一种通用模块化单片机实验系统的设计

汪 建 杨风开 江 晨

[摘 要]给出一种采用MCS-51/96系列单片机为核心的通用模块化单片机实验系统的硬件设计,该系统能在一块电路板上灵活地进行单片机系统与各种外部接口器件连接的实验,从而能有效锻炼学生的实验能力和动手能力,进而提高了《单片机原理及应用》课程的教学质量。

[关键词]单片机 实验教学系统 模块化设计

[中图分类号]TP278[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)12-0043-03

引言

《单片机原理及应用技术》是一门实践性和实用性都很强的课程,其最终落脚点在于培养学生单片机的应用能力。[1]因此, 在教学中,选用一套针对性强的单片机实验系统非常重要。以华中科技大学单片机教学为例,长期以来都是使用实验箱,结构复杂且硬件电路固定,既不利于提高学生理解单片机系统硬件的能力,又不足以锻炼学生的动手和创新能力,十分影响教学效果。有人针对这样的问题做出了相应改进,即采用所谓的模块化设计[2][3],但常规的模块化系统由一块块插板组成,不仅增加了制作成本和复杂度,也加大了实验室的器材管理难度,远不够实用。

1 实验系统总体概述

本文提出的实验系统能有效地解决上述两个问题,是一种新型的模块化单片机实验系统。该实验系统是以MCS-51/96 单片机为核心构成的单片机实验系统,整体结构采用模块化设计。能完成MCS- 51/96 系列单片机的输入/ 输出、内部资源和常见外围接口的实验,具有非常好的可扩充性。系统主要由单片机模块、扩展接口及各种接口电路模块组成,全部集成在一块电路板上。系统组成结构如图1 所示。

实验系统通过串行通讯接口与PC机连接,通过上位PC机可将编译生成的程序下载到实验系统中;系统配置了各种接口电路模块,这些接口模块通过接插针导线,可与单片机模块连接,从而能够使学生在了解及掌握微机接口技术、软件开发以及应用系统的设计等方面,经历一个循序渐进的学习过程。学生在做实验过程中,完全可以根据自己的需要选择、连接硬件模块;而系统硬件模块的安排会给予学生充分的自主性,完成同样的实验可以使用不同的解决方案,甚至在可编程逻辑器件的帮助下,能自行分配硬件资源和地址。这样的系统设计充分体现了灵活性,配以合理的软硬件实验安排,学生的创新能力可以发挥到极致。

2 实验系统硬件设计

整个实验系统的硬件设计较为复杂,下面选择重要且有特色的部分予以详细叙述。

2.1 CPU模块的设计

CPU是整个系统的核心,模块化的设计思想是设计一种通用的可扩展的适用于51系列和96系列单片机的解决方案。该模块的方案概括而言是在主机板上先设计51系列的插座,然后再为96系列单独做一块插板,把信号线连接好以便需要的时候进行扩展。

51系列的插座设计如图2左边所示,单片机的2个并口P1和P3分别用排针引出,还设置了插孔方便学生用导线进行扩展连接;数据线/低位地址线、高位地址线分别用排针引出来进行存储器的扩展。

96系列的CPU选用与8096/8098系列结构、功能基本相同的80C196系列。该系列芯片是INTEL公司MCS-96系列单片机中重要的较新成员,包括KB和KC两档。这类芯片不仅保留了MCS-96系列老芯片的功能,而且扩展了一些新的功能,使之成为该系列芯片中目前性能较强的一款型号[4]。

由于选用的80C196KB是68引脚的芯片,而上述的51单片机插座是40脚,故要设计一个转接片将80C196中功能一致的引脚与系统板相连。其他有用的引脚如HSI等单独在96板上设置插针连接。

2.2 存储器系统的设计

存储器系统由锁存器74LS373、62系列的RAM芯片和27系列的EPROM芯片组成。74LS373为地址锁存器,其目的是锁存低8位地址码,即在单片机访问存储器时,先传送地址码的低8位,再传送8位的数据。62和27系列芯片的地址高2位A14和A13用插孔引出扩展,便于使用不同大小(8K～32K)的芯片。存储器芯片的片选信号由GAL器件给出。存储器系统设计图如图2所示。

2.3 输入输出扩展系统的设计

51/96系列单片机中虽然包含有若干接口,但一般而言,这些I/O口并不能满足用户的要求,在实际设计系统时,通常要对I/O口加以扩展,目的是为外部设备提供更多的输入或输出通道。I/O扩展芯片选择INTER公司的8255系列,74LS244和74LS374这种驱动器件也用来做输入/输出扩展,可编程器件采用GAL16V8,其除了完成译码工作外还可进行其他的逻辑输入/输出,如图3所示。8255的3个并口和其它器件的输入/输出均用排针引出,需要的时候把相应部分连入系统即可。

2.4 其他应用模块举例

对于一个应用性强的实验系统,大量的硬件接口电路是必不可少的。本系统设计了拨码开关、按键、发光二极管、数码显示电路、A/D接口电路、D/A接口电路、基于I2C总线的E2PROM存储器和DS1302日历钟等八大应用模块。系统的通讯方面采用基于MAX232的RS232串行通讯接口。考虑到系统在测控方面的应用还加入了LCD液晶显示器接口的设计,同时加入了打印接口以方便相关扩展。

下面以数码显示电路和D/A接口电路为例,阐明整个设计过程中的模块化思想。

2.4.1 数码管显示电路

该数码管显示电路较以往的设计方案有新意,其主要由两片74LS595和74LS374、一片2003和四个8段数码管组成。显示器的段选由并行的驱动器374和串行的595并联而成;而位选也是374并上595再接专用的显示器驱动2003。这样做的目的是保证充分的选择性,显示电路既可以工作在并行模式下,又可以工作在串行模式下,特别是对串行传输方式不甚了解的学生通过这一部分实验能熟悉串行模式。

2.4.2 D/A接口电路的设计

单片机内部的D/A(PWM)电路实用性不强,所以采用并行的DAC0832芯片实现D/A转换功能。另外,为了给系统提供串行D/A转换器的工作方式,也可以在特殊需求时扩充并行方式D/A的精度,为此加入了串行芯片 TLC5615。TLC5616是10位电压输出数模转换器,其外部基准电压输入、输出电压范围等于基准电压的两倍。它采用三线传输方式(SPI),易与单片机接口[5]。

3 实验系统的PCB设计及实现

PROTEL99SE是本次系统设计中使用的主要工具,用它绘制系统的原理图。在画SCH原理图时,需注意以下几点,否则就会出现各种各样的错误,增加了绘制SCH原理图的错误率。首先,在连接元器件的时候,一定要注意连接好,即当两条线交叉时,若相互连接则需要在交叉点处画一个焊盘,否则就不需要,并且要进行人工检查。因为有的时候Protel99se软件对于交叉点都默认为连接,自动会画上焊盘[6]。其次,在放置元器件的过程中,当元件库里没有所需元器件的图时,就需自己建库制作所需要的元器件。在制作元器件图时,最好选用一个已知的图作为模板,这样会相对简单一些。但一定要注意管脚的标称,若不相同则必须改动。最后,在人工检查后,还要进行计算机自动检查,确保无错误后,再生成网络表,为制作PCB做好准备。

PCB板制作时,由于本系统元器件排布较多,故选用双层板,按以上注意点完成既定步骤即可。绘制PCB板的要点如下。(1)确定好PCB板的大小,要做到精确,否则就需要返工。(2)在放置与结构有紧密配合的固定位置的元器件时,一定要反复测量,并与实物尺寸进行比较,确保准确无误后再进行下一步。(3)若库中没有所需要的元器件,就应自己编辑建库,确保管脚的符号、编号准确无误,否则,在自动布线阶段和人工连线时,就会出现重大错误。(4)应精心考虑电源线和地线的排列及其粗度,电源线和地线要尽量地宽,双面板的空余部分由地线填充。图3所示是元件库中没有的元件GAL16V8的绘制,其设计完全按照上面的准则进行。

本文所设计的单片机实验系统的实物如图4所示。

4 结语

本实验系统的整体设计充分体现了模块化的设计思想,所实现的系统具有使用的灵活性和充分的可扩展性。模块化的思想在一块电路板上实现,这既大大降低了系统的成本和复杂度,同时,大量新颖而又多样化的外围接口器件给了学生实验极大的自由度,可以很好地锻炼他们的实践创新能力。实堰系统的实现可以基于51系列或96系列单片机,各院校可根据需要选择相应的型号以满足本校的教学要求。

[参考文献]

[1] 李丹峰.单片机应用系统教学实验装置的研制[J].韶关大学学报(自然科学版),2000.8.

[2] 房德君,郝兴学.一种积木式单片机综合教学实验系统的研究[J].实验室研究与探索,2003(2).

[3] 熊剑.一种模块化的单片机实验系统.计算机与现代化,2006.5.

[4] 汪建.MSC-96系列单片机原理及应用技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2004.

[5] Datasheet of DS1302.TI CORP.May 2002.

[6] 江思敏,姚鹏翼.Protel电路设计教程[M].北京:清华大学出版社,2002.