多功能微控制器與可編程邏輯器件實驗箱設計

朱向慶，朱萬鴻，鐘創平，何昌毅

多功能微控制器與可編程邏輯器件實驗箱設計

朱向慶，朱萬鴻，鐘創平，何昌毅

（嘉應學院 電子信息工程學院，廣東 梅州 514015）

為了提高實驗設備的利用率，提出一種多功能微控制與可編程邏輯器件實驗箱設計方案。該實驗箱采用“主板+核心板”的模式，主板上集成輸入模塊、輸出模塊、模擬量模塊、串行總線模塊、通信模塊和電源模塊，核心板有4款，包括51單片機、STM32單片機、CPLD及FPGA。實驗證明，核心板能夠控制主板上的所有模塊，完成單片機與可編程邏輯器件的仿真及下載實驗，具有性價比高、操作簡單、擴展性強、升級方便等特點，可在單片機、數字電路與數字邏輯、EDA技術、嵌入式系統、物聯網技術等課程中推廣使用。

微控制器實驗箱；可編程邏輯器件實驗箱；下載實驗；仿真實驗

單片機、數字電路與數字邏輯、EDA技術[1]、嵌入式系統、物聯網技術等是高校電子信息、通信、自動化等工科專業常開設的核心課程，其實驗設備的特點是以某種處理器或可編程邏輯器件為核心，控制其他外部設備，實驗目的是掌握器件編程技術。而它們的外部設備有不少相同或相似之處，因此可以將實驗箱進行整合?，F有一些實驗設備，可完成“ARM+DSP+ FPGA”實驗[2]或“單片機+EDA”實驗[3-5]，但它實際上是由獨立的嵌入式、DSP、EDA或單片機實驗箱構成；或者在一個實驗平臺上集成單片機、CPLD、FPGA、STM32中的多款[6]，因為共用一個下載/調試接口，往往不能同時完成兩款微處理器或兩款可編程邏輯器件實驗。同時因為硬件電路固定，沒法進行升級，也不方便使用者自行設計實驗項目，不利于使用者發揮創新性。

因此，設計一款多功能微控制與可編程邏輯器件實驗箱，以同時滿足多門課程的教學需求，提高設備利用率，避免重復投資。

1 設計思路

設計的實驗箱主要解決以下幾個方面的問題：

（1）多芯片學習。實驗箱可根據需要完成不同的微控制器（51單片機、STM32單片機）或可編程邏輯器件（CPLD、FPGA）實驗，不需要額外的硬件設備支持，即可實現硬件仿真與下載功能。一個箱子，多種用途，節約設備購置成本。

（2）便于升級。實驗箱采用“主板+核心板”的結構化設計方法，主板上的設備可由核心板控制。伴隨芯片技術的不斷發展，后續設計的新款核心板同樣可以方便地安裝至主板上，以滿足不同層次學生的需求。

（3）可自主開發實驗項目。核心板上微控制器或可編程邏輯器件的I/O接口通過香蕉插座引出，使用者可以連接控制其他功能模塊，以“搭積木”的方式自主設計實驗項目[7]。

（4）順應通信技術發展的趨勢。實驗箱主板內置Wi-Fi模塊、藍牙模塊、RFID模塊、GPRS+GPS模塊、以太網模塊、nRF24L01模塊以及紅外接收頭，可供任課教師傳授目前流行的無線數據傳輸技術，或者學生自主學習通信技術，進一步激發學生的學習熱情。

2 系統硬件結構

圖1是實驗箱各功能模塊連接框圖，實驗箱有2個核心板底座，可以單獨或同時安裝圖2所示的51單片機、STM32單片機、CPLD或FPGA中的任意一款核心板，單獨控制主板上的輸入模塊、輸出模塊、模擬量模塊、串行總線模塊和通信模塊。2個核心板有各自獨立的下載/調試接口，計算機可以通過該接口給核心板的微控制器或可編程邏輯器件編程，或進行仿真實驗，核心板之間也能夠相互通信[8-9]。

圖1 電路結構連接框圖

2.1 核心板電路框架

圖2是4個核心板的硬件框圖，它們都包含最基本的微控制器/可編程邏輯器件、時鐘電路、復位電路、電源接口、串行通信接口/JTAG接口、I/O口擴展引腳。電源接口、串行通信接口/JTAG接口都引出至核心板的2×20P牛角母座；核心板通過牛角母座安裝至主板的核心板卡槽（2×20P牛角公座）。圖2（b）所示的STM32核心板還包括TFT液晶觸摸屏、Micro SD卡存儲器、EEPROM存儲器、Flash存儲器等，圖2（d）所示的FPGA核心板還包括SDRAM存儲器和Flash存儲器。

2.2 輸入模塊

輸入模塊主要用于實現人機交互功能，讓微控制器接收操作者的指令。它包括由4個輕觸開關構成的1×4獨立按鍵，由16個輕觸開關構成的4×4矩陣鍵盤，以及1×8自鎖開關。

圖2 核心板電路框架

2.3 輸出模塊

輸出模塊用于完成聲光輸出，包括無源蜂鳴器電路、8×8單色LED點陣電路、四位一體共陽數碼管電路、1×8發光二極管電路、1602字符液晶電路、8.13 cm（3.2英寸）USART智能串口觸摸屏。智能串口觸摸屏除了完成輸出功能外，還可以實現觸摸輸入。顯示屏自帶GUI，該GUI可采用圖形化的USART HMI軟件快速開發。即便是彩屏，它也無需額外的驅動電路及復雜的程序；任何有串口通信功能的處理器都可以通過串行通信跟觸摸屏交互信息。

2.4 串行總線模塊

串行總線模塊包括單總線（1-Wire）數字溫度傳感器電路及實時時鐘電路。數字溫度傳感器電路核心器件是Dallas公司生產的DS18B20，可完成單總線通信實驗，測量實驗箱周圍環境的溫度。實時時鐘電路核心器件是DS1302，它是Dallas公司推出的具有涓細電流充電能力的低功耗實時時鐘芯片，采用三線制SPI總線與處理器通信，可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償等多種功能。

2.5 通信模塊

通信模塊包括Wi-Fi模塊接口、RFID模塊接口、以太網模塊接口、GPRS+GPS模塊接口、紅外接收頭電路、nRF24L01短距離無線通信模塊接口和藍牙模塊接口。

Wi-Fi模塊接口安裝Wi-Fi模塊ESP8266，它內置的核心器件為樂鑫公司的ESP8266EX，微控制器通過UART串口連接該模塊，可以通過Wi-Fi上網或連接智能手機。

RFID模塊接口安裝RFID模塊MF RC522，該模塊內置NXP公司生產的非接觸式讀寫卡芯片RC522。RC522模塊默認控制接口為UART，通過調整板上的電阻，還可以使用SPI或I2C總線進行控制，以實現近場通信。

以太網模塊接口安裝W5500以太網模塊，微控制器通過SPI口連接該模塊，完成以太網通信實驗[10]。

GPRS+GPS模塊接口安裝安信可科技公司的GPRS+GPS A7模塊。該模塊支持GSM/GPRS 4個頻段，支持GPRS Class 10，支持語音通話、SMS短信、GPRS數據業務、標準GSM AT命令、TCP/IP命令，支持GPS+AGPS。微控制器通過UART串口與該模塊連接，即可通過GPRS上網、收發手機短消息及GPS定位導航。

紅外接收頭電路由一體化紅外接收頭1838T構成，微控制器通過外部中斷接口連接1838T，即可用軟件進行紅外接收、解碼。

nRF24L01短距離無線通信模塊接口安裝nRF24L01模塊，其核心器件是Nordic公司的單片射頻收發器nRF24L01[11]。微控制器通過SPI口連接該無線模塊，即可與其他實驗箱的nRF24L01無線模塊組網通信。

藍牙模塊接口安裝匯承信息科技公司的主從一體HC-05藍牙模塊，微控制器通過UART串口連接該模塊，可以與其他藍牙設備通信。

2.6 模擬量模塊

模擬量模塊包括ICL7109模數轉換模塊及DAC0832數模轉換模塊。ICL7109是美國Intersil公司生產的一種高精度、低噪聲、低漂移、價格低廉的12位雙積分型A/D轉換器，并配有較強的接口功能，方便與各種微處理器相連。DAC0832是TI公司生產的8位并行D/A轉換器，具有接口簡單、轉換控制容易、價格低廉等優點。

2.7 電源模塊

實驗箱底部安裝一個開關電源，它提供±12 V及+5 V直流電源。因為開關電源輸出的直流電壓紋波較大，而模擬量模塊的實驗，要求參考電壓及輸入電壓紋波盡量??；因此采用L7805線性穩壓器，將開關電源輸出的+12 V轉換為紋波較小的+5 V，提供給模擬量模塊。同時，采用AMS1117-3.3芯片，將開關電源輸出的+5 V轉為+3.3 V輸出，提供給需要+3.3 V供電的器件。

3 實驗板結構及功能模塊布局

實驗箱整體結構見圖3。電源插座引入220 V交流市電，經過電源開關后，接入開關電源，開關電源輸出±12 V和+5 V的直流電，再送至PCB板中的電源模塊，為整個實驗箱元器件供電。

圖3 實驗箱整體結構

實驗箱面板功能模塊布局如圖4所示，核心板座A和核心板座B可以隨意安裝51單片機、STM32單片機、CPLD或FPGA中的任意一款核心板。下載/調試模塊A和下載/調試模塊B都包含串口和JTAG口，分別單獨與核心板座A和核心板座B的核心板卡槽連接。板載大部分功能模塊都可以方便地進行拆裝，以方便維護、升級，提高利用率。

圖4 實驗箱功能模塊布局

圖5是第3版的實驗箱照片，已批量制作35套，并在實驗教學中投入使用。

圖5 實驗箱照片

4 實驗板工作方式

在核心板座上安裝好微控制器或可編程邏輯器核心板，通過帶香蕉插頭的線纜連接核心板座與主板上的各功能模塊，可完成表1中的24個實驗項目。

若在51單片機核心板上安置宏晶公司的STC單片機，下載/調試模塊通過串口線纜連接計算機串口，可以使用STC-ISP軟件完成單片機下載實驗，讓實驗箱脫離計算機，全速運行單片機程序。若安裝的是SST公司的SST89E516RD單片機，計算機端運行Keil uVision軟件，無須購置價格昂貴的單片機硬件仿真器，就可完成單片機硬件仿真實驗，進行程序調試。

下載/調試模塊通過JTAG接口連接ST-LINK調試器，調試器再連接計算機USB口，計算機端運行Keil RVMDK或ST-LINK Utility等軟件，可以完成STM32單片機硬件仿真與下載實驗[12]。

表1 實驗箱可以完成的實驗項目

下載/調試模塊通過JTAG接口連接USB Blaster編程器，編程器與計算機USB口連接，計算機端運行Quartus II軟件，能夠給CPLD或FPGA等可編程邏輯器件燒寫程序[13]。

5 結語

實驗箱可在單片機、數字電路與數字邏輯、EDA技術、嵌入式系統、物聯網技術等課程的實驗教學和課程設計中使用，也可用于學生課外科技創新、工程訓練、學術競賽訓練及畢業設計等。實驗箱擴展性強，如再研制AVR單片機、DSP、SOPC、PSOC等核心板，同樣可安裝至實驗箱的核心板座，完成相應課程的實驗。實驗箱已取得國家專利授權，曾獲第四屆全國高等學校自制實驗教學儀器設備三等獎，參與全國高教儀器設備展和廣東高校建設成效和科技成果展，獲國內高校同行及企業工程師的好評。

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Design of multifunctional microcontroller and programmable logic device experimental box

ZHU Xiangqing, ZHU Wanhong, ZHONG Chuangping, HE Changyi

(School of Electronic and Information Engineering, Jiaying University, Meizhou 514015, China)

In order to improve the utilization ratio of experimental equipment, a design scheme of multi-functional micro-control and programmable logic device experimental box is proposed. The experimental box adopts the mode of “Motherboard + core board”. The motherboard integrates input module, output module, analog module, serial bus module, communication module and power module, and the core board has four modules including 51 MCU, STM32 MCU, CPLD and FPGA. The experiment proves that the core board can control all the modules on the motherboard and complete the simulation and download experiments of the MCU and programmable logic device, which has the characteristics of high cost performance ratio, simple operation, strong expansibility and easy upgrading. It can be widely used for the courses of the MCU, digital circuit and digital logic, EDA technology, embedded system, Internet of things, etc.

microcontroller experimental box; programmable logic device experimental box; download experiment; simulation experiment

TP368.1; G484

A

1002-4956(2019)09-0077-05

2019-02-22

2019-04-08

廣東省本科高校高等教育教學改革項目（粵教高函〔2018〕1號-525）；廣東省重點平臺及科研項目（2015GXJK132）

朱向慶（1979—），男，廣東梅州，碩士，副教授，研究方向為單片機與嵌入式系統、短距離無線通信。

E-mail: zigbee@263.net

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.020