電路可動態重組的模式化綜合實驗系統的研制

摘 要： 設計了一種基于單片機和可編程邏輯器件的模式化綜合實驗系統。該實驗系統采用電路可動態重組的設計方案，在一套實驗系統上既可同時滿足“數字電路與邏輯設計”、“可編程邏輯器件與應用”、“單片機原理與應用”三門課程的教學需要，也能完成綜合性設計項目。該實驗系統共8個模式，預留擴展接口，且EDA核心板和單片機均可根據實際需要進行更換。綜合實驗系統使用方便、靈活、可升級性好。在實驗教學中學生反映良好，極大地提升了教學效果。

關鍵詞： 可編程邏輯器件； 模式化； 電路動態重組； 實驗系統

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0134?04

0 引 言

“數字電路與邏輯設計”、“可編程邏輯器件與應用”、“單片機原理與應用”是電子類相關專業的重要專業課程，在電工電子教學中占有非常重要的地位，也是現代EDA技術的重要組成部分。一方面，三門課程都具有很強的實踐應用性，學生學習的重點在于通過實踐，真正掌握軟硬件的有機結合和實際系統的應用能力[1]。另一方面，三門課程聯系緊密，其中“數字電路與邏輯設計”課程是“可編程邏輯器件與應用”課程的基礎，且隨著現代電子技術的發展，傳統的采用分立元件完成數字電路實驗的方法也逐漸被可編程邏輯器件所替代。同時，在實際的工程應用中，經常會需要利用74系列器件和可編程邏輯器件對單片機外圍電路進行擴展。因此，三門課程在電子系統設計中不可分割。

雖然目前市場上有各式各樣的數字電路、EDA或單片機的教學設備，但大多是獨立的、“單板式”的設計模式，即使有少量綜合性實驗平臺，也只是簡單的把幾門課程的實驗資源集成到一個實驗平臺，然后根據需要采用導線連接，和獨立的實驗平臺之間并沒有本質的區別。此外，不同實驗平臺中的某些功能模塊的硬件電路是相同的；但在不同的實驗設備上，相同的模塊并不能共享，存在資源的浪費。最后，一體化的設計難于進行功能的擴展，不利于學生進行創新項目的設計[2?3]。 在這種情況下，從培養學生的創新精神和提高綜合利用所學知識解決工程實際問題的能力出發，迫切需要一種既能完成每門課程的獨立實驗，又能完成綜合性設計實驗的實驗平臺。

本實驗系統針對上述問題，采用電路動態重組的方式，提供0～7共8個模式，在一套實驗系統上既含有數字電路常用邏輯芯片的功能，也含有可編程邏輯器件、單片機的硬件資源，可同時滿足三門課程的教學需要。實驗系統還預留擴展接口，可以將設計的擴展電路連接到實驗系統，有利于訓練學生的創新能力。

1 綜合實驗系統設計方案

綜合實驗系統采用電路可動態重組的設計方案，其系統結構框圖如圖1所示。

系統分為：主控電路模塊、單片機模塊、PLD模塊、人機交互模塊、顯示模塊、矩陣按鍵模塊以及預留擴展接口模塊。

主控電路模塊是完成電路動態配置的核心，能夠實現所有資源之間的任意連接。

人機交互模塊通過LCD12864顯示器和按鍵提供友好的配置界面，實現模式的選擇、設置信號的參數以及觀察測量結果等功能。

顯示模塊、矩陣按鍵模塊又可統稱為基本外設模塊，提供基本的輸入輸出資源。綜合實驗系統還配備信號發生和檢測功能，能夠產生頻率可調的方波信號，并能測量輸入信號的頻率和電壓。

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的查找表的體系結構和性能，又具有CPLD存儲數據非易失性、易于編程和瞬時接通的功能，應用更加靈活、方便。該系列器件由于編程時不需要外部存儲器件這一在用戶看來更容易識別的特性，所以被Altera公司歸入CPLD。主控電路實現電路的動態重組，可按需配置成不同的連接，實現綜合實驗系統的不同模式，連接示意如圖2所示。單片機模塊、PLD模塊、預留擴展接口模塊、基本外設模塊等通過標準I/O口直接和主控電路中的CPLD器件EPM570T144C5N連接（實線雙向箭頭所示）。由于器件內部具有豐富的互連線，只需簡單的硬件編程即可實現不同I/O接口之間的數據相互轉發，即實現片上數據路由的功能。因此，通過硬件描述語言HDL（Hardware Description Language）對該CPLD進行編程，即可完成其他功能模塊之間的數據轉發，實現這些模塊之間的間接連接（虛心雙向箭頭所示）。對用戶而言，用戶只需要通過人機交互模塊進行配置控制，選擇需要的模式，就能調用預先存儲好的不同連接配置信息，自動實現實驗系統不同模塊之間的動態連接。具體說來，有三種形式的連接：

（1） 把基本外設模塊、預留擴展接口模塊、信號產生和測量連接到PLD模塊，實現獨立可編程邏輯器件實驗平臺的功能。同時可編程邏輯器件還可模擬74系列數字芯片，實現獨立的數字電路與邏輯設計實驗平臺的功能。

（2） 把基本外設模塊、預留擴展接口模塊、信號產生和測量連接到單片機模塊，實現獨立單片機實驗平臺的功能。

（3） 把單片機模塊與PLD模塊進行連接，再通過PLD模塊連接基本外設模塊、預留擴展接口模塊等，實現綜合實驗平臺的功能。

對用戶來說，這些模塊之間是直接連接的，用戶只能接觸到基于動態重組電路之上的各個功能模塊。

主控電路EPM570T144C5的具體連接電路如圖3所示。

1.2 單片機模塊

單片機模塊目前選用器件為SST89E516RD，是SST公司生產的一款基于8051內核的8位單片機，最大特點是具有在線下載和在線調試功能。其管腳兼容AT89C51，時鐘頻率0～40 MHz，集成1 KB片內RAM，64 KB+8 KB的FLASH E2PROM。此外，單片機模塊還配置溫度傳感器DS18B20，8 KB串行E2PROM AT24C08。單片機器件通過標準接插件連接到EPM570T144C5N，可根據需要隨時更換。

1.3 PLD模塊

該模塊可根據需要更換不同的EDA核心板。本實驗系統采用自行設計的EDA核心板，選用Altera公司的CycloneⅢ系列EP3C10E144C8，含有10 320個邏輯單元（LE）、46個M9K模塊、423Mbit的RAM、以及23個18×18硬件乘法器、2個PLL、10個Gclks。該EDA核心板還提供8個獨立按鍵，1個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轉換器ADS7822、12位高精度D/A轉換器TLC5615、8個發光二極管、8個共陰7段數碼管、字符液晶1602、帶字庫點陣液晶12864、蜂鳴器、4×4矩陣按鍵等。

1.5 擴展接口

可通過P3、P4兩個40針雙排插座實現與其他電路的連接，靈活支撐各類設計項目，有利于學生綜合、創新能力的訓練。

2 實驗系統模式

綜合實驗系統采用模式化結構，有0～7共8個模式，可通過人機交互模塊中的按鍵S0～S4進行選擇。其中模式0～4是單片機模式，模式5～7是可編程邏輯器件模式。不同模式下，電路的結構以及外圍硬件資源均有不同。

2.1 單片機模式

的P0口，控制信號RS、RW和E分別連接到P2.5口，P2.6口，P2.7口。為了簡化編程，在模式1下，LCD1602被禁止讀“忙”。這意味著，如果選用模式1對1602進行操作時，只能通過延時來實現控制。TLC5615的控制信號nCS和SCK分別連接到P3.2口和P3.6口，而串行數據則通過P3.7口進行傳輸。

模式2與模式1基本一致，區別在于將LCD1602換為12864。同樣，模式2也不允許對12864進行讀“忙”操作。

模式3是單片機I/O擴展模式，通過P0口和P2口進行I/O擴展；其中P0口用作數據通道，P2口用作控制通道。如：P2.0口用于使能發光二極管，P2.1口用于使能數碼管的段選信號，P2.2口用于使能數碼管的位選信號，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，單片機可以使用實驗系統上的所有外圍硬件資源。

模式4是單片機總線模式，所有外圍硬件資源通過總線與單片機相連，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電路結構，即可編程邏輯器件模式。在模式5下，連接有發光二極管、數碼管、4×4矩陣按鍵、TLC5615以及蜂鳴器。SW0～SW7是EDA核心板上的8個獨立按鍵，按下為邏輯“0”。其中SW5連接在EP3C10E144C8芯片的多功能管腳nCEO上，需要通過軟件將該管腳設置為普通I/O腳，否則按鍵SW5不能使用。提供三個時鐘信號，clk0連接EDA核心板上的40 MHz有源晶振，clk1和clk2可在人機交互模塊進行選擇。

模式6與模式5基本一致，所不同的是模式6沒有連接數碼管，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 實驗系統應用

綜合實驗系統制為實驗箱的形式，如圖8所示。目前已在我校承擔了“單片機原理與應用”和“可編程邏輯器件與應用”兩門課程的相關實驗。

（1） “單片機原理與應用”相關實驗

包括流水燈的實現、數碼管顯示設計、接口技術——按鍵、串口通信、A/D轉換、D/A轉換、數字電壓表的設計、數控信號發生器的設計、數字溫度計的設計、彩燈控制系統的設計、電子萬年歷的設計等[4]。

（2） “可編程邏輯器件原理與應用”相關實驗

包括：計數器的設計、LPM模塊的應用、數控分頻器的設計、數碼管顯示設計、數字頻率計的設計、硬件電子琴的設計、矩陣鍵盤掃描電路的設計、直接數字頻率合成器（DDS）的設計、D/A轉化控制、字符型LCD顯示、數字調制模塊的設計、循環冗余校驗模塊的設計等[5]。

4 結 語

設計良好的實驗系統能夠為學生學習電子技術提供優越的實驗環境[6]。該綜合實驗系統采用模式化結構、電路動態重組、預留擴展接口，較好地適應課程實驗教學的要求。從2009年投入批量生產以來，學生反映良好，極大地提升了實驗教學的效果。此外，還為本科畢業生提供了畢業設計的綜合實驗平臺，能夠滿足多種教學需求。

參考文獻

[1] 丁保華，張有忠，陳軍，等.單片機原理與接口技術實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2010，27（1）：117?119.

[2] 劉建成，朱祥賢，莊海軍.EDA實驗系統的設計與實現[J].實驗室研究與探索，2009，28（1）：86?88.

[3] 孫旭，謝興紅，林凡強，等.單片機、DSP、EDA的綜合實驗系統的設計[J].實驗科學與技術，2008（6）：55?57.

[4] 應俊，黃沛昱，劉喬壽，等.51單片機原理與應用實驗指導[M].西安：西安電子科技大學出版社，2013.

[5] 黃沛昱，劉喬壽，應俊.EDA技術與VHDL設計實驗指導[M].西安：西安電子科技大學出版社，2012.

[6] 曹華偉，麥宋平，徐鴻.大規模可編程邏輯器件實驗箱的研制[J].實驗技術與管理，2004，21（2）：27?29.