多功能微控制器与可编程逻辑器件实验箱设计

朱向庆，朱万鸿，钟创平，何昌毅

多功能微控制器与可编程逻辑器件实验箱设计

朱向庆，朱万鸿，钟创平，何昌毅

（嘉应学院 电子信息工程学院，广东 梅州 514015）

为了提高实验设备的利用率，提出一种多功能微控制与可编程逻辑器件实验箱设计方案。该实验箱采用“主板+核心板”的模式，主板上集成输入模块、输出模块、模拟量模块、串行总线模块、通信模块和电源模块，核心板有4款，包括51单片机、STM32单片机、CPLD及FPGA。实验证明，核心板能够控制主板上的所有模块，完成单片机与可编程逻辑器件的仿真及下载实验，具有性价比高、操作简单、扩展性强、升级方便等特点，可在单片机、数字电路与数字逻辑、EDA技术、嵌入式系统、物联网技术等课程中推广使用。

微控制器实验箱；可编程逻辑器件实验箱；下载实验；仿真实验

单片机、数字电路与数字逻辑、EDA技术[1]、嵌入式系统、物联网技术等是高校电子信息、通信、自动化等工科专业常开设的核心课程，其实验设备的特点是以某种处理器或可编程逻辑器件为核心，控制其他外部设备，实验目的是掌握器件编程技术。而它们的外部设备有不少相同或相似之处，因此可以将实验箱进行整合。现有一些实验设备，可完成“ARM+DSP+ FPGA”实验[2]或“单片机+EDA”实验[3-5]，但它实际上是由独立的嵌入式、DSP、EDA或单片机实验箱构成；或者在一个实验平台上集成单片机、CPLD、FPGA、STM32中的多款[6]，因为共用一个下载/调试接口，往往不能同时完成两款微处理器或两款可编程逻辑器件实验。同时因为硬件电路固定，没法进行升级，也不方便使用者自行设计实验项目，不利于使用者发挥创新性。

因此，设计一款多功能微控制与可编程逻辑器件实验箱，以同时满足多门课程的教学需求，提高设备利用率，避免重复投资。

1 设计思路

设计的实验箱主要解决以下几个方面的问题：

（1）多芯片学习。实验箱可根据需要完成不同的微控制器（51单片机、STM32单片机）或可编程逻辑器件（CPLD、FPGA）实验，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。一个箱子，多种用途，节约设备购置成本。

（2）便于升级。实验箱采用“主板+核心板”的结构化设计方法，主板上的设备可由核心板控制。伴随芯片技术的不断发展，后续设计的新款核心板同样可以方便地安装至主板上，以满足不同层次学生的需求。

（3）可自主开发实验项目。核心板上微控制器或可编程逻辑器件的I/O接口通过香蕉插座引出，使用者可以连接控制其他功能模块，以“搭积木”的方式自主设计实验项目[7]。

（4）顺应通信技术发展的趋势。实验箱主板内置Wi-Fi模块、蓝牙模块、RFID模块、GPRS+GPS模块、以太网模块、nRF24L01模块以及红外接收头，可供任课教师传授目前流行的无线数据传输技术，或者学生自主学习通信技术，进一步激发学生的学习热情。

2 系统硬件结构

图1是实验箱各功能模块连接框图，实验箱有2个核心板底座，可以单独或同时安装图2所示的51单片机、STM32单片机、CPLD或FPGA中的任意一款核心板，单独控制主板上的输入模块、输出模块、模拟量模块、串行总线模块和通信模块。2个核心板有各自独立的下载/调试接口，计算机可以通过该接口给核心板的微控制器或可编程逻辑器件编程，或进行仿真实验，核心板之间也能够相互通信[8-9]。

图1 电路结构连接框图

2.1 核心板电路框架

图2是4个核心板的硬件框图，它们都包含最基本的微控制器/可编程逻辑器件、时钟电路、复位电路、电源接口、串行通信接口/JTAG接口、I/O口扩展引脚。电源接口、串行通信接口/JTAG接口都引出至核心板的2×20P牛角母座；核心板通过牛角母座安装至主板的核心板卡槽（2×20P牛角公座）。图2（b）所示的STM32核心板还包括TFT液晶触摸屏、Micro SD卡存储器、EEPROM存储器、Flash存储器等，图2（d）所示的FPGA核心板还包括SDRAM存储器和Flash存储器。

2.2 输入模块

输入模块主要用于实现人机交互功能，让微控制器接收操作者的指令。它包括由4个轻触开关构成的1×4独立按键，由16个轻触开关构成的4×4矩阵键盘，以及1×8自锁开关。

图2 核心板电路框架

2.3 输出模块

输出模块用于完成声光输出，包括无源蜂鸣器电路、8×8单色LED点阵电路、四位一体共阳数码管电路、1×8发光二极管电路、1602字符液晶电路、8.13 cm（3.2英寸）USART智能串口触摸屏。智能串口触摸屏除了完成输出功能外，还可以实现触摸输入。显示屏自带GUI，该GUI可采用图形化的USART HMI软件快速开发。即便是彩屏，它也无需额外的驱动电路及复杂的程序；任何有串口通信功能的处理器都可以通过串行通信跟触摸屏交互信息。

2.4 串行总线模块

串行总线模块包括单总线（1-Wire）数字温度传感器电路及实时时钟电路。数字温度传感器电路核心器件是Dallas公司生产的DS18B20，可完成单总线通信实验，测量实验箱周围环境的温度。实时时钟电路核心器件是DS1302，它是Dallas公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片，采用三线制SPI总线与处理器通信，可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。

2.5 通信模块

通信模块包括Wi-Fi模块接口、RFID模块接口、以太网模块接口、GPRS+GPS模块接口、红外接收头电路、nRF24L01短距离无线通信模块接口和蓝牙模块接口。

Wi-Fi模块接口安装Wi-Fi模块ESP8266，它内置的核心器件为乐鑫公司的ESP8266EX，微控制器通过UART串口连接该模块，可以通过Wi-Fi上网或连接智能手机。

RFID模块接口安装RFID模块MF RC522，该模块内置NXP公司生产的非接触式读写卡芯片RC522。RC522模块默认控制接口为UART，通过调整板上的电阻，还可以使用SPI或I2C总线进行控制，以实现近场通信。

以太网模块接口安装W5500以太网模块，微控制器通过SPI口连接该模块，完成以太网通信实验[10]。

GPRS+GPS模块接口安装安信可科技公司的GPRS+GPS A7模块。该模块支持GSM/GPRS 4个频段，支持GPRS Class 10，支持语音通话、SMS短信、GPRS数据业务、标准GSM AT命令、TCP/IP命令，支持GPS+AGPS。微控制器通过UART串口与该模块连接，即可通过GPRS上网、收发手机短消息及GPS定位导航。

红外接收头电路由一体化红外接收头1838T构成，微控制器通过外部中断接口连接1838T，即可用软件进行红外接收、解码。

nRF24L01短距离无线通信模块接口安装nRF24L01模块，其核心器件是Nordic公司的单片射频收发器nRF24L01[11]。微控制器通过SPI口连接该无线模块，即可与其他实验箱的nRF24L01无线模块组网通信。

蓝牙模块接口安装汇承信息科技公司的主从一体HC-05蓝牙模块，微控制器通过UART串口连接该模块，可以与其他蓝牙设备通信。

2.6 模拟量模块

模拟量模块包括ICL7109模数转换模块及DAC0832数模转换模块。ICL7109是美国Intersil公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的12位双积分型A/D转换器，并配有较强的接口功能，方便与各种微处理器相连。DAC0832是TI公司生产的8位并行D/A转换器，具有接口简单、转换控制容易、价格低廉等优点。

2.7 电源模块

实验箱底部安装一个开关电源，它提供±12 V及+5 V直流电源。因为开关电源输出的直流电压纹波较大，而模拟量模块的实验，要求参考电压及输入电压纹波尽量小；因此采用L7805线性稳压器，将开关电源输出的+12 V转换为纹波较小的+5 V，提供给模拟量模块。同时，采用AMS1117-3.3芯片，将开关电源输出的+5 V转为+3.3 V输出，提供给需要+3.3 V供电的器件。

3 实验板结构及功能模块布局

实验箱整体结构见图3。电源插座引入220 V交流市电，经过电源开关后，接入开关电源，开关电源输出±12 V和+5 V的直流电，再送至PCB板中的电源模块，为整个实验箱元器件供电。

图3 实验箱整体结构

实验箱面板功能模块布局如图4所示，核心板座A和核心板座B可以随意安装51单片机、STM32单片机、CPLD或FPGA中的任意一款核心板。下载/调试模块A和下载/调试模块B都包含串口和JTAG口，分别单独与核心板座A和核心板座B的核心板卡槽连接。板载大部分功能模块都可以方便地进行拆装，以方便维护、升级，提高利用率。

图4 实验箱功能模块布局

图5是第3版的实验箱照片，已批量制作35套，并在实验教学中投入使用。

图5 实验箱照片

4 实验板工作方式

在核心板座上安装好微控制器或可编程逻辑器核心板，通过带香蕉插头的线缆连接核心板座与主板上的各功能模块，可完成表1中的24个实验项目。

若在51单片机核心板上安置宏晶公司的STC单片机，下载/调试模块通过串口线缆连接计算机串口，可以使用STC-ISP软件完成单片机下载实验，让实验箱脱离计算机，全速运行单片机程序。若安装的是SST公司的SST89E516RD单片机，计算机端运行Keil uVision软件，无须购置价格昂贵的单片机硬件仿真器，就可完成单片机硬件仿真实验，进行程序调试。

下载/调试模块通过JTAG接口连接ST-LINK调试器，调试器再连接计算机USB口，计算机端运行Keil RVMDK或ST-LINK Utility等软件，可以完成STM32单片机硬件仿真与下载实验[12]。

表1 实验箱可以完成的实验项目

下载/调试模块通过JTAG接口连接USB Blaster编程器，编程器与计算机USB口连接，计算机端运行Quartus II软件，能够给CPLD或FPGA等可编程逻辑器件烧写程序[13]。

5 结语

实验箱可在单片机、数字电路与数字逻辑、EDA技术、嵌入式系统、物联网技术等课程的实验教学和课程设计中使用，也可用于学生课外科技创新、工程训练、学术竞赛训练及毕业设计等。实验箱扩展性强，如再研制AVR单片机、DSP、SOPC、PSOC等核心板，同样可安装至实验箱的核心板座，完成相应课程的实验。实验箱已取得国家专利授权，曾获第四届全国高等学校自制实验教学仪器设备三等奖，参与全国高教仪器设备展和广东高校建设成效和科技成果展，获国内高校同行及企业工程师的好评。

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Design of multifunctional microcontroller and programmable logic device experimental box

ZHU Xiangqing, ZHU Wanhong, ZHONG Chuangping, HE Changyi

(School of Electronic and Information Engineering, Jiaying University, Meizhou 514015, China)

In order to improve the utilization ratio of experimental equipment, a design scheme of multi-functional micro-control and programmable logic device experimental box is proposed. The experimental box adopts the mode of “Motherboard + core board”. The motherboard integrates input module, output module, analog module, serial bus module, communication module and power module, and the core board has four modules including 51 MCU, STM32 MCU, CPLD and FPGA. The experiment proves that the core board can control all the modules on the motherboard and complete the simulation and download experiments of the MCU and programmable logic device, which has the characteristics of high cost performance ratio, simple operation, strong expansibility and easy upgrading. It can be widely used for the courses of the MCU, digital circuit and digital logic, EDA technology, embedded system, Internet of things, etc.

microcontroller experimental box; programmable logic device experimental box; download experiment; simulation experiment

TP368.1; G484

A

1002-4956(2019)09-0077-05

2019-02-22

2019-04-08

广东省本科高校高等教育教学改革项目（粤教高函〔2018〕1号-525）；广东省重点平台及科研项目（2015GXJK132）

朱向庆（1979—），男，广东梅州，硕士，副教授，研究方向为单片机与嵌入式系统、短距离无线通信。

E-mail: zigbee@263.net

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.020