是常規(guī)RC型電路，另一種是利用一片多功能芯片DS1232（或 MAX1232）組成。復位電路可以實現(xiàn)上電延時復位、電源欠壓復位、程序跑飛看門狗復位、人工復位等功能［8-11］（電路見圖10）。

圖10 復位和DS1232電路

3.9 CD4040脈沖頻率源供應電路

可以利用12級分頻來提供12種頻率不同的方波脈沖信號，芯片型號可以選擇CD4040、74HC4040、CC4040等。

3.10 8LED輸出顯示＋8KEY開關輸入

該模塊通常作為單片機應用項目中必不可少的人機界面，L0—L7共8只分立的發(fā)光二極管（4只紅色、4只綠色）可以用插接線連接到單片機的并口，作為單片機的簡易輸出顯示器。8只獨立的輕觸按鈕開關A0—A7（見圖2（b）），也可以用插接線連接到單片機的并口，作為單片機的實用型輸入設備。

3.11 仿真目標單片機（含固件）

選擇 型 號 為 SST89C58（或 SST89E564RD、P89V51RD2等）的高性能單片機，其中固化了經過優(yōu)化的4KB在線調試專用代碼——固件，作為仿真調試的目標或者應用開發(fā)的目標單片機［12-15］（見圖11）。

圖11 仿真目標單片機

3.12 自由焊接區(qū)的規(guī)劃

在規(guī)劃布局印制電路板時，預留了一塊類似于洞洞板的自由焊接區(qū)塊，具有378（27×14）個金屬化焊孔。自由焊接區(qū)的主要用途是：（1）供用戶自行搭建新電路，開發(fā)新實驗；（2）供用戶將市場上出現(xiàn)的新器件接口單片機和進行編程評估；（3）供用戶進行二次開發(fā)，例如用于電子大賽項目的電路搭建、畢業(yè)設計的電子項目原型機等。

4 結束語

DH2013型單片機實驗儀是為單片機的實踐教學量身定制的實驗、實訓平臺，使用方便、價格便宜、性價比高。我校在實踐教學中采用了“先自制、后應用”方式，使學生人手一塊DH2013單片機實驗儀，明顯提高了學生的動手能力，激發(fā)了他們對單片機的學習熱情、鉆研精神和自主創(chuàng)新能力。利用DH2013單片機實驗儀，學生既能掌握軟件編程，又能學會硬件搭建、程序燒寫器的使用、在線仿真器的操作。該單片機實驗儀還可以推廣應用到數(shù)字電路等其他實驗教學。經此訓練的畢業(yè)生明顯受到用人單位的歡迎。

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