基于IAP15W系列單片機的教學實驗平臺設計

葉成彬，郭志雄，孔令棚

（華南理工大學廣州學院 電氣工程學院，廣東 廣州 510800）

基于IAP15W系列單片機的教學實驗平臺設計

葉成彬，郭志雄，孔令棚

（華南理工大學廣州學院 電氣工程學院，廣東 廣州 510800）

基于我校電氣工程學院選用最新主流的IAP15W4K58S4單片機作為單片機課程講授對象，目前市面上暫時沒有相應的單片機教學實驗平臺，經過收集學生對該實驗平臺各類建議、參考其它單片機實驗平臺及多次實驗驗證，通過自行設計一款多功能IAP15W系列單片機教學實驗平臺，其各個功能模塊相互獨立，所有I/O口均采用排針引出，用戶采用杜邦線連接方式可以靈活使用該實驗平臺各個功能模塊，目前該平臺用于電子設計大賽單片機培訓課程，正逐步推廣到單片機日常實驗教學課程。

IAP15W4K58S4；功能模塊；Keil μVision3；在線仿真；教學實驗平臺

IAP15W4K58S4單片機是STC公司生產的單時鐘/機器周期（1T）的、寬電壓、高速、超強抗干擾的新一代8051單片機，其指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍，內部集成高精度R/C時鐘和可靠復位電路。其內置資源包括：58K字節片內Flash程序存儲器、4K字節片內數據SRAM存儲器、8通道10位高速ADC、8通道PWM、四組完全獨立的高速異步串行通信端口、一組高速同步串行通信端口SPI、5個16位可重裝定時器/計數器及硬件看門口等[1]。與傳統8051單片機相比，其運行速度、內置資源及抗干擾性更勝一籌。目前市場上的單片機實驗平臺都是以十多年前生產的8051內核單片機作為開發對象，新型單片機實驗平臺少之又少。然而目前高校學生也迫切需要學習最新的單機開發，沒有相應的平臺給學生進行實驗驗證及技術，不僅磨滅了學生的學習興趣，還遏制了學生的創新思維及實踐能力的提高。

為了滿足課程教學的需要，設計并制作出一款集仿真、下載、硬件功能模塊化、自主連線及編程靈活性等功能的基于IAP15W4K58S4單片機教學實驗平臺，其單片機各功能程序源代碼及硬件原理圖均完全公開，有利于學生深入學習及開發該單片機各項內置資源[2-4]。

1 教學實驗平臺功能框圖

A區：單片機最小系統&交通燈模塊；B區：單片機I/O排針端口；C區：DS18B20溫度傳感器&蜂鳴器模塊；D區：CH340G程序燒寫模塊；E區：單片機與藍牙模塊接口；F區：RGB全彩LED燈模塊；G區：DS1302時鐘模塊；H區：ADC模塊接口&獨立按鍵接口&紅外模塊；I區：ADC模塊；J區：+5 V電源接口；K區：獨立按鍵模塊；L區：+3.3 V電源模塊；M區：兼容12864、TFT及LCD1602液晶屏接口；N區：兩路光敏電阻比較器模塊；O區：D/A數模轉換模塊；P區 （背面）：PCF8563時鐘模塊；Q區 （背面）：3W大功率RGB全彩LED燈模塊；U區：預留端口模塊。IAP15W4K58S4單片機的教學實驗平臺功能框圖如圖1所示，IAP15W4K58S4S單片機的教學實驗平臺實物正面圖如圖2所示[5-8]。

圖1 教學實驗平臺功能框圖

2 硬件系統設計

2.1 單片機最小系統&交通燈模塊

IAP15W4K58S4單片機最小系統&交通燈模塊原理圖如圖3所示，單片機P1.0、P3.0、P7.3、P7.6端口均接一個1 kΩ上拉電阻和發黃色光LED燈，單片機 P6.3、P6.7、P4.1、P7.7端口均接一個 1 kΩ上拉電阻和發紅色光LED燈，其余端口均接一個4.7 kΩ上拉電阻和發綠色光LED燈。單片機所有I/O端口均與雙排排針一一對應連接，且放置在電路板邊沿。無極性電容C1、有極性膽電容C2在單片機電源端起了儲能和濾波作用，為單片機提供電壓平穩的電源，確保單片機穩定運行。單片機P2端口與對應的雙排排針之間連接300 Ω電阻進行限流，外置4*4矩陣鍵盤或者4*4薄膜鍵盤指定與P2端口連接。雙排排針為+5 V電源接口，其電源來源于USB供電。

圖2 教學實驗平臺實物正面圖

2.2 CH340G程序燒寫模塊

CH340G程序燒寫模塊原理圖如圖 4所示，CH340G為專門的程序燒寫芯片，U3為USB_A母座其 VCC端口連接膽電容C30進行儲能及濾波，PPTC為2A可恢復保險絲，R63、R64為限流電阻，電阻R66、二極管D66防止USB器件給目標芯片供電，Switch為單片機實驗板電源開關，D65為電源工作指示燈。S1為4引腳雙排排針，一端連接到CH340G程序燒寫芯片TXD、RXD端，另一端連接至單片機RXD、TXD端，如需給單片機燒寫程序則需要用跳帽把排針相應連接即可。U4為4引腳單排排針，其為藍牙模塊與單片機串口連接接口。

2.3 ADC模塊&獨立按鍵&紅外模塊電路

ADC模塊&獨立按鍵&紅外模塊電路原理圖如圖5所示，P10為12引腳雙排排針，電阻R93在獨立按鍵與單片機端口連接時被按下過程中起了限流作用，旋動電位器R94、R9實現電壓值（0～5 V）連續變化，用于單片機ADC模數轉換。U9為TL1838紅外接收頭，其輸出信號與P15雙引腳排針連接，若需要把該信號傳送給單片機則需要用杜邦線把該排針與單片機相應引腳連接即可。

2.4 PCF8563時鐘模塊

PCF8563時鐘模塊原理圖如圖6所示，PCF8563為專門的時鐘芯片，BT1為紐扣電池CR1220正極，二極管D84阻止USB電源給紐扣電池充電，電容C29為有極性膽電容，起到儲能和濾波作用。S10為2位貼片撥碼開關，其中一端與PCF8563時鐘芯片SCL、SDA端口連接，另一端與單片機第9、10引腳連接，若需要實用PCF8563時鐘模塊則需要把2位撥碼開關打至ON端即可。

圖3 單片機最小系統&交通燈模塊

圖4 CH340G程序燒寫模塊原理圖

2.5 D/A數模轉換模塊

D/A數模轉換模塊原理圖如圖7所示，利用單片機內部CPP/PCA模塊產生高速脈沖PWM接入到電阻R104一端，D/A端口為實際產生的模擬電壓值，A/D端口接到單片機AD模數轉換端口，根據A/D檢測的電壓值來逐步調整所需電壓D/A值。

圖5 ADC模塊&獨立按鍵&紅外模塊電路原理圖

圖6 PCF8563時鐘模塊原理圖

圖7 D/A數模轉換模塊原理圖

3 軟件系統設計

單片機程序開發者需要在Keil μVision3編程軟件，編寫源代碼并經過編譯、調試直至沒有任何語法和邏輯性錯誤之后，將其編譯生成后綴名為HEX目標文件（機器碼），再將其通過STC-ISP（V6.85）程序燒寫軟件燒寫至目標單片機。

3.1 程序設計方法

單片機的程序設計有匯編語言編程及C51語言編程，目前大部分開發者都是使用C51語言編寫單片機程序。雖然匯編語言具有代碼緊湊、執行時間短、控制及時，但是編程復雜、程序移植性不高、不容易記憶，大部分學生很難在短時間內掌握。相反使用C51語言編寫的程序可讀性、可維護性以及結構性強，開發者不需要了解太多單片機內部結構，即可進行單片機系統開發，C51語言對寄存器的分配與尋址方式均由編譯系統自動完成[7-9]。

3.2 編程軟件Keil μVision3添加STC單片機型號

由于STC系列單片機是最新發展的芯片，一般情況下在Keil μVision3設備庫中沒有STC系列單片機，則需要用戶自行在Keil μVision3的設備庫中增加STC型號MCU，設置步驟如下所示：

1）打開 STC-ISP（V6.85）程序燒寫軟件，點擊“Keil

仿真設置”頁面，點擊該頁面中的“添加型號和頭文件到Keil中、添加STC仿真器驅動到Keil中”按鈕。Keil仿真設置頁面如圖8所示。

圖8 Keil仿真設置頁面

2）在彈出的“瀏覽文件夾”對話框中選擇

Keil安裝目錄（一般可能為“C:keil”），然后單擊【確定】，這樣就將STC型號的MCU成功添加到Keil μVision3。

3.3 在線仿真、編程的IAP15W4K58S4單片機

IAP15W4K58S4單片機是STC公司近期推出市場最新型號芯片，其具備的在線仿真、編程技術是該公司最新技術，

利用IAP（在線應用編程）“軟”核技術實現硬件仿真器的功能。IAP15W4K58S4單片機既可以作為目標芯片，也可用作仿真芯片。其在線可編程及仿真電路是一致的，不需要增加任何編程仿真器件，如圖9所示。

圖9 在線可編程及仿真電路

3.4 IAP15W4K58S4單片機仿真芯片設置

將IAP15W4K58S4單片機設置為仿真芯片，開發者只需打開STC-ISP（V6.85）程序燒寫軟件，點擊“Keil仿真設置”頁面，此時參考在線編程及仿真電路，并通過USB數據線把電腦與單片機開發板連接起來，再點擊 “將IAP15W4K58S4設置為仿真芯片（寬電壓系統，支持USB下載）”按鈕，然后給單片機開發板重新上電，即可將IAP15W4K58S4單片機設置為仿真芯片。

當IAP15W4K58S4單片機設置為仿真芯片之后，用戶不可以訪問仿真系統區的0DC00H-0F3FFH區域的6 K代碼空間，不能修改0400H-06FFH區的768字節的XDATA，不能向P3.0和P3.1端口寫數據，不能使用與P3.0和P3.1端口相關的中斷和功能，若仿真源代碼為匯編程序，則第一條語句必須是長跳轉語句，不能實用JMP、SJMP、AJMP或其它語句[10-13]。

4 結束語

IAP15W系列單片機教學實驗平臺已經在單片機實驗課程及培訓課程中逐步投入使用，另外培訓課程要求學生親自動手焊接實驗平臺上所有元器件，進一步鍛煉了學生動手焊接及元器件識別等能力。通過該實驗平臺的使用，學生進一步學習單片機最新設計技術，也鍛煉學生實踐能力，激發學生創新思維。根據目前單片機教學內容，自行設計實驗平臺，有利于理論知識與實踐相結合，也體現出教師的教學理念、工程經驗及教學的獨特性，做到合理地使用實驗經費并得到最適合自己學生使用的實驗平臺[14-16]。

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[8]關玉婷.基于AT89S52的單片機開發板研究[J].電子世界，2014，7（14）:28-29.

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[13]丁向榮.單片微機原理與接口技術[M].北京：電子工業出版社，2012.

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[15]常淑俊，黃杰勇.單片機實驗教學的探討[J].實驗室科學與技術，2013（4）:82-83.

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Design of teaching experiment platform based on IAP15W single chip microcomputer

YE Cheng-bin，GUO Zhi-xiong，KONG Ling-peng
（School of Electrical Engineering，Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou 510800，China）

Based on the electrical engineering college with latest mainstream IAP15W4K58S4 singlechip microcomputer as MCU course teaching object，currently on the market temporarily does not have a corresponding single chip computer teaching experiment platform，after collecting the students of the experimental platform for all kinds of Suggestions， reference other single-chip microcomputer experimental platform and experimental verification for many times，design a multi-function teaching experiment platform of the IAP15W MCU by oneslef，its various functional modules independent of each other，all I/O port pin leads are used，the user DuPont wire connection can be used flexibly in the experimentalplatformofeachmodule，theplatformiscurrentlyusedinelectronicdesigncontestmicrocontroller training courses being phased in to the microcontroller routine experimental teaching course.

IAP15W4K58S4；functional module；Keil μVision3；online simulation；teaching experiment platform

TN492

：B

：1674－6236（2017）03-0162-05

2016-01-28稿件編號：201601265

葉成彬（1990—），男，廣東茂名人，助理實驗師。研究方向：單片機技術及其應用。