多功能单片机与CPLD实验板的设计
2016-05-14朱向庆郑景扬陈文龙邱日錞陆浩培
朱向庆 郑景扬 陈文龙 邱日錞 陆浩培
摘 要： 提出一种多功能单片机与CPLD实验板的设计方案。该实验板以单片机最小系统、CPLD最小系统为控制中心，其集成电源模块、输入模块、输出模块、串行总线模块、障碍物检测模块及模拟量模块，能够完成通用8051内核单片机的仿真与下载实验，完成CPLD实验。实验结果表明，该实验板具有集成度高、适用性广、扩展性强、简单易用等优点，可在单片机、EDA技术、数字电路与数字逻辑、通信原理课程的实践教学中推广使用。
关键词： 复杂可编程逻辑器件； 实验板； 仿真实验； 下载实验
中图分类号： TN710?34； TP368 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）06?0123?04
Design of multifunctional single chip microcomputer and CPLD experimental board
ZHU Xiangqing， ZHENG Jingyang， CHEN Wenlong， QIU Richun， LU Haopei
（School of Electronic & Information Engineering， Jiaying University， Meizhou 514015， China）
Abstract： A design scheme for multifunctional single chip microcomputer and CPLD experimental board is proposed. The experimental board takes the single chip microcomputer minimum system and the CPLD minimum system as the control center. The power module， input module， output module， serial bus module， obstacle detection module and analog?quantity module are integrated to accomplish the simulation and download experiments of 8051 kernel single chip microcomputer， and CPLD experiment. The experimental results show that this experimental board has the advantages of high integration， extensive applicability， strong expandability， and simple use， and can be widely used in the practical teaching of the courses such as single chip microcomputer， EDA technology， digital circuit and digital logic， communication principle.
Keywords： CPLD； experimental board； simulation experiment； download experiment
0 引 言
目前，我国高校的电子信息类学科已经普遍开设数字电路与数字逻辑、单片机、EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）技术和通信原理等专业基础课程[1?2]。实践教学是这些课程教学的重要环节，有着举足轻重的作用。在学习过程中，不少学生都会从网店购买各种小型实验板，好处是能够直接使用，缺陷是学生对实验板系统的硬件了解不够深入[3]；购买的实验板通常只能满足某一门课程的教学需求，利用率较低，且价格较贵，各类实验板的共性部分不能重复使用。从降低学生的学习成本，提高学生动手能力，培养学生掌握微处理器架构设计方法，满足企业对求职者的技能要求这4个角度出发，自制一款将单片机与复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）合二为一，能够满足多门课程教学需求，且可以进行硬件仿真、烧录程序的实验教学仪器。
1 总体设计思路与方案为了使设计的实验板具有较强的扩展性、适用性、稳定性及性价比，主要从以下几个角度出发，构思功能模块及硬件电路：
（1） 实验板可根据需要，安装不同型号的单片机，不需要额外的硬件设备支持，即可实现硬件仿真与下载功能。其他已烧录程序的DIP40封装通用51系列单片机，可直接安装在实验板上，利用实验板上的模块进行实验。
（2） 实验板集成输入模块、输出模块、串行总线模块、模拟量模块、自动控制模块和障碍物检测模块等，使得实验板拥有强大的外围支持，这些模块可以用单片机或者CPLD单独控制，能够提高外围器件的利用率，节约设备购置成本[4]。
（3） 单片机与CPLD的所有I/O接都通过排针引出，方便使用者以此实验板为母板，连接控制其他设备，进行二次开发实验。
（4） 所有价格较贵的芯片、显示器件、模块等都不是直接焊接在实验板上，而是安装在实验板上焊接的紧缩座、管座、圆孔母座、排座等上面，方便拆卸，以便在其他系统中重复使用。单片机及CPLD的时钟电路所使用的晶振也安装在圆孔母座上，方便使用者根据实验需要调换不同频率的晶振。
（5） 实验板的所有功能模块均连接至单片机I/O，做CPLD实验时，将单片机卸下，用杜邦线连接CPLD的I/O至单片机I/O，即可用CPLD控制各功能模块。对于共用单片机I/O的各功能模块，使用者均可通过短路端子控制其电源或者数据线等，避免实验项目的冲突。
2 系统硬件结构
实验板电路连接方框结构示意图如图1所示，主要包括单片机最小系统、CPLD最小系统、功能模块及电源模块四大部分。功能模块主要有输入模块、输出模块、串行总线模块、障碍物检测模块和模拟量模块5种。单片机最小系统由单片机、单片机复位电路、单片机时钟电路及单片机I/O扩展接口构成。单片机通过电平转换电路连接9针母座的单片机编程/调试接，计算机通过串连接单片机编程/调试接，实现硬件仿真与程序烧录功能，单片机可以是宏晶科技公司的STC12C5A60S2和STC89C52RC、飞利浦公司的P89C52RD2、SST公司的SST89E516RD等通用DIP40封装51系列单片机。单片机I/O扩展接由P0～P3引出，连接至各功能模块。
CPLD最小系统包括CPLD芯片EPM7128SLC84、CPLD时钟电路、CPLD复位电路及CPLD I/O口扩展接口，计算机可通过JTAG接口电路将程序加载至CPLD
[5]。输入模块包括8位拨码开关、矩阵键盘及一体化红外接收头，在键盘工作方式控制端子的控制下，矩阵键盘可工作于4×4行列式键盘及1×4独立按键两种工作方式，以提高硬件的利用率。输出模块包括中文字符液晶/触摸彩屏接、12864 OLED（Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管）液晶接口、1602字符液晶接、8位发光二极管电路、8×8单色LED点阵电路、四位一体共阳数码管电路、蜂鸣器电路、电机接及继电器电路。中文字符液晶/触摸彩屏接口可安装12864中文字符液晶或
2.4寸TFT触摸彩屏， LED驱动电路由8个PNP型三极管S9012构成，用于驱动点阵和数码管；达林顿管驱动电路由复合管驱动器ULN2003构成，用于驱动蜂鸣器、电机和继电器，电机接口可安装型号为28BYJ?48的5线4相减速步进电机。
电路连接方框结构示意图串行总线模块包括数字型温湿度传感器DHT11电路、数字型温度传感器DS18B20电路、E2PROM存储器AT24C02电路、实时时钟DS1302电路及短距离无线通信模块nRF24L01接，用于完成1?Wire单总线、I2C总线、三线制SPI总线、四线制SPI总线通信。障碍物检测模块包括超声波模块接口、红外发射接收对管电路。超声波模块接口可安装型号为KX?U0904的超声波模块；红外发射接收对管的型号为ST178，除用于检测障碍物外，还可进行测距测速实验。模拟量模块包括模拟电压产生电路、数/模转换电路。模拟电压产生电路由精密多圈电位器构成，提供0～5 V的输出电压，给单片机片内自带的A/D转换模块，进行A/D转换实验；数/模转换电路主要由RC无源低通滤波电路构成，将单片机产生的PWM波形进行滤波，产生0～5 V的输出电压。电源模块主要由5 V直流电源接口及CPLD电源电路构成。CPLD电源电路主要由ASM1117?3.3 V稳压器构成，将5 V直流电压转换成
3.3 V输出，使得CPLD能独立在两种不同电压下工作，方便使用者以此实验板为母板，控制不同工作电压的外围设备，进行扩展实验。3 实验板布局设计实验板内单片机最小系统、CPLD最小系统及各功能模块都是相互独立的，具有很强的开放性，为使用者提供丰富的自主创新性设计空间，使其可根据需要自行搭建实验电路。如图2所示为实验板结构示意图，从操作的方便性，系统的稳定性等角度出发，设计实验板布局。单片机最小系统置于板子中部，使其到各功能模块的平均距离最短。CPLD最小系统位于板子左下部，使其相对独立，但控制各功能模块时，又可方便地通过杜邦线连接至单片机的I/O口扩展接口。
5 V电源及下载/通信接口位于板子左上部，方便从计算机USB口取电，与计算机通信。输出模块主要位于板子的上部，输入模块位于板子的下部，其余模块位于单片机最小系统的左部及右部，使得它们工作时相互干扰较小。
4 实验板工作方式实验板可以完成如表1所示的30个实验项目，其中前26个用单片机完成，带☆号的3个限用STC12C5A60S2单片机。30个实验项目除带☆号的3个外，其余27个均可用CPLD单独完成。带号的2个实验项目适用于数字电路与数字逻辑课程，可用CPLD设计常见的组合逻辑及时序逻辑电路，如编码器、译码器、触发器、计数器等。带号的5个实验项目适用于通信原理课程，可完成码型变换、信道编译码及一些简单的调制解调实验。表1 实验板可以完成的实验项目
4.1 单片机实验将计算机串口与实验板的单片机编程/调试接口连接，不需专用的烧录器或者仿真器，可进行单片机硬件仿真及在系统编程（In System Programming，ISP）[6]。在计算机端用Keil μVision或Wave编写/编译单片机程序时，可以使用汇编（ASM）语音、C51语言或二者混合编程。为了提高系统运行效率，还可在单片机中运行Small RTOS51或者μC/OS?Ⅱ操作系统[3，7]。
4.1.1 下载实验计算机端运行宏晶公司的STC?ISP软件、飞利浦公司的FLASH Magic软件、SST公司的Soft ICE软件，可以直接通过串口给STC89C52RC，P89C52RD2，SST89E5xRD等单片机下载程序，简单方便快捷。
4.1.2 仿真实验计算机端运行Keil μVision软件，可以通过串口将单片机固件加载至SST公司的SST89E5xRD系列单片机，进行硬件仿真实验。使用SST89E5xRD单片机进行硬件仿真，可以单步跟踪、全速运行、设置断点、运行到光标处、夭折（暂停），随时可查看寄存器、变量、I/O、内存内容；但不能仿真串口及定时器/计数器2（T2）
[8]。如果要想实现串口及T2的仿真功能，可采用宏晶公司最新发布的高性能“芯片仿真器”—— IAP15W4K58S4单片机[9]，除了仿真功能之外，其本身的硬件性能与资源也非常优越和丰富。使用IAP15W4K58S4单片机时，需要制作一个LQFP44转DIP40的转接板，将IAP15W4K58S4单片机从LQFP44封装转换成通用的DIP40封装，即可将其安装在实验板的单片机紧缩座上[10]。4.1.3 全速运行实验对于不能通过串口直接下载程序的单片机，只要是5 V供电、DIP40封装的通用型号单片机，如AT89S51单片机，通过其他烧录软件下载程序后，安装在本实验板上后，同样可以利用实验板上的功能模块完成实验。
4.2 CPLD实验完成CPLD实验时，借助集成开发软件平台Quartus Ⅱ或Max+Plus Ⅱ，用原理图、波形图、硬件描述语言（VHDL或Verilog）等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到CPLD芯片EPM7128SLC84中，实现设计的数字系统。用USB_Blaster下载器连接计算机的USB口与实验板的JTAG接口电路，计算机运行Quartus Ⅱ软件，可以对CPLD在系统编程（ISP）。用并口下载器连接计算机的并口与实验板的JTAG接口电路，计算机运行Max+Plus Ⅱ软件，同样可以对CPLD在系统编程（ISP）。
5 实践方式与使用效果
在数字电路与数字逻辑、单片机、EDA技术、通信原理等课程的实验、课程设计等实践教学环节，以本实验板为平台，开展“虚实结合，软硬兼施”的项目教学方法[11?12]。先教会学生用Multisim，Proteus，Keil μVision，Quartus Ⅱ或Max+Plus Ⅱ等软件进行仿真实验，熟练后再结合实验板做硬件实验[13?14]。图3是焊接好的实验板图，整个实验板及下载器件等的购置费用约100元，对愿意参与自制实验板的学生，采取“学校资助，学生自筹，贵重器件共享”的方式。首先由学校出资找印刷电路板厂家批量生产PCB板，接着学生自筹经费到网店购买元器件，然后由老师组织学生焊接实验板，最后进行软硬件联合调测。最后对完成整个过程的学生，学校再补贴一部分低值易耗品购置费。PCB板是统一制作的，质量较好，学生焊接实验板的成功率较高。学生参与焊接、调测软硬件，相对于购置现成的实验板，对硬件原理及软件设计掌握理解更深刻。学生的积极性很高，近几年，每届约有150个学生参与制作实验板，约占总人数的70%。通过自制实验板，学生对数字电路与数字逻辑、单片机、EDA技术、通信原理等课程的掌握程度获得提高，课程设计、毕业设计的水平也同步提升。实验板可作为学生备战各种专业学术竞赛的赛前训练装备，学生利用单片机、CPLD设计制作各种电子系统，参加国家级、省级大学生电子设计竞赛和“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛，2011—2014年共获得国家级和省级奖励38项。
6 结 语
该实验板具有性价比高、功能强大、片内资源丰富、I/O接口数量多的单片机与CPLD，可用于初学者同时学习两种不同类型的处理器，对数字电路与数字逻辑、单片机、EDA技术和通信原理等多门课程的实践教学有促进作用。实践证明，教师将自己的教学理念、工程经验和教学独创性等融入自制的实验板中，可以弥补通用实验设备灵活性和适应性不足的缺陷，培养学生的创造性思维能力及实践动手能力，提高其学习的积极性[15]，同时有效节约学生的学习成本，值得在工程应用类课程中推广。
参考文献
[1] SHI Yanhui， HE Zhaofeng， WANG Jing. Exploration for practical teaching reform of single?chip microcomputer aiming at training of comprehensive ability [C]// Proceedings of 2013 2nd International Conference on Education Reform and Management Innovation. Jeju Island： [s.n.]， 2013： 22?26.
[2] 李庆，江汉红，亓科.基于S51单片机与CPLD的综合实验系统研制[J].电气电子教学学报，2009，31
（3）：75?77.[3] 朱向庆，胡均万，陈宏华，等.多功能单片机实验系统的研制[J].实验室研究与探索，2012，31（4）：41?44.
[4] 李英珠.基于CPLD或FPGA的单片机通用型开发实验板：中国，ZL201120554743.5[P].2012?08?08.
[5] 刘显忠.基于CPLD的实验板研制开发与教学应用[D].哈尔滨：黑龙江大学，2013.
[6] 韩宇光.ISP系统创新实验平台研制[J].实验技术与管理，2014，31（10）：120?122.
[7] 朱向庆，黎东涛，苏超益，等.适合于项目教学法的三合一单片机实验箱设计[J].实验技术与管理，2013，30（7）：55?59.
[8] 林益平.基于SST89E54RD单片机的MONITOR?51仿真器设计[J].肇庆学院学报，2008，29（2）：29?32.
[9] 丁向荣.基于IAP在线仿真技术提升单片机实验技术水平[J].实验技术与管理，2014，31（3）：82?83.
[10] 丁向荣.单片微机原理与接口技术：基于STC15系列单片机[M].北京：电子工业出版社，2012.
[11] 欧阳明星.“虚实结合”策略下多功能单片机实验装置的研制[J].实验科学与技术，2014，12（3）：195?199.
[12] 宗亚妹，李建启.系列化项目教学的研究与实践[J].中国大学教学，2013，35（11）：44?46.
[13] 王超，杨莲红.Proteus仿真软件在单片机实践教学中的应用[J].现代电子技术，2014，37（14）：84?87.
[14] 黄平，王伟，周广涛.基于Quartus Ⅱ的FPGA/CPLD数字系统设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2014.
[15] 赵大中，吴晓东.自制教学仪器在高校教育教学中的应用[J].中国现代教育装备，2006，15（9）：32?34.
