基于51單片機的模塊化實驗系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

田相鵬，朱黎（通信作者），李清海

（湖北民族大學(xué)信息工程學(xué)院實驗中心，湖北恩施，445000）

0 引言

模擬電路、數(shù)字電路、單片機原理和電子系統(tǒng)設(shè)計這些課程是現(xiàn)今大多數(shù)高校電子、電氣專業(yè)開設(shè)的重要電子類基礎(chǔ)課程。這些課程對實踐動手能力的培養(yǎng)要求很高，并且在整個課程培養(yǎng)體系中課程之間存在依賴或者漸進的關(guān)系[1-2]。因此，這幾門實驗課程的開設(shè)應(yīng)該綜合考慮，實驗項目應(yīng)該系統(tǒng)設(shè)計，實驗平臺應(yīng)該統(tǒng)一搭建。

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中主要以實驗箱為主，這種方式存在電路連線復(fù)雜、測試繁瑣和創(chuàng)新性設(shè)計性實驗項目難以開展等諸多問題，已逐漸被各大高校教師所棄用[3]，取而代之的是以設(shè)計性實驗為主、驗證性實驗為輔的思路。文獻[4]提出了教學(xué)、實驗和實訓(xùn)三位一體的教學(xué)實踐方法，將電子實訓(xùn)項目引入實驗教學(xué)，取得了較好的效果；文獻[5]將創(chuàng)新競賽項目與教學(xué)項目結(jié)合，大大提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和科研能力；文獻[6]提出了運用EDA實現(xiàn)多課程的融合教學(xué)的探討，但是所用平臺過于復(fù)雜。因此，目前對于單門課程以設(shè)計性實驗項目為主的實驗教學(xué)效果較好，但對于多課程實驗項目建設(shè)涉及較少，尤其式缺乏一個多課程的軟硬件可裁剪的實驗項目體系[7]。本文以多課程基礎(chǔ)綜合實驗平臺搭建為落腳點，探討系統(tǒng)性的多課程實驗教學(xué)方法，運用Proteus軟件[8]搭建最核心的綜合實驗硬件平臺。

1 實驗項目設(shè)計

結(jié)合模擬電路、數(shù)字電路、單片機原理和電子系統(tǒng)設(shè)計等課程的內(nèi)容，以單片機原理為主線，Proteus軟件為開發(fā)平臺，設(shè)計出一個涵蓋五門課程的主要實驗項目系統(tǒng)。實驗項目內(nèi)容如圖1所示。該實驗項目系統(tǒng)分為基礎(chǔ)實驗項目、51單片機總線接口電路實驗和綜合實驗項目三部分。這種將多門課程的實驗內(nèi)容系統(tǒng)化設(shè)計的方案，考慮了實驗課程的連續(xù)性、銜接性和進階性，通過這種堆疊式的和“積木”式的實驗項目管理可以有效的提升學(xué)生學(xué)習(xí)知識的連貫性和系統(tǒng)性。

圖1 實驗項目系統(tǒng)示意圖

在實際實驗課程的開設(shè)中，如圖1所示設(shè)計的實驗項目并不是一成不變的，可以根據(jù)具體情況進行適當(dāng)?shù)男薷暮吞砑樱O(shè)計的實驗項目應(yīng)該具有擴展性和衍生性。為了達到更好的實驗效果，這類課程的開設(shè)應(yīng)該由一個教研組內(nèi)的老師完成，以達到課程開設(shè)的連續(xù)性。

2 仿真電路設(shè)計

仿真電路的搭建是以51單片機總線結(jié)構(gòu)的電路為核心，各模塊電路均設(shè)計成兼容51單片機總線時序的電路結(jié)構(gòu)，以設(shè)備的形式掛載在總線上，主要包含51單片機最小系統(tǒng)、總線擴展邏輯電路、外設(shè)電路[9]。這一點和一些“口袋”式實驗平臺有較大差異，實際中較多“口袋”式平臺無法實現(xiàn)多模塊同時工作[10]，而且在軟件編程上接口不統(tǒng)一，無法實現(xiàn)“搭積木”式的軟硬件擴展。

■2.1 總線擴展電路

總線擴展電路的時序邏輯遵循標(biāo)準(zhǔn)的51單片機總線時序結(jié)構(gòu)，采用74HC373地址鎖存芯片和74HC154譯碼芯片構(gòu)成地址總線擴展電路。通過這種電路設(shè)計，最大可實現(xiàn)16個外部設(shè)備同時工作，如果外設(shè)個數(shù)超過16個，還可以通過添加譯碼器實現(xiàn)地址擴展。電路圖如圖2所示。也可以看到采用總線方案，幾乎可以任意擴展外設(shè)數(shù)量，這是傳統(tǒng)普通IO口直接掛載外設(shè)方式無法做到的。

圖2 總線擴展電路

■2.2 IO端口擴展電路

IO端口擴展電路的實現(xiàn)是整個系統(tǒng)多樣化應(yīng)用的一個重要前提。在實際應(yīng)用中，有些模塊并沒有標(biāo)準(zhǔn)的51單片機總線時序結(jié)構(gòu)，但是也需要應(yīng)用到系統(tǒng)中，比如數(shù)碼管顯示、按鍵輸入、步進電機等，因此，如何設(shè)計一個簡單、高效、編程方便的IO擴展方案具有重要作用。考慮到實際應(yīng)用中，雙向IO口的功能一般應(yīng)用較少，因此本文采用74HC273實現(xiàn)IO口的輸出，采用74HC245實現(xiàn)IO口的輸入，這樣IO擴展和總線擴展電路均使用74系列的邏輯芯片實現(xiàn)，在搭建硬件環(huán)境時，這些較多的74系列芯片可以用一片CPLD芯片來實現(xiàn)，極大簡化硬件電路設(shè)計，IO口擴展電路如圖3所示。

圖3 IO口擴展電路

■2.3 ADC與DAC電路

作為一個混合信號實驗平臺，ADC與DAC是必不可少的。本系統(tǒng)的ADC和DAC芯片選擇經(jīng)典的ADC0804和DAC0832，轉(zhuǎn) 換 時 間 分 別 為100μs和10Msps，在普通實驗應(yīng)用領(lǐng)域足夠。與單片機的總線連接如圖4所示。數(shù)據(jù)端口DB0～DB7均連接到單片機P0口；地址端口連接74HC154的ADD2端口，DAC0832連接ADD3端口；控制端口WR和RD均和單片機的WR和RD對應(yīng)連接即可。

圖4 ADC與DAC電路

■2.4 外設(shè)訪問編程

在采用總線方式對各外設(shè)進行統(tǒng)一編址后，對外設(shè)訪問編程將變得非常簡潔。首先在Keil軟件中包含intrins.h頭文件，然后根據(jù)74HC154的外接端口對各個外設(shè)進行編址。比如ADC0804接的端口為ADD2，那么地址為0xffc2，運用#define ADC0804 XBYTE[0xffc2]宏定義就將ADC0804的地址設(shè)定完成。只需要語句tmp = ADC0804就可把ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲到tmp變量中。采用這種方式訪問任何外設(shè)編程語句就和訪問單片機內(nèi)部的寄存器相似，軟件擴展性和裁剪性均較好。

3 應(yīng)用案例

在上述仿真硬件系統(tǒng)搭建完成后，就可以開展綜合性的實驗項目或者開展需要用到處理器的實驗項目，也可以作為基礎(chǔ)實驗項目的實驗素材。下面介紹2種實驗項目仿真結(jié)果。

■3.1 DDS信號發(fā)生器

單片機模擬DDS信號發(fā)生器實驗需要用到的模塊電路主要有按鍵輸入、DAC0832模塊和LED數(shù)碼管顯示模塊。通過按鍵可以調(diào)整輸出波形類別和頻率。DAC0832外接運算放大器，實現(xiàn)電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。LED數(shù)碼管實現(xiàn)輸出信號的頻率和波形類別顯示。如圖5所示為20Hz正弦波和10Hz三角波的仿真結(jié)果圖。

圖5 仿真測試結(jié)果圖

■3.2 程控直流穩(wěn)壓電源

運用本系統(tǒng)的ADC、DAC、矩陣鍵盤、LCD12864和LM317電路模塊就可以組建一個較為復(fù)雜的程控直流穩(wěn)壓電源綜合實驗項目。圖6為程控電源的主拓撲部分，該電路在運用LM317可調(diào)穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)輸出電壓能夠在1.25V-6.25V程控可調(diào)，并且輸出電壓能夠通過LCD顯示。

圖6 程控電源主拓撲部分

圖7 為程控電源的矩陣鍵盤輸入和LCD顯示部分，通過矩陣鍵盤可以輸入一個設(shè)定電壓值，然后按下ON/C按鍵，輸出電壓就可以調(diào)整到設(shè)定電壓值。另外，LCD接口的控制總線采用了一個與門和一個或非門電路，在編程時，只需要定義好寫數(shù)據(jù)宏#define LCDWR_D XBYTE[0xf5c7]，然后語句LCDWR_D=0x01就可以實現(xiàn)對LCD寫入數(shù)據(jù)。這種方式相比較經(jīng)典的普通IO口賦值方式來看，編程得到極大的簡化。

圖7 程控電源輸入與顯示部分

4 結(jié)語

通過上述應(yīng)用案列表明，通過這種模塊化的組合，可以快速實現(xiàn)軟硬件的裁剪和組合運行。可以實現(xiàn)所有外設(shè)模塊的同時運行，而且軟件編程接口統(tǒng)一，外設(shè)擴展數(shù)量幾乎沒有限制，這極大的增加了系統(tǒng)的擴展性和可裁剪性。因此，本系統(tǒng)不但能夠用于基礎(chǔ)性實驗開展，也能夠通過模塊的拼接實現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)性實驗，使得做實驗就像“搭積木”這樣簡潔，另外還能夠在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進一步擴展，構(gòu)建一個更加龐大和完善的多課程一體化的實驗平臺，比如可以加入FPGA實驗課程、PCB制版課程、電工訓(xùn)練等課程。