老舊單片機實驗箱的改造與升級

李學海， 孫群中， 吳蓬勃， 李 莉

(石家莊郵電職業(yè)技術學院 電信系，河北 石家莊 050021)

0 引 言

目前，許多高校擁有早期購置的多種不同類型的單片機實驗平臺(或實驗箱)，其陳舊過時現(xiàn)象非常嚴重。例如，本校2005年批量購買的一種單片機實驗箱(型號為TMC-1)，如果不作改進，就已經(jīng)不能使用了。原因是研制時所基于的單片機型號，幾年前就已經(jīng)停產(chǎn)、斷供。

如果研究一項技術，用于升級改造各高校大量現(xiàn)存的、頻臨淘汰的單片機實驗箱，不僅節(jié)約大筆開支，集約教學資源，激活存量資源，還可減少大量資源浪費和環(huán)境污染，也符合國家倡導的循環(huán)經(jīng)濟和綠色環(huán)保。

對于過時的單片機實驗箱的改造和進一步進行升級，使其能夠適應不同架構的單片機，是根據(jù)經(jīng)驗[1-9]，那是可能的。

1 背景技術分析

1.1 TMC-1單片機實驗箱

單片機實驗箱主要用于單片機學習、實驗或開發(fā)，因此單片機是整個系統(tǒng)的核心。本校所批量購置的單片機實驗箱，是由清華大學科教儀器廠早年生產(chǎn)的“TMC-1開放式單片機實驗系統(tǒng)”(實物圖見圖1)，其售價為每臺數(shù)千元。該型實驗箱用于學習、實驗傳統(tǒng)的80C51單片機，原廠共設計了20個實驗項目，并且為客戶提供了每個實驗項目的電路接線圖、匯編語言和C語言源程序，供學生解讀、模仿和驗證。

圖1 TMC-1開放式單片機實驗箱

學生完成實驗的主要方式是驗證實驗項目的預定功能，就是對于每個實驗學生所需完成的主要操作：①硬件。插接連線而把外圍電路連接到單片機的通用并行端口上；②軟件。利用運行于PC機的一款在系統(tǒng)內(nèi)編程工具軟件(Flash Magic)，把現(xiàn)成源程序編譯后獲得的目標程序(HEX代碼)下載燒寫到單片機內(nèi)部。然后令單片機獨立運行，來查看運行效果。這種方式就是“燒試法”或叫“盲調(diào)法”。[1]

至于用戶程序的錄入、編輯、匯編(或編譯)、調(diào)試這些環(huán)節(jié)，只能借助于一款帶有軟件模擬(或叫虛擬仿真功能)的IDE(集成開發(fā)環(huán)境)來實現(xiàn)和練習，例如KEIL公司的μVision，或者國內(nèi)的Wave或Medwin。由此可見，TMC-1實驗箱只能實現(xiàn)ISP編程，不能實現(xiàn)仿真，因此它只具備單片機硬件工具鏈(仿真器、燒寫器、目標板，三件套)[1]中的兩種功能。

實驗箱在單片機的安裝位置，焊裝了一個帶有鎖緊扳手的活動插座，即為ZIF插座，用于直接插接雙列直插封裝型(DIP)的40腳單片機。該實驗箱的研制背景為，原廠針對的是飛利浦“P89C51RD2”單片機，該型號單片機已經(jīng)買不到了。因此，需要在搞清該單片機特點，找一款與其兼容的、廉價易購的新型單片機，作為替代品。例如，STC89C51RC單片機。

1.2 P89C51RD2單片機

P89C51RD2單片機是由荷蘭恩智浦(NXP)公司的前身，即為飛利浦(Philips)公司的半導體部門，獲準英特爾(Intel)公司許可證生產(chǎn)的80C51兼容品之一。其實P89C51RD2共有4個同型產(chǎn)品，即為P89C51RA2、P89C51RB2、P89C51RC2和P89C51RD2(可泛稱為P89C51Rx2)，其性能完全一致，主要差別是存儲器的容量不同，程序存儲器依次為8KB、16KB、32KB和64KB的Flash。

該單片機的內(nèi)部額外固化了1KB的自舉程序(叫Boot Loader)，地址編碼為FC00H～FFFFH，與Flash空間的一個區(qū)塊(Block 15)重疊，用于實現(xiàn)ISP(在系統(tǒng)內(nèi)編程)和IAP(在應用中編程)下載用戶程序，并且是經(jīng)過UART串口下載的。ISP和IAP都屬于免用專用編程器的“自編程”功能和技術，在TMC-1實驗箱中僅僅利用了它的ISP能力。

每次單片機P89C51Rx2加電時或者復位后，都會面臨一個選擇問題，是開始執(zhí)行自舉程序而進入自編程狀態(tài)，還是開始執(zhí)行用戶程序而去實現(xiàn)用戶規(guī)定的目標任務。這就需要在/PSEN引腳上外接一只撥動開關(或者跨接插針)，用來設定單片機是進入編程狀態(tài)(該腳接地)，還是進入用戶程序(該腳懸空)。與編程有關的局部電路如圖2所示[2]。

圖2 P89C51Rx2的ISP控制電路

為了實現(xiàn)自編程，單片機制造商為P89C51Rx2設計了兩種工作模式：編程模式和用戶模式。兩種模式的進入方式或進入流程，如圖3所示。每次上電或復位后P89C51Rx2的硬件都會自動檢查“引導狀態(tài)字節(jié)”內(nèi)容和/PSEN引腳狀態(tài)，只有前者為00H、后者為接地，將從FC00H開始執(zhí)行ISP自舉程序，進入編程模式[1，10]。

圖3 P89C51Rx2的模式進入方式

1.3 STC89C51RC單片機

STC89C51RC單片機是由我國深圳宏晶科技研制生產(chǎn)的一種80C51兼容品，性價比高、貨源充足。

與P89C51Rx2單片機相同的是，STC89C51RC單片機也是在內(nèi)部固化了一段實現(xiàn)ISP自編程的自舉程序，并且ISP的實現(xiàn)也是經(jīng)過UART串口下載用戶程序的。因此，仍然可以利用實驗箱原有的下載通道。

更重要的是，需要關注兩者的不同點：STC89C51RC進入ISP的方式是在每次上電復位之后，檢測UART串口接收端子RXD上是否有PC機送來的約定碼流(比如連續(xù)的10個小寫字母“d”的ASCII編碼)，并且持續(xù)檢測幾十到幾百ms。如果有，則進入ISP模式；否則，進入用戶程序。此外，即使進入了ISP模式，在完成用戶程序的下載任務之后，最終還是會自動再進入到用戶程序，其操作流程如圖4所示[11]。

圖4 STC89C51RC的模式進入方式

2 改造與升級及其曲折過程

經(jīng)過分析得知，在把單片機替換為STC89C51RC之后，實驗箱原有的編程電路仍然不變，只是編程開關無用了，使其固定在用戶模式(USER)即可(見圖2)。按理講，每次要下載程序時，可以利用實驗箱的電源開關，只要斷開一下單片機的電源，然后再接通，即可令STC89C51RC進入編程模式。實踐證明，不可行！

2.1 改造過程

經(jīng)過分析，由于整個實驗箱的電源回路，不僅負載多，而且還有濾波電容，導致電源電壓的爬升緩慢，其上升沿不符合STC89C51RC的嚴格要求，不能可靠地觸發(fā)其上電復位而進入編程模式。因此制作了一塊小適配板，如圖5所示，其電路原理圖如圖6所示。電路中僅僅在單片機的正電源回路中加入了一只非自鎖式單刀雙擲按鈕開關S1，靜態(tài)為接通，按動為斷開。把單片機插裝到適配板上，再把適配板插裝到實驗箱中原來單片機的位置。實踐證明，依然行不通！

再次經(jīng)過分析得出結論，這回是單片機內(nèi)部的鉗位電路惹的禍。由于當今的單片機等數(shù)字芯片基本都是采用了高速CMOS工藝制作的，此工藝為了防止靜電擊穿，需要在除電源引腳之外的絕大多數(shù)引腳的芯片內(nèi)部加裝鉗位二極管[1]。如圖7所示，只畫出了其中一條引腳上的二極管。這樣即使在斷開S1時，處于電路中的單片機，其內(nèi)部的VCC端子仍然可獲取來自一些端口引腳GPIO的電流。結果導致單片機斷電不徹底，于是進入不了ISP模式。

圖5 STC89C51RC適配板實物圖

圖6 適配板原理圖

圖7 單片機內(nèi)部的鉗位電路

癥結找到了，解決的措施是，把雙聯(lián)開關S1中剩余的一聯(lián)正好利用起來，串聯(lián)到單片機的電源地回路中，如圖8所示。實踐證明可行。

圖8 單片機內(nèi)部的鉗位電路

2.2 升級過程

經(jīng)過上述改造，使得實驗箱能夠適配廉價易購的國產(chǎn)單片機STC89C51RC，以及STC10、STC11、STC12等系列中的數(shù)10個型號。如果沿著這種加裝適配硬件或軟件的思路繼續(xù)深入改造下去，還可讓實驗箱能適配非80C51兼容品的其他單片機(例如PIC系列等)，甚至還可以為該實驗箱額外添加一項高級功能“在線調(diào)試器(ISD或ICD)”。這時的實驗箱可以用作一款簡易仿真器，來學習仿真器的工作原理和操作方法。類似這樣的改造活動實際就變成了升級行為。

(1) 升級實例一。選擇一片功能可以囊括或者超出標準80C51的高性能兼容型號的單片機(例如，SST89C58、SST89E564RD或P89V51RD2等)，以SST89C58為例[12]，利用一款專業(yè)燒寫器把一段1KB的在線調(diào)試專用代碼(SoftIce58.hex，是原廠免費提供的，但不供源程序)固化到單片機中；然后直接插裝于實驗箱的單片機插座中，就可以把該實驗箱升級為“簡易型80C51單片機仿真器”；這時的實驗箱就具備了80C51單片機硬件工具鏈“三件套”的全部功能。

不過，實踐證明，原廠提供的代碼SoftIce58.hex，其功能不夠理想。就是用戶程序不能脫機運行，也就不能制成原型機。原因是，每次加電或復位單片機都會進入監(jiān)控模式，并且自動擦除用戶程序。經(jīng)過對SST89C58硬件和SoftIce58.hex軟件的大量研究與分析，最后對于外接硬件和固化軟件SoftIce58.hex進行了大膽地改進，使問題得到圓滿解決。

(2) 升級實例二。如果能在80C51單片機實驗箱上學習AVR單片機，會進一步提升實驗箱的功能和利用率(ATMEL公司的AVR系列8位單片機的產(chǎn)銷量位居全球第二)。以下就以目前國內(nèi)教科書中講解較多的ATmega16(或ATmega32)單片機為例[4]，來升級8051實驗箱。這需要我們設計和制作一塊專用的適配板，電路原理如圖9所示。電路中設計了高、低電平復位開關，分別適應于8051和AVR單片機。因此，該適配板不僅可以用于AVR到8051的轉換，而且還可以用于8051到AVR的轉換。

(3) 升級實例三。試想一下，如果能在80C51單片機實驗箱上學習PIC單片機該是多么有趣的事兒(多年來PIC系列8位單片機的產(chǎn)銷量保持全球第一；Microchip公司于2013年5月16日宣布，交付了第120億枚單片機給一家日本公司Nidec)。以下就以目前國內(nèi)認知度最高的PIC16F877單片機為例[5-6]，來進行升級。這需要設計和制作一塊專用的適配板，電路原理如圖10所示。

適配板上規(guī)劃了用于插裝PIC16F877的DIP40插座、用于插往實驗箱的DIP40插針、時鐘發(fā)生器外接晶體、手動復位開關及其上來電阻、用于在線編程和調(diào)試的6芯插口(兩個類型可選其一，分別適合對接原廠供應的兩款簡易型在線調(diào)試器“ICD3”和“PICkit3”)。

圖9 ATmega16單片機適配板原理圖

焊裝好的PIC16F877單片機適配板直接插裝于實驗箱的單片機插座中，就可以把該實驗箱升級為“簡易型PIC16F877單片機仿真器”；這時的實驗箱就具備了PIC16F877單片機硬件工具鏈“三件套”的全部功能。

(4) 升級實例四。上面3個例子都是在8位單片機之間的轉換，本例將介紹一種從8位8051升級到32位的STM32單片機，并且可以在線燒寫編程和仿真調(diào)試(需要借助于一款現(xiàn)成的在線調(diào)試器，例如U-LINK、J-LINK或ST-LINK等)。這里以48腳扁平封裝的STM32F103C8單片機為例，該型單片機的I/O共引出了2個16位的并行口，恰好可以對接8051的4個8位并行口。需要注意一點：該型單片機的電源電壓為3.3 V。STM32F103C8單片機適配板的原理圖，如圖11所示。

除了以上幾個升級實例之外，如果有需要或者有興趣，還可以為目前國內(nèi)市場上見到的其他單片機品種(例如EM78系列、SPMC65系列、MSP430系列、MC68HC08和MC9S08系列、ST62系列、COP8系列、Z8系列、HT48系列、RC8系列、TMP86系列等等)[1-15]分別設計制作適配板，那就可以進一步提升實驗箱的用途、價值和靈活性。

圖10 PIC16F877單片機適配板原理圖

圖11 STM32F103C8單片機適配板原理圖

3 實踐教學中的應用

這種經(jīng)過了改造、升級的實驗箱，曾在課內(nèi)實驗、課程設計、畢業(yè)設計、創(chuàng)新實踐、電子制作、電子設計大賽、開發(fā)性試驗等實踐教學活動中，都得到了很好的應用，并且受到了師生們的廣泛肯定與好評。以下僅就三個方面的應用作一簡介。

3.1 課內(nèi)實驗

除了在基于80C51的“單片機原理及應用”必修課程的實驗中，本實驗箱繼續(xù)得到應用，并且學生借助于它還可以學習到仿真器才能實現(xiàn)的在線調(diào)試技術，延伸和完善了硬件工具鏈的訓練能力和效果。在此實驗箱的基礎上，還為學生開設了“PIC單片機原理”選修課。學校歡迎，原因是換塊PIC單片機適配板就行

了，無需添置專用的PIC單片機實驗箱；實驗教師歡迎，原因是節(jié)省了實驗室和操作臺空間，還免除了更換實驗箱的麻煩；學生歡迎，原因是對于在80C51實驗中已經(jīng)熟悉了實驗箱布局的學生，在實驗PIC時上手快捷、高效。

3.2 課程設計和畢業(yè)設計

在課程設計和畢業(yè)設計活動中，該實驗箱也受到了學生們的青睞。理由是，可以根據(jù)設計目標的大小和復雜程度，選擇不同的單片機類型，增加了靈活性和便利性，提高了設計項目的完成率和成功率。還可以方便地進行不同單片機的比較，以及在比較實踐中學習到新知識。

3.3 創(chuàng)新實踐

為了提高學生的動手能力和設計能力，我們有計劃地定期舉行一些科技周活動。過去電信工程系的學生所制作的一些參賽作品，都是采用簡單的電子電路設計的，電路功能稍微復雜一點，學生就設計不出來。而有效利用本實驗箱的同學，則能設計出功能豐富、貼近實用的作品，甚至有的作品因設計思想新穎而獲得比賽獎。在科技活動中，學生能利用單片機技術來完成自己的設計，這也印證了本實驗箱的實用價值和教學效果。

4 結 語

通過本項目的研究，不僅鍛煉了研發(fā)團隊中的教師和同學們的動手能力和創(chuàng)新能力，而且還激活了存量資源，甚至還拓寬了原有實驗箱的用途和功能。另外，還可以很方便地進行不同型號之間的單片機性能的橫向比較研究。如果把該課題的設計思想加以推廣，甚至變通、延伸和移植的話，還可以改造和升級眾多高校實驗室中，數(shù)量巨大的趨于報廢的各種單片機實驗箱或實驗臺，以及廣大單片機愛好者手中大量的各種單片機學習板和實驗板。這不僅能節(jié)約開支、避免浪費，還可以盤活大量的壓庫資源、節(jié)省空間、減少維護，其經(jīng)濟效益和社會效益是顯而易見的。

[1] 李學海.經(jīng)典80C51單片機輕松入門與上手[M]. 北京:清華大學出版社，2009.

[2] 李學海.經(jīng)典80C51單片機快速進階與實作[M].北京:清華大學出版社，2012.

[3] 李學海.新型80C51單片機輕松入門與應用開發(fā)——AT89S8253[M]. 北京:金盾出版社，2011.

[4] 李學海.ATtinyAVR單片機精品項目開發(fā)[M].北京:科學出版社，2012.

[5] 李學海.PIC單片機實用教程——基礎篇(第2版)[M].北京:北京航空航天大學出版社，2007.

[6] 李學海.PIC單片機BASIC編程項目開發(fā)[M].北京:科學出版社，2012.

[7] 李學海.EM78單片機實用教程——基礎篇[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[8] 李學海.凌陽8位單片機——基礎篇[M]. 北京:北京航空航天大學出版社，2005.

[9] 李學海.16位語音型單片機SPCE061A實用教程——基礎篇[M]. 北京:人民郵電出版社，2007.

[10] Philips.80C51 8-bit Flash microcontroller family P89C51RA2xx /RB2xx /RC2xx /RD2xx [EB/OL]，2002.7

[11] 陳桂友.增強型8051單片機實用開發(fā)技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2010.1

[12] SST.FlashFlex51 MCU SST89C54 / SST89C58[EB/OL]，2004.6

[13] 李學海.基于MC68HC908的智能遙控電話報警系統(tǒng)設計[C]//電子產(chǎn)品世界*特刊.第3屆Motorola杯單片機應用大獎賽論文集，2000.

[14] Atmel.8-bit AVR Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash ATmega169V/ATmega169 [EB/OL]，2005.5

[15] Freescale.MC9S08AW60/MC9S08AW48/MC9S08AW32/MC9S08-AW16 Data Sheet(Rev 2)[EB/OL]，2006.12