模块化单片机实验系统的研制

包建华,张兴奎,丁启胜

(徐州师范大学电气工程及自动化学院,江苏徐州 221116)

“单片机系统”课程是高等院校自动化、仪器仪表、电子通信等专业的一门专业基础课。目前,国内高校在单片机实验教学方面建立了单片机技术实验室或实训室。但现有商品化的单片机实验系统硬件固定且不完全透明,学生只能进行有限的验证性实验。为使单片机课程教学既适应当前人才市场的需求,又能体现我院办学特色,我们已研制成功XZNU MCUS-Ⅰ型单片机实验系统[1]。

1 系统构成

我院开发的单片机实验系统由用户板、V8/L型仿真器和开关电源三大部分组成。用户板由CPU模块和若干单元电路组成。由于采用开放式设计思路,使用者可以结合用户板的各种单元电路自由设计实验方案,提高对单片机的整体认识及综合设计能力。V8/L伟福仿真器的插针直接插入CPU模块的40脚插座,实验时就可以借助上位机的伟福Window s集成调试软件进行在线仿真与调试。开关电源为用户板上的单元电路供电:+5V/2A 、+12V/0.5A 、-12V/0.5A 。

XZNU MCUS-Ⅰ型单片机实验系统的所有资源完全公开透明,能灵活组建多种实验及实训项目,可以让学生从软硬件两方面了解单片机设计应用的全过程,从而快速掌握单片机应用设计技术[2]。

2 硬件设计

本单片机实验系统拥有丰富的单元电路和灵活的实验方案组合方法。它包含了CPU模块、I/O扩展模块、串行A/D和D/A转换模块、微型打印机接口模块、LCD显示器模块、LED显示器模块、键盘模块、串-并和并-串转换模块、RS-232/485接口模块、语音模块、时钟日历模块、温度采集模块和直流电机驱动模块等功能电路,能很好地满足单片机课程教学所安排的基本实验、综合实验和系统实训要求,同时也能为教师的科研或学生毕业设计提供硬软件平台。其原理框图如图1所示。

图1 单片机实验系统原理框图

1)CPU模块电路

CPU模块电路是单片机实验系统的核心,它通过总线驱动、地址锁存、地址译码为外围扩展电路提供三总线,进而构建完整的单片机应用系统。其电路原理图如图2所示。MCS-51系列单片机的P0口中,每一位I/O口线都能驱动8个LS TT L门电路。图中74LS245总线收发器可以加强数据总线(D0-D7)的驱动能力。74LS244用来提高控制总线/WR 、/RD 、/INT0、/INT1、T0 、T1 、ALE 以及 用户板内1MHz时钟信号CLK的驱动能力,以提高CPU模块与其它单元电路间信号传送的可靠性。

图2 CPU模块电路原理图

CPU对外部接口芯片进行读/写操作时,在任何时刻只能有一个外部接口芯片享有向总线传送数据的权利,即在任何时刻,只能有一个外部接口芯片的片选端(/CS端)被选中,否则就要发生总线冲突。为此,在图2中用2片3/8译码器74LS138提供16个译码片选信号,可分时选用的外围接口器件数最大可达16个。

图2中的J1、J2、J3等表示接插件,可以通过专用连接导线将CPU模块和实验箱中其它单元电路连接起来,同时也能为用户自主开发的电路板提供连接服务。

2)其它模块电路

其它模块电路按功能分为I/O接口扩展单元、人机交互单元、数字量输入单元、数字量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元和串行通信单元等,这些电路单元按类布置于实验箱的不同区域,便于用户使用。

(1)I/O接口扩展单元

I/O接口扩展单元包括I/O扩展模块、串-并和并-串转换模块。I/O扩展模块分为简单并行I/O口电路和可编程并行接口电路,简单并行I/O口电路由8位数据缓冲器和锁存器实现,可编程并行接口电路由8155实现;串-并和并-串转换模块分别由移位寄存器74LS164和74LS165实现。

(2)人机交互单元

人机交互单元用于扩展人机界面,包括微型打印机接口模块、语音模块、LCD显示器模块、LED显示器模块、键盘模块和键盘/显示器驱动模块。微型打印机接口与Cemtronics标准接口兼容,通过25芯连接器(DB25)外挂 TP UP-AT系列打印机;语音模块采用高品质语音录放芯片ISD25120,持续录放音时间可达120s,录放次数在10万次以上;LCD显示器模块采用 YM12864F,器件内核为 T6963C控制器,可以显示字符和汉字;LED显示器模块为8位共阴极数码管,其段码由74LS244驱动后提供,而位码由75451驱动后提供[5];键盘模块采用3×8矩阵式键盘电路,按键在实验箱上排列成4×6矩阵式小键盘;为减轻CPU对键盘或显示器的管理负担,单片机实验箱上还设计了专用键盘/显示器控制芯片,如 8279、MAX7219 等 。

(3)数字量输入和输出单元

数字量输入单元用于开关量的输入,实验箱上有8只开关K0-K7,并有与之相对应的K0-K7引线孔为逻辑电平输出端。数字量输出单元用于开关量的输出与显示,包括继电器控制模块、LED电平显示模块和蜂鸣器报警电路。主要提供开关量控制或声光报警。

(4)模拟量输入和输出单元

模拟量输入部分包括温度采集模块、A/D转换模块。温度采集模块由温度传感器AD590和调理电路构成,调理电路输出0-5V直流电压信号;A/D转换模块将0-5V电压信号转换成数字信号送单片机处理。模拟量输出单元包含D/A转换模块和直流电机驱动模块。通过软件编程控制D/A转换芯片DAC0832输出相应的电流值,经过运放处理电路可以提供单极性或双极性模拟电压值;改变直流电机电枢电压的极性和占空比,可以很容易控制电机转向与转速。

(5)串行通信单元

串行通信单元包括如下的接口电路:RS-232接口采用MAX232芯片,可以进行符合RS-232电气通信标准的实验;RS-485接口采用MAX485芯片,可以进行符合RS-485电气通信标准的实验。通过专用连接线缆,可以实现单片机之间、单片机与PC之间的串行数据通信。

3 软件平台

单片机实验系统的软件平台能运行PC机上的伟福V系列集成调试软件,这是与伟福V8/L型仿真器相配套的VW IDE环境,它集成了编辑器、编译器、调试器,使源程序编辑、编译、下载和调试等功能,全部运行可以在这一个环境下完成。伟福V系列集成调试软件已内嵌汇编编译器(伟福汇编器),同时留有第三方编译器的接口,以方便用户使用高级语言调试程序,如Keil C。

4 结语

我们研制的XZNU MCUS-Ⅰ型单片机实验系统已于2008年通过成果鉴定。该装置能较好满足单片微机测控系统的实验教学、课程设计、系统实训、科研和创新活动的需要,对培养学生提高解决实际工程问题的能力提供了平台支持。本实验平台可开展数字式电压表、电子万年历、数字式温度计、电动机转速测定及显示、简易计算器和数据采集等综合性实验项目。在投入使用后的近两年时间内,通过该平台开展的各种基础实验、综合实验和学生的自主创新实验。为学生以后学习单片嵌入式系统的高端应用打下了坚实的基础。

[1] 仲玉芳,黄克强,吴明光.面向嵌入式系统的单片机集成实验平台的研制[J].北京:实验技术与管理,2008,25(9):77-78

[2] 刘海宽,包建华,张兴奎.单片机实验与实训教程[M].南京:东南大学出版社,2009

[3] 于复生,高翔,李凡冰,等.基于单片机的机电综合实验系统的研究与实现[J].南京:电气电子教学学报,2003,25(6):91-92

[4] 李朝青,刘艳玲,沈怡麟,等.单片机与PC机网络通信技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007

[5] 包建华,刘海宽.单片机系统中 LED显示译码驱动技术[J].重庆:重庆工学院学报(自然科学版),2007,21(8):50-53

[6] 张万里,鲁长海,宋家驹.单片机实践教学系统的研制[J].长春:长春大学学报,2008,18(5):45