基于MCU的經(jīng)典數(shù)字電路邏輯功能模擬系統(tǒng)

盧潤(rùn)芝 趙東升 羅金鳴 秦宏

摘 要：近年來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展，集成電路的集成度和性能大幅提高，且成本較低，導(dǎo)致早期的74系列經(jīng)典數(shù)字邏輯電路漸漸淡出了工程應(yīng)用，因此生產(chǎn)廠家逐漸減少，零售價(jià)越來(lái)越高。而數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)內(nèi)容依然基于經(jīng)典的74系列邏輯電路，使得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也必須采用相應(yīng)的集成芯片，造成數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室元件采購(gòu)困難且成本高。于是，設(shè)計(jì)了基于MCU的經(jīng)典數(shù)字電路邏輯功能模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MCU為平臺(tái)，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)了多個(gè)經(jīng)典數(shù)字電路邏輯功能的模擬。系統(tǒng)體積小巧、成本低廉、便于攜帶、使用方便，可有效降低電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)成本，并提高數(shù)字電子技術(shù)課程的課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：MCU;經(jīng)典數(shù)字電路;74系列;邏輯功能模擬;LCD1602;撥動(dòng)開(kāi)關(guān);LED

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）08-00-02

0 引 言

目前，數(shù)字電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容依然基于經(jīng)典的74系列數(shù)字邏輯電路，相應(yīng)的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)也要使用該系列的芯片，但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路的集成度和性能大大提高，且成本很低[1]，導(dǎo)致經(jīng)典的74系列數(shù)字邏輯電路芯片在工程中的使用越來(lái)越少[2]，生產(chǎn)廠家也隨之減少，零售價(jià)越來(lái)越高，使得實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)成本不斷增加。另一方面，數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)往往是理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)分開(kāi)進(jìn)行，不利于學(xué)生快速理解數(shù)字邏輯電路和提高工程應(yīng)用能力。因此，本文利用MCU成本低廉、性能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)[3]，設(shè)計(jì)了一款基于MCU的經(jīng)典74系列數(shù)字電路邏輯功能模擬系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以國(guó)產(chǎn)增強(qiáng)型8051系列MCU—STC15W4K32S4為核心[4]，利用撥碼開(kāi)關(guān)控制經(jīng)典數(shù)字邏輯電路的輸入狀態(tài)，LED燈指示經(jīng)典數(shù)字邏輯電路的輸出狀態(tài)，構(gòu)成模擬經(jīng)典數(shù)字邏輯電路的主體。同時(shí)，系統(tǒng)的邏輯功能可由按鍵控制，并通過(guò)LCD1602液晶顯示屏顯示系統(tǒng)正在模擬的經(jīng)典數(shù)字邏輯電路型號(hào)[5]。系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

撥動(dòng)開(kāi)關(guān)共8路，分別控制MCU 8個(gè)引腳的輸入電平;LED燈共8路，其狀態(tài)受MCU引腳獨(dú)立控制，亮表示相應(yīng)的輸出端為高電平，滅表示相應(yīng)的輸出端為低電平。按鍵共兩個(gè)，一個(gè)用于切換MCU的工作狀態(tài)，使之模擬多個(gè)經(jīng)典數(shù)字邏輯電路;另一個(gè)按鍵用于模擬時(shí)序邏輯電路的時(shí)鐘脈沖。

此外，硬件系統(tǒng)中加入了基于CH340的串口轉(zhuǎn)USB電路[6]，并且使用比較流行的Micro USB接口[7]，系統(tǒng)的供電和程序的下載均可通過(guò)一條主流智能手機(jī)的數(shù)據(jù)線來(lái)完成，進(jìn)一步降低了成本，提高了便攜性。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所涉及的邏輯功能利用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，在Keil軟件中完成代碼的編譯與調(diào)試[8]。系統(tǒng)在一個(gè)硬件平臺(tái)上，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)了多個(gè)經(jīng)典的數(shù)字邏輯電路的功能模擬，見(jiàn)表1所列。

由表1可知，系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的組合邏輯電路，又實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的時(shí)序邏輯電路，涵蓋了數(shù)字電子技術(shù)課程中主要數(shù)字電路型號(hào)。MCU具有32 KB的片上FLASH ROM和

4 KB片上RAM，屬于增強(qiáng)型51系列MCU，在現(xiàn)有邏輯功能的基礎(chǔ)上，仍可繼續(xù)增加軟件代碼，以實(shí)現(xiàn)其他

功能。

3 程序設(shè)計(jì)

在搭建好的硬件平臺(tái)上進(jìn)行軟件編程以實(shí)現(xiàn)所需功能：

（1）MCU上電后初始化，在LCD1602上顯示開(kāi)始信息;

（2）系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)選擇按鍵的狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備切換功能;

（3）功能選定后，MCU將按照規(guī)劃好的引腳分配相應(yīng)的軟件代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)數(shù)字電路的邏輯功能。

3.1 組合邏輯電路的實(shí)現(xiàn)

基本邏輯門(mén)、譯碼器和數(shù)值比較器等屬于組合邏輯電路。組合邏輯電路在邏輯功能上的特點(diǎn)是任意時(shí)刻的輸出僅僅取決于該時(shí)刻的輸入，與電路原來(lái)的狀態(tài)無(wú)關(guān)。采用掃描方式實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路。MCU不斷讀取撥動(dòng)開(kāi)關(guān)陣列的電平狀態(tài)，經(jīng)MCU運(yùn)算轉(zhuǎn)換后，將結(jié)果通過(guò)LED燈實(shí)時(shí)顯示。

3.2 時(shí)序邏輯電路的實(shí)現(xiàn)

觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等屬于時(shí)序邏輯電路。時(shí)序邏輯電路在邏輯功能上的特點(diǎn)是任意時(shí)刻的輸出不僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)，而且還取決于電路原來(lái)的狀態(tài)，或者說(shuō)，還與以前的輸入有關(guān)，并且時(shí)序邏輯電路狀態(tài)的改變發(fā)生在CP信號(hào)的跳變沿[9]。采用外部中斷方式實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路，使用CCP捕獲功能檢測(cè)跳變沿[10]。實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路時(shí)，MCU保存上一次跳變沿時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)，下一次跳變沿到來(lái)后，由已保存的上一次狀態(tài)與當(dāng)前輸入狀態(tài)共同決定當(dāng)前時(shí)刻的輸出，并將結(jié)果通過(guò)LED燈直觀顯示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的經(jīng)典74系列數(shù)字電路邏輯功能模擬系統(tǒng)在同一個(gè)以MCU為核心的硬件平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)多款經(jīng)典數(shù)字電路的邏輯功能，并且可根據(jù)實(shí)際需求隨時(shí)通過(guò)軟件編程修改系統(tǒng)功能，以完成對(duì)所需邏輯電路的模擬。該系統(tǒng)可有效降低高校電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)成本。此外，該系統(tǒng)體積小巧，可隨身攜帶，便于在理論課的課堂中同時(shí)進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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