一種通用模塊化單片機(jī)實驗系統(tǒng)的設(shè)計

汪 建 楊風(fēng)開 江 晨

[摘 要]給出一種采用MCS-51/96系列單片機(jī)為核心的通用模塊化單片機(jī)實驗系統(tǒng)的硬件設(shè)計,該系統(tǒng)能在一塊電路板上靈活地進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)與各種外部接口器件連接的實驗,從而能有效鍛煉學(xué)生的實驗?zāi)芰蛣邮帜芰?進(jìn)而提高了《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]單片機(jī) 實驗教學(xué)系統(tǒng) 模塊化設(shè)計

[中圖分類號]TP278[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)12-0043-03

引言

《單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)》是一門實踐性和實用性都很強(qiáng)的課程,其最終落腳點在于培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)的應(yīng)用能力。[1]因此, 在教學(xué)中,選用一套針對性強(qiáng)的單片機(jī)實驗系統(tǒng)非常重要。以華中科技大學(xué)單片機(jī)教學(xué)為例,長期以來都是使用實驗箱,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且硬件電路固定,既不利于提高學(xué)生理解單片機(jī)系統(tǒng)硬件的能力,又不足以鍛煉學(xué)生的動手和創(chuàng)新能力,十分影響教學(xué)效果。有人針對這樣的問題做出了相應(yīng)改進(jìn),即采用所謂的模塊化設(shè)計[2][3],但常規(guī)的模塊化系統(tǒng)由一塊塊插板組成,不僅增加了制作成本和復(fù)雜度,也加大了實驗室的器材管理難度,遠(yuǎn)不夠?qū)嵱谩?/p>

1 實驗系統(tǒng)總體概述

本文提出的實驗系統(tǒng)能有效地解決上述兩個問題,是一種新型的模塊化單片機(jī)實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)是以MCS-51/96 單片機(jī)為核心構(gòu)成的單片機(jī)實驗系統(tǒng),整體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計。能完成MCS- 51/96 系列單片機(jī)的輸入/ 輸出、內(nèi)部資源和常見外圍接口的實驗,具有非常好的可擴(kuò)充性。系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、擴(kuò)展接口及各種接口電路模塊組成,全部集成在一塊電路板上。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

實驗系統(tǒng)通過串行通訊接口與PC機(jī)連接,通過上位PC機(jī)可將編譯生成的程序下載到實驗系統(tǒng)中;系統(tǒng)配置了各種接口電路模塊,這些接口模塊通過接插針導(dǎo)線,可與單片機(jī)模塊連接,從而能夠使學(xué)生在了解及掌握微機(jī)接口技術(shù)、軟件開發(fā)以及應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計等方面,經(jīng)歷一個循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過程。學(xué)生在做實驗過程中,完全可以根據(jù)自己的需要選擇、連接硬件模塊;而系統(tǒng)硬件模塊的安排會給予學(xué)生充分的自主性,完成同樣的實驗可以使用不同的解決方案,甚至在可編程邏輯器件的幫助下,能自行分配硬件資源和地址。這樣的系統(tǒng)設(shè)計充分體現(xiàn)了靈活性,配以合理的軟硬件實驗安排,學(xué)生的創(chuàng)新能力可以發(fā)揮到極致。

2 實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個實驗系統(tǒng)的硬件設(shè)計較為復(fù)雜,下面選擇重要且有特色的部分予以詳細(xì)敘述。

2.1 CPU模塊的設(shè)計

CPU是整個系統(tǒng)的核心,模塊化的設(shè)計思想是設(shè)計一種通用的可擴(kuò)展的適用于51系列和96系列單片機(jī)的解決方案。該模塊的方案概括而言是在主機(jī)板上先設(shè)計51系列的插座,然后再為96系列單獨做一塊插板,把信號線連接好以便需要的時候進(jìn)行擴(kuò)展。

51系列的插座設(shè)計如圖2左邊所示,單片機(jī)的2個并口P1和P3分別用排針引出,還設(shè)置了插孔方便學(xué)生用導(dǎo)線進(jìn)行擴(kuò)展連接;數(shù)據(jù)線/低位地址線、高位地址線分別用排針引出來進(jìn)行存儲器的擴(kuò)展。

96系列的CPU選用與8096/8098系列結(jié)構(gòu)、功能基本相同的80C196系列。該系列芯片是INTEL公司MCS-96系列單片機(jī)中重要的較新成員,包括KB和KC兩檔。這類芯片不僅保留了MCS-96系列老芯片的功能,而且擴(kuò)展了一些新的功能,使之成為該系列芯片中目前性能較強(qiáng)的一款型號[4]。

由于選用的80C196KB是68引腳的芯片,而上述的51單片機(jī)插座是40腳,故要設(shè)計一個轉(zhuǎn)接片將80C196中功能一致的引腳與系統(tǒng)板相連。其他有用的引腳如HSI等單獨在96板上設(shè)置插針連接。

2.2 存儲器系統(tǒng)的設(shè)計

存儲器系統(tǒng)由鎖存器74LS373、62系列的RAM芯片和27系列的EPROM芯片組成。74LS373為地址鎖存器,其目的是鎖存低8位地址碼,即在單片機(jī)訪問存儲器時,先傳送地址碼的低8位,再傳送8位的數(shù)據(jù)。62和27系列芯片的地址高2位A14和A13用插孔引出擴(kuò)展,便于使用不同大小(8K～32K)的芯片。存儲器芯片的片選信號由GAL器件給出。存儲器系統(tǒng)設(shè)計圖如圖2所示。

2.3 輸入輸出擴(kuò)展系統(tǒng)的設(shè)計

51/96系列單片機(jī)中雖然包含有若干接口,但一般而言,這些I/O口并不能滿足用戶的要求,在實際設(shè)計系統(tǒng)時,通常要對I/O口加以擴(kuò)展,目的是為外部設(shè)備提供更多的輸入或輸出通道。I/O擴(kuò)展芯片選擇INTER公司的8255系列,74LS244和74LS374這種驅(qū)動器件也用來做輸入/輸出擴(kuò)展,可編程器件采用GAL16V8,其除了完成譯碼工作外還可進(jìn)行其他的邏輯輸入/輸出,如圖3所示。8255的3個并口和其它器件的輸入/輸出均用排針引出,需要的時候把相應(yīng)部分連入系統(tǒng)即可。

2.4 其他應(yīng)用模塊舉例

對于一個應(yīng)用性強(qiáng)的實驗系統(tǒng),大量的硬件接口電路是必不可少的。本系統(tǒng)設(shè)計了撥碼開關(guān)、按鍵、發(fā)光二極管、數(shù)碼顯示電路、A/D接口電路、D/A接口電路、基于I2C總線的E2PROM存儲器和DS1302日歷鐘等八大應(yīng)用模塊。系統(tǒng)的通訊方面采用基于MAX232的RS232串行通訊接口。考慮到系統(tǒng)在測控方面的應(yīng)用還加入了LCD液晶顯示器接口的設(shè)計,同時加入了打印接口以方便相關(guān)擴(kuò)展。

下面以數(shù)碼顯示電路和D/A接口電路為例,闡明整個設(shè)計過程中的模塊化思想。

2.4.1 數(shù)碼管顯示電路

該數(shù)碼管顯示電路較以往的設(shè)計方案有新意,其主要由兩片74LS595和74LS374、一片2003和四個8段數(shù)碼管組成。顯示器的段選由并行的驅(qū)動器374和串行的595并聯(lián)而成;而位選也是374并上595再接專用的顯示器驅(qū)動2003。這樣做的目的是保證充分的選擇性,顯示電路既可以工作在并行模式下,又可以工作在串行模式下,特別是對串行傳輸方式不甚了解的學(xué)生通過這一部分實驗?zāi)苁煜ご心Ｊ健?/p>

2.4.2 D/A接口電路的設(shè)計

單片機(jī)內(nèi)部的D/A(PWM)電路實用性不強(qiáng),所以采用并行的DAC0832芯片實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換功能。另外,為了給系統(tǒng)提供串行D/A轉(zhuǎn)換器的工作方式,也可以在特殊需求時擴(kuò)充并行方式D/A的精度,為此加入了串行芯片 TLC5615。TLC5616是10位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器,其外部基準(zhǔn)電壓輸入、輸出電壓范圍等于基準(zhǔn)電壓的兩倍。它采用三線傳輸方式(SPI),易與單片機(jī)接口[5]。

3 實驗系統(tǒng)的PCB設(shè)計及實現(xiàn)

PROTEL99SE是本次系統(tǒng)設(shè)計中使用的主要工具,用它繪制系統(tǒng)的原理圖。在畫SCH原理圖時,需注意以下幾點,否則就會出現(xiàn)各種各樣的錯誤,增加了繪制SCH原理圖的錯誤率。首先,在連接元器件的時候,一定要注意連接好,即當(dāng)兩條線交叉時,若相互連接則需要在交叉點處畫一個焊盤,否則就不需要,并且要進(jìn)行人工檢查。因為有的時候Protel99se軟件對于交叉點都默認(rèn)為連接,自動會畫上焊盤[6]。其次,在放置元器件的過程中,當(dāng)元件庫里沒有所需元器件的圖時,就需自己建庫制作所需要的元器件。在制作元器件圖時,最好選用一個已知的圖作為模板,這樣會相對簡單一些。但一定要注意管腳的標(biāo)稱,若不相同則必須改動。最后,在人工檢查后,還要進(jìn)行計算機(jī)自動檢查,確保無錯誤后,再生成網(wǎng)絡(luò)表,為制作PCB做好準(zhǔn)備。

PCB板制作時,由于本系統(tǒng)元器件排布較多,故選用雙層板,按以上注意點完成既定步驟即可。繪制PCB板的要點如下。(1)確定好PCB板的大小,要做到精確,否則就需要返工。(2)在放置與結(jié)構(gòu)有緊密配合的固定位置的元器件時,一定要反復(fù)測量,并與實物尺寸進(jìn)行比較,確保準(zhǔn)確無誤后再進(jìn)行下一步。(3)若庫中沒有所需要的元器件,就應(yīng)自己編輯建庫,確保管腳的符號、編號準(zhǔn)確無誤,否則,在自動布線階段和人工連線時,就會出現(xiàn)重大錯誤。(4)應(yīng)精心考慮電源線和地線的排列及其粗度,電源線和地線要盡量地寬,雙面板的空余部分由地線填充。圖3所示是元件庫中沒有的元件GAL16V8的繪制,其設(shè)計完全按照上面的準(zhǔn)則進(jìn)行。

本文所設(shè)計的單片機(jī)實驗系統(tǒng)的實物如圖4所示。

4 結(jié)語

本實驗系統(tǒng)的整體設(shè)計充分體現(xiàn)了模塊化的設(shè)計思想,所實現(xiàn)的系統(tǒng)具有使用的靈活性和充分的可擴(kuò)展性。模塊化的思想在一塊電路板上實現(xiàn),這既大大降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度,同時,大量新穎而又多樣化的外圍接口器件給了學(xué)生實驗極大的自由度,可以很好地鍛煉他們的實踐創(chuàng)新能力。實堰系統(tǒng)的實現(xiàn)可以基于51系列或96系列單片機(jī),各院校可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的型號以滿足本校的教學(xué)要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李丹峰.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)教學(xué)實驗裝置的研制[J].韶關(guān)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000.8.

[2] 房德君,郝興學(xué).一種積木式單片機(jī)綜合教學(xué)實驗系統(tǒng)的研究[J].實驗室研究與探索,2003(2).

[3] 熊劍.一種模塊化的單片機(jī)實驗系統(tǒng).計算機(jī)與現(xiàn)代化,2006.5.

[4] 汪建.MSC-96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2004.

[5] Datasheet of DS1302.TI CORP.May 2002.

[6] 江思敏,姚鵬翼.Protel電路設(shè)計教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.