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0 引言 “ 數字電路與邏輯設計”、“ 可編程邏輯器件與應用”、“單片機原理與應用”是電子類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)課程，在電工電子教學(xué)中占有非常重要的地位，也是現代EDA 技術(shù)的重要組成部分。一方面，三門(mén)課程都具有很強的實(shí)踐應用性，學(xué)生學(xué)習的重點(diǎn)在于通過(guò)實(shí)踐，真正掌握軟硬件的有機結合和實(shí)際系統的應用能力。另一方面，三門(mén)課程聯(lián)系緊密，其中“數字電路與邏輯設計”課程是“可編程邏輯器件與應用”課程的基礎，且隨著(zhù)現代電子技術(shù)的發(fā)展，傳統的采用分立元件完成數字電路實(shí)驗的方法也逐漸被可編程邏輯器件所替代。同時(shí)，在實(shí)際的工程應用中，經(jīng)常會(huì )需要利用74系列器件和可編程邏輯器件對單片機外圍電路進(jìn)行擴展。因此，三門(mén)課程在電子系統設計中不可分割。 雖然目前市場(chǎng)上有各式各樣的數字電路、EDA 或單片機的教學(xué)設備，但大多是獨立的、“單板式”的設計模式，即使有少量綜合性實(shí)驗平臺，也只是簡(jiǎn)單的把幾門(mén)課程的實(shí)驗資源集成到一個(gè)實(shí)驗平臺，然后根據需要采用導線(xiàn)連接，和獨立的實(shí)驗平臺之間并沒(méi)有本質(zhì)的區別。此外，不同實(shí)驗平臺中的某些功能模塊的硬件電路是相同的；但在不同的實(shí)驗設備上，相同的模塊并不能共享，存在資源的浪費。最后，一體化的設計難于進(jìn)行功能的擴展，不利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng )新項目的設計。在這種情況下，從培養學(xué)生的創(chuàng )新精神和提高綜合利用所學(xué)知識解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力出發(fā)，迫切需要一種既能完成每門(mén)課程的獨立實(shí)驗，又能完成綜合性設計實(shí)驗的實(shí)驗平臺。 本實(shí)驗系統針對上述問(wèn)題，采用電路動(dòng)態(tài)重組的方式，提供0~7共8個(gè)模式，在一套實(shí)驗系統上既含有數字電路常用邏輯芯片的功能，也含有可編程邏輯器件、單片機的硬件資源，可同時(shí)滿(mǎn)足三門(mén)課程的教學(xué)需要。 實(shí)驗系統還預留擴展接口，可以將設計的擴展電路連接到實(shí)驗系統，有利于訓練學(xué)生的創(chuàng )新能力。 1 綜合實(shí)驗系統設計方案 綜合實(shí)驗系統采用電路可動(dòng)態(tài)重組的設計方案，其系統結構框圖如圖1所示。 系統分為：主控電路模塊、單片機模塊、PLD 模塊、人機交互模塊、顯示模塊、矩陣按鍵模塊以及預留擴展接口模塊。 主控電路模塊是完成電路動(dòng)態(tài)配置的核心，能夠實(shí)現所有資源之間的任意連接。 人機交互模塊通過(guò)LCD12864 顯示器和按鍵提供友好的配置界面，實(shí)現模式的選擇、設置信號的參數以及觀(guān)察測量結果等功能。 顯示模塊、矩陣按鍵模塊又可統稱(chēng)為基本外設模塊，提供基本的輸入輸出資源。綜合實(shí)驗系統還配備信號發(fā)生和檢測功能，能夠產(chǎn)生頻率可調的方波信號，并能測量輸入信號的頻率和電壓。 1.1 主控電路模塊 主控電路模塊采用Altera 公司的MAX Ⅱ 系列EPM570T144C5N 作為控制芯片，MAXⅡ系列器件既具有FPGA 的查找表的體系結構和性能，又具有CPLD 存儲數據非易失性、易于編程和瞬時(shí)接通的功能，應用更加靈活、方便。該系列器件由于編程時(shí)不需要外部存儲器件這一在用戶(hù)看來(lái)更容易識別的特性，所以被Altera公司歸入CPLD.主控電路實(shí)現電路的動(dòng)態(tài)重組，可按需配置成不同的連接，實(shí)現綜合實(shí)驗系統的不同模式，連接示意如圖2所示。單片機模塊、PLD模塊、預留擴展接口模塊、基本外設模塊等通過(guò)標準I/O口直接和主控電路中的CPLD 器件EPM570T144C5N 連接（實(shí)線(xiàn)雙向箭頭所示）。由于器件內部具有豐富的互連線(xiàn)，只需簡(jiǎn)單的硬件編程即可實(shí)現不同I/O接口之間的數據相互轉發(fā)，即實(shí)現片上數據路由的功能。因此，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言HDL（Hardware Description Language）對該CPLD進(jìn)行編程，即可完成其他功能模塊之間的數據轉發(fā)，實(shí)現這些模塊之間的間接連接（虛心雙向箭頭所示）。對用戶(hù)而言，用戶(hù)只需要通過(guò)人機交互模塊進(jìn)行配置控制，選擇需要的模式，就能調用預先存儲好的不同連接配置信息，自動(dòng)實(shí)現實(shí)驗系統不同模塊之間的動(dòng)態(tài)連接。具體說(shuō)來(lái)，有三種形式的連接： （1）把基本外設模塊、預留擴展接口模塊、信號產(chǎn)生和測量連接到PLD模塊，實(shí)現獨立可編程邏輯器件實(shí)驗平臺的功能。同時(shí)可編程邏輯器件還可模擬74系列數字芯片，實(shí)現獨立的數字電路與邏輯設計實(shí)驗平臺的功能。 （2）把基本外設模塊、預留擴展接口模塊、信號產(chǎn)生和測量連接到單片機模塊，實(shí)現獨立單片機實(shí)驗平臺的功能。 （3）把單片機模塊與PLD 模塊進(jìn)行連接，再通過(guò)PLD 模塊連接基本外設模塊、預留擴展接口模塊等，實(shí)現綜合實(shí)驗平臺的功能。 對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這些模塊之間是直接連接的，用戶(hù)只能接觸到基于動(dòng)態(tài)重組電路之上的各個(gè)功能模塊。 1.2 單片機模塊 單片機模塊目前選用器件為SST89E516RD，是SST公司生產(chǎn)的一款基于8051內核的8位單片機，最大特點(diǎn)是具有在線(xiàn)下載和在線(xiàn)調試功能。其管腳兼容AT89C51，時(shí)鐘頻率0~40 MHz，集成1 KB 片內RAM，64 KB+8 KB 的FLASH E2PROM.此外，單片機模塊還配置溫度傳感器DS18B20，8 KB 串行E2PROMAT24C08.單片機器件通過(guò)標準接插件連接到EPM570T144C5N，可根據需要隨時(shí)更換�！� 1.3 PLD模塊該模塊可根據需要更換不同的EDA核心板 本實(shí)驗系統采用自行設計的EDA核心板，選用Altera公司的CycloneⅢ系列EP3C10E144C8，含有10 320個(gè)邏輯單元（LE）、46 個(gè)M9K 模塊、423Mbit 的RAM、以及23 個(gè)18×18硬件乘法器、2個(gè)PLL、10個(gè)Gclks.該EDA核心板還提供8個(gè)獨立按鍵，1個(gè)40 MHz的有源晶振。 1.4 其他外圍硬件資源 在人機交互模塊、顯示模塊、以及矩陣按鍵模塊還提供一些常用的硬件資源，包括：10位高精度A/D轉換器ADS7822、12位高精度D/A轉換器TLC5615、8個(gè)發(fā)光二極管、8個(gè)共陰7段數碼管、字符液晶1602、帶字庫點(diǎn)陣液晶12864、蜂鳴器、4×4矩陣按鍵等。 1.5 擴展接口 可通過(guò)P3、P4兩個(gè)40針雙排插座實(shí)現與其他電路的連接，靈活支撐各類(lèi)設計項目，有利于學(xué)生綜合、創(chuàng )新能力的訓練。 圖4所示為擴展接口與核心電路EPM570T144C5N的連接示意。 2 實(shí)驗系統模式 綜合實(shí)驗系統采用模式化結構，有0~7 共8 個(gè)模式，可通過(guò)人機交互模塊中的按鍵S0~S4進(jìn)行選擇。其中模式0~4是單片機模式，模式5~7是可編程邏輯器件模式。不同模式下，電路的結構以及外圍硬件資源均有不同。 2.1 單片機模式 圖5 所示為模式0 的電路結構。在模式0 下，發(fā)光二極管連接在單片機的P0口，如果P0口相應位是邏輯“1”，則能夠點(diǎn)亮對應的發(fā)光二極管。需要注意的是，P0口作為普通I/O口使用，需要接上拉電阻，圖5僅為電路結構示意，實(shí)際電路中連接有5.1 kΩ。在模式0下，4×4矩陣按鍵不再作為矩陣按鍵使用，而是取矩陣按鍵中的K0~K7 作為獨立按鍵連接到單片機的P2 口。該模式下，連接有DS18B20，AT24C08和ADS7822等硬件資源。 圖6 所示為模式1 的電路結構。在模式1 下，矩陣按鍵中的K0~K3作為獨立按鍵，連接到單片機的P2.0~P2.3 口。模式1 相對于模式0，增加了LCD1602、TLC5615 以及蜂鳴器。LCD1602 的數據線(xiàn)連接到單片機的P0 口，控制信號RS、RW 和E 分別連接到P2.5 口，P2.6口，P2.7口。為了簡(jiǎn)化編程，在模式1下，LCD1602被禁止讀“忙”。這意味著(zhù)，如果選用模式1對1602進(jìn)行操作時(shí)，只能通過(guò)延時(shí)來(lái)實(shí)現控制。TLC5615的控制信號nCS和SCK分別連接到P3.2口和P3.6口，而串行數據則通過(guò)P3.7口進(jìn)行傳輸。 模式2與模式1基本一致，區別在于將LCD1602換為12864.同樣，模式2 也不允許對12864 進(jìn)行讀“忙”操作。 模式3是單片機I/O擴展模式，通過(guò)P0口和P2口進(jìn)行I/O擴展；其中P0口用作數據通道，P2口用作控制通道。如：P2.0口用于使能發(fā)光二極管，P2.1口用于使能數碼管的段選信號，P2.2 口用于使能數碼管的位選信號，P2.3和P2.4控制矩陣按鍵，P2.5和P2.6控制液晶顯示器。在模式3下，單片機可以使用實(shí)驗系統上的所有外圍硬件資源。 模式4是單片機總線(xiàn)模式，所有外圍硬件資源通過(guò)總線(xiàn)與單片機相連，外圍硬件資源地址為0×0400~0×0600. 2.2 可編程邏輯器件模式 圖7所示為模式5電路結構，即可編程邏輯器件模式。在模式5下，連接有發(fā)光二極管、數碼管、4×4矩陣按鍵、TLC5615 以及蜂鳴器。SW0~SW7 是EDA 核心板上的8 個(gè)獨立按鍵，按下為邏輯“0”。其中SW5 連接在EP3C10E144C8 芯片的多功能管腳nCEO 上，需要通過(guò)軟件將該管腳設置為普通I/O 腳，否則按鍵SW5 不能使用。提供三個(gè)時(shí)鐘信號，clk0 連接EDA 核心板上的40 MHz 有源晶振，clk1 和clk2 可在人機交互模塊進(jìn)行選擇。 模式6 與模式5 基本一致，所不同的是模式6 沒(méi)有連接數碼管，而是連接LCD1602.同樣，在模式6 下，1602不允許“讀忙”操作。模式7將模式6的1602換為12864，其他連接完全相同。 3 實(shí)驗系統應用 綜合實(shí)驗系統制為實(shí)驗箱的形式，如圖8所示。目前已在我校承擔了“單片機原理與應用”和“可編程邏輯器件與應用”兩門(mén)課程的相關(guān)實(shí)驗。 （1）“單片機原理與應用”相關(guān)實(shí)驗 包括流水燈的實(shí)現、數碼管顯示設計、接口技術(shù)--按鍵、串口通信、A/D轉換、D/A轉換、數字電壓表的設計、數控信號發(fā)生器的設計、數字溫度計的設計、彩燈控制系統的設計、電子萬(wàn)年歷的設計等［4］。 （2）“可編程邏輯器件原理與應用”相關(guān)實(shí)驗 包括：計數器的設計、LPM模塊的應用、數控分頻器的設計、數碼管顯示設計、數字頻率計的設計、硬件電子琴的設計、矩陣鍵盤(pán)掃描電路的設計、直接數字頻率合成器（DDS）的設計、D/A轉化控制、字符型LCD顯示、數字調制模塊的設計、循環(huán)冗余校驗模塊的設計等。 4 結語(yǔ) 設計良好的實(shí)驗系統能夠為學(xué)生學(xué)習電子技術(shù)提供優(yōu)越的實(shí)驗環(huán)境。該綜合實(shí)驗系統采用模式化結構、電路動(dòng)態(tài)重組、預留擴展接口，較好地適應課程實(shí)驗教學(xué)的要求。從2009 年投入批量生產(chǎn)以來(lái)，學(xué)生反映良好，極大地提升了實(shí)驗教學(xué)的效果。此外，還為本科畢業(yè)生提供了畢業(yè)設計的綜合實(shí)驗平臺，能夠滿(mǎn)足多種教學(xué)需求。 |
