多功能微控制器與可編程邏輯器件實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

朱向慶，朱萬(wàn)鴻，鐘創(chuàng)平，何昌毅

多功能微控制器與可編程邏輯器件實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

朱向慶，朱萬(wàn)鴻，鐘創(chuàng)平，何昌毅

（嘉應(yīng)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，廣東 梅州 514015）

為了提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，提出一種多功能微控制與可編程邏輯器件實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)方案。該實(shí)驗(yàn)箱采用“主板+核心板”的模式，主板上集成輸入模塊、輸出模塊、模擬量模塊、串行總線(xiàn)模塊、通信模塊和電源模塊，核心板有4款，包括51單片機(jī)、STM32單片機(jī)、CPLD及FPGA。實(shí)驗(yàn)證明，核心板能夠控制主板上的所有模塊，完成單片機(jī)與可編程邏輯器件的仿真及下載實(shí)驗(yàn)，具有性?xún)r(jià)比高、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)、升級(jí)方便等特點(diǎn)，可在單片機(jī)、數(shù)字電路與數(shù)字邏輯、EDA技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等課程中推廣使用。

微控制器實(shí)驗(yàn)箱；可編程邏輯器件實(shí)驗(yàn)箱；下載實(shí)驗(yàn)；仿真實(shí)驗(yàn)

單片機(jī)、數(shù)字電路與數(shù)字邏輯、EDA技術(shù)[1]、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等是高校電子信息、通信、自動(dòng)化等工科專(zhuān)業(yè)常開(kāi)設(shè)的核心課程，其實(shí)驗(yàn)設(shè)備的特點(diǎn)是以某種處理器或可編程邏輯器件為核心，控制其他外部設(shè)備，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦莆掌骷幊碳夹g(shù)。而它們的外部設(shè)備有不少相同或相似之處，因此可以將實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行整合。現(xiàn)有一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可完成“ARM+DSP+ FPGA”實(shí)驗(yàn)[2]或“單片機(jī)+EDA”實(shí)驗(yàn)[3-5]，但它實(shí)際上是由獨(dú)立的嵌入式、DSP、EDA或單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱構(gòu)成；或者在一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上集成單片機(jī)、CPLD、FPGA、STM32中的多款[6]，因?yàn)楣灿靡粋€(gè)下載/調(diào)試接口，往往不能同時(shí)完成兩款微處理器或兩款可編程邏輯器件實(shí)驗(yàn)。同時(shí)因?yàn)橛布娐饭潭ǎ瑳](méi)法進(jìn)行升級(jí)，也不方便使用者自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不利于使用者發(fā)揮創(chuàng)新性。

因此，設(shè)計(jì)一款多功能微控制與可編程邏輯器件實(shí)驗(yàn)箱，以同時(shí)滿(mǎn)足多門(mén)課程的教學(xué)需求，提高設(shè)備利用率，避免重復(fù)投資。

1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)箱主要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）多芯片學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)箱可根據(jù)需要完成不同的微控制器（51單片機(jī)、STM32單片機(jī)）或可編程邏輯器件（CPLD、FPGA）實(shí)驗(yàn)，不需要額外的硬件設(shè)備支持，即可實(shí)現(xiàn)硬件仿真與下載功能。一個(gè)箱子，多種用途，節(jié)約設(shè)備購(gòu)置成本。

（2）便于升級(jí)。實(shí)驗(yàn)箱采用“主板+核心板”的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，主板上的設(shè)備可由核心板控制。伴隨芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，后續(xù)設(shè)計(jì)的新款核心板同樣可以方便地安裝至主板上，以滿(mǎn)足不同層次學(xué)生的需求。

（3）可自主開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。核心板上微控制器或可編程邏輯器件的I/O接口通過(guò)香蕉插座引出，使用者可以連接控制其他功能模塊，以“搭積木”的方式自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[7]。

（4）順應(yīng)通信技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)箱主板內(nèi)置Wi-Fi模塊、藍(lán)牙模塊、RFID模塊、GPRS+GPS模塊、以太網(wǎng)模塊、nRF24L01模塊以及紅外接收頭，可供任課教師傳授目前流行的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，或者學(xué)生自主學(xué)習(xí)通信技術(shù)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖1是實(shí)驗(yàn)箱各功能模塊連接框圖，實(shí)驗(yàn)箱有2個(gè)核心板底座，可以單獨(dú)或同時(shí)安裝圖2所示的51單片機(jī)、STM32單片機(jī)、CPLD或FPGA中的任意一款核心板，單獨(dú)控制主板上的輸入模塊、輸出模塊、模擬量模塊、串行總線(xiàn)模塊和通信模塊。2個(gè)核心板有各自獨(dú)立的下載/調(diào)試接口，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)該接口給核心板的微控制器或可編程邏輯器件編程，或進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，核心板之間也能夠相互通信[8-9]。

圖1 電路結(jié)構(gòu)連接框圖

2.1 核心板電路框架

圖2是4個(gè)核心板的硬件框圖，它們都包含最基本的微控制器/可編程邏輯器件、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源接口、串行通信接口/JTAG接口、I/O口擴(kuò)展引腳。電源接口、串行通信接口/JTAG接口都引出至核心板的2×20P牛角母座；核心板通過(guò)牛角母座安裝至主板的核心板卡槽（2×20P牛角公座）。圖2（b）所示的STM32核心板還包括TFT液晶觸摸屏、Micro SD卡存儲(chǔ)器、EEPROM存儲(chǔ)器、Flash存儲(chǔ)器等，圖2（d）所示的FPGA核心板還包括SDRAM存儲(chǔ)器和Flash存儲(chǔ)器。

2.2 輸入模塊

輸入模塊主要用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，讓微控制器接收操作者的指令。它包括由4個(gè)輕觸開(kāi)關(guān)構(gòu)成的1×4獨(dú)立按鍵，由16個(gè)輕觸開(kāi)關(guān)構(gòu)成的4×4矩陣鍵盤(pán)，以及1×8自鎖開(kāi)關(guān)。

圖2 核心板電路框架

2.3 輸出模塊

輸出模塊用于完成聲光輸出，包括無(wú)源蜂鳴器電路、8×8單色LED點(diǎn)陣電路、四位一體共陽(yáng)數(shù)碼管電路、1×8發(fā)光二極管電路、1602字符液晶電路、8.13 cm（3.2英寸）USART智能串口觸摸屏。智能串口觸摸屏除了完成輸出功能外，還可以實(shí)現(xiàn)觸摸輸入。顯示屏自帶GUI，該GUI可采用圖形化的USART HMI軟件快速開(kāi)發(fā)。即便是彩屏，它也無(wú)需額外的驅(qū)動(dòng)電路及復(fù)雜的程序；任何有串口通信功能的處理器都可以通過(guò)串行通信跟觸摸屏交互信息。

2.4 串行總線(xiàn)模塊

串行總線(xiàn)模塊包括單總線(xiàn)（1-Wire）數(shù)字溫度傳感器電路及實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。數(shù)字溫度傳感器電路核心器件是Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20，可完成單總線(xiàn)通信實(shí)驗(yàn)，測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱周?chē)h(huán)境的溫度。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路核心器件是DS1302，它是Dallas公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，采用三線(xiàn)制SPI總線(xiàn)與處理器通信，可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。

2.5 通信模塊

通信模塊包括Wi-Fi模塊接口、RFID模塊接口、以太網(wǎng)模塊接口、GPRS+GPS模塊接口、紅外接收頭電路、nRF24L01短距離無(wú)線(xiàn)通信模塊接口和藍(lán)牙模塊接口。

Wi-Fi模塊接口安裝Wi-Fi模塊ESP8266，它內(nèi)置的核心器件為樂(lè)鑫公司的ESP8266EX，微控制器通過(guò)UART串口連接該模塊，可以通過(guò)Wi-Fi上網(wǎng)或連接智能手機(jī)。

RFID模塊接口安裝RFID模塊MF RC522，該模塊內(nèi)置NXP公司生產(chǎn)的非接觸式讀寫(xiě)卡芯片RC522。RC522模塊默認(rèn)控制接口為UART，通過(guò)調(diào)整板上的電阻，還可以使用SPI或I2C總線(xiàn)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)通信。

以太網(wǎng)模塊接口安裝W5500以太網(wǎng)模塊，微控制器通過(guò)SPI口連接該模塊，完成以太網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)[10]。

GPRS+GPS模塊接口安裝安信可科技公司的GPRS+GPS A7模塊。該模塊支持GSM/GPRS 4個(gè)頻段，支持GPRS Class 10，支持語(yǔ)音通話(huà)、SMS短信、GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)GSM AT命令、TCP/IP命令，支持GPS+AGPS。微控制器通過(guò)UART串口與該模塊連接，即可通過(guò)GPRS上網(wǎng)、收發(fā)手機(jī)短消息及GPS定位導(dǎo)航。

紅外接收頭電路由一體化紅外接收頭1838T構(gòu)成，微控制器通過(guò)外部中斷接口連接1838T，即可用軟件進(jìn)行紅外接收、解碼。

nRF24L01短距離無(wú)線(xiàn)通信模塊接口安裝nRF24L01模塊，其核心器件是Nordic公司的單片射頻收發(fā)器nRF24L01[11]。微控制器通過(guò)SPI口連接該無(wú)線(xiàn)模塊，即可與其他實(shí)驗(yàn)箱的nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊組網(wǎng)通信。

藍(lán)牙模塊接口安裝匯承信息科技公司的主從一體HC-05藍(lán)牙模塊，微控制器通過(guò)UART串口連接該模塊，可以與其他藍(lán)牙設(shè)備通信。

2.6 模擬量模塊

模擬量模塊包括ICL7109模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。ICL7109是美國(guó)Intersil公司生產(chǎn)的一種高精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低廉的12位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，并配有較強(qiáng)的接口功能，方便與各種微處理器相連。DAC0832是TI公司生產(chǎn)的8位并行D/A轉(zhuǎn)換器，具有接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

2.7 電源模塊

實(shí)驗(yàn)箱底部安裝一個(gè)開(kāi)關(guān)電源，它提供±12 V及+5 V直流電源。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源輸出的直流電壓紋波較大，而模擬量模塊的實(shí)驗(yàn)，要求參考電壓及輸入電壓紋波盡量小；因此采用L7805線(xiàn)性穩(wěn)壓器，將開(kāi)關(guān)電源輸出的+12 V轉(zhuǎn)換為紋波較小的+5 V，提供給模擬量模塊。同時(shí)，采用AMS1117-3.3芯片，將開(kāi)關(guān)電源輸出的+5 V轉(zhuǎn)為+3.3 V輸出，提供給需要+3.3 V供電的器件。

3 實(shí)驗(yàn)板結(jié)構(gòu)及功能模塊布局

實(shí)驗(yàn)箱整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。電源插座引入220 V交流市電，經(jīng)過(guò)電源開(kāi)關(guān)后，接入開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源輸出±12 V和+5 V的直流電，再送至PCB板中的電源模塊，為整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱元器件供電。

圖3 實(shí)驗(yàn)箱整體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)箱面板功能模塊布局如圖4所示，核心板座A和核心板座B可以隨意安裝51單片機(jī)、STM32單片機(jī)、CPLD或FPGA中的任意一款核心板。下載/調(diào)試模塊A和下載/調(diào)試模塊B都包含串口和JTAG口，分別單獨(dú)與核心板座A和核心板座B的核心板卡槽連接。板載大部分功能模塊都可以方便地進(jìn)行拆裝，以方便維護(hù)、升級(jí)，提高利用率。

圖4 實(shí)驗(yàn)箱功能模塊布局

圖5是第3版的實(shí)驗(yàn)箱照片，已批量制作35套，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中投入使用。

圖5 實(shí)驗(yàn)箱照片

4 實(shí)驗(yàn)板工作方式

在核心板座上安裝好微控制器或可編程邏輯器核心板，通過(guò)帶香蕉插頭的線(xiàn)纜連接核心板座與主板上的各功能模塊，可完成表1中的24個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

若在51單片機(jī)核心板上安置宏晶公司的STC單片機(jī)，下載/調(diào)試模塊通過(guò)串口線(xiàn)纜連接計(jì)算機(jī)串口，可以使用STC-ISP軟件完成單片機(jī)下載實(shí)驗(yàn)，讓實(shí)驗(yàn)箱脫離計(jì)算機(jī)，全速運(yùn)行單片機(jī)程序。若安裝的是SST公司的SST89E516RD單片機(jī)，計(jì)算機(jī)端運(yùn)行Keil uVision軟件，無(wú)須購(gòu)置價(jià)格昂貴的單片機(jī)硬件仿真器，就可完成單片機(jī)硬件仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行程序調(diào)試。

下載/調(diào)試模塊通過(guò)JTAG接口連接ST-LINK調(diào)試器，調(diào)試器再連接計(jì)算機(jī)USB口，計(jì)算機(jī)端運(yùn)行Keil RVMDK或ST-LINK Utility等軟件，可以完成STM32單片機(jī)硬件仿真與下載實(shí)驗(yàn)[12]。

表1 實(shí)驗(yàn)箱可以完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

下載/調(diào)試模塊通過(guò)JTAG接口連接USB Blaster編程器，編程器與計(jì)算機(jī)USB口連接，計(jì)算機(jī)端運(yùn)行Quartus II軟件，能夠給CPLD或FPGA等可編程邏輯器件燒寫(xiě)程序[13]。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)箱可在單片機(jī)、數(shù)字電路與數(shù)字邏輯、EDA技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)中使用，也可用于學(xué)生課外科技創(chuàng)新、工程訓(xùn)練、學(xué)術(shù)競(jìng)賽訓(xùn)練及畢業(yè)設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)箱擴(kuò)展性強(qiáng)，如再研制AVR單片機(jī)、DSP、SOPC、PSOC等核心板，同樣可安裝至實(shí)驗(yàn)箱的核心板座，完成相應(yīng)課程的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)箱已取得國(guó)家專(zhuān)利授權(quán)，曾獲第四屆全國(guó)高等學(xué)校自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備三等獎(jiǎng)，參與全國(guó)高教儀器設(shè)備展和廣東高校建設(shè)成效和科技成果展，獲國(guó)內(nèi)高校同行及企業(yè)工程師的好評(píng)。

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Design of multifunctional microcontroller and programmable logic device experimental box

ZHU Xiangqing, ZHU Wanhong, ZHONG Chuangping, HE Changyi

(School of Electronic and Information Engineering, Jiaying University, Meizhou 514015, China)

In order to improve the utilization ratio of experimental equipment, a design scheme of multi-functional micro-control and programmable logic device experimental box is proposed. The experimental box adopts the mode of “Motherboard + core board”. The motherboard integrates input module, output module, analog module, serial bus module, communication module and power module, and the core board has four modules including 51 MCU, STM32 MCU, CPLD and FPGA. The experiment proves that the core board can control all the modules on the motherboard and complete the simulation and download experiments of the MCU and programmable logic device, which has the characteristics of high cost performance ratio, simple operation, strong expansibility and easy upgrading. It can be widely used for the courses of the MCU, digital circuit and digital logic, EDA technology, embedded system, Internet of things, etc.

microcontroller experimental box; programmable logic device experimental box; download experiment; simulation experiment

TP368.1; G484

A

1002-4956(2019)09-0077-05

2019-02-22

2019-04-08

廣東省本科高校高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（粵教高函〔2018〕1號(hào)-525）；廣東省重點(diǎn)平臺(tái)及科研項(xiàng)目（2015GXJK132）

朱向慶（1979—），男，廣東梅州，碩士，副教授，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)、短距離無(wú)線(xiàn)通信。

E-mail: zigbee@263.net

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.020