多內核共享單平臺資源實驗裝置設計

歐陽明星，區志江，蔡培楠

（廣東松山職業技術學院 電氣工程系，廣東 韶關512126）

單片機體積小、功能強、使用簡單，被廣泛應用于智能家用電器、工業控制、智能儀表等領域［1］.作為大中專電子、通信、自動化等專業核心課程，單片機、ARM嵌入式具有舉足輕重的地位［2］.在單片機、嵌入式課程的教學中，為了提高教學效果，可以采用“虛實結合”的教學手段，先使用虛擬仿真軟件完成原理設計與編程，以提高效率，再將程序下載到實物板件運行調試.隨著技術的發展，市場上出現了一些高性能單片機，逐漸取代了傳統51單片機，而32位ARM嵌入式處理器其性價比日益凸顯，越來越受到歡迎［3-5］.學校實驗室硬件實驗箱的設計是固定和不可升級的，當開設一門新型單片機或嵌入式處理器課程時，現有實驗箱無法滿足新課教學需求.市場上實驗箱硬件配置及設計理念大多大同小異，重新購置設備會導致資源浪費.筆者提出一種單平臺資源共享設計思路，通過快速更換不同內核處理器實現現有實驗設備資源的再利用，使用者可以進行二次開發，設計新的CPU內核板實現設備升級，實際使用效果較好.

1 系統總體設計

1.1 設計思路

（1）采用單一平臺設計，通過更換不同內核處理器實現單平臺資源共享.將人機交互接口、信號轉換、實時時鐘、通信接口等資源和模塊設計在一個單板內，通過自定義的開放式統一接口與CPU內核板連接，這樣更換不同類型CPU內核板都可以共享該平臺的所有硬件資源.由于定義了開放式統一接口，用戶可自行設計CPU內核板使用，實現系統升級.

（2）3.3~5 V寬電壓范圍，適應不同電源內核的CPU.考慮不同內核CPU及面向的應用不同，工作電壓不同，要求在3.3~5 V寬電壓范圍都能正常工作，無需手動電源轉換開關.

（3）為便于教學中實現“虛實結合”，平臺設計盡量簡單，使用時接線少.使用者在Proteus虛擬仿真軟件進行硬件連線設計并仿真，程序無需任何修改導入平臺能直接運行.

（4）平臺資源設計以實用為準，滿足從初學者到水平提升的梯度層級需求.

1.2 框圖組成

根據設計思路系統組成框圖見圖1，主要包含CPU內核板、資源平臺主板兩部分［6］.CPU內核板為獨立板件，一種CPU內核做成一塊獨立的板件，資源平臺主板作為母板，設計有數碼管、流水燈、LCD顯示器、A/D及D/A信號轉換電路、RTC實時時鐘、鍵盤、開放I/O接口等硬件資源.CPU開放所有I/O供用戶使用，CPU內核板通過活動插座插入平臺主板構成一個整體.

圖1 系統框圖

圖2 CPU內核板設計

2 CPU內核板設計

每種CPU內核單獨設計一塊PCB板，自定義統一的電氣接口用活動插座插入平臺主板.CPU內核板設計時要解決I/O端口資源分配、電源、復位等問題.CPU內核板設計的重要的原則是盡量向用戶開放CPU所有I/O端口，同時又保證使用時接線少［7］.將LCD液晶顯示、數碼管顯示、點陣顯示、D/A轉換等并行通信接線較多的部件在主板中預先接好線，通過短路帽與CPU的I/O端口相連接.當需要使用這些資源時插上短路帽即可，去掉短路帽后則成為全開放I/O端口，可以自由使用.

CPU內核板與主板之間定義了標準的電氣接口規范，該接口規范中包含了I/O端口、電源引腳、復位引腳、特殊功能引腳、程序下載接口等（見圖2）.電源引腳分3.3V、5V兩種，以適應不同CPU型號的電源要求.復位引腳同時接入高電平復位、低電平復位信號，特殊功能引腳依據芯片型號不同定義不同，其功能有PWM（脈寬）、INTx（外部中斷）、Tx（計數脈沖）等.電源電路、復位電路設計在主板上，3.3V、5V電源電壓同時接入CPU內核板，再從CPU內核板將電源饋入主板供給主板使用，以實現CPU板、主板3.3V、5V電源自行匹配，無需手工操作.復位電路設計手動復位功能，通過74AT04單反相器產生RESET、兩路不同極性復位電平，供CPU和主板硬件電路使用.結合教學實際，分別設計STC89C51、ATMEGA16、STM32F103、LPC2148等不同類型CPU內核板.

3 平臺主板設計

資源共享平臺主板設計需要考慮兩個關鍵問題：（1）3.3 V~5 V供電自適應；（2）滿足教學中“虛實結合”要求.考慮不同內核CPU的工作電壓不同，主板平臺上設計的所有硬件資源均可以自適應工作在3.3 V~5 V，無需手動切換或外接電平轉換芯片.平臺主板設計的硬件電路大部分能在Proteus仿真軟件中仿真［8］.

3.1 人機交互電路設計

人機交互電路是實現人機通信的基礎，包含輸出顯示、輸入設備.輸出顯示設計有8位數碼管顯示、1602字符型液晶顯示、128×64液晶顯示以及8×8點陣顯示.8位數碼管采用動態數碼顯示法，128×64選擇與KS0108/SED1565兼容的設計方案，以便在Proteus中仿真.由于這幾種顯示裝置并非同時使用，將數碼管、點陣的數據線通過74HC244總線驅動器隔離后，所有顯示器的數據線并聯在一起共享同一組CPU的I/O端口總線，通過切換開關切換控制使能顯示裝置，見圖3.

設計4×4矩陣鍵盤、4獨立開關按鍵兩種基本的輸入裝置.4×4矩陣鍵盤行、列線已預接至CPU內核板的一組I/O端口，套上該組I/O短路帽即可使用，無需接線.

3.2 信號轉換電路設計

考慮一些早期單片機芯片沒有集成A/D轉換器，因此主板上設計了由TLC0831組成的串行A/D采樣電路.D/A轉換電路則設計串、并兩種接口.并行接口D/A轉換使用DAC0832實現，以便滿足MCS-51單片機教學需求，使用接線最簡的直通法.串行接口D/A轉換器則采用了DAC7412 12 bit高精度轉換芯片，以滿足更高使用需求.信號轉換電路如見圖4.

圖3 顯示設計

圖5 USB通信電路

圖4 信號轉換電路

3.3 通信電路設計

USB接口使用方便，應用廣泛，一些單片機和32位嵌入式處理器內部集成了USB協議接口，但大部分單片機則沒有集成該功能，可通過USB-UART橋接芯片實現單片機的USB通信及程序下載功能.CH340是一種常見的USB-UART橋接芯片，兼容USB2.0協議集，通過單片機的異步串行通信口即可實現與計算機的USB接口通信，設計見圖5［9］.平臺還設計有RS-232、MAX485、CAN-BUS等通信接口電路.

3.4 RTC實時時鐘設計

設計兩種典型的實時時鐘電路見圖6，其中DS1302為SPI三線串行通信接口，內置RTC時鐘萬年歷及31個字節的RAM，并帶備用電池涓流充電功能，PCF8563為I2C串口通訊接口，內置時鐘萬年歷功能，兩個芯片共用一個備用紐扣電池保持時鐘信息，并由DS1302負責給鋰電池充電.3.5簡易信號源電路設計

圖6 RTC實時時鐘

圖7 信號發生電路

主板設計簡易信號源電路，可以提供PWM脈寬可調的矩形波信號、n分頻的方波信號（見圖7）.TLC555時基電路組成脈寬可調信號源電路，輸出脈寬可調的矩形波，調節W1電位器可以改變矩形波脈沖寬度.圖7中4060組成÷N分頻脈沖源電路，4060包含一個振蕩器和一個214分頻器，由振蕩器產生一個32 k的時鐘頻率經過分頻器后輸出24~214分頻脈沖，此處只取24、26、28、214分頻信號輸出.

除此之外，主板還設計有繼電器驅動、紅外收發、無線通信、藍牙接口、溫濕度測量等接口和電路.

4 應用及效果

傳統單片機等嵌入式課程教學中大多將理論與實踐分開進行，先導入大量原理，再動手實驗，學生理解困難，學習枯燥乏味，自然叫苦不迭.而實驗條件的限制，實驗教學多為演示性實驗和驗證性實驗，缺乏創新性實驗，學生做實驗室只是機械連線，沒有形成系統化的設計思維，創造性和學習的興趣被嚴重挫傷［10-11］.

現代職業技術教學理論倡導基于行動導向的教學法，能激發學生學習興趣，教學模式遵循“做中學、學中做”，探索式的學習方法極大提高了學生自主學習熱情，有利于創新性人才培養.單片機等嵌入式設計中，包含硬件原理和軟件編程兩個部分.在創新性人才培養中，開放性實驗也是重要的舉措之一.現代教學日益注重實開放性實驗.開放性實驗教學是一種新興的實驗教學方式，實踐已經證明對增強大學生的動手能力、激發學生的創新意識有著傳統教學方式不可比擬的優勢［12-13］.

Proteus是一款從原理圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真EDA開發工具，能一鍵切換到PCB設計，實現了從概念到產品的完整設計，是一款將電路仿真、虛擬模型仿真和PCB設計三合一的設計平臺［14-15］.與其他仿真軟件不同的是它除了能仿真基本的數字模擬電路外，還能模擬單片機、ARM嵌入式程序運行，以及仿真液晶顯示、SD卡讀取、計算機通信等，為開放性實驗提供了強有力支撐.Proteus軟件最新的版本是8.7，支持IOT（Internet of Things）物聯網Arduino云控制平臺，集成TCP/IP協議集仿真，實現物聯網應用系統的快速開發.更為重要的是還支持串口（COMPIM）、以太網（EPIM）等物理模型，可實現虛擬仿真電路與外部實際電路的雙向串行通信.

依本文設計思路制作的實物及應用見圖8，（a）為實物全貌，（b）為實物與Proteus仿真的單片機進行虛——實連接串口通信.除可以完成一般性的功能驗證性實驗外，還可以完成如可變流水燈、數控電源、密碼鎖、時鐘萬年歷等綜合性、開放性課題項目.這些實驗項目均能可以在Proteus中仿真運行，學生利用仿真軟件在宿舍畫圖仿真運行，再去實驗室實驗箱驗證，突破了時間、空間、內容的限制.

圖8 實驗裝置實物及應用

5 結語

筆者提出了一種多內核共享單平臺實驗裝置設計思路，解決了單片機、嵌入式課程學習中實驗資源共享的問題，通過多內核共享單平臺資源，經濟實用，節約成本.教學中結合虛擬仿真手段，可以提高學生學習興趣和熱情，使實驗不受時間、空間限制，便于實現開放性教學，在廣東松山職業技術學院小批量生產試用效果良好.