一種適用于課堂使用的便攜式數字電子技術實驗平臺設計

郭以賀 張寧 何玉鈞

摘? 要 目前，大多數高等院校數字電子技術基礎課程的實驗教學滯后于課堂講授，且實驗內容占講授內容的比例偏低。為了實現在課堂上邊講授邊實驗，激發學生的學習興趣并幫助學生及時掌握授課內容，設計一種便攜式數字電子技術實驗平臺。其核心由邏輯分析儀和各種基本數字電子電路組成，采用STM32F103處理器作為主控芯片，采用液晶顯示屏和按鍵實現人機交互。實踐表明，采用該實驗平臺后，有效提高了課堂教學的質量。

關鍵詞 邏輯分析儀;數字電子技術;微處理器;實驗平臺

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）20-0027-02

Design of Portable Digital Electronic Technology Experimental Platform with Classroom//GUO Yihe， ZHANG Ning， HE Yujun

Abstract At present， the experimental teaching of the course “Digital Electronic Technology Basis” in most universities lags behind the classroom teaching， and the proportion of the experimental content in the teaching content is low. In order to realize the experiment while teaching in class， stimulate interest in learning and help stu-dents grasp the teaching content in time， this paper designs a portabledigital electronic technology experimental platform， which consists of logic analyzer and various basic digital electronic circuits. The STM32F103 processor is used as the main control chip， and the hu-man-machine interaction is realized by LCD and keys. Practice showsthat the experimental platform can effectively improve the quality of?classroom teaching.

Key words logic analyzer; digital electronic technology; micro-pro-cessor; experimental platform

1 前言

高等院校數字電子技術基礎課程包括課堂教學和實驗教學。在課堂教學中，一般通過板書或幻燈片等方式呈現電路的輸入和輸出邏輯關系。受實驗學時限制，大部分高校只能讓學生對課程講授的部分電路在實驗室進行實驗驗證。這種傳統的教學方式中，實驗滯后于講授，當學生在課堂遇到難以理解的問題時，往往不能進行有效的實驗預習，實驗的效果也就難以保證。由于實驗的內容和學時有限，學生在實驗過程中將主要時間花在導線連接上，對實驗結果的分析和思考反而不足。

本文旨在設計一種便攜式的數字電子技術實驗平臺，供學生在課堂及課下進行電路邏輯功能驗證。教師可以一邊講授一邊讓學生進行動手實驗，從而及時消化所學知識，遇到問題后可以及時反饋給教師，從而實現師生間及時有效的互動，將講授的知識消化在課堂中。這樣在實驗室的實驗教學中就不必再進行基本電路的功能驗證，從而通過設計綜合性的實驗內容，提高學生分析問題和解決問題的能力。

2 設計思路

數字電路輸入輸出引腳往往較多，輸入和輸出之間具有特定的邏輯關系，傳統的示波器一般只有兩個通道，不適于對多路信號進行同步觀察。數字電路往往只關注邏輯電平的高低，而不在意具體的電平數值，因此，邏輯分析儀應運而生[1]。時至今日，邏輯分析儀已經是分析數字系統不可或缺的儀器。邏輯分析儀有三個重要參數，分別是閾值電壓、采樣率和存儲深度。隨著后兩個參數要求的提高，邏輯分析儀實現的難度越大，成本也越高。而針對數字電子技術教學的便攜式邏輯分析儀對采樣率和存儲深度的要求并不太高，如采樣率1 MHz、存儲深度1 kB就能滿足要求。

隨著微處理器技術的發展，基于微處理器實現便攜式邏輯分析儀成為可能。本文采用STM32F103處理器，該芯片基于Cortex-M3內核，CPU最高速度達72 MHz[2-3]，內置256 kB的Flash存儲器可以實現代碼的固化，內置48 kB的 RAM存儲器可以實現數據的存儲，不需要外置RAM就能滿足便攜式邏輯分析儀的采樣和存儲要求。軟件設計則基于MDK5開發平臺和C語言開發[4]，程序包含數據采集、數據處理、數據顯示等幾個部分。

3 實現方案

為滿足課堂實驗的需求，所設計邏輯分析儀采用常見的手機充電寶供電，因此，本系統5 V電源采用Mini USB供電，由于STM32F103等芯片需要3.3 V供電，故使用一片LDO芯片AMS1117-3.3實現5 V轉3.3 V。處理器采用8 MHz的無源晶振，通過內部鎖相環倍頻至64 MHz作為處理器的時鐘。邏輯波形通過屏幕分辨率為320×240的TFT-LCD顯示，每個像素點支持16位色。TFT-LCD模塊接口的數據端口采用16位的并口，可以提供足夠快的傳輸速率，處理器通過FSMC接口連接LCD。實驗平臺設置六個按鍵，分別提供上、下、左、右、確定和取消功能，在不同的界面下可以通過六個按鍵實現參數配置和功能選擇。為實現配置參數掉電不丟失，外擴一片閃存芯片W25Q64，將重要的參數存儲到該芯片中。同時設置四個LED，提供必要的電平指示功能。

和數字電子技術基礎課程有關的測試電路，如基本門電路、觸發器、譯碼器、計數器、移位寄存器等，采用體積較小的貼片封裝，輸入和輸出連接至處理器的IO口，通過按鍵可靈活地設置不同的輸入模式，通過液晶實現輸入和輸出的顯示。這樣一來，學生可以準確地了解相關電路的輸入輸出邏輯關系，并通過不同的配置，全面測試電路的功能。此外，通過硬件設置相應的跳線帽，學生可以手動修改電路的結構，進行豐富的嘗試和電路設計。

軟件基于STM32的固件庫進行開發，將需要讀取的IO口配置成下拉輸入高速模式，輸出IO口設置為推挽輸出，測試電路的時鐘由處理器輸出。設置定時器的中斷頻率最高為1 MHz，即最快每1 μs翻轉一次時鐘電平，并在中斷服務函數中同步讀取測試電路各個輸出口的電平，保存在RAM中。

以74HC163計數器電路為例，電路如圖1所示。其中時鐘CLK、置數輸入端P0-P3接處理器輸出IO口;計數輸出Q0-Q3、進位TC接處理器輸入IO口;S1為撥碼開關，可手動控制，計數輸出經4輸入與非門SN74HC20反饋到置數端，實現小于16的其他進制計數器[5]。學生可以設定不同的置數數值和撥碼開關位置并通過液晶觀察電路的各種輸出結果，從而全面準確地理解電路的工作原理。與采用LED或數碼管方式觀察電路輸出相比，邏輯分析儀可以清楚地顯示各個觀察波形的相位關系。教師也可以在課堂上提出設計實驗題目，根據學生的實驗效果，及時調整授課內容。而在實驗室的實踐環節，可以安排更為復雜的兩片163計數器級聯實現100進制、60進制計數等綜合性題目。

液晶顯示屏呈現的邏輯波形效果如圖2所示，同時通過按鍵控制可以對顯示波形進行縮放，滿足不同情況下的觀察需求。在待機界面中可以通過選擇不同的實驗項目，進入不同的顯示界面，滿足各個實驗的特定需求。同時利用處理器內部定時器的計數功能，可以測量各個波形的頻率，幫助學生更好地理解計數器的分頻功能。

4 結語

以便攜式數字電子技術實驗平臺為設計目標，提出一種以STM32F103處理器為核心的設計方案，實現邏輯分析儀功能與數字電子技術基礎課程常見電路的有機結合。便攜式數字電子技術實驗平臺體積小、成本低，可以在課堂教學中發放給學生使用，通過邊講邊練，提高課堂教學效率，豐富實驗教學內容。

參考文獻

[1]徐杰.電子測量技術與應用[M].2版.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2018.

[2]鄭亮，鄭士海.嵌入式系統開發與實踐：基于STM32F10x系列[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[3]陳啟軍，余有靈，張偉.嵌入式系統及其應用：基于Cortex-M3內核和STM32F系列微控制器的系統設計與開發[M].上海：同濟大學出版社，2014.

[4]李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[5]謝志遠，尚秋峰.數字電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2014.