基于模块化技术的单片机实验基础电路板设计与实现

綦志勇　鲁立

摘要：物联网技术再次激发了单片机技术的发展，但是当前的单片机技术对于实验与验证有较大局限性，这体现在只完成核心板设计但是电源引出不足，或者是跳线复杂；并且在模块化、集成化方面仍然很受限。因此本文提出了一种使用模块化的设计技术来设计实验基础电路底板，这便于在前期技术验证的时候有较灵活的验证电路来支撑基本功能模块的测试，并为后续产品化电路设计提供前期验证的支持。

关键词：物联网；单片机；模块化；验证

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）35-8548-03

目前，单片机技术伴随着物联网技术[1]迎来了二次发展机遇期。这主要依赖物联网的计算元节点[2]无一例外地采用了单片机技术。并且在很多应用场合，单片机技术仍然有很大的想象空间。但是，需要看到的问题也非常突出，综合起来有如下几个方面。

1） 很多用户需要在前期验证其电路的正确性，采用的办法就是自行搭建一个单片机核心板，并在此基础上外接其他接口与应用电路模块。但是需要看到的是，复杂的连线，电源接口提供有限，模块与模块之间跳线众多、导致接触不良频发。

2） 如果一旦制版，发现错误又再次改版、再错再改这样会陷入制版次数太多的问题，导致成本增加。如果肯能，在早期能够直接通过模块化较为固定的搭接电路来验证原型功能，则改版的概率将大大降低。

3） 如果有可能使用某种单片机模块化底板技术，则在初步验证、学生使用、教学使用等应用领域将是非常有效的手段。

1 研究背景

模块化技术一直以来常用于软硬件开发过程，软件上采用中间件技术[3]，硬件上采用标准模块化技术[4]。模块化对设计而言产生了深远的影响，从嵌入式技术角度出发，模块化减少了设计技术中的复杂性，并且增加了设计灵活性。因此在产品设计过程中，采用模块化技术实现前期的验证是一个很好的手段。一般而言，在嵌入式系统设计[4]当中，尤其是单片机系统设计当中，很多模块是常用并且用了很多年的技术，已经非常成熟了。物联网概念提出之后，对于基于单片机的嵌入式系统设计也就是增加了通讯模块与协议软件。其中比较重要的是协议软件，通讯模块也能够实现标准化。该文在此仅讨论使用宏晶科技公司的STC12C5A60S2芯片[5]作为单片机主控制核心来完成模块化设计工作。

单片机底板设计对很多嵌入式开发用户来说是一件很简单的事情，但是对于产品开发而言，为了降低成本的前期系统搭建是必要的。这种系统的搭建可以在后期降低改版次数，并实现初步技术上的验证工作[6]。但是需要看到的是，由于工程师的个体差异性与核心板搭建过程中的随意性，问题百出。典型的情况就是采用多孔实验板搭建的单片机系统核心，由于前期布线考虑不周，以至于后期需要搭建外部模块化电路的时候，跳线多、电源分布不均匀、线路板分布电容杂散电容问题突出、没有考虑EMC等等问题，导致前期验证工作耗时耗力效果不一定理想，并且延误工程周期[7]。所以本文提出一种基于模块化技术的单片机核心板设计思路，希望对前期嵌入式技术验证工程师而言起到一定参考作用，并希望本文的设计思路对行业当中从事单片机教学的工作者有一定参考作用。

2 基于模块化技术的单片机核心板设计

基于模块化技术的单片机核心板设计方法源于模块化设计思维。首先，模块化是现代软硬件设计的基本方法。软件设计当中采用基于中间件的模块化设计技术，而硬件设计当中采用标准的硬件模块来快速搭建应用电路。第二，模块化技术有助于快速定位问题。在现代系统设计当中，实际应用电路总会在调试阶段出现某些问题，采用模块化设计之后，定位、隔离、修改、更新问题成为较为方便的手段。当找到问题之后，通常只需对模块进行替换、修改或重新设计有助于减小问题的规模。第三，模块化技术在本专业的教学当中能够使得学生逐步从简到繁，一步一步掌握接口技术应用电路设计的设计与实现。该文采用的模块化方法为预留方式，预留方式为各种模块预留一定位置，用户可以依据自身需求来进行模块的添加与卸载。总体的设计思路分为几个步骤：设计核心电路模块、设计外部模块接口、设计底板预留部分。以下就依照这几个步骤来完成模块化技术的单片机核心板设计。

2.1设计核心电路模块

本文采用的核心为STC12C5A60S2芯片，用户也可以借鉴本文的思维开发其他的核心来作为主控。核心的总体设计为几个部分：电源部分、晶振部分、复位部分、核心单片机部分等。

1） 电源部分设计

考虑到外部模块采用何种供电方式是不确定的，这里的设计仅考虑输出5V与3.3V。由于输入电源可以直接采用5V电源，则如果采取此方式则直接引出5V；如果输入电源为220V交流，则需要进行交流转5V电源模块的设计。为简化问题，该文采用输入电源为外部电源5V直流输入的方式。则应用设计的原理图如图1所示：

图1中（a）为输入电源接头，为直流5V，1A；图（b）为DIP-6的6脚输入电源开关，用于STC单片机的冷启动[8]操作。图（c）为USB连接接口，用于计算机为核心板提供电源。考虑到输出为5V与3.3V则输出电路设计如图2所示：

（c）

图2 输出3.3V电源电路与输出电源组部分

图2中，（a）为输出3.3V提供电路，（b）为输出5V电源组接口部分电路，（c）图为输出5V与3.3V电源接口部分电路。这样，核心板上提供了众多的输出电源以便于后续用户扩展其需要的模块电路提供充足的电源组。考虑到扩展电源模块问题，也就是有些用户希望自行扩展自己的电源模块，所以在电路设计过程中需要扩展外部电源模块，其接口设计如图3所示：

预留该接口则用户可以自行设计电源模块，并将其输出设计为5V直流，则核心板仍然可以正常工作。

2） 晶振部分设计

为满足核心单片机部分的三大工作条件之一时钟电路，该文设计时钟电路（晶振部分）如图4所示：

图4中的晶振电路采用了18.432Mhz的晶体振荡器，使用18.432Mhz晶振的优势在于：如果希望单片机与PC机进行通讯，则当采用该参数的晶振计算波特率时，某些速率的误码率为0相对适合。

3） 复位部分设计

为满足核心单片机部分的三大工作条件之一复位电路，该文设计复位电路如图5所示。

4） 核心电路模块部分设计

核心电路模块部分设计包含：核心处理器部分、芯片滤波部分、系统电源指示灯部分、P0口上拉部分。具体设计电路如图6所示：

5） 设计底板预留部分

设计底板预留部分主要为预留各种基本接口。此部分一般应依据用户需求来设计，但是此处可以采用预留几种标准方式来完成：预留流水灯、预留USB外部模块接口、预留232模块接口、预留全部I/O接口。见图7所示：

图7中（a）显示了USB外接模块与RS232外接模块的接口，图（b）显示了LED流水灯的模块，该模块主要用户在使用I/O口进行数据传输过程中的人为状态可视化判定，图（c）显示了外部I/O接口模块。

综上所述，在原理图设计上的模块化工作基本上围绕着核心电路设计与外部模块引出两个方面。其中，电源组的接口希望尽可能地多；其他部分接口应该尽可能引出，以满足用户扩展需求。原理图部分显示的仅仅是一个概念性的设计，实际电路对于模块化的支持在机械路板布局方面应予以充分支持。因此，下一节重点介绍实际电路布局中对模块化的支持。

3 实现与验证

通过上述的原理图设计可见，在原理图层面对模块化的支持是充分预留各种接口，以备用户未来的模块扩展用；但是，仅有原理图层次的模块化支持远远不够，这是由硬件模块本身就是一个实体模块决定的。实体模块存在机械尺寸、电源支持、信号连接以及在电路板上如何稳定地固定等问题存在。因此对机械电路板设计当中应当充分考虑这些因素并尽可能规避某些影响上述因素的问题。

1） 支撑模块化硬件结构的底板布局

硬件模块以模块功能为划分基础，通常有电源与复位部分电路模块、通讯电路模块、USB电源与3.3V供电模块、核心控制底板模块、其他预留模块等部分。整个底板的PCB图如图8所示：

由图8（a）可见七个任意扩充均有机械安装孔的模块预留，允许用户采用通用连接件任意固定各种需要的自由设计模块。（a）图左侧剩余三个模块为：电源与复位模块，用于外部电源模块用户设计输入、或是直接5V直流输入，并提供一个复位、一个总电源开关、一个外部5V电源输入接头、3组5V输出、3组3.3V输出；串行通讯模块，用于外部用户自定义RS232电平转换输入，或是USB转232电平转换模块输入，并附带了安装孔，允许用户采用通用连接件任意固定这些模块；3.3V 电源转换模块，允许用户直接使用USB电源作为输入，并转换系统电源5V直流为3.3V直流输出。（b）图上丝印层有版权标记。以上就是模块化设计的底板PCB结构图全貌。

2） 实际电路板与测试验证

实际制版之后的电路需要经过测试验证，实际制版并焊接元器件之后的实际电路图如图9所示：

连接RS232模块到电脑的串口后，通讯成功。该文的测试分别使用了RS232连接线连接到电脑与USB转串口（分别测试了CH340主控、PL2303主控、FT232主控等串行转USB）连接到电脑，经测试下载正常、运行测试代码（跑马灯，测试10片主板）均正常。

通过上述设计与实现过程可见，硬件的模块化设计技术在于依照功能的模块划分。且在底板设计过程中，重点需要考虑的是模块的电源支持、机械固定方式、接口连接等问题。充分考虑这些问题可以设计出具有一定范围内适用性的单片机底板，并具支持前提模块化验证工作。

4 总结与展望

本文提出了一种基于模块化的电路设计技术，主要为满足制版之前的前期技术验证工作。文中重点介绍了采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理单元的原理图、线路板设计方法，着重强调了原理图上的模块接口预留问题并推荐了PCB的机械模块预留方法，使用该方法可以简单设计单片机的主控制底板，并能较好地支持模块化前期验证工作。由于经验与技术有限，在原理图与PCB布局方面本设计仍略显不足，在后续的研究中将加入常用的接口模块电路到各个模块部分中，使得该基础电路设计更具针对性、与扩展性。

参考文献：

[1] 陈海明，崔莉，谢开斌.物联网体系结构与实现方法的比较研究[J].计算机学报，2013（1）：168-188.

[2] 綦志勇，常排排，面向普适计算环境的嵌入式系统研究[J].计算机科学，2011（l3）：179-181.

[3] 丁博，王怀民，史殿习.普适计算中间件技术，计算机科学与探索[J].2007（3）：23-25.

[4] 叶俊民，綦志勇.基于计算元的普适计算的系统结构框架研究[C].PCC2009，第五届全国普适计算学术会议，2009：1015-1022.

[5] 崔国丽，车喜龙，基于STC12C5A60S2与AD620的小信号采集系统[J].电子设计工程，2012（11）：112-114.

[6] 荣国平，刘天宇，谢明娟，陈婕妤，张贺，陈道蓄.嵌入式系统开发中敏捷方法的应用研究综述[J].软件学报，2012（11）：267-283.

[7] 夏鑫.基于MCU嵌入式系统的构件化开发模式研究[M].电子科技大学，2008.

[8] 卢轶楠，王学伟.STC15F104E的STC单片机自动下载系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（11）：76-77.