車沛強(qiáng)

（閩南科技學(xué)院，南安 362332）

0 引言

對于目前的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)裝置而言，大部分的數(shù)字實(shí)驗(yàn)裝置都是使用的中規(guī)模邏輯芯片，而這種邏輯芯片的使用就會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)裝置具有較多的插座，而且插座的規(guī)模較多，使實(shí)驗(yàn)變得復(fù)雜化，除此之外使用該裝置還會占據(jù)大量的空間，使用的引線較長較多，會對實(shí)驗(yàn)的操作造成一定的影響，而且會使得實(shí)驗(yàn)的成本增加，而且該實(shí)驗(yàn)裝置無法適用于復(fù)雜、高速的邏輯實(shí)驗(yàn)，在使用以及維修方面都有著不小的困難[1]。而單片機(jī)和可編程邏輯器件的使用能夠使得實(shí)驗(yàn)裝置使用的成本下降，從而為研制低成本又功能繁多的數(shù)字實(shí)驗(yàn)裝置提供了有利的條件。

1 單片機(jī)的特點(diǎn)以及工作原理

所謂的單片機(jī)，又可稱為單片微控制器，是一種集成電路芯片，將一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上，近似于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，只是缺少了I/O設(shè)備[2]。單片機(jī)具有體積小、重量輕以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)、開發(fā)和應(yīng)用提供良好的便利條件。目前，對于單片機(jī)的使用已經(jīng)十分廣泛，各個(gè)領(lǐng)域都有著單片機(jī)的應(yīng)用，比如通信設(shè)備、家用電器、智能手表以及導(dǎo)航系統(tǒng)等[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對于單片機(jī)的應(yīng)用逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)如今，人們越來越重視單片機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用，而電子信息技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)的融合更是顯著的提高了單片機(jī)的應(yīng)用效果[4]。作為計(jì)算機(jī)技術(shù)中的一個(gè)分支，單片機(jī)廣泛的應(yīng)用于電子產(chǎn)品領(lǐng)域，豐富了電子產(chǎn)品的功能，使智能化電子設(shè)備的創(chuàng)新與發(fā)展得到了有效的實(shí)現(xiàn)。

簡而言之，單片機(jī)就是一塊由系統(tǒng)組成的芯片，其通過集成電路技術(shù)將數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力集成到芯片之中，從而能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行高速化的處理[5]。

作為一種現(xiàn)代化電子信息技術(shù)的產(chǎn)物，單片機(jī)具有其獨(dú)特的特征。單片機(jī)具有較小的體積，其內(nèi)部的芯片雖然是結(jié)構(gòu)簡單的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，但卻具有完善的功能，能夠十分方便簡潔的進(jìn)行使用，還能夠進(jìn)行模塊化的應(yīng)用。另一方面，單片機(jī)具有較高的集成度以及較強(qiáng)的可靠性，即便進(jìn)行了長時(shí)間的工作，單片機(jī)也不會發(fā)生什么故障。并且在使用的時(shí)候，單片機(jī)消耗的能量較低，給人們的生產(chǎn)與研發(fā)帶來了不小的便利，人們在日常生活中首先會對單片機(jī)進(jìn)行選擇。除此之外，對于數(shù)據(jù)處理能力以及運(yùn)算能力，單片機(jī)也較強(qiáng)，能夠應(yīng)用在各種環(huán)境之中，而且其控制能力也較為突出。

對于單片機(jī)，由于其從內(nèi)部的硬件到軟件具有一整套按位操作系統(tǒng)，其處理的對象是位而不是字以及字節(jié)，這就使得其不但能夠?qū)拇嫫鞯哪澄贿M(jìn)行有效的處理，還可以對位進(jìn)行邏輯運(yùn)算，具有十分完備的功能。而片內(nèi)的RAM區(qū)間開辟的雙重功能地址區(qū)間還使得使用十分靈活，給使用者提供了不小的便利。除此之外，乘法和除法指令也使得編程變得更加的方便。

CPLD即復(fù)雜可編程邏輯器件，是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。

而在數(shù)字集成電路實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，AVR單片機(jī)負(fù)責(zé)控制實(shí)驗(yàn)裝置，并且快速對CPLD進(jìn)行配置，而CPLD器件則是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)邏輯功能。

圖1 電路連接圖

單片機(jī)會在上電后進(jìn)行復(fù)位自檢，電子開關(guān)閉合，接通單片機(jī)到CPLD器件的編程線，于顯示器上顯示出等待標(biāo)志，然后通過掃描鍵盤等待鍵盤輸入所需的邏輯器件編號。鍵入編號后，單片機(jī)則是將與器件對應(yīng)的編程數(shù)據(jù)編程到CPLD器件中，使得CPLD具備了所選器件的邏輯功能[6]。

其中，對于單片機(jī)的選擇，為ATMEL的Atmega161系列。采用哈佛結(jié)構(gòu)的這種單片機(jī)中具有1K字節(jié)RAM、512字節(jié)的串行EEPRPM、一個(gè)增強(qiáng)性能的RISC8位CPU以及16K字節(jié)的Flash程序儲存器等大量的資源。另外，這種單片機(jī)具有較快的運(yùn)行速度，平均下來，對于一條指令的執(zhí)行大概在一個(gè)時(shí)鐘周期，而且在8MHz時(shí)鐘下的運(yùn)行速度能夠達(dá)到8MIPS，對于CPLD的配置能夠快速的完成[7]。

按照所設(shè)計(jì)的邏輯功能將可編程邏輯器件的編程數(shù)據(jù)排列成表格放在單片機(jī)程序的存儲器以及擴(kuò)展的EEPROM存儲器中，再將單片機(jī)讀入鍵盤狀態(tài)后根據(jù)鍵值對邏輯功能所對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋找，然后傳送到可編程邏輯器件中，就使得對于所選擇的邏輯功能，可編程邏輯器件已經(jīng)具備，從而能夠進(jìn)行數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)。

2 單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

對于整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置而言，單片機(jī)軟件是一個(gè)十分重要的組成部分。對于單片機(jī)設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)功能的要求是采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，其主要構(gòu)成成分為主程序、通信模塊、CPLD編程模塊以及EEPROM讀寫模塊等[8]。

在主程序之中主要包括打開編程開關(guān)、系統(tǒng)參數(shù)初始化以及鍵盤掃描顯示驅(qū)動等；而對于CPLD編程而言，要根據(jù)所選的器件序號，將編程數(shù)據(jù)寫到CPLD器件中時(shí)需要按照CPLD器編程的時(shí)序要求，從而對CPLD進(jìn)行編程，并關(guān)閉編程開關(guān)。軟件編程則是對單片機(jī)的串行同步接口SPI進(jìn)行了使用，將單片機(jī)設(shè)置為主機(jī)模式，只要在主CPU的SPI數(shù)據(jù)寄存器中將編程數(shù)據(jù)的一個(gè)字節(jié)寫入，就能夠?qū)PI的時(shí)鐘生成器啟動，從而以PB5引腳將數(shù)據(jù)移出。移出一個(gè)字節(jié)后，SPI時(shí)鐘生成器會停止工作，對停止標(biāo)志位（SOIF）進(jìn)行設(shè)置后再繼續(xù)下一個(gè)數(shù)據(jù)編程，直到編程數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志。對于軟件的編寫，是在Avrstudio環(huán)境下進(jìn)行語言的匯編，這樣可以顯著的提高CPLD的配置速度。對于上位機(jī)的通信，通信模塊在完成之后會配合EEPROM讀寫模塊對上位機(jī)已經(jīng)綜合好的配置文件進(jìn)行下載，并導(dǎo)入到EEPROM當(dāng)中。

圖2 工作流程

3 可編程邏輯器的選擇

對于可編程邏輯器件（CPLD）的選擇，是選擇ATMEL公司的FLEX系列，因?yàn)閷τ谶@個(gè)系列的可編程邏輯器件的制造，是采用高性能的CMOS技術(shù)進(jìn)行的。通過這個(gè)技術(shù)，編程數(shù)據(jù)被存放在RAM中，從而使得重復(fù)編程變得高效快速，系統(tǒng)的時(shí)鐘可達(dá)130 MHz，具有快速的運(yùn)行速度，對于高速數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的要求能夠進(jìn)行很好的滿足[9]。對于可編程邏輯器件的引腳，按照高速數(shù)字電路等長度引線的要求將其引到一個(gè)模擬插座上，并對這個(gè)模擬插座進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)識，對于實(shí)驗(yàn)所用的數(shù)字電路型號的選擇，根據(jù)鍵盤進(jìn)行，然后對對應(yīng)的標(biāo)識進(jìn)行更換，從而能夠有效的模擬74LS系列或者其他的邏輯器件的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)。

而獲取可編程邏輯器件的配置數(shù)據(jù)，首先是要得到配置數(shù)據(jù)文件，這需要在PD機(jī)上使用VHDL語言或者是采用GDF原理圖法按照不同型號的數(shù)字集成電路的功能進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)編程綜合，通過仿真才能夠?qū)崿F(xiàn)。之后對于頭尾標(biāo)志的添加，需要根據(jù)可編程器件編程的要求以及該數(shù)據(jù)文件的結(jié)構(gòu)采用C語言程序轉(zhuǎn)化為AVR系列單機(jī)片所要求的數(shù)據(jù)格式，然后將其與單片機(jī)程序一起編程到單片機(jī)。除此之外，為了更好的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的個(gè)數(shù)，將常用期間的編程數(shù)據(jù)存放在單片機(jī)的程序存儲器之中，而在外擴(kuò)的EEPROM中存放將其他器件編程數(shù)據(jù)，對于實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容以及數(shù)量的更改，只要與上位機(jī)通信刷新EEPROM內(nèi)容就能夠簡單得到實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)驗(yàn)功能的擴(kuò)展

可以利用單片機(jī)的ISP編程接口對本文所述的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)裝置的單片機(jī)的控制功能進(jìn)行自由的更換，從而使得軟件可編程數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)裝置得到了真正的實(shí)現(xiàn)。除此之外，對于數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)，除了能夠完成74LS系列的之外，本文所述的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)裝置還能夠進(jìn)行可編程邏輯器件實(shí)驗(yàn)以及AVR系列單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，并且具有價(jià)格低廉、靈活高效以及一機(jī)多用等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了實(shí)驗(yàn)的成本與難度，充分滿足了高等學(xué)校日益發(fā)展的教學(xué)要求。

5 結(jié)束語

對于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，由于傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)裝置存在著功能單一、規(guī)模較小且接線復(fù)雜，因此導(dǎo)致學(xué)生的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)存在著一定的缺陷，無法滿足日益發(fā)展的教學(xué)要求。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子信息技術(shù)的不斷壯大，單片機(jī)的使用對于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的發(fā)展有著良好的推動作用。對于數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)裝置，在其中使用單片機(jī)使得數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行成本得到了降低，而且具有功能多，操作簡單等豐富的優(yōu)點(diǎn)，為數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行創(chuàng)造了有利的條件。