一種通用模塊化單片機實驗系統的設計

汪 建 楊風開 江 晨

[摘 要]給出一種采用MCS-51/96系列單片機為核心的通用模塊化單片機實驗系統的硬件設計,該系統能在一塊電路板上靈活地進行單片機系統與各種外部接口器件連接的實驗,從而能有效鍛煉學生的實驗能力和動手能力,進而提高了《單片機原理及應用》課程的教學質量。

[關鍵詞]單片機 實驗教學系統 模塊化設計

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

引言

《單片機原理及應用技術》是一門實踐性和實用性都很強的課程,其最終落腳點在于培養學生單片機的應用能力。[1]因此, 在教學中,選用一套針對性強的單片機實驗系統非常重要。以華中科技大學單片機教學為例,長期以來都是使用實驗箱,結構復雜且硬件電路固定,既不利于提高學生理解單片機系統硬件的能力,又不足以鍛煉學生的動手和創新能力,十分影響教學效果。有人針對這樣的問題做出了相應改進,即采用所謂的模塊化設計[2][3],但常規的模塊化系統由一塊塊插板組成,不僅增加了制作成本和復雜度,也加大了實驗室的器材管理難度,遠不夠實用。

1 實驗系統總體概述

本文提出的實驗系統能有效地解決上述兩個問題,是一種新型的模塊化單片機實驗系統。該實驗系統是以MCS-51/96 單片機為核心構成的單片機實驗系統,整體結構采用模塊化設計。能完成MCS- 51/96 系列單片機的輸入/ 輸出、內部資源和常見外圍接口的實驗,具有非常好的可擴充性。系統主要由單片機模塊、擴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。系統組成結構如圖1 所示。

實驗系統通過串行通訊接口與PC機連接,通過上位PC機可將編譯生成的程序下載到實驗系統中;系統配置了各種接口電路模塊,這些接口模塊通過接插針導線,可與單片機模塊連接,從而能夠使學生在了解及掌握微機接口技術、軟件開發以及應用系統的設計等方面,經歷一個循序漸進的學習過程。學生在做實驗過程中,完全可以根據自己的需要選擇、連接硬件模塊;而系統硬件模塊的安排會給予學生充分的自主性,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。這樣的系統設計充分體現了靈活性,配以合理的軟硬件實驗安排,學生的創新能力可以發揮到極致。

2 實驗系統硬件設計

整個實驗系統的硬件設計較為復雜,下面選擇重要且有特色的部分予以詳細敘述。

2.1 CPU模塊的設計

CPU是整個系統的核心,模塊化的設計思想是設計一種通用的可擴展的適用于51系列和96系列單片機的解決方案。該模塊的方案概括而言是在主機板上先設計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行擴展。

51系列的插座設計如圖2左邊所示,單片機的2個并口P1和P3分別用排針引出,還設置了插孔方便學生用導線進行擴展連接;數據線/低位地址線、高位地址線分別用排針引出來進行存儲器的擴展。

96系列的CPU選用與8096/8098系列結構、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,而且擴展了一些新的功能,使之成為該系列芯片中目前性能較強的一款型號[4]。

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

2.2 存儲器系統的設計

存儲器系統由鎖存器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,即在單片機訪問存儲器時,先傳送地址碼的低8位,再傳送8位的數據。62和27系列芯片的地址高2位A14和A13用插孔引出擴展,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。存儲器系統設計圖如圖2所示。

2.3 輸入輸出擴展系統的設計

51/96系列單片機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,在實際設計系統時,通常要對I/O口加以擴展,目的是為外部設備提供更多的輸入或輸出通道。I/O擴展芯片選擇INTER公司的8255系列,74LS244和74LS374這種驅動器件也用來做輸入/輸出擴展,可編程器件采用GAL16V8,其除了完成譯碼工作外還可進行其他的邏輯輸入/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,需要的時候把相應部分連入系統即可。

2.4 其他應用模塊舉例

對于一個應用性強的實驗系統,大量的硬件接口電路是必不可少的。本系統設計了撥碼開關、按鍵、發光二極管、數碼顯示電路、A/D接口電路、D/A接口電路、基于I2C總線的E2PROM存儲器和DS1302日歷鐘等八大應用模塊。系統的通訊方面采用基于MAX232的RS232串行通訊接口。考慮到系統在測控方面的應用還加入了LCD液晶顯示器接口的設計,同時加入了打印接口以方便相關擴展。

下面以數碼顯示電路和D/A接口電路為例,闡明整個設計過程中的模塊化思想。

2.4.1 數碼管顯示電路

該數碼管顯示電路較以往的設計方案有新意,其主要由兩片74LS595和74LS374、一片2003和四個8段數碼管組成。顯示器的段選由并行的驅動器374和串行的595并聯而成;而位選也是374并上595再接專用的顯示器驅動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生通過這一部分實驗能熟悉串行模式。

2.4.2 D/A接口電路的設計

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

3 實驗系統的PCB設計及實現

PROTEL99SE是本次系統設計中使用的主要工具,用它繪制系統的原理圖。在畫SCH原理圖時,需注意以下幾點,否則就會出現各種各樣的錯誤,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,并且要進行人工檢查。因為有的時候Protel99se軟件對于交叉點都默認為連接,自動會畫上焊盤[6]。其次,在放置元器件的過程中,當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稱,若不相同則必須改動。最后,在人工檢查后,還要進行計算機自動檢查,確保無錯誤后,再生成網絡表,為制作PCB做好準備。

PCB板制作時,由于本系統元器件排布較多,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)在放置與結構有緊密配合的固定位置的元器件時,一定要反復測量,并與實物尺寸進行比較,確保準確無誤后再進行下一步。(3)若庫中沒有所需要的元器件,就應自己編輯建庫,確保管腳的符號、編號準確無誤,否則,在自動布線階段和人工連線時,就會出現重大錯誤。(4)應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,其設計完全按照上面的準則進行。

本文所設計的單片機實驗系統的實物如圖4所示。

4 結語

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

[參考文獻]

[1] 李丹峰.單片機應用系統教學實驗裝置的研制[J].韶關大學學報(自然科學版),2000.8.

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

[3] 熊劍.一種模塊化的單片機實驗系統.計算機與現代化,2006.5.

[4] 汪建.MSC-96系列單片機原理及應用技術[M].武漢:華中科技大學出版社,2004.

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

[6] 江思敏,姚鵬翼.Protel電路設計教程[M].北京:清華大學出版社,2002.