支撐單片機實驗教學的工具鏈及其自行設計

李學海，曲文敬，李 影

（石家莊郵電職業技術學院 電信系，河北 石家莊 050021）

單片機原理及應用技術的學習是一個實踐性強、環節多的復雜過程，基于單片機的項目開發則是一項極富挑戰性、創造性、開拓性和趣味性的工作。筆者在自己的專著中最先提出了關于單片機的“三鏈條”概念——全程知識鏈、軟件工具鏈、硬件工具鏈。它高度概括了初學者要想學好、用好單片機所必須遵循的三條主線［1-2］。知識鏈用于指引初學者的理論學習過程；軟件工具鏈和硬件工具鏈用于支撐學習者或應用者的實戰訓練或項目開發流程。為了更好地滿足企業的用人需求，在高校的單片機實踐教學中，必須直接面向單片機的工具鏈。

1 軟硬件工具鏈的概念、意義與關系

對于那些僅僅想了解單片機基本概念、學習單片機基本原理的初學者，也許只利用免費的KEIL軟件包也能達到學習單片機的最低需求。不過，對于那些想把單片機應用于自己的課程設計、畢業設計、電子制作、科研項目或電子產品之中的應用者來說，就遠不能滿足需要了。

雖然在單片機的集成開發軟件平臺μVision上，可以實現“純軟件”方式的項目調試，但是畢竟與實際的單片機應用開發還有相當大的距離，往往解決不了真實問題、收獲不到實際經驗、學習不到硬工夫、理解和記憶也不夠深刻。

“工欲善其事，必先利其器”。在單片機的學習和應用過程中，除了需要掌握一個系統的“軟件工具鏈”之外，還需要掌握一個完整的“硬件工具鏈”。換言之，為了能夠全面地學習到比較專業的單片機應用開發技術，除了要學會運用軟件工具鏈當中的各種軟件工具之外，還需要熟悉硬件工具鏈中所包含的3種必備硬件裝備：實時在線仿真器、程序燒寫器和單片機目標板。

筆者高度概括的一種工具流程圖（見圖1），它描繪了軟件工具鏈和硬件工具鏈的工作流程及其關系。其中，調試器（Debugger）能夠支持軟件模擬器和硬件仿真器2種工作模式：（1）當Debugger工作于硬件仿真器模式時，它擔當了仿真器的驅動程序或支持軟件的角色，這時需要仿真器硬件的配合（圖1中的Debugger和仿真器之間是連通的）；（2）當Debugger工作于軟件模擬器模式時，則是以“純軟件”方式來實現非實時、非在線的程序調試，這時不需要仿真器硬件的配合（圖1中的仿真器可以被省略）。

圖1 軟件工具鏈和硬件工具鏈及兩者關系

2 “三合一型”單片機實驗儀的自行設計

一般軟件工具鏈可以免費獲取，而硬件工具鏈則是需要購買。購置一套完整的專業級的硬件工具鏈往往需要上千元；而自行研制的成本有較大彈性，通過優化設計甚至可以把制作成本降到幾十元，學生自己完全負擔得起。

為此，筆者結合多年的教學和單片機應用項目開發經驗，精心設計制作了一套功能豐富、用途廣泛、性價比高的DH2013型單片機綜合學習應用開發實驗儀（簡稱單片機實驗儀）。

2.1 實驗儀電路的規劃特色

在設計DH2013實驗儀的電路時，盡量選用市場上常見、工程上常用，或功能上最基本、適合搭配或補充80C51內部模塊功能的器件，例如：

模擬 器 件：LM324、LM339、NE555、NE567、LM7805、LM317、TL431；

數字器件：CD4013、CD4040、CD40106、74HC575；

多功能器件：EM91410、DS1232；

通信接口器件：MAX232；

電／聲和聲／電轉換器件：有源蜂鳴器、微型揚聲器、壓電陶瓷揚聲器、麥克風；

電／光 和 光／電 轉 換 器 件：單 色 LED、雙 色LED、PC817；

紅外光通信器件：紅外發射二極管、紅外接收二極管；

傳感器器件：熱敏電阻、光敏電阻。

2.2 實驗儀電路的布局

DH2013實驗儀的電路功能比較豐富，元器件布局比較緊湊（見圖2（a）），各單元電路和模塊電路的布局如圖2（b）所示，其中 A7—A0為開關、L7—L0為LED。

圖2 DH2013實驗儀布局圖

雖然該單片機實驗儀的成本比較低，但是在硬件功能上卻可以代替傳統意義上的三件套：簡易型實時在線仿真器＋串行下載程序燒寫器＋單片機應用開發目標板。在實驗過程中基本可以代替這3種經典硬件工具的全部功能。

借助于該實驗儀，能夠讓學生學習和體驗到仿真器、燒寫器的使用方法，以及電路規劃、模塊組合、器件連接、功能搭配等實際硬件的設計技巧，單片機初學者可以進行實際練習，單片機應用者可以進行單片機項目的開發和評估。

3 實驗儀主要模塊的電路設計

DH2013單片機實驗儀的電路采用模塊化設計，包含25個硬件模塊電路，可以實現50余個實驗項目，其中比較有特色的模塊介紹如下。

3.1 直流穩壓電源

布局印制電路板（PCB）時預留了焊盤位置，既可以焊裝一片LM7805作為5V直流穩壓電源，也可以焊裝一片LM317作為可調節輸出直流穩壓電源。經過巧妙設計，電源開關S1又可以作為電源切換開關，用于選擇USB供電（5V，可取自PC機或者手機充電器）或9V供電（可選用電源適配器或者層疊電池）。當外接電源適配器接入時，電路可自動切斷USB電源。電路如圖3所示［3-5］。

圖3 多用途穩壓電源電路

3.2 MAX232電平轉換串行通信接口

實現TTL電平與RS232電平的轉換，可以被用作單片機UART串口與微機COM串口之間的橋梁，實現在線調試（ICD）、在線編程（ISP）功能，還可實現系統之間的串行通信功能。該電路還可以提供一個-9V（＞10mA）電源。芯片型號可以選擇MAX232、HIN232、DS232、AMD232等（見圖4）。

圖4 串行通信接口電路

3.3 LM324通用四運算放大器

可以用作增益可調的電壓放大器、電壓跟隨器、RC方波振蕩器、電壓比較器、施密特觸發器、功率驅動器（吞、吐電流可分別達到20mA和40mA）、信號調理電路等。芯 片 型 號 可 以 選 擇LM 3 2 4、LA 6 3 2 4、NJM324、TA75324等（見圖5）。

圖5 LM324四運放電路

3.4 LM339通用四電壓比較器

圖6中，2個比較器U3A和U3B用于構建一個邏輯筆，用于探測邏輯電平或周期性脈沖信號。當從H3端子引入的信號為邏輯電平時，可以通過雙色LED的發光顏色來判斷測試電平的高或低；當引入的信號為周期性脈沖時，還可以通過顏色來估測信號的占空比。2個比較器開放全部引腳，以備用作電壓比較器、RC振蕩器、簡易ADC、施密特觸發器、集電極開路（OC）型功率驅動器（吞入電流可達16mA）等。芯片型號可以選擇LM339、LA6339、TA75339等。

圖6 LM339四電壓比較器電路

3.5 CD40106六施密特觸發器

在圖7中，用U5A和U5B搭建一個按鍵觸發單穩態電路，用于單脈沖產生或按鍵消抖；U5D用于晶體振蕩器；U5E用于啟／停可控的RC振蕩器；U5C用于構建一個周期和占空比都可調的RC振蕩器；U5F以備用作信號整形、信號緩沖器、反相器等。

圖7 CD40106六施密特觸發器電路

3.6 NE555模擬定時器

NE555是用途廣泛、廉價易得的8腳通用芯片，單片機實驗儀為它保留了可以任意組合的插接點。它可以被搭建成觸摸觸發或按鍵觸發單穩態電路、頻率可變的方波振蕩器、施密特觸發器、反相功率驅動器（吞入電流達100mA）、壓控脈寬振蕩器（VFC）、電流／頻率轉換器等（電路見圖8）。

圖8 NE555模擬定時器電路

3.7 EM91410鍵盤編碼＋多功能信號發生器

在電路中創造性地選用了一片矩陣鍵盤編碼器和多種信號發生器芯片EM91410，可以提供脈沖個數（1～10個）可控的序列脈沖信號、雙音多頻（DTMF）信號、報鍵音信號、模擬UART發送的幀信號等［6-7］（電路見圖9）。

圖9 多功能信號發生器電路

3.8 DS1232復位＋看門狗

設計了2種為單片機提供復位信號的復位電路：一種是常規RC型電路，另一種是利用一片多功能芯片DS1232（或 MAX1232）組成。復位電路可以實現上電延時復位、電源欠壓復位、程序跑飛看門狗復位、人工復位等功能［8-11］（電路見圖10）。

圖10 復位和DS1232電路

3.9 CD4040脈沖頻率源供應電路

可以利用12級分頻來提供12種頻率不同的方波脈沖信號，芯片型號可以選擇CD4040、74HC4040、CC4040等。

3.10 8LED輸出顯示＋8KEY開關輸入

該模塊通常作為單片機應用項目中必不可少的人機界面，L0—L7共8只分立的發光二極管（4只紅色、4只綠色）可以用插接線連接到單片機的并口，作為單片機的簡易輸出顯示器。8只獨立的輕觸按鈕開關A0—A7（見圖2（b）），也可以用插接線連接到單片機的并口，作為單片機的實用型輸入設備。

3.11 仿真目標單片機（含固件）

選擇 型 號 為 SST89C58（或 SST89E564RD、P89V51RD2等）的高性能單片機，其中固化了經過優化的4KB在線調試專用代碼——固件，作為仿真調試的目標或者應用開發的目標單片機［12-15］（見圖11）。

圖11 仿真目標單片機

3.12 自由焊接區的規劃

在規劃布局印制電路板時，預留了一塊類似于洞洞板的自由焊接區塊，具有378（27×14）個金屬化焊孔。自由焊接區的主要用途是：（1）供用戶自行搭建新電路，開發新實驗；（2）供用戶將市場上出現的新器件接口單片機和進行編程評估；（3）供用戶進行二次開發，例如用于電子大賽項目的電路搭建、畢業設計的電子項目原型機等。

4 結束語

DH2013型單片機實驗儀是為單片機的實踐教學量身定制的實驗、實訓平臺，使用方便、價格便宜、性價比高。我校在實踐教學中采用了“先自制、后應用”方式，使學生人手一塊DH2013單片機實驗儀，明顯提高了學生的動手能力，激發了他們對單片機的學習熱情、鉆研精神和自主創新能力。利用DH2013單片機實驗儀，學生既能掌握軟件編程，又能學會硬件搭建、程序燒寫器的使用、在線仿真器的操作。該單片機實驗儀還可以推廣應用到數字電路等其他實驗教學。經此訓練的畢業生明顯受到用人單位的歡迎。

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