多核心单片机实验箱设计实现

梁 璐 ，潘 丽

（1.兰州职业技术学院 电子与信息工程系, 甘肃 兰州 730070；2.西安电子科技大学 雷达信号处理国防科学技术重点实验室,陕西 西安 710071 ）

单片机作为电子技术中经典的器件历经数代发展，演进之后，它的应用已经渗透到我们生活的各个领域。如：智能家电；智能IC卡；智能仪表；汽车导航；高速列车控制系统；飞行器导航装置；医疗仪器；物联网通讯与数据终端；工业自动化控制和数据处理、机器人等等。[1]单片机实验箱的设计必须接轨行业的发展，紧跟先进技术的脚步，为教学服务，为人才的培养奠定基础。早期我国引入单片机以Intel的MCS-51系列为主，因而传统实验箱设计多以51系列单片机为核心，然而电子技术的飞速发展使得仅仅掌握51单片机的开发与应用已经不能满足实际领域的任务和功能需求，需要引入处理能力更强，兼容功能多的单片机才能适应当代单片机应用的发展。设计兼容不同厂家系列的单片机实验箱可以有效解决教学与实际应用的矛盾。多核心单片机实验箱的设计要在架构上兼容多种系列的单片机核心，能够实现不同核心工作电平的转换和模块的功能复用，形成可综合，可裁剪的实验平台。

1 多核心架构设计

多核心架构的首要问题是确定实验箱的拓扑结构。在众多的拓扑结构中，星形拓扑是一种性能稳定，功能可多样的实验箱拓扑结构，以单片机最小系统为核心，向周边辐射展开各功能模块并接入电源等基本单元，便于单片机对于各功能模块的管理和数据交互，其结构如图1所示。设计时在实验箱上要布局好单片机实验或开发所需的电路模块，并预留好与单片机引脚连接的端口。由于多核心是采用不同系列的单片机构成最小系统，根据学生在不同阶段不同层次学习进行核心的更换与选择，所以需要针对单片机工作的电平要求进行转换，保证在周边功能模块无须改动的情况下能够与多种单片机工作电平兼容。

设计过程中，外围模块接受单片机最小系统的控制，并接收或发送需要处理的数据完成某个特定任务的数据处理过程。作为核心的单片机最小系统的选择非常多，多核心单片机实验箱的设计兼顾教学与控制开发，根据不同任务和学习层次设计多款不同种类单片机最小系统板，选用的单片机及其资源如表1所示[2-4]。

图1 星形拓扑单片机实验箱Fig.1 Star topology experiment case

单片机最小系统包括单片机、电源、复位电路(含上电复位及按键复位)和时钟电路。[5]在最小系统设计时，考虑到单片机工作的稳定性和针对特定任务的可移植性，将晶振和电源接口保留，I/O端口采用IDC封装的接插件与实验箱底板对接。由于，选择的单片机在程序下载时采取不同的方式，最小系统板上根据单片机的不同设计下载接口如ISP接口、JTAG接口等，如图2所示。

2 硬件设计

选用不同的单片机核心进行实验控制，设计理念与传统实验箱不同，由此带来的硬件设计过程也发生了变化。本节主要讨论多核心单片机实验箱的硬件设计过程中的特殊部分，为此类设计提供参考。

在目前大多数电子系统中，对电压电平转换的需求非常普遍。本设计中单片机（MCU）可能在电源电压VCCA下工作，而功能模块中的I/O 设备可能在电源电压VCCB下工作。为了使这些器件间能够互相通信，需要如图3所示的电平转换解决方案。

表1 最小系统单片机资源对照Tab.1 Microcontroller minimum system resource control

图2 实验箱最小系统核心板原理图Fig.2 Core plate minimum system diagram of the experimental box principle

图3 电平转换解决方案示意图Fig.3 level conversion solution

该电平转换方案是单片机控制核心能够与各实验功能模块无缝衔接的硬件保证。随着控制核心的更换，电平转换模块也要根据其电平的不同进行电平的匹配。常用的电平转换方案如表2所示。

由表2可知，实现逻辑电平转换的方法有很多种，每种都具有其自身的优缺点。对于大多数电平转换应用领域，使用双电源电平转换器通常是最佳选择。本实验箱设计选用德州仪器（TI）公司的双电源转换芯片SN74LVC8T245进行设计。

使用SN74LVC8T245根据单片机系统板和功能模块工作电平不同，在VCCA和VCCB端连接相应的电源，再由单片机控制SN74LVC8T245的DIR、/OE引脚即可达到设计要求。由此使得电源的设计要能够实现多电平供给。电源作为电子设备的能量核心在多核心单片机实验箱的设计中采用多电源模块构成电源单元，以匹配不同的电平要求。考虑到电源稳定性，纹波，功耗，体积等因素，选用TI公司的PTH03050W作为电源核心。

表2 电平转换方案比较Tab.2 Level conversion scheme comparison

图4 3.3 V电源电路原理图Fig.4 3.3 V power circuit diagram

PTH03050W是一款针对低功耗多电压输出电路设计的电源模块，它提供高效率，高精度，大电流的电压转换。[6]工作时，输入电压为5 V，选择不同的取样电阻R SET，就可以得到0.8～3.6 V范围内的任意电压值。据此，本实验箱的3.3 V电源设计如图4所示，从图中可以看出该模块使用十分方便，配置了必要的输入输出电容后，RSET为710 Ω时，就可以在输出端得到3.3 V的电压。

实验箱控制核心采用不同类型的单片机，处理能力，可用I/O端口数量都不相同。尤其是在I/O资源有限的单片机系统中，I/O端口能够分时复用将极大节约诸如AT89S51单片机的端口资源。常用的解决端口资源紧缺的方法包括减少外围器件所需的控制总线的数目，采用端口复用技术增加端口数目。[7]实验箱设计中采用增加锁存器来实现端口的复用。如8位数码管实现动态显示，8位段码数据和8位位扫描数据需要占用16位I/O端口，若使用AT89S51作为控制核心来实现稍复杂的控制系统，资源将十分紧张。在电路设计时选用两片74HC573连接到单片机的同一端口，分时接收段码和位码数据则数据线只使用8位，另外增加两根口线分别使能两个不同的芯片就可以在程序的配合下轻松完成数码管动态显示的任务，即增加锁存器可以使原本需要16位线完成的任务现在只需要10位端口就可以完成。实现这一过程的实际的工作电路如图5所示。在单片机程序控制下某端口输出高电平使得WELA信号有效，芯片U3接收位扫描码并锁存输出，实现位扫描；下一时刻DULA有效，芯片U4接收位段码数据并锁存输出，实现段码显示，如此循环实现了数码的动态显示。

图5 锁存器实现数码管段码位码复用原理图Fig.5 Latch the realization of digital tube segment coded multiplexing principle diagram

3 结束语

多核心单片机实验箱的设计实现解决了单片机实验分层次教学，为学生动手能力的培养，思考创新性的突破搭建了平台。通过规划实验箱的架构和硬件设计为此类电路的设计提供了一些可参考的方案。

[1]陈宏希,梁璐.51单片机应用技术（C语言版）[M].北京：化学工业出版社,2012.

[2]Microchip.Microcontrollers Product Selector[EB/OL].America Oregon:Microchip.2010,10[2014.1].http://www.doc88.com/p-660150465444.html

[3]谢楷,赵建.MSP430系列单片机系统工程设计与实践[M].北京：机械工业出版社,2009.

[4]范红刚.AVR单片机自学笔记[M].北京：北京航空航天大学出版社,2012.

[5]朱向庆,黎东涛.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.ZHU Xiang-qing,LI Dong-tao,Three in one experiment case design for the project teaching method[J].Experimental Technology and Management,2013,30(7):55-59.

[6]姜涛.FMCW小型SAR信号处理机设计[D].西安：西安电子科技大学,2012.

[7]卓晴,李旭春.一种新的单片机端口复用方法[J].电子技术应用,1998(11):7-9.ZHUO Qing,LI Xu-chun.A new microcontroller port multiplexing multiplexing method[J].Application of Electronic Technique,1998(11):7-9.