數(shù)字電路端口驅(qū)動能力實驗項目的設(shè)計

范 秋 華

(青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0 引 言

電子技術(shù)是20世紀以來發(fā)展最迅速、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，特別是數(shù)字電子技術(shù)，取得了令人矚目的進步[1]。一個電子系統(tǒng)實際就是由電子元器件組成的能夠產(chǎn)生、傳輸或處理電信號的實體。一般包括信號的采集處理、信息的邏輯分析、負載的硬件執(zhí)行3部分。實現(xiàn)邏輯分析的基本電路是數(shù)字電路[2]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，芯片的集成度在不斷的提高，考慮到功耗問題，在邏輯電路中，信號的處理和計算都是小電壓、小電流，其對外部的驅(qū)動能力也就很小，也稱之為控制電路。而具體負載的硬件執(zhí)行一般是大功率的電力電子器件，稱為主電路。這就需要驅(qū)動電路將控制電路傳來的信號按照其控制目標的要求，轉(zhuǎn)換為大功率信號以驅(qū)動外部設(shè)備的開通或關(guān)斷。

驅(qū)動的英文為“Driver”，原意是“駕駛員”。實際上在電子系統(tǒng)中當(dāng)驅(qū)動電路輸出的功率大于等于設(shè)備器件的功率，設(shè)備才能運轉(zhuǎn)。需要特別說明的是，有時按負載器件特性將器件分為電壓驅(qū)動型和電流驅(qū)動型。當(dāng)一個器件接受電壓的變化輸入后，它的外部特性改變大，即器件特性與輸入電壓成一定關(guān)系的，而與電流并沒明顯關(guān)系，稱之為電壓驅(qū)動型，如氣體型霓虹燈。如果接受電流輸入變化后，它的外部特性改變大，則稱之為電流驅(qū)動型，如發(fā)光二極管。盡管是說成電壓型、電流型，實際還是功率驅(qū)動，只是有時電壓或電流很小就忽略了[3-4]。但也經(jīng)常有例外不能忽略，數(shù)字世界的0和1分別由特定范圍的高、低電平來表示，早期，絕大多數(shù)都采用TTL和CMOS邏輯標準，將一個TTL電路的高電平門電路拉低至低電平，仍需要0.3 mA的驅(qū)動能力[5]。

現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中，為滿足低功耗、便攜和高速通信設(shè)備的應(yīng)用需求，產(chǎn)生了許多低壓、高速的數(shù)字邏輯標準，實際應(yīng)用中多達20～30種，而且在同一系統(tǒng)中往往需要采用多種不同邏輯標準的器件[6]。其設(shè)計也都不再是中小規(guī)模的純數(shù)字的芯片連接搭建，都以單片機或FPGA作為核心，用程序控制單片機或FPGA的I/O引腳輸出不同的高、低電平，甚至可以控制I/O口的輸出形式。但是，程序控制不了輸出電流，輸出電流很大程度上是取決于引腳上的外接器件。不同的接口標準，對輸出電壓和電流大小的要求不同。對初學(xué)電子設(shè)計的同學(xué)，這就造成了雖然做過門電路的參數(shù)測試實驗，但是在工程實踐中，仍會遇到程序、邏輯正確，但驅(qū)動不了的問題。

為此設(shè)計了數(shù)字電路端口驅(qū)動能力探究實驗，該實驗是一開放實驗項目，面向大學(xué)二年級學(xué)完數(shù)字電子技術(shù)課程的學(xué)生開設(shè)，而進入創(chuàng)新實驗室的同學(xué)必做。

1 實驗任務(wù)和目的

本實驗項目從電子工程實踐中常見的電路接口問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的電路、模擬電子技術(shù)、單片機、可編程邏輯器件等技術(shù)知識，理論聯(lián)系實際、挖掘根本，從門電路的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)引導(dǎo)學(xué)生理解在實際應(yīng)用中遇到的接口不匹配、程序或邏輯正確而總是驅(qū)動不了的問題，抓住源頭，學(xué)會方法及思路。任務(wù)分基本任務(wù)和發(fā)揮任務(wù)。最終在理論基礎(chǔ)上結(jié)合實踐應(yīng)用達到提升、創(chuàng)新的目的(見圖1)。

圖1 實驗設(shè)計的任務(wù)及目的

1.1 基本任務(wù)

(1) TTL標準邏輯接口驅(qū)動能力的探究。

(2) 單片機的I/O口驅(qū)動能力探究，理解灌電流、拉電流，理解程序中的1、0在硬件上的具體實現(xiàn)、理解驅(qū)動能力的含義。

(3) FPGA的I/O口驅(qū)動能力設(shè)置，F(xiàn)PGA的I/O端口比較多，其物理連接特性即標準電流、電壓不同。學(xué)習(xí)通過軟件設(shè)置FPGA輸出管腳的電平標準及驅(qū)動電流。

1.2 發(fā)揮任務(wù)

(1) TTL和CMOS相互之間的驅(qū)動探究，理解不同邏輯標準之間連接需注意的問題。

(2) 驅(qū)動繼電器、電機大電流器件的探究。

(3) 設(shè)計電路及程序，實現(xiàn)單片機與FPGA的連接及驅(qū)動。

2 實驗的實施

2.1 問題導(dǎo)入

(1) 數(shù)字邏輯電路中，邏輯門輸出端接LED陽極，正邏輯關(guān)系下，輸出高電平1，則LED點亮；輸出低電平0，LED熄滅。邏輯門一個輸出端接一個LED和接多個LED亮度情況一樣嗎？可以接多少個LED？TTL與CMOS邏輯電平有什么不同？

(2) 51、STM32、430等單片機輸出端口的驅(qū)動能力是怎樣的？為什么又叫推挽輸出、開漏輸出、準雙向口？

(3) FPGA是現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計的主流，引腳約束時需要利用軟件對FPGA管腳的輸出電流進行設(shè)置以滿足不同的高扇出需求。FPGA輸出端口驅(qū)動能力如何設(shè)置？

(4) 繼電器、電機大電流器件的驅(qū)動如何設(shè)計、電流多大？注意什么問題？

(5) 同一系統(tǒng)中使用的器件往往具有多種邏輯標準，且不同的端口標準對輸出電壓和電流的大小要求也不同。比如單片機與FPGA端口之間是直接連接還是如何匹配[7]？進入系統(tǒng)級的驅(qū)動能力探究。

2.2 實驗準備與設(shè)計

(1) 硬件準備。74LS00、 74HC00、多個發(fā)光二極管，面包板、導(dǎo)線。STC單片機，F(xiàn)PGA芯片，選用Altera公司的MAX7128(見圖2)。

(2) 軟件環(huán)境準備。Quartus II軟件，在數(shù)字電子技術(shù)課程中，已學(xué)過Verilog HDL語言及Quartus II的使用[8-9]。單片機簡單原理及編程環(huán)境的Keil的使用[10]。大學(xué)一年級都學(xué)過C語言，可以借助微視頻復(fù)習(xí)一下，實驗程序比較簡單，只是一個輸入信號傳遞給一個信號輸出。

(3) 編寫單片機及Verilog HDL程序。控制4個LED點亮與熄滅。如圖3、4所示。

圖2 實驗所需的硬件及軟件

圖3 實驗所需的Verilog HDL程序

圖4 實驗所需的單片機C程序

2.3 實驗測試

(1) 74LS00，74HC00的同一輸出口分別驅(qū)動2個、8個發(fā)光二極管，觀察現(xiàn)象，測量電平，分析原因。

這里用數(shù)碼管代替LED，如圖5所示，可以看出74LS00的一個輸出端驅(qū)動2個和8個LED時，LED數(shù)目多時，亮度會減小。

圖5 邏輯門74LS00的輸出驅(qū)動

(2) 單片機IO端口的結(jié)構(gòu)與門電路結(jié)構(gòu)相似，單片機輸出低電平時，將允許外部器件，向單片機引腳內(nèi)灌入電流，這個電流，稱為“灌電流”，外部電路稱為“灌電流負載”；單片機輸出高電平時，則允許外部器件，從單片機的引腳，拉出電流，這個電流，稱為“拉電流”，外部電路稱為“拉電流負載”[11-13]。

這些電流一般是多少？有沒有限度？如果有，最大限度是多少？這就是輸出驅(qū)動能力的問題。以STC單片機為例，通過某一輸出口分別驅(qū)動1、2、8個發(fā)光二極管，觀察現(xiàn)象，分析原因。如圖6所示，LED數(shù)目多時，亮度會減小[14]。

圖6 單片機輸出端口能力的測試

(3) 越來越多的設(shè)計需要對FPGA管腳的輸出電流進行設(shè)置以滿足不同的高扇出及對FPGA管腳輸出電流不同的設(shè)計需求。一般來講各個廠家的FPGA輸出管腳的驅(qū)動電流都可以利用軟件進行設(shè)置。

在環(huán)境Quartus II中，通過Chip Editor修改底層修改輸出管腳的驅(qū)動電流設(shè)置FPGA輸出管腳的驅(qū)動電流，Chip Editor修改底層改變Output Pin的驅(qū)動電流方式僅僅用在調(diào)試階段不改變用戶的約束文件。在環(huán)境Quartus II中，通過在Assignment Editor中通過增加約束修改輸出管腳的驅(qū)動電流[15]。

如圖7所示，在QuartusII軟件環(huán)境中設(shè)置不同的輸出電流，可以觀察到LED亮度不同。同時測量端口電壓也有變化。

2.4 實驗總結(jié)與評價

試驗完成后，從元器件參數(shù)、接口標準、軟件環(huán)境使用、程序設(shè)計多個方面進行總結(jié)討論如圖8所示。實驗的評價也是過程評價。預(yù)習(xí)準備占30分，包括微課程學(xué)習(xí)、C語言、 VerilogHDL程序的編寫；實驗的實施占40分，包括獨立排除故障、規(guī)定時間完成基本實驗3個30分,擴展實驗2個10分；課堂討論占15分，包括積極發(fā)言、經(jīng)驗分享、聯(lián)系實際提出新問題、新想法。報告書寫占15分，包括規(guī)范完整、理論設(shè)計、測試分析、問題體會。

3 實驗特色與展望

該實驗項目從實驗內(nèi)容上講是“逐層遞進”的,讓學(xué)生在“用中學(xué)，用中研”。從設(shè)計方法上講是“融合統(tǒng)一”,由純硬件、軟硬結(jié)合、到系統(tǒng)級。該實驗項目突出了基礎(chǔ)與新技術(shù)、新器件的結(jié)合，起點高，易創(chuàng)新。

圖8 實驗總結(jié)與評價

后續(xù)學(xué)生做實際的電子設(shè)計系統(tǒng)時，當(dāng)用單片機、FPGA控制的電機、繼電器等大電流器件的時，遇到驅(qū)動問題就迎刃而解。

該實驗也是選拔進入創(chuàng)新實驗室必做的試驗項目。適應(yīng)新工科理念下嵌入式、DSP、ARM系統(tǒng)級設(shè)計的融合創(chuàng)新。

4 結(jié) 語

該實驗從一個具體電路(如74LS00)引出問題，思考解決問題的方法，到擴展研究(如單片機接口，F(xiàn)PGA接口)，最后到工程應(yīng)用(如做有單片機與FPGA接口的應(yīng)用電路)。實現(xiàn)了從純硬件到軟硬結(jié)合、再到系統(tǒng)級的設(shè)計過程，是一個逐步層次化的過程。看似比較分散、實則是一個提升過程。通過該實驗提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并引導(dǎo)他們積極思考，勇于實踐，獲得綜合能力的鍛煉。