插卡式廣適配單片機學(xué)習(xí)實驗平臺的研制

李學(xué)海，吳蓬勃，孫群中，李 莉

（石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信系，河北 石家莊 050021）

目前，在我國市場上見到的單片機（即MCU）品種不下幾十種品牌的上百個系列，每個系列內(nèi)部又包含若干種不同的型號，每個型號的片內(nèi)資源、封裝形式、引腳排列各不相同，這就使得對應(yīng)每個型號的學(xué)習(xí)實驗平臺也應(yīng)各不相同［1－15］。這不僅給學(xué)習(xí)研究帶來極大不便，而且也造成巨大的資源浪費和經(jīng)濟負擔(dān)。如果在同一個規(guī)范化的單片機實驗平臺上，同時可以適配、演示、實驗、開發(fā)多種不同廠牌、不同系列、不同架構(gòu)、不同引腳數(shù)量、不同封裝形式，甚至不同位寬的單片機芯片，那該是一件很有意義的事情。

1 分析和比較各型單片機的異同

為了讓種類繁多的單片機能夠在同一個單片機學(xué)習(xí)實驗平臺上進行實踐教學(xué)或?qū)W習(xí)演練，我們必須對一些不同時期設(shè)計的、不同廠家生產(chǎn)的、不同風(fēng)格和用途的各型常用單片機的異同進行綜合全面的研究和比對。當(dāng)然，各型單片機的異同比較是個很龐大的話題，這里我們僅限于與研制單片機實驗平臺相關(guān)的異同進行比較［1－15］。

1.1 相同之處

無論何種類型、廠牌、型號、架構(gòu)的單片機，無論有著多大差異的單片機，它們都存在以下共同之處：

（1）都需要穩(wěn)定的直流電源作為工作的基本條件；

（2）都需要穩(wěn)定的時鐘信號作為工作的基本條件；

（3）都需要復(fù)位信號作為工作的基本條件；

（4）都需要在線編程（ISP）的路徑，不具備ISP能力的單片機目前基本淘汰；

（5）都需要外接常用的人機界面器件作為內(nèi)外信號吞吐的途徑。

1.2 差異之處

（1）工作電源電壓不盡相同。絕大多數(shù)為＋5V，只有少數(shù)為＋3V；

（2）工作時鐘頻率各不相同。包含2個方面，最高工作頻率不同，生產(chǎn)標準波特率的頻率不同；

（3）時鐘發(fā)生器的電路設(shè)計不同；

（4）復(fù)位信號的有效電平不同。絕大多數(shù)的新型單片機采用低電平，只有傳統(tǒng)的80C51采用高電平；

（5）復(fù)位信號的外接電路不同；

（6）在線編程（ISP）的方式不同。比如，同屬于80C51兼容品的單片機也有不同，AT89S51的ISP采用SPI接口，P89C51采用UART接口，SM59R16A5采用I2C接口，C8051Fxxx采用JTAG接口等；

（7）另有封裝不同、引腳排列不同、引腳功能不同、引腳數(shù)量不同、位寬不同、架構(gòu)不同、內(nèi)部集成的單元電路的功能不同和數(shù)量不同等。

1.3 比較結(jié)果的應(yīng)用

基于異同比較的結(jié)果，我們把“差異之處”用作界定基礎(chǔ)板和適配卡電路功能的依據(jù)，以及規(guī)劃適配卡的依據(jù)，把“相同之處”用作規(guī)劃“基礎(chǔ)板”的依據(jù)或參考。

2 廣適配單片機實驗平臺的優(yōu)化設(shè)計

通過對于現(xiàn)有的、大量的、各種各樣的、由多家不同著名廠商設(shè)計和生產(chǎn)的，用于推廣和開發(fā)不同品牌、不同系列、不同位寬的單片機的實驗平臺或評估板，進行了深入剖析、優(yōu)劣評測、實用考察之后，制定我們的設(shè)計方案。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本方案采用的是插卡式、積木化、開放式的設(shè)計思想，整個系統(tǒng)由屬于3個類型的多種、多塊電路板、電路卡或電路模塊組成。3個類型分別為：基礎(chǔ)板、適配卡和外接模塊。三者之間的組織關(guān)系（或者一個具體實驗系統(tǒng)的構(gòu)成）如圖1所示?；A(chǔ)板與適配卡之間的連接采用168針的卡槽，其好處很多，比如觸點足夠富裕，可以轉(zhuǎn)接引腳多達百余條的高端單片機?；A(chǔ)板與外接模塊之間的連接采用10芯排線，統(tǒng)一標準以方便選配、組合。

圖1 整個系統(tǒng)組織關(guān)系方框圖

基礎(chǔ)板只有一種一塊，作為整個實驗平臺的臺基；適配卡可以配備若干種（如果研制了N種，就借助于該實驗平臺學(xué)習(xí)N種單片機），但是具體進行某一種單片機的教學(xué)和實驗時只需要插接裝有該種單片機的一塊適配卡；外接模塊是為了進一步拓展基礎(chǔ)板的用途，作為可選配件可有若干種若干塊，使用時可以同時連接多種多塊。如圖2所示就是在基礎(chǔ)板的卡槽中，插接一片裝有MC9S08AW60單片機的適配卡實物圖片。

圖2 基礎(chǔ)板插接MC9S08AW60適配卡的實物圖片

2.2 基礎(chǔ)板的設(shè)計方案

基礎(chǔ)板（見圖2）的規(guī)劃設(shè)計和特色：

（1）板上沒有直接焊裝任何型號的單片機。

（2）板上設(shè)置一個168針卡槽（選用PC機主板中插接SDRAM存儲器的168線插槽）作為接口，可以分別插接裝有各型單片機的適配卡。

（3）板載電路的功能單元以能夠滿足學(xué)生或者用戶的常規(guī)需要為原則。比如包含了20種單元電路：5V穩(wěn)壓電源、單只PWM驅(qū)動呼吸燈LED、有源蜂鳴器、微型繼電器、步進電機、單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20、一體化紅外遙控信號接收頭、模擬量輸入電位器、8位7段LED數(shù)碼管、點陣字符式LCD1602插口、點陣圖形式LCD12864插口、實時時鐘DS1302、I2C串口EEPROM存儲器AT24C2、RS232串行通信接口、8位分立LED、8位獨立按鍵開關(guān)、4×4矩陣按鍵開關(guān)、16×16點陣LED顯示模塊、PS／2計算機鍵盤插口、6組10芯排針插口。

（4）利用9只8聯(lián)同體的撥碼開關(guān)來選接單元電路到卡槽，其好處是搭建實驗電路方便、免用跨接連線。

（5）預(yù)留了6組10芯插針，以備利用統(tǒng)一的10芯排線，跨接擴展一些個性化的外接模塊。

2.3 適配卡的設(shè)計方案

可以為每一種感興趣的、不同型號或不同封裝的單片機分別研制一款適配卡。這里僅以首批試制的兩款適配卡為樣板，其實物如圖3所示，他們分別是為飛思卡爾公司MC9S08AW60單片機和ATMEL公司ATmega169單片機研制的適配卡。卡上除了焊裝單片機之外，還應(yīng)該包含時鐘電路（其中石英晶體可以插拔更換）、ISP在線編程燒寫器插口和靠近單片機的電源濾波電容（最好還有手動復(fù)位電路）［12－13］。

圖3 兩款單片機適配卡

2.4 外接模塊的設(shè)計方案

把一些基礎(chǔ)板上不具備的、不常用的、造價比較高的、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的、功能相對獨立的單元電路分離出來，單獨規(guī)劃和制作一系列的外接模塊，以備實驗、構(gòu)建或開發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)時選用。外接模塊統(tǒng)一采用10芯插針和排線來連接。每個模塊可為主板擴展一種特定功能，可擴展的功能多種多樣，并且還可逐步增多?？梢宰孕醒兄?，也可以從市場上選購。例如，各種高性能傳感器、超聲波測距模塊、USB／UART轉(zhuǎn)換接口模塊、以太網(wǎng)通信接口模塊、圖形識別攝像頭模塊、語音處理模塊、無線通信模塊、ZigBee通信模塊、WiFi通信模塊、GSM通信模塊、GPS衛(wèi)星定位模塊等。如圖4所示的外接模塊分別是超聲測距模塊、以太網(wǎng)卡模塊和攝像頭模塊（這是為凌陽大學(xué)計劃寫書時公司的贈品）。

圖4 幾款外接模塊

3 實踐體會與試用收獲

多年來的實踐經(jīng)驗告訴我們，單片機學(xué)科是從應(yīng)試教育到素質(zhì)教育的優(yōu)選教學(xué)儀器。我們研制的這個項目是一套通用性極強，可以適配多種型號的單片機，集合“仿真器、燒寫器和目標板”于一體的，適合教學(xué)、實驗、實訓(xùn)和開發(fā)的綜合性單片機實驗平臺。“三合一”的設(shè)計方式進一步提升了實驗平臺的性價比，也進一步提高了它的利用率，以及應(yīng)用過程的便利性。借助于該平臺既可以學(xué)習(xí)到多型單片機的硬件資源設(shè)計和軟件編程方法，也可開發(fā)出特定項目的原型機。這種組合化或模塊化設(shè)計方案，便于廠家的批量生產(chǎn)，也便于用戶選配組件。模塊的組合式應(yīng)用更為靈活，可用較少的硬件資源來實現(xiàn)更多的功能。這種積木化和套件化的設(shè)計，也可以使學(xué)生積極參與二次開發(fā)，提高學(xué)生設(shè)計開發(fā)水平及自主創(chuàng)新能力。經(jīng)過多個學(xué)期的實踐證明，該實驗平臺獲得學(xué)生和同行的好評。

表1就是基于該平臺分別為ATmega169和MC9S08AW60兩種單片機各自設(shè)計的20余個實驗范例，全部調(diào)通，并且運行穩(wěn)定。這套實驗系統(tǒng)曾經(jīng)被多次應(yīng)用到學(xué)生的實驗、實訓(xùn)、課程設(shè)計、電子大賽、畢業(yè)設(shè)計等學(xué)習(xí)實踐活動之中，提高了便利性，減少了維護量，節(jié)省了不少開銷。

表1 為兩種單片機設(shè)計的實驗范例

4 結(jié)束語

通過本項目的研究，鍛煉了教師，以及參與實驗學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力?；谶@種廣適配型實驗平臺，還可以拓展實驗設(shè)備的新用途、新功能，比如，可以很方便地進行不同型號單片機性能的橫向比較研究（例如，對于表1中功能相同的兩種實驗程序，對比其代碼效率和執(zhí)行時間）。如果把該課題的設(shè)計思想加以變通、延伸和移植，可以改造和升級眾多高校實驗室中那些現(xiàn)有的趨于報廢的各種單片機實驗箱或?qū)嶒炁_，以及廣大單片機愛好者手中大量的各種單片機學(xué)習(xí)板和實驗板，不僅能節(jié)約開支、避免浪費，還可以盤活大量的現(xiàn)存資源，意義十分重大。

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

［2］李學(xué)海.新型80C51單片機輕松入門與應(yīng)用開發(fā)：AT89S8253［M］.北京：金盾出版社，2011.

［3］李學(xué)海.PIC單片機實用教程：基礎(chǔ)篇［M］.2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［4］李學(xué)海.EM78單片機實用教程：基礎(chǔ)篇［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［5］李學(xué)海.凌陽8位單片機：基礎(chǔ)篇［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［6］李學(xué)海.16位語音型單片機SPCE061A實用教程：基礎(chǔ)篇［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［7］李學(xué)海.電機控制型單片機SPMC75應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.北京：中國電力出版社，2007.

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

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

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

［11］李學(xué)海.在SX系列單片機上實現(xiàn)的虛擬技術(shù)［J］.世界電子元器件，2000（11）：18－19.

［12］Atmel.8－bit AVR Microcontroller with 16KBytes In－System Programmable Flash ATmega169V／ATmega169 ［EB／OL］.［2013－07－08］.http／／：www.atmel.com／devices／ATMEGA 169A.aspx.

［13］Freescale. MC9S08AW60／MC9S08AW48／MC9S08AW32／MC9S08AW16 Data Sheet（Rev 2）［EB／OL］.［2013－06－08］.http／／：www.freescale.com.

［14］SST.FlashFlex51MCU SST89C54／SST89C58［EB／OL］.［2013－05－08］.http／／：www.microchip.com／search／searchapp／searchome.aspx？q＝SST89C58RC Data Sheet－FlashFlex MCU＆resperpape＝10＆id＝2＆ac＝1.

［15］Philips.80C51 8－bit Flash microcontroller family P89C51RA2xx／RB2xx／RC2xx／RD2xx ［EB／OL］.［2013－04－05］.http／／：www.zlgmcu.com／philips／philips－80c51.asp.